La fusion thermonucléaire est envisagée comme nouvelle source énergétique pratiquement inépuisable. Le projet ITER « International Thermonuclear Experimental Reactor » doit démontrer la faisabilité scientifique et la maitrise de la fusion thermonucléaire. Le tungstène (W) a été choisi pour recouvrir le « divertor », un composant essentiel du réacteur ITER. Il sera soumis à des conditions extrêmes de fonctionnement : au bombardement neutronique, à d’intenses flux de chaleur et de particules (hélium, hydrogène). Ces conditions induiront dans le W des défauts et introduiront de l’hélium et de l’hydrogène, qui pourront conduire à des modifications de sa microstructure et de ses propriétés physiques, chimiques et mécaniques. L’objectif de ce travail est d’étudier, à l’échelle atomique, l’évolution de la microstructure du tungstène sous irradiation. Afin de simuler les atomes de recul générés par les irradiations aux neutrons, des échantillons de W ont été irradiés avec des ions lourds et/ou implantés avec de l’hélium. La nature des défauts a été étudiée à l’aide de la Spectroscopie d’Annihilation de Positons (PAS). Les résultats montrent que les irradiations aux ions lourds conduisent à la formation de monolacunes et de clusters lacunaires dont la taille et la concentration augmente avec la fluence. Des irradiations ou des recuits effectués à une température supérieure à 450 K conduisent à l’agglomération des défauts lacunaires essentiellement par migration des monolacunes. Pour des recuits à très hautes températures (1773 K), les observations MET montrent la présence de cavités nanométriques (∼10 nm). Les implantations avec les ions 4He 60 keV induisent dans le W une distribution de défauts complexes de type nHe-mv, ainsi qu’une faible concentration de monolacunes v. Une majorité de complexes He-v est formée pour la faible fluence et la fraction des défauts complexes (nHe-mv) augmente quand la fluence augmente. La nature et la distribution des défauts évolue en fonction de la température de recuit et dépend du ratio [He]/[v]. Le premier stade de recuit des défauts lacunaires (∼ 450 K) est masqué par la présence de l’hélium dans les défauts lacunaires. Pour un ratio [He]/[v] supérieur à 1, un stade d’agglomération des défauts est clairement observé à partir de 1623 K. Pour des conditions d’introduction de défauts et d’hélium proches de celles attendus dans les réacteurs de fusion (He/dpa allant de 0.03 à 8 appm He/dpa), la signature positon après irradiation est similaire à celle mesurée dans des échantillons seulement endommagés dans des conditions équivalentes mais sans introduire de l’hélium. Pour des rapports He/dpa allant de 0.3 à 8 appm He/dpa, les recuits révèlent des différences de distribution en taille et en concentration des défauts lacunaires. La présence d’hélium dans les amas lacunaires modifie les caractéristiques d’annihilation des positons et favorise la stabilisation des amas lacunaires. / Thermonuclear fusion is envisaged as a new energy source practically inexhaustible. The project ITER "International Thermonuclear Experimental Reactor" must demonstrate the scientific feasibility and the control of thermonuclear fusion. Tungsten (W) has been chosen to cover the "divertor", a critical component of the ITER reactor. It will be subjected to extreme operating conditions : to the neutron bombardment, to intense fluxes of heat and particles (helium, hydrogen). These conditions will induce defects in the W and will introduce helium and hydrogen which may lead to changes in microstructure and physical, chemical and mechanical properties. The aim of this work is to study, at the atomic scale, the evolution of tungsten microstructure under irradiation. In order to simulate the recoil atoms generated by the neutron irradiation, W samples were irradiated with heavy ions and/or implanted with helium ions. The nature of the defects has been studied by using Positron Annihilation Spectroscopy (PAS). The results show that irradiations with heavy ions lead to the formation of monovacancies and vacancy clusters whose size and concentration increase with the fluence. Irradiations or annealing carried out at a temperature above 450 K lead to agglomeration of vacancy defects essentially by monovacancies migration. For annealing at high temperatures (1773 K), the TEM observations indicate the presence of nanometric cavities (~ 10 nm). The implantations with 60 keV 4He ions induce in the W a distribution of complex defects like nHe-mv, as well as a low concentration of monovacancies v. A majority of complex He-v is formed for the low fluence and the fraction of complex defects (nHe-mv) increases as the flunce increases. The nature and distribution of defects evolve with annealing temperature and depend on the ratio [H]/[v]. The first stage annealing of vacancy defects (~ 450 K) is masked by the presence of helium in the vacancy defects. For a ratio [He]/[v] greater than 1, an agglomeration stage of defects is clearly observed from 1623 K. For conditions of introduction of defects and helium close to those expected in fusion reactors (He/dpa from 0.03-8 appm He/dpa), positron signature after irradiation is similar to that measured in samples damaged in equivalent conditions without introducing helium. For ratio He/dpa from 0.3 to 8 appm He/dpa, the annealing reveal differences in size distribution and concentration of vacancy defects. The presence of helium in the vacancy clusters changes the annihilation characteristics of positron and favors to stabilize the vacancy clusters.

Le projet CaLIPSO (Calorimètre Liquide Ionisation Position Scintillation Organométallique) a pour ambition de mettre au point un détecteur de γ 511 keV très efficace et très rapide pour la tomographie par émission de positons. Pour cela nous utilisons comme milieu de détection un nouveau liquide, le TMBi (TriMéthylBismuth). Dans le TMBi, l’interaction de photons γ produit des photons optiques et des paires électrons-ions. Le but de cette thèse est de mesurer les paramètres d’ionisation du TMBi et de construire, un détecteur de charge instrumentant efficacement ce liquide, et son électronique associée. Afin de pouvoir détecter les électrons libres créés par l’ionisation du liquide, celui-ci doit être ultrapur, c’est-à-dire débarrassé de tout composé électronégatif qui pourraient capturer les électrons et diminuer le signal. Ceci a été travaillé à l’aide de tamis moléculaires. Les signaux à détecter sont très faibles (fA, fC). Ainsi, l’environnement de l’expérience et le détecteur ont été développés pour des mesures très bas bruit (niveaux de bruit mesurés inférieurs à 10 fA et 200 électrons). Nous avons travaillé à mesurer le rendement d’ionisation (ou Gfi) qui quantifie le rendement de production de charge dans le liquide, la mobilité des électrons dans le TMBi et la résolution en énergie du détecteur. Ce sont les principaux paramètres permettant de valider l’utilisation de TMBi pour l’imagerie TEP. Les futurs développements comprennent la mise en œuvre d’un détecteur densément pixellisé et l’optimisation de la résolution en énergie. / The CALIPSO project (Calorimètre Liquide Ionisation Position Scintillation Organométallique) aims to develop a very efficient and very fast 511 keV γ detector for positron emission tomography. For this we use an organometallic liquid for the detection medium, the TMBi (TriMéthylBismuth). In TMBi, the interaction of a γ photon produces optical photons and electron-ion pairs.The aim of this thesis is to measure the ionization parameters of the liquid TMBi and build an efficient charge detector and its associated electronics.In order to detect the free electrons created by the ionization in the liquid, this liquid must be highly pure (which means free of any electronegative compound which could capture electrons and reduce the signal). This has been worked on using molecular sieves.The signals to be detected are very weak (fA, fC). Thus, the test setup and detector were developed for very low noise measurements (measured noise levels below 10 fA and 200 electrons).We measured the ionization yield (or Gfi) which quantifies the charge production yield in the liquid, the electrons mobility in the TMBi and the energy resolution of the detector. These are the main parameters to validate the use of TMBi for PET imaging.Future developments include the implementation of a pixelated detector and optimization of the detector energy resolution.

Abstract : Normal aging is accompanied by several metabolic and structural changes in the brain and a heightened risk of cognitive decline. These brain changes may increase the chances of later developing Alzheimer’s disease. The first major objective of the present work was to quantify, through positron emission tomography (PET) and volumetric magnetic resonance (MR) imaging techniques, the effects of normal aging on brain metabolism and structure. Our results indicate that brain glucose hypometabolism can be present in older individuals who remain cognitively normal. Cognitive status was assessed using age-normalised neuropsychological tests. Brain glucose hypometabolism was quite specific and affected primarily the prefrontal cortex and the caudate nucleus. Due to the high variation in plasma ketones, brain ketone hypometabolism per se was not present in older persons (≥65 years old). However, a lower rate constant for brain ketone uptake was fairly widespread in our healthy older group. Lower regional brain volume during normal aging was widespread throughout the cortex and was more apparent than cortical thickness loss. The second major objective was to characterize brain ketone and glucose metabolism in the context of mild Alzheimer’s disease. Glucose hypometabolism in Alzheimer’s disease was present in the temporoparietal cortex when compared with cognitively normal older adults. However, no significant differences in brain ketone metabolism or rate constant were found between the two groups. Alternative energy sources to glucose may therefore be beneficial to the Alzheimer’s disease brain, at least early in the disease process, in order to maintain neuronal capacity and limit synaptic loss and decline in memory and cognition. // Résumé : Au cours du vieillissement normal, le cerveau va subir plusieurs changements métaboliques et structuraux qui vont accroitre le risque de déclin cognitif et du fait même augmenter le risque de développer la maladie d’Alzheimer. Les objectifs du présent travail étaient de : 1) quantifier l’effet du vieillissement normal sur la structure et le métabolisme du cerveau, grâce aux techniquesd’imagerie tomographie par émission de positons et l’imagerie par résonance magnétique ; 2) caractériser le métabolisme cérébral des deux substrats énergétiques du cerveau, le glucose et les cétones, dans un contexte de la maladie d’Alzheimer. Nos résultats indiquent qu’un hypométabolisme du glucose est présent chez des personnes âgées (65 ans et plus) qui démontrent pourtant une cognition normale. Cette diminution du métabolisme cérébral du glucose est observée spécifiquement au niveau des régions du cortex préfrontal et du noyau caudé. Du fait d’une grande variabilité au niveau des concentrations plasmatiques en cétones, aucune diminution du métabolisme des cétones n’a été constatée chez les personnes âgées. En revanche, la constante de transfert des cétones au cerveau était globalement diminuée. En ce qui concerne l’atrophie cérébrale au cours du vieillissement normal, nous avons observé qu’elle était globale, qu’elle concerne l’ensemble du cerveau et qu’elle était plus marquée que la diminution de l’épaisseur corticale. En comparant des personnes âgées en bonne santé à des personnes ayant la maladie d’Alzheimer, nous avons également confirmé que chez ces dernières, le métabolisme du glucose est diminué spécifiquement au niveau du cortex temporopariétal. Cependant, aucune différence entre les deux groupes de personnes n’a été observée en ce qui concerne le métabolisme cérébral des cétones. Ainsi en fournissant des substrats énergétiques autres que le glucose, il serait donc possible de maintenir les capacités neuronales, limiter la perte synaptique et ralentir le déclin cognitif. Ceci pourrait constituer une stratégie prometteuse dans la prévention et le traitement complémentaire au début de la maladie d’Alzheimer.

Objectif : Etudier l’impact volumétrique et dosimétrique de l’intégration des données de tomographie par émission de positons (TEP) en radiothérapie (RT) à travers deux modèles cliniques : les cancers oto-rhino-laryngologiques (ORL) et les cancers pulmonaires. Matériel et méthodes : Pour les cancers ORL, après un travail préalable sur fantôme pour mise au point d’une méthode de segmentation automatique par seuillage adaptatif, deux séries de neuf et 15 patients présentant un cancer ORL traité par RT, ont bénéficié d’une TEP respectivement au 18F-Fluorodeoxyglucose (18F-FDG) et au 18F-Fluoromisonidazole (18F-FMISO), traceur de l’hypoxie. Les modifications volumétriques et dosimétriques induites par ces examens ont été analysées. Pour le 18F-FMISO, différents temps d’acquisition et différentes méthodes de segmentation ont également été étudiés. Pour les cancers pulmonaires, l’impact sur la RT d’une TEP-4D au 18F-FDG avec correction des effets de volume partiel (EVP) et application de différentes méthodes de segmentation, a été évalué à travers l’analyse des sept premiers patients inclus dans le protocole PULMOTEP, promu par le CHU de Bordeaux. Résultats : Pour les cancers ORL, la TEP au 18F-FDG a conduit à une réduction des volumes de RT de 40% tout en individualisant des zones de « mismatch » entre TEP et scanner. Pour la TEP au 18F-FMISO, un meilleur contraste des images était retrouvé à 4h. Cependant, les volumes segmentés à 3 et 4h n’étaient pas significativement différents, permettant d’envisager en pratique courante des acquisitions moins tardives à 3h. L’utilisation d’une TEP au 18F-FMISO permettait d’envisager la réalisation d’une « escalade de dose » sur les zones hypoxiques avec une augmentation du taux de probabilité de contrôle tumoral de 18,1% sans augmentation excessive de la toxicité. Pour les cancers pulmonaires, il n’était pas retrouvé d’impact de la correction du mouvement respiratoire, un seul patient sur les sept étudiés présentant une tumeur mobile. Un impact constant de la correction des EVP était par contre retrouvé avec une augmentation de l’activité tumorale maximale de 27% et une diminution des volumes segmentés de 15%.Conclusion : Pour les cancers ORL, la validation de ces résultats nécessite la réalisation d’études cliniques. Pour les cancers pulmonaires, l’utilisation d’une TEP-4D avec correction du mouvement respiratoire doit être envisagée au cas par cas. L’implémentation en clinique de logiciels de correction des EVP semble, par contre, à encourager. / Objective: To study the impact of Positron Emission Tomography (PET) data on radiotherapy (RT) planning through two clinical models: the head-and-neck cancers (HNC) and the pulmonary cancers. Methods and Materials: For HNC, after a previous phantom study in order to determinate an automatic segmentation method with adaptive thresholding, two series of nine and 15 patients selected for RT, underwent PET with 18F-Fluorodeoxyglucose (FDG) and 18F-Fluoromisonidazole (FMISO). The impact on RT target volumes (TV) and dosimetries was evaluated. For FMISO-PET, several time acquisitions and several segmentation methods were assessed. For pulmonary cancers, the use of a four-dimensional (4D) FDG-PET with partial volume effect (PVE) correction and several segmentation methods was evaluated through the first seven patients enrolled in the PULMOTEP protocol performed by the CHU of Bordeaux. Results: For HNC, FDG-PET led to a RT TV reduction of 40%, with mismatches between PET and CT data. For FMISO-PET images, a better contrast was obtained 4h after FMISO injection. However, segmented volumes obtained at 3 and 4h were not statistically different allowing PET- acquisitions at 3h in routine clinical practice. The use of FMISO-PET allows considering « dose escalation » on hypoxic TV with an increase of tumour control probability by 18,1% without excessive increase of toxicities. For pulmonary cancers, there was no impact of the respiratory motion correction but only one patient on seven presented a mobile tumour. PVE correction had impact on RT TV with an increase of the maximal tumoural activity by 27% and a volume reduction of 15%. Conclusion: For HNC, the validation of these results needs clinical and prospective studies. For pulmonary cancers, the use of 4D-PET must be decided case by case. On the other side, the implementation of automatic software for PVE correction seems interesting.

Les altérations du sommeil et du cycle veille/sommeil au cours du vieillissement constituent des facteurs de risque de l’apparition d’un déclin cognitif et de l’évolution vers une démence. Pour autant, le lien entre ces altérations et les modifications cérébrales liées à l’âge reste encore peu connu. L’objectif de cette thèse a été de déterminer si les modifications du sommeil et du cycle veille/sommeil constituaient un marqueur de fragilité cérébrale pouvant être associé à l'apparition de troubles cognitifs chez des personnes âgées de la population AMImage. Nous avons d’abord montré que le désaccord existant entre les questionnaires de sommeil et les mesures objectives en actimétrie est dépendant de l’état émotionnel, renforçant ainsi l’intérêt d’utiliser une méthode de mesure objective du sommeil (Baillet et al., 2016). Puis, grâce à l’imagerie cérébrale, nous avons observé qu’une faible amplitude du cycle veille/sommeil est associée à une altération de la microstructure de la substance blanche, suggérant ainsi une origine vasculaire (Baillet et al., 2017). Nous avons également observé qu'une faible qualité de sommeil est associée à une charge amyloïde plus importante au sein des régions frontales, suggérant un déficit de clairance du peptide β-amyloïde lors du sommeil. Ainsi, les perturbations du sommeil et du cycle veille sommeil chez les personnes âgées seraient associées à deux processus physiopathologiques distincts aboutissant à une fragilité cérébrale. Considérés comme des facteurs de risque modifiables, des interventions visant à améliorer leur qualité offriraient une stratégie prometteuse afin de réduire le déclin cognitif au cours du vieillissement. / Sleep and activity/rest cycle disturbances represent risk factors for the development of cognitive decline and dementia in aging. However, the association between these disturbances and cerebral modifications during aging remains to be explored. The aim of this thesis was to determine if sleep and activity/rest cycle disturbances could constitute a cerebral frailty factor for the development of cognitive decline and dementia in older adults (AMImage cohort). First, we have shown that the discrepancy measured between self-reported sleep questionnaires and actigraphy - used as an objective technique - is influenced by the subject’s mood (Baillet et al., 2016). These results strengthen the use of an objective technique to measure sleep. Thanks to brain imaging, we observed that a reduced 24-h amplitude of the activity/rest cycle is associated with disruption of white matter structural integrity. Our results suggest that cerebral frailty associated with age-related activity/rest cycle dysfunction has a vascular origin (Baillet et al., 2017). Then, we observed that a poor sleep quality is associated with high cerebral amyloid burden, mainly circumscribed to frontal regions. This may be due to a deficit of amyloid-β peptide clearance from the brain during sleep. To conclude, sleep and activity/rest cycle disturbances in older adults may be associated with two separate physiopathological processes leading to cerebral frailty. As sleep and activity/rest cycle are modifiable risk factors, interventions to improve their quality could offer a potential useful strategy for reducing the burden of cognitive impairment and dementia in old age.

Introduction : L'installation de caméras de Tomographie à Emission de Positons (TEP) a eu lieu en 2003 dans l'inter région Grand-Est de la France. Plusieurs études ont montré ses performances diagnostiques et ses bénéfices en évitant: des interventions de chirurgie exploratrice devenue inutile (thoracotomie aux séquelles douloureuses, laparotomie exploratrice), et certains examens complémentaires d'imagerie ou d'exploration fonctionnelle inutile. Objectifs : 1) évaluer le changement des stratégies diagnostiques du Nodule Pulmonaire Isolé (NPI) et du Cancer du Poumon Non à Petites Cellules (CPNPC) induit par l'implantation de la TEP dans l'inter - région Grand - Est de la France ; 2) mesurer l'impact du changement sur la qualité de vie des patients atteints d'un NPI et d'un CPNPC ; et 3) étudier le rôle pronostique de la QV sur la survie des patients atteint d'un CPNPC.Méthodes : Etude prospective multicentrique constituant 2 cohortes « Avant (2001 - 2002) » et « Après (2004 - 2005) » de l'implantation de la TEP. Ont été recueillis : les caractéristiques sociodémographiques des patients, clinique du NPI et du CPNPC, les examens diagnostiques et traitements réalisés jusqu'à 6 mois après la fin du bilan. Deux auto-questionnaires de QV (SF36 et QLQ C-30) ont été distribués à 3 et 6 mois après la fin du bilan diagnostique.Résultats : 1) Nous avons observé une diminution du nombre d'examens réalisés au cours du bilan diagnostique d'un NPI de 4 examens en phase avant à 3 en moyenne en phase après. Néanmoins, la fréquence des examens invasifs jugés évitables a posteriori pratiqués chez les patients ayant un NPI bénin n'était pas différente (47% phase avant versus 49% phase après). Un an après son installation, la TEP a été utilisée chez 11% des patients. 2) Les patients atteints d'un NPI et quelque soit sa nature, maligne ou bénigne, ont eu un score moyen de QV plus bas (-8 à -32 points, p<0.001) que celui mesuré dans la population générale française indépendamment du sexe et de l'âge. Les scores QV des patients ayant un NPI bénin se révélaient être statistiquement plus élevés que ceux des patients ayant un NPI malin, notamment dans les dimensions « fonctionnement social », « rôle physique » et « rôle émotionnel » (+10, +14 et +18 points respectivement, p=0,02 à 0,04).3) Les bons scores en fonctionnement physique en SF-36 (HR=0.78 ; IC=0.68 - 0.90 ; p<0.001), et en la limitation due à l?état physique en QLQ-C30 (HR=0.53 ; IC=0.59 - 0.89 ; p=0.003) indiquant une bonne perception des patients sur leurs fonctionnement physique sont liés à une meilleure survie. Les symptômes élevés de constipation (HR=1.18 ; IC=1.005-1.38 ; p=0.04) en QLQ-C30, par contre, est lié à une mauvaise survie. Le sexe féminin est lié à une meilleure survie (HR=0.55 ; IC=0,33 - 0,94 ; p=0,04). Cependant, le stade III et IV du CPNPC est associé à une mauvaise probabilité de survie (HR=1,72 ; IC=1,16 - 2,57 ; p=0,007).Discussion/conclusion : Les stratégies diagnostiques du NPI ont changé. L'impact de cette maladie, mesuré de façon subjective par la qualité de vie (QV) des patients peut indiquer certains domaines essentiels à améliorer dans sa prise en charge car une meilleure QV en oncologie broncho-pulmonaire est associée à une meilleure survie / Background: The Positron Emission Tomography was installed in 2003 in the North-eastern region of France. Previous studies showed its diagnostic performance and its benefices in avoiding: surgical exploratory interventions proved to be unnecessary a posteriori (for example, thoracotomy or laparotomy with painful consequences), and certain complementary imaging tests or unnecessary functional explorations. Objectives : 1) to evaluate changes in diagnostic strategies of Solitary Pulmonary Nodule (SPN) and Non Small Cell Lung Cancer (NSCLC) induced by the implantation of PET in the Northeastern region of France ; 2) to mesure the impact of these changes on the health related quality of life (HRQoL) of patients with SPN and NSCLC; and 3) to study the prognostic role of the HRQoL on the survival of patients with NSCLC.Methodes: An observational, prospective, multi-center design was applied. Two cohorts « Before (2001 - 2002) - After (2004 - 2005) » the PET implantation in the regions were settled up. Data collected included: patients' socio-demographic and clinical characteristics, the diagnostic tests and then treatments that were carried out during 6 months after the end of the diagnostic process. Two HRQoL questionnaires (the generic questionnaire SF-36 and the cancer specific one QLQ-C30) were distributed at 3 and 6 months after the end of the diagnostic process.Results:1) The number of diagnostic tests of patients with SPN decreased significantly from a mean of 4 in the before-PET to 3 tests in the after-PET period. Meanwhile, there was not any difference of the frequency of invasive tests considered unnecessary aposteriori for patients with benign SPN (47% before-PET versus 49% after-PET period). One year after its installation, the PET was used in 11 % of diagnostic strategies. In 7.7% of cases it was used after the bronchoscopy. 2) A comparison of the QoL with that of the French general population revealed that patients with SPN, whatever the diagnosis, benign or malignant, had worse mean scores (-8 to -32 points, p<0.001) compared to the general population with similar age and sex. A difference of 24, 30 and 32 points were observed in the "physical functioning", "emotional role" and "physical role" (p<0.001). The scores of patients with benign nodule were higher than those of malignant, especially on "social functioning", "physical role", and "emotional role" (+10, +14 and +18 points respectively, p=0.02 to 0.04). 3) Good scores on "physical functioning" of SF-36 (HR=0.78; CI=0.68 - 0.90; p<0.001) as well as "role functioning" of QLQ-C30 (HR=0.53; CI=0.59 - 0.89; p=0.003) were related to a better survival. Higher symptoms of constipation (HR=1.18; CI=1.005-1.38; p=0.04) in QLQ-C30 were associated to a worse one. While being a woman was associated to a better survival (HR=0.55 ; CI=0,33 - 0,94 ; p=0,04), the stage III and IV of the NSCLC was related to a lower one (HR=1,72 ; CI=1,16 ? 2,57 ; p=0,007) .Conclusion: The diagnostic strategies of SPN changed after PET was available for medical practice. This study showed the negative impact of SPN to patients' HRQoL. It indicates the domains in which health practitioners could interfere in order to improve the management of these diseases, because this study confirmed previous studies in pulmonary oncology, that patients' QoL is related to the survival

La protonthérapie est une technique innovante de traitement des cancers dans les zones critiques, telles que les yeux ou la base du crâne. Même si le phénomène physique d’interactions des protons dans les tissus est bien connu et présente des avantages pour la protonthérapie, il existe des incertitudes sur le parcours des protons liées aux hétérogénéités des tissus traversés en situation clinique et liées au calcul des paramètres du faisceau dans le planning de traitement qui contrebalancent les avantages théoriques des protons pour la délivrance de la dose. Des méthodes de contrôle de qualité de l’irradiation ont donc été proposées. La plupart reposent sur l’exploitation de la cartographie des émetteurs de positons générés lors de l’irradiation. Ceux-ci peuvent être détectés et quantifiés à l’aide de la tomographie par émission de positons (TEP), une technique d’imagerie médicale utilisée principalement pour établir le bilan d’extension des cancers par imagerie. Des acquisitions TEP ont donc été proposées et validées sur des fantômes et chez des patients après protonthérapie pour le contrôle du parcours des protons. Le contrôle s’effectue en comparant la distribution radioactive mesurée en TEP et la distribution β+ simulée. La simulation de l’activité positronique générée par les protons dans le milieu traversé peut être décomposée en plusieurs étapes : une étape de simulation du faisceau de protons, une étape de modélisation des interactions des protons dans l’objet irradié et une étape d’acquisition TEP. Différentes modélisations de ces étapes sont possibles. Au cours de cette thèse, nous avons proposé plusieurs modélisations pour les 3 étapes et nous avons évalué l’apport pour la qualité du contrôle de l’irradiation. Nous avons restreint notre évaluation à la vérification du parcours des protons. Ce travail de thèse s’appuie sur des irradiations en milieu homogène et inhomogène (dans un modèle de tête) réalisé au centre de protonthérapie d’Orsay. Les objets irradiés ont été transportés dans le Service Hospitalier Frédéric Joliot pour l’acquisition TEP. Nous avons comparé l’incertitude sur le parcours des protons à partir des modélisations de la distribution β+ obtenues : 1) En modélisant l’irradiation par un faisceau de protons sous une forme simplifiée et par simulation Monte Carlo. En modélisant la production des émetteurs β+ dans les tissus par simulation Monte Carlo avec le logiciel GEANT4 en incluant les modèles de physiques des versions 9.2 et 9.4 et en utilisant des sections efficaces ; 2) En modélisant l’acquisition TEP avec une modélisation simplifiée et une modélisation Monte Carlo de l’acquisition par la caméra TEP ; 3) Les résultats montrent qu’une modélisation simplifiée du faisceau n’affecte pas l’estimation du parcours des protons. La modélisation Monte-Carlo de la caméra permet de mieux modéliser le bruit présent dans le signal TEP mesuré en milieu homogène. Des résultats préliminaires de la modélisation de la caméra TEP sont présentés dans un modèle de tête (inhomogène). En conclusion, une modélisation simplifiée de la caméra TEP permet d’évaluer le parcours des protons en milieu homogène à 1 mm près, qui est équivalent à la reproductibilité de la mesure TEP post-irradiation telle qu’elle est mesurée par Knopf et al. (2008). / The protontherapy is an innovative technique for cancer treatment in critical areas, such as the eye or the head. Even though the interaction of protons with human tissues is a well-known physical phenomenon which gives rise to the protontherapy, there are uncertainties on the proton trajectory due to heterogeneities in the irradiated tissue, the calculation of the beam parameters in the planning treatment affects the theoretical benefits of the protons and the chosen dose delivery process. Thus, methods for irradiation quality control have been suggested. Most of them rely on utilizing the mapping of the positron emitters generated during the irradiation. They are detectable and quantifiable thanks to the use of the PET (positron emitter tomography), a medical imaging technique mainly used for the cancer expansion assessment. PET acquisitions were proposed and then realized on phantoms and patients after protontherapy. The quality control relies on comparing the measured radioactive distribution to the simulated β+ distribution. The modeling of the positronic activity generated by protons in the irradiated area can be divided into three steps: the simulation of the proton beam, the modeling of the proton interactions in the irradiated object and the modeling of the PET acquisition. Different ways of simulating these steps are possible. This PhD work suggests different ways of modeling the three steps and evaluates theirs benefits for the irradiation quality control. We have restrained our evaluation to the verification of the proton range and to the uncertainties related to the proton range. This research work utilizes on irradiations in homogenous and inhomogeneous areas in a head model. We have compared the uncertainties on the proton range measured thanks to the following β+ distributions: 1) A β+ distribution obtained by modeling the irradiation with a proton beam simulated analytically and simulated using the complete Monte Carlo method; 2) A Monte Carlo modeling of the proton range using the GEANT4 software (versions 9.2 and 9.4) relying and using cross-sections; 3) A simulation of the PET acquisition using a simplified modeling and a Monte Carlo modeling. Our results show that a simplified modeling of the beam does not affect the estimation of the proton range. Besides, the Monte Carlo modeling of the PET camera enables modeling the noise present in the PET signal measured in a homogeneous area. Preliminary results of the PET camera modeling are presented in a head model (inhomogeneous). Finally, a simplified modeling of the PET camera enables evaluate the proton range in a homogeneous area with a 1mm-precision, which is equivalent to the reproducibility of the PET offline measure as described in (Knopf et al., 2008).

L’imagerie TEP repose à l’heure actuelle sur des détecteurs à base de cristaux scintillants ou de semi-conducteurs. Le projet CaLIPSO propose de tirer parti à la fois de l’émission de lumière (par effet Cerenkov) et de l’ionisation du milieu de détection, pour réaliser un détecteur de résolution temporelle et spatiale améliorée. Le milieu de détection, le TriMéthylBismuth liquide à température ambiante, de par sa forte teneur en Bismuth, permet une détection par effet photoélectrique efficace. Cette étude a pour objectif de concevoir et d’optimiser le détecteur optique du projet CaLIPSO, afin de prouver le concept de la détection de photons de 511 keV par effet Cerenkov dans le TMBi, et de caractériser les performances d’un tel détecteur en termes de résolution temporelle et efficacité de détection. Un premier démonstrateur a validé le principe de détection reposant sur l’effet Cerenkov, bien que ses performances soient décevantes. C’est la raison pour laquelle nous avons entrepris un effort d’optimisation en simulation Monte Carlo dans Geant4, afin d’améliorer la collection de la lumière Cerenkov dans le détecteur, et donc son efficacité de détection et sa résolution temporelle. Avant, nous avons mesuré les propriétés optiques du TMBi (indice de réfraction, absorption et diffusion de la lumière), afin d’être capables de modéliser la propagation de la lumière Cerenkov dans le détecteur. Nous avons également optimisé par simulation Monte Carlo l’outil permettant la mesure de résolution en temps, un cristal scintillant de YAP:Ce couplé à un PMT. Cela a permis une mesure plus fine de la résolution temporelle du démonstrateur. A l’issue de ces travaux, nous avons construit un second démonstrateur optique. On mesure alors une efficacité de détection de l’ordre de 32% pour une résolution en temps de 660 ps (FWHM). L’efficacité mesurée prouve que le détecteur est pleinement efficace à détecter les conversions photoélectriques du photon de 511 keV (27% des photons incidents). Plusieurs optimisations technologiques sont proposées pour améliorer la résolution temporelle, et espérer à l’avenir une mesure du temps de vol des photons gamma. / PET detectors are usually based on scintillation crystals or semiconductor materials. The CaLIPSO project aims to build a PET detector working on the double detection of Cerenkov light and pair productions in a novel detection material called TriMethylBismuth. This would allow at the same time an enhanced time resolution (thanks to the Cerenkov signal) and a excellent spatial resolution (thanks to the ionization signal). Liquid TMBi (at room temperature), thanks to its good photo fraction (47%), allows a good detection efficiency, principally by photoelectric effect. In this context, this work aims to design and optimize an optical detector as a proof of concept for the Cerenkov detection of 511 keV gamma photons, and to measure the time resolution and detection efficiency of such a detector. The optical signal based on Cerenkov effect in TMBi has been observed on a first demonstrator, but its performances were clearly inappropriate. So we used a Monte Carlo simulation (Geant4) of the detector in order to model the relevant phenomena and to optimize de detection. It appeared that light collection efficiency in the detector was the most important parameter to optimize so as to improve time resolution and detection efficiency. Before that, we measured TMBi optical properties (refractive index, light absorption and diffusion), in order to model accurately the Cerenkov light propagation in the detector. The tool used for the time resolution measurement is a YAP: Ce scintillator coupled to a PMT. We also needed to optimize this tool in order to allow a more accurate measurement of the detector time resolution. At the end of this work, a second version of the optical demonstrator was built. We measured a detection efficiency of 32%, and a time resolution of 660 ps FWHM. The measured efficiency proved that our detector is fully efficient to detect the photoelectric conversions of the 511 keV photons (27% of the incident photons). Several technological optimizations are proposed to further improve the time resolution, in order to be able to measure the gamma photons’ time-of-flight in the future.

Les travaux effectués au cours de cette thèse s'inscrivent dans le cadre des projets de plateformes d'imagerie métabolique et fonctionnelle consacrées au petit animal. Ils ont mené à la réalisation d'un simulateur Monte Carlo (GePEToS), développé sous GEANT 4 et dédié aux systèmes TEP. GePEToS a été validé sur données réelles et publiées d'une ECAT EXACT HR+ suivant le protocole NEMA. Les fonctions d'un tel simulateur sont de pouvoir produire des données TEP pour le test d'algorithmes de reconstruction d'image et permettre également l'exploration de nouvelles configurations de détecteurs.<br> D'autre part, cette thèse a porté sur la conception d'un TEP au xénon liquide pour l'imagerie du petit animal (µTEP). La partie instrumentale a démarré par une approche conceptuelle d'un détecteur au xénon liquide. Une simulation Monte Carlo complète a permis de définir et caractériser les performances d'un futur µTEP composé de 16 modules de détection disposés en couronne autour de l'animal. L'originalité de ce détecteur réside dans sa capacité à pouvoir fournir la profondeur d'interaction pour chaque particule détectée, ce qui reste encore inaccessible pour l'ensemble des détecteurs TEP actuels. Une partie importante de R&D a consisté à développer et mettre en œuvre la cryogénie du xénon liquide ainsi qu'à définir le système de détection de lumière UV de scintillation du xénon (Lambda = 178 nm). Un module prototype a été réalisé et mis en situation de détection de photons gamma d'annihilation.

L'hadronthérapie est une technique de traitement de tumeurs basée sur l'irradiation par un faisceau d'ions. La distribution de dose peut être contrôlée durant le traitement par plusieurs techniques dont la tomographie par émission de positons (TEP). En effet, les collisions nucléaires entre les ions incidents et le milieu cible produisent des émetteurs bêta+, dont la distribution spatiale est corrélée à la dose. Toutefois, cette application est pénalisée par une faible activité bêta+, une forte activité parasite, et nécessite une reconstruction rapide. La mesure de temps de vol semble un facteur crucial pour rendre cette technique faisable. Ce travail part d'un concept d'électronique frontale basé sur l'échantillonnage et le traitement numérique des signaux de détecteurs pour reconstruire l'énergie et le temps. Les limites statistiques à la résolution temporelle déterminées par le processus de scintillation sont examinées théoriquement. Un dispositif expérimental à deux détecteurs à scintillation en coïncidence est utilisé pour tester différents algorithmes : des discriminateurs (à seuil fixe, à fraction constante) et des filtres numériques (moindres carrés, optimal, passe-bas). Leurs performances temporelles sont similaires, excepté le filtre des moindres carrés, inadapté au bruit non-stationnaire du signal de scintillation. Plusieurs scintillateurs et configurations sont testés, confirmant l'importance du rendement lumineux, des constantes de temps de scintillation et de la réponse du photodétecteur. Un détecteur à base de photodiode à avalanche est testé dans le cadre de la construction d'un démonstrateur multivoies, qui sera utilisé pour des tests en faisceau.