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.

O sistema microPET/CT é um importante equipamento utilizado nas pesquisas de imagem diagnóstica em pequenos animais. O radiofármaco mais usado nesta tecnologia é o fluordeoxiglicose marcado com flúor-18. Este estudo tem como objetivo efetuar o controle radiológico no laboratório de pesquisa microPET/CT do Centro de Radiofarmácia do IPEN-CNEN/SP, de forma a satisfazer tanto as normas nacionais como as recomendações internacionais. O laboratório está classificado pela equipe de radioproteção da instalação como área supervisionada, nas quais embora não seja obrigatória a adoção de medidas específicas de proteção e segurança, devem ser submetidas reavaliações regulares das condições do ambiente de trabalho. Visando assegurar a proteção radiológica dos trabalhadores diretamente envolvidos no manuseio do equipamento, realizou-se o monitoramento do local de trabalho e a avaliação do controle de dose individual. Inicialmente foi feito o monitoramento pré-operacional, isto é, o levantamento radiométrico no laboratório. Além disso, mediu-se nível de radiação externa nas instalações do laboratório e suas adjacências, por meio da colocação de nove dosímetros termoluminescentes (TL) de CaSO4:Dy, em locais previamente selecionados. Os indivíduos ocupacionalmente expostos foram avaliados mensalmente por meio do uso de dosímetros TL posicionados no tórax e por medidas de corpo inteiro, tomadas a cada seis meses. O período do estudo foi de dois anos, com início em abril de 2014. Para o controle do microPET/CT realizou-se testes de desempenho de acordo com o protocolo padrão do equipamento e em conformidade com a norma desenvolvida pela força tarefa para estudos com PET em animais Animal PET Standard Task Force. O presente estudo permitiu demonstrar que os níveis de radiação das áreas (estimativas de dose ambiente e dose efetiva), assim como a blindagem do equipamento estão adequados de acordo com os limites da exposição ocupacional. Ressalta-se a importância de se seguir rigorosamente os princípios de radioproteção, já que se trata de pesquisas com fontes radioativas não seladas. / Micro PET/CT scanner is an essential tool generally used for small animal molecular imaging. Fluorine-18-labeled fluorodeoxyglucose is the most widely used radioisotope in this technique. The present study aimed to evaluate the radiation levels in a micro PET/CT research laboratory of the Radiopharmacy Center at IPEN-CNEN / SP, in order to accomplish both national standards and international recommendations. The radioprotection team has classified the laboratory as supervised area; even this laboratory does not require the adoption of specific measures for protection and safety, should be done regular re-evaluation of the conditions of occupational exposures. Workplace monitoring and individual control assessment were carried out to ensure the radiological protection of all workers directly involved in handling the scanner. Initially, there was conducted a radiometric survey, as well as measurements of the external radiation level in the workplace and its surroundings. To achieve this goal, there were placed nine thermoluminescent dosimeters of CaSO4:Dy in preselected locations. Monthly evaluations of the occupationally exposed individuals were carried out through the use of TL dosimeters, ported in the workers´ chest. Moreover, whole body measurements were performed every six months. The study period was about two-years which started in April 2014. All tests to evaluate micro PET/CT performance were based on the standard protocol of the equipment in accordance with the standard developed by the Animal PET Standard Task Force. Present study\'s results demonstrated that the ambient radiation levels (ambient and effective estimated radiation dose), as well as the effective shielding equipment are both adequate. This study emphasizes that it is essential to strictly follow the principles of radioprotection in workplace, whenever researches involve radioactive unsealed sources.

L’un des aspects les plus critiques dans les planifications dosimétriques des traitements par radiothérapie est la délinéation des limites de la tumeur. Cette délinéation se fait généralement sur les images anatomiques de tomodensitométrie (TDM). Mais récemment, il est recommandé de faire cette délinéation pour les cancers broncho-pulmonaires non à petites cellules (CBNPC) sur les images fonctionnelles de Tomographie par Émission de Positon (TEP) pour prendre en compte les caractéristiques biologiques de la cible. Jusqu’à ce jour, aucune technique de segmentation ne s’est révélée satisfaisante pour les images TEP en application clinique. Une solution pour ce problème est proposée dans cette étude. Méthodes : Les optimisations de notre méthode ont consisté principalement à faire l’ajustement des seuils directement à partir des corps des patients au lieu de le faire à partir du fantôme. Résultats : Pour les lésions de grands axes supérieurs à 20 mm, notre technique de segmentation a montré une bonne estimation des mesures histologiques (la moyenne de différence de diamètre entre données mesurées et déterminées avec notre technique = +1,5 ± 8,4 %) et une estimation acceptable des mesures TDM. Pour les lésions de grands axes inférieurs ou égaux à 20 mm, cette méthode a montré un écart avec les mesures dérivées des données histologiques ou bien des données TDM. Conclusion : Cette nouvelle méthode d’ajustement montre une bonne précision pour la délimitation des lésions de grands axes compris entre 2 et 4,5 cm. Néanmoins, elle n’évalue pas correctement les lésions les plus petites, cela peut être dû à l’effet du volume partiel / Tumor delineation is a critical aspect in radiotherapy planning treatment and is usually performed on the anatomical images of a computed tomography (CT) scan. Recently, for non-small cell lung cancer, it has been recommended to use functional Positron Emission Tomography (PET) images to take into account the target biological characteristics. However, today, there is no satisfactory segmentation technique for PET images in clinical applications. In the present study, a solution of this problem is proposed. Methods: The optimizations of tumor delineation consisted primarily on the thresholds adjustment directly from patients, rather than phantoms. The development and the validation of this adjustment were done by comparing segmented lesions on PET images with two different gold standards: measurements performed on CT images of the selected lesions and histological measurements of surgically removed tumors. Results: For lesions greater than 20 mm, our segmentation technique showed very good estimation of histological measurements (mean difference diameter between measured and calculated data equal to +1.5 ± 8.4 %) and an acceptable estimation of CT measurements. For lesions smaller or equal to 20 mm, the method showed a large gap with the measurements derived from histological or CT data. Conclusion: This novel segmentation technique shows very high accuracy for the lesions of large axes between 2 and 4.5 cm. Nevertheless, it does not correctly evaluate smaller lesions probably because of the partial volume effect

O sistema microPET/CT é um importante equipamento utilizado nas pesquisas de imagem diagnóstica em pequenos animais. O radiofármaco mais usado nesta tecnologia é o fluordeoxiglicose marcado com flúor-18. Este estudo tem como objetivo efetuar o controle radiológico no laboratório de pesquisa microPET/CT do Centro de Radiofarmácia do IPEN-CNEN/SP, de forma a satisfazer tanto as normas nacionais como as recomendações internacionais. O laboratório está classificado pela equipe de radioproteção da instalação como área supervisionada, nas quais embora não seja obrigatória a adoção de medidas específicas de proteção e segurança, devem ser submetidas reavaliações regulares das condições do ambiente de trabalho. Visando assegurar a proteção radiológica dos trabalhadores diretamente envolvidos no manuseio do equipamento, realizou-se o monitoramento do local de trabalho e a avaliação do controle de dose individual. Inicialmente foi feito o monitoramento pré-operacional, isto é, o levantamento radiométrico no laboratório. Além disso, mediu-se nível de radiação externa nas instalações do laboratório e suas adjacências, por meio da colocação de nove dosímetros termoluminescentes (TL) de CaSO4:Dy, em locais previamente selecionados. Os indivíduos ocupacionalmente expostos foram avaliados mensalmente por meio do uso de dosímetros TL posicionados no tórax e por medidas de corpo inteiro, tomadas a cada seis meses. O período do estudo foi de dois anos, com início em abril de 2014. Para o controle do microPET/CT realizou-se testes de desempenho de acordo com o protocolo padrão do equipamento e em conformidade com a norma desenvolvida pela força tarefa para estudos com PET em animais Animal PET Standard Task Force. O presente estudo permitiu demonstrar que os níveis de radiação das áreas (estimativas de dose ambiente e dose efetiva), assim como a blindagem do equipamento estão adequados de acordo com os limites da exposição ocupacional. Ressalta-se a importância de se seguir rigorosamente os princípios de radioproteção, já que se trata de pesquisas com fontes radioativas não seladas. / Micro PET/CT scanner is an essential tool generally used for small animal molecular imaging. Fluorine-18-labeled fluorodeoxyglucose is the most widely used radioisotope in this technique. The present study aimed to evaluate the radiation levels in a micro PET/CT research laboratory of the Radiopharmacy Center at IPEN-CNEN / SP, in order to accomplish both national standards and international recommendations. The radioprotection team has classified the laboratory as supervised area; even this laboratory does not require the adoption of specific measures for protection and safety, should be done regular re-evaluation of the conditions of occupational exposures. Workplace monitoring and individual control assessment were carried out to ensure the radiological protection of all workers directly involved in handling the scanner. Initially, there was conducted a radiometric survey, as well as measurements of the external radiation level in the workplace and its surroundings. To achieve this goal, there were placed nine thermoluminescent dosimeters of CaSO4:Dy in preselected locations. Monthly evaluations of the occupationally exposed individuals were carried out through the use of TL dosimeters, ported in the workers´ chest. Moreover, whole body measurements were performed every six months. The study period was about two-years which started in April 2014. All tests to evaluate micro PET/CT performance were based on the standard protocol of the equipment in accordance with the standard developed by the Animal PET Standard Task Force. Present study\'s results demonstrated that the ambient radiation levels (ambient and effective estimated radiation dose), as well as the effective shielding equipment are both adequate. This study emphasizes that it is essential to strictly follow the principles of radioprotection in workplace, whenever researches involve radioactive unsealed sources.

L’exérèse des tumeurs cancéreuses est une procédure courante pour le traitement de nombreux cancers. L’enjeu est de réaliser une excision la plus complète possible pour éviter les récidives tout en épargnant le plus possible les tissus sains bordant la tumeur. La détection de positons est une modalité d’imagerie particulièrement adaptée au repérage de résidus tumoraux lors de l'éxerèse car sa forte sélectivité spatiale permet de s'affranchir du bruit provenant de la fixation non spécifique du radiotraceur dans les tissus situés en profondeur, offrant ainsi une meilleur sensibilité et un meilleur rapport signal sur bruit que la détection de photons gamma. L’utilisation pour le contrôle d’exérèse impose cependant une contrainte forte sur les dimensions du détecteur qui doit être manipulable facilement par le chirurgien et pouvoir être inséré dans des plaies opératoires potentiellement étroites. Une nouvelle génération de photodétecteurs appelés photomultiplicateurs silicium (SiPM) est particulièrement adaptée à cette application car ceux-ci allient la compacité et la robustesse des technologies silicium avec d'excellentes performances de détection. Mon travail de thèse porte sur le développement et la caractérisation de nouvelles sondes positon basées sur ces photodétecteurs. Dans un premier temps, un travail de caractérisation des SiPMs a été réalisé pour évaluer leurs performances pour la détection de positons. Deux prototypes de prototypes de détecteurs aux rôles complémentaires ont ensuite été réalisé: le premier est un imageur, basé sur l’assemblage de deux scintillateurs avec une ou deux matrices de SiPMs, qui permet de réaliser rapidement l'image de la distribution de traceur sur une large surface de tissus. Le second détecteur est une sonde de comptage, constituée de fibres scintillantes couplées à des SiPMs individuels via des fibres claires et capable d'être couplée à l'outil d'exérèse. Elle permet de guider l'outil du chirurgien vers les tissus repérés préalablement avec l'imageur. La caractérisation de l’imageur a montré sa capacité à détecter des résidus tumoraux de petite taille (15mg) avec une résolution submillimétrique. La sonde de comptage présente quant à elle, une efficacité de détection de 80%. / Excision of cancerous tumors is a common procedure for the treatment of numerous cancers. The stake is to perform the most complete excision to prevent recurrences while preserving as much as possible surrounding healthy tissues. Positron detection is a well suited imaging modality for detection of tumor remains during excision because its strong spatial selectivity makes it insensitive to the noise coming from the non-specific accumulation of the radiotracer in healthy tissues located far from the detector, leading to a better sensitivity and a better signal-to-noise ratio than gamma photon detection. Its use for the control of excision implies however strong constraints on detector dimensions which must be easy to handle by the surgeon and easy to insert in tight surgical wound. A new generation of photodetectors called Silicon Photmultipliers (SiPMs) is particularly suited for this application because they present the compactness and robustness of silicon technologies and very good detection performances. My thesis aims to develop and characterize a new generation of new positron probes based on these photodetectors. Two prototypes of detectors with complementary roles were realized: the first one is an imaging device based on the assembly of two scintillators with one or two SiPMs arrays which allows to quickly make an image of tracer distribution along a wide surface of tissues. The second detector is a counting probe made of scintillating fibers associated with individual SiPMs through clear optical fibers and can be associated to the excision tool. It guides the surgeon tool to the tissues previously localized with the imaging probe. Characterization of the imaging probe showed its ability to detect small tumor remains (15mg) with a submillimetric resolution. The counting probe showed a detection efficiency of 80%.

Le développement de radiotraceurs (18F) des récepteurs de la sérotonine 5-HT6 et 5-HT7 pour l'imagerie TEP (tomographie par émission de positons) permettrait d'étudier la fonction et l'implication de ces récepteurs dans des maladies neurodégénératives telles que la schizophrénie ou la maladie d'Alzheimer. A partir des structures et pharmacophores déjà décrits dans la littérature, nous nous sommes orientés vers des dérivés pyrrolidiniques pour les récepteurs 5-HT7 et quinolines pour les récepteurs 5-HT6. 7 radioligands des récepteurs 5-HT7 marqués au fluor 18 ont pu être étudiés par autoradiographie et imagerie μTEP sur le rat et ont montrés des fixations intéressantes, mais avec une sélectivité moyenne du récepteur. 16 ligands du récepteur 5-HT6 ont été synthétisés et 4 d'entre eux ont été radiomarqués afin d'identifier le 2FNQ1P comme radioligand sélectif vis-à-vis du récepteur 5-HT2A (principal récepteur en compétition). Les premières images TEP réalisées sur le chat ont montrées un marquage sélectif dans les zones cérébrales riches en 5-HT6. La poursuite des études biologiques menées en collaboration avec le CERMEP – Imagerie du vivant permettront d'approfondir les caractéristiques de ces nouveaux radioligands synthétisés / Development of fluorine 18 labeled radiotracer of 5-HT6 and 5-HT7 receptors for PET imaging (positron emission tomography) allows the study of those receptors in various neurodegenerative diseases such as schizophrenia and Alzheimer disease. Description of structures and pharmacophores in literature led to pyrrolidine derivatives for 5-HT7 receptors and quinolones for 5-HT6. After their synthesis, 7 radioligands of 5-HT7 receptors have been studied by autoradiography and μPET. These radioligands have shown interesting binding on rat, with more or less selectivity for the receptor. 14 ligands of 5-HT6 receptors have been synthesized and 4 have been radiolabeled to select 2FNQ1P as a selective radioligand toward 5-HT2A. First PET images on cat have shown a selective binding in 5- HT6 rich area in brain. Pursue of biological studies, in collaboration with CERMEP – Imagerie du vivant will give more information on those new radioligands

L'objectif principal de l'expérience Borexino est "la détection en temps réel" des neutrinos solaires de la raie du béryllium à 862keV. Outre cette mesure pionnière dans le domaine des neutrinos de basse énergie, Borexino pourra mesurer les neutrinos solaires au-dessus du MeV (neutrinos du 8B et neutrinos pep), les neutrinos de réacteurs nucléaires (d'énergie moyenne d'environ 3 MeV) et les neutrinos de supernovae (dont le spectre en énergie s'étend jusqu'à quelques dizaines de MeV). Le présent travail est consacré principalement à l'étude des neutrinos de réacteurs nucléaires. Ce domaine a été récemment enrichi par les résultats de KamLAND, qui ont grandement amélioré la détermination des paramètres d'oscillations des neutrinos. Dans l'objectif de mesurer ces événements au dessus du MeV, la collaboration Borexino a confié au groupe du PCC, Collège de France, le développement d'un système de numérisation rapide fonctionnant à 400 MHz: les cartes FADC. Elles ont été conçues au laboratoire et nous les avons finalisées au début de l'année 2002. Les premières cartes implantées dans l'électronique d'acquisition de Borexino nous ont permis de contrôler leurs fonctionnements et celui du programme d'acquisition. Elles ont été également installées sur le prototype de Borexino, CTF. Les données correspondantes sont analysées en vue de mettre une limite sur le bruit de fond attendu dans Borexino pour la mesure des neutrinos de réacteurs nucléaires.

<p>The most important aspects of nuclear medicine imaging systems such as Positron Emission Tomography (PET) or Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) are the spatial resolution and the sensitivity (detector efficiency in combination with the geometric efficiency). Considerable efforts have been spent during the last two decades in improving the resolution and the efficiency by developing new detectors. Our proposed improvement technique is focused on the readout and electronics. Instead of using traditional pulse height analysis techniques we propose using free running digital sampling by replacing the analog readout and acquisition electronics with fully digital programmable systems.</p><p>This thesis describes a fully digital data acquisition system for KS/SU SPECT, new algorithms for high resolution timing for PET, and modular FPGA based decentralized data acquisition system with optimal timing and energy. The necessary signal processing algorithms for energy assessment and high resolution timing are developed and evaluated. The implementation of the algorithms in field programmable gate arrays (FPGAs) and digital signal processors (DSP) is also covered. Finally, modular decentralized digital data acquisition systems based on FPGAs and Ethernet are described.</p>

Des mesures de sections efficaces des processus courant chargé et courant neutre ont été réalisées pour la première fois en utilisant l'ensemble des données accumulées à HERA-II avec un faisceau d'électrons ou de positrons polarisés en collision avec un faisceau de protons. Les données prises par le détecteur H1 à 319 GeV d'énergie dans le centre de masse correspondent à une luminosité intégrée de 149.1 pb^−1 et 180.0 pb^−1 pour les collisions e^−p et e^+p respectivement, et représentent une augmentation d'environ un facteur 10 et 2 respectivement par à rapport à la prise de données de HERA-I. Les sections efficaces mesurées couvrent un très grand domaine cinématique de plus de deux ordres de grandeur à la fois en Q^2 (jusqu'à 30000 GeV^2) et en x (jusqu'à 0.003). Les mesures sont comparées avec les prédictions du Modèle Standard montrant un très bon accord. La précision de la mesure de l'asymétrie sur la polarisation en fonction de Q^2 a confirmé l'observation précédente de la violation de parité dans le processus courant neutre pour une distance allant jusqu'à 10^-18 m. Les sections efficaces intégrées pour Q^2 > 400 GeV^2 et pour des inélasticités y < 0.9 dans le processus courant chargé ont été mesurées pour quatre échantillons indépendants avec les faisceaux e± et à différentes valeurs de polarisation. Ces données et celles mesurées à HERA-I avec les faisceaux d'électrons et de positrons non-polarisés ont permis de vérifier la dépendance linéaire des sections efficaces du processus courant chargé en fonction de la polarisation, confirmant l'absence de courants droits dans les données en accord avec la prédiction du Modèle Standard. Les nouvelles sections efficaces ont été combinées avec celles de HERA-I pour maximiser la précision de ces mesures. Les données combinées ont ensuite été utilisées pour déterminer la fonction de structure xF^γZ_3 qui est pratiquement une mesure directe des quarks de valence. Les nouvelles sections efficaces ont aussi été utilisées avec celles de HERA-I dans un fit combinant à la fois les paramètres de la théorie électrofaible et de QCD pour extraire non seulement les densités de partons mais aussi les couplages des quarks légers u et d au boson Z. La précision obtenue sur les valeurs de ces couplages est bien meilleure que celle obtenue au Tevatron et au LEP, en particulier pour les couplages vectoriel et axial du quark u.

<p>The present thesis investigated family history and neurobiology of social phobia. Social phobia is a disabling disorder characterized by a marked fear of scrutiny in a variety of social situations. By using a validated questionnaire, study I related family history of excessive social anxiety to social phobia and avoidant personality disorder in epidemiologically identified probands in the Swedish general population. A two- to threefold increased relative risk of social anxiety was observed for both diagnostic groups. Thus, having an affected family member is associated with approximately a doubled risk for both social phobia and avoidant personality disorder.</p><p>The neurobiological studies explored situational and anticipatory elicited anxiety by means of positron emission tomography and 15O-water. Study II examined the functional neuroanatomy of social anxiety provocation in social phobics and a healthy comparison group during a public speaking task. Social phobia symptomatology was associated with higher neural activity in the amygdaloid complex, i.e. "the alarm system" of the brain, and lower activity in the prefrontal cortex. Study III examined the neural correlates of anxiety elicited by the anticipation of public speaking in individuals with social phobia. Anticipatory anxiety was accompanied by enhanced regional cerebral blood flow in the dorsolateral prefrontal and inferior temporal cortices as well as in the amygdaloid-hippocampal region. Brain blood flow was lower in the temporal pole and in the cerebellum. These results suggest that social phobia has a neuroanatomical basis in a highly sensitive fear network centered in the amygdaloid-hippocampal region and encompassing the prefrontal cortex.</p>