Le désir d’atteindre une haute résolution spatiale en imagerie médicale pour petits animaux conduit au développement d’appareils composés de détecteurs de plus en plus petits. Des appareils s’approchant de la résolution théorique maximale en tomographie d’émission par positrons (TEP) sont à nos portes. Pour retirer le maximum d’information de ces appareils, il importe d’utiliser des méthodes de traitement évoluées qui prennent en considération l’ensemble des phénomènes physiques entourant la prise de mesure en TEP. Le problème est d’autant plus complexe à résoudre du fait que ces caméras sont composées de milliers de détecteurs qui donnent lieu à des millions de lignes de réponses mesurées pouvant alors être traitées par un algorithme de reconstruction d’images. Cette situation mène à des problèmes de reconstruction d’images en 3 dimensions (3D) qui sont difficiles à résoudre principalement à cause des limites en ressources mémoires et de calcul des ordinateurs modernes. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse répondent à deux grands besoins relatifs au domaine de la reconstruction d’images en TEP, soit l'atteinte d'une meilleure qualité d'image et l'accélération des calculs menant à l'obtention de celle-ci. Le premier volet des travaux repose sur le l'élaboration de méthodes de modélisation 3D précises du processus d’acquisition en TEP permettant d'atteindre une meilleure qualité d’image. Ces modèles 3D s'expriment sous forme de matrices systèmes qui sont utilisées par un algorithme de reconstruction d'images. Pour générer ces modèles 3D pour la TEP, des méthodes de calculs analytiques et basées sur des simulations Monte Carlo (MC) ont été développées. Des méthodes hybrides, basé sur des stratégies analytiques et Monte Carlo, ont également été mises en œuvre afin de combiner les avantages des deux approches. Les méthodes proposées se distinguent de l'art antérieur en ce qu'elles tirent profit des symétries du système afin de réduire considérablement le temps de calcul requis pour l'obtention de matrices 3D précises. Pour l’approche analytique, le calcul de la matrice est divisé en diverses étapes qui favorisent la réutilisation de modèles pré-calculés entre les lignes de réponses symétriques de l’appareil. Pour l’approche par simulations MC, la réutilisation des événements MC collectés entre les lignes de réponse symétriques de l’appareil permet d’augmenter la statistique utilisée pour générer la matrice MC et du même coup de réduire le temps de simulation. La méthode hybride proposée permet de réduire encore davantage le temps de simulation MC et cela, sans faire de compromis sur la qualité de la matrice système. Le second volet des travaux repose sur le développement de nouvelles méthodes de reconstruction d’images basées sur un référentiel en coordonnées cylindriques permettant de réduire les contraintes d’espace mémoire et d'accélérer les calculs menant à l’image. Ces méthodes se divisent en deux catégories distinctes. Les premières sont des méthodes dites itératives qui permettent de résoudre le problème de reconstruction d’images par un processus itératif qui réalise une nouvelle estimation de l’image à chaque itération de façon à maximiser le degré de vraisemblance entre l’image et la mesure de l’appareil. Les secondes sont des méthodes dites directes qui permettent de résoudre le problème en inversant la matrice système qui relie l’image à la mesure de projections par une décomposition en valeurs singulières (DVS) de la matrice. La matrice inverse ainsi obtenue peut alors être multipliée directement avec la mesure pour obtenir l’image reconstruite. L’utilisation d’une image en coordonnées cylindriques entraîne une redondance au niveau des coefficients de la matrice système obtenue. En exploitant ces redondances, il est possible d’obtenir une matrice système avec une structure dite bloc circulante qui peut alors être transformée dans le domaine de Fourier afin d’accélérer les calculs lors du processus de reconstruction d’images itératif ou par DVS. De plus, pour la méthode par DVS, l’utilisation d’une matrice bloc circulante factorisée facilite grandement la procédure d'inversion de la matrice par DVS, ce qui rend l’application de la méthode possible pour des problèmes de reconstruction d’images en 3D. Or, la résolution de problèmes aussi complexes n’était jusqu’ici pas possible avec les méthodes par DVS de l’art antérieur dû aux contraintes d’espace mémoire et à la charge excessive de calcul. En somme, les travaux combinés ont pour objectif ultime de réunir à la fois la vitesse de calcul et une qualité d'image optimale en un même algorithme afin de créer un outil de reconstruction 3D idéal pour l'utilisation dans un contexte clinique.

Résumé : La résistance à l’insuline est un facteur de risque important pour le développement du diabète de type 2. Un désordre au niveau du métabolisme postprandial, qui se manifeste par une diminution relative du stockage des acides gras (AG) dans les tissus adipeux, mène à un débordement plasmatique des AG et à leur canalisation dans les tissus maigres tels que le cœur, le foie et les muscles squelettiques sous forme de dépôts ectopiques. Ce phénomène, connu sous le nom de lipotoxicité, se développe dans un contexte de balance énergétique positive chronique favorisée par la consommation alimentaire excessive ainsi que la sédentarité et peut varier entre les hommes et les femmes. Plusieurs études démontrent que le changement des habitudes de vie peut corriger ces désordres métaboliques. Notre laboratoire a développé une méthode unique pour étudier le métabolisme des AG de façon non invasive à l’aide d’un traceur radioactif, l’acide 14(R,S)-fluoro-6-thia-heptadécanoïque ([indice supérieur 18]F-FTHA), un analogue des acides gras à longue chaines utilisé en tomographie par émission de positrons. Nos études antérieures ont démontré que chez les sujets intolérants au glucose (IG+) on observe des niveaux de captage des AG dans le myocarde plus élevés associés à une fraction d’éjection du ventricule gauche ainsi qu’un volume d'éjection systolique diminués. À la suite d’une intervention d’un an axée sur les habitudes de vie des sujets IG+, on note une diminution du captage des AG dans le myocarde ainsi qu’une amélioration des paramètres de la fonction cardiaque. Cependant, chez des sujets IG+ ayant suivi une restriction calorique d’une semaine sans modifications de leur niveau d’activité physique, nous avons observé une augmentation du captage des AG dans le myocarde en parallèle avec une diminution de la fraction d’éjection du ventricule gauche. La restriction calorique, l’activité physique et la perte de poids influencent le métabolisme des substrats énergétiques et la fonction cardiaque chez les IG+, mais le sexe biologique est aussi un facteur important qui agit sur ces derniers. Le captage élevé des AG par le cœur chez les hommes est expliqué par des niveaux de chylomicrons plus élevés alors que chez les femmes il est associé à l’obésité. Bien que nos études ne nous ont pas permis de faire un lien entre les habitudes de vie des sujets IG+ et les anomalies métaboliques observées en période postprandiale chez ces sujets ni d’identifier quels changements dans leurs habitudes de vie ont contribué aux améliorations métaboliques dans le myocarde, elles nous ont amenées à redéfinir nos outils méthodologiques pour mieux étudier les habitudes de vie et de prendre en considération les différences entre les hommes et les femmes dans nos études futures. / Abstract : Insulin resistance is a major risk factor for the development of type 2 diabetes. Abnormalities in postprandial metabolism, which are characterized by a relative decrease in fatty acid storage capacity in adipose tissue leading to fatty acid spillover into the systemic circulation, give rise to ectopic fat deposition in non adipose tissues such as the heart, the liver and skeletal muscles. This phenomenon, commonly referred to as lipotoxicity, arises within the context of a chronic positive energy balance which is the direct result of excessive food consumption together with decreased energy expenditure and may be different in men and women. Many studies have shown, however, that metabolic abnormalities are reversible with changes in lifestyle habits. Our laboratory has developed a unique non-invasive method to study dietary fatty acid (DFA) metabolism using a radioactive tracer, 14(R,S)-[[superscript 18]F]-fluoro-6-thia-heptadecanoic acid ([superscript 18]F-FTHA), a long-chain fatty acid analogue, in combination with positron emission tomography. Our previous work demonstrated that patients with impaired glucose tolerance (IGT+) display an increase in myocardial DFA partitioning associated with a decreased left ventricular ejection fraction and stroke volume. Following a one-year lifestyle intervention regimen in IGT+ subjects, a reduction in myocardial DFA uptake as well as an improvement in cardiac function parameters was observed. However, IGT+ subjects who participated in a short-term caloric restriction while maintaining their usual level of physical activity, experienced an increase in myocardial DFA partitioning in parralel with a decreased left ventricular ejection fraction. Caloric restriction, physical activity and weight loss all have an impact on energy substrate metabolism and cardiac function in IGT+ patients, but gender is a major determinant as well. Increased myocardial DFA uptake in men is driven largely by elevated circulating chylomicron-TG levels whereas in women it appears to be associated with obesity. Although it was not possible for us to establish a link between IGT+ patients’ lifestyle habits and the postprandial metabolic abnormalities that they display nor to identify which lifestyle changes contributed to the metabolic improvements in the heart observed after the intervention, our studies helped redefine our methodological tools for assessing lifestyle parameters and underlined the importance of considering gender differences in our future studies.

De nombreuses applications en sciences nucléaires bénéficieraient d’un détecteur possédant une précision temporelle de 10 ps largeur à mi-hauteur à la mesure d’un photon unique. Par exemple, le projet de Time-Imaging Calorimeter en cours de conception au CERN requiert un détecteur possédant une telle précision temporelle afin de mesurer le temps de vol (TDV) et la trajectoire des particules émises lors des collisions dans les expériences du Large Hadron Collider (LHC), ce qui permet d’identifier ces dites particules. De plus, un détecteur possédant une précision temporelle de l’ordre de 10 ps permettra la mitigation de l’empilement des événements. Un second exemple est la tomographie d’émission par positrons (TEP), une modalité d’imagerie médicale non-invasive qui mesure la distribution d’un traceur radioactif afin d’étudier et détecter le cancer. Dans le but de développer un scanner TEP temps réel, le groupe de recherche en appareillage médical de Sherbrooke (GRAMS) travaille sur l’intégration de la mesure du TDV de l’interaction TEP. Les meilleures performances actuelles des détecteurs TEP se situent aux alentours de 150 ps, ce qui n’est pas suffisant pour intégrer le TDV dans un scanner TEP préclinique. Cette mesure exige une résolution temporelle TEP de l’ordre de 10 ps. La solution proposée par le GRAMS est de développer un module de comptage monophotonique (MCMP) 3D qui est composé d’une matrice de photodiodes avalanches monophotoniques (PAMP) reliée par des interconnexions verticales (TSV) à une matrice de circuits de lecture composée d’un circuit d’étouffement et d’un convertisseur temps-numérique. Ce détecteur permet donc de mesurer précisément le temps d’arrivée de chaque photon détecté. Ce document présente la conception du circuit d’étouffement réalisé en technologie CMOS 65 nm de TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) intégré à chaque pixel de 50 × 50 µm2 dans un MCMP 3D. Afin de répondre au besoin de précision temporelle de 10 ps dans un détecteur 3D, le circuit proposé est un circuit d’étouffement passif avec une recharge active possédant un amplificateur opérationnel en boucle ouverte à titre de comparateur de tension. L’amplificateur opérationnel utilisé possède un seuil ajustable de 0 à 2,5 V afin d’être en mesure d’évaluer le seuil optimal pour la mesure de gigue temporelle avec une PAMP. La taille finale du circuit d’étouffement est de 18 × 30 µm2 incluant l’amplificateur qui est d’une taille de 13 × 8 µm2, ce qui représente respectivement environ 22% et 4% de la taille totale du pixel. Le circuit d’étouffement possède une gigue temporelle de 4 ps largeur à mi-hauteur (LMH). Les résultats obtenus prouvent qu’il est possible d’intégrer de l’électronique de lecture de PAMP dans un MCMP 3D possédant des performances temporelles sous les 10 ps.

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Le suivi continu des substituts tissulaires en développement est crucial afin de comprendre leur évolution au fil du temps. Par contre, la tâche représente tout un défi quand vient le temps d'évaluer des échantillons de grande taille avec les techniques de microscopie. De plus, les méthodes de caractérisation les plus courantes sont fastidieuses et entraînent le sacrifice des cultures. Le développement d'approches de suivi in situ en temps réel, non invasives et non destructives, adaptées aux échantillons non transparents et de grandes tailles, est essentiel dans le domaine du génie tissulaire. Les techniques d'imagerie médicale peuvent répondre à ces besoins sans perturber ni interrompre les cultures en cours. L'hypoThèse de travail de cette Thèse était de démontrer la possibilité d'établir des méthodes d'imagerie in situ, non invasives, non destructives et en temps réel pour le suivi de la viabilité et du métabolisme de cultures tridimensionnelles (3D) de cellules endothéliales dans un gel de fibrine perfusé. Afin d'y arriver, une chambre de culture à perfusion munie de fibres creuses pour la croissance de cellules endothéliales à l'intérieur d'un gel de fibrine a d'abord été conçue. Ensuite, un bioréacteur pulsatif à perfusion apte à assurer la survie et la croissance de cultures 3D in vitro pour le génie tissulaire a été développé et validé. Dans un second temps, les protocoles d'imagerie par tomographie d'émission par positrons (TEP) n'étant pas adaptés aux systèmes de bioréacteurs, il a fallu en développer et valider un en utilisant un radiotraceur bien connu : le [indice supérieur 18]F-fluorodésoxyglucose ([indice supérieur 18]FDG) qui est un marqueur capable de détecter le métabolisme cellulaire. L'imagerie au [indice supérieur 18]FDG d'un bioréacteur permet d'évaluer la perfusion de la culture, de contrôler sa viabilité ainsi que d'estimer la densité cellulaire et le positionnement des structures tissulaires émergentes. Ainsi, les conditions optimales favorisant sa capture par les cellules ont été déterminées au préalable sur des monocouches afin d'optimiser le signal TEP correspondant. Enfin, les paramètres actifs identifiés précédemment ont été mis en application pour le suivi de cultures 3D où les densités cellulaires ont pu être estimées après seulement 12 heures de culture et des structures émergentes décelées dans les gels de fibrine au bout d'une à deux semaines. L'imagerie TEP au FDG est une approche très prometteuse pour effectuer le suivi non destructif de cultures tridimensionnelles en génie tissulaire et pour comprendre l'évolution des tissus en croissance in vitro.

Le travail développé dans cette thèse concerne un type particulier de sources de positrons utilisant le rayonnement de canalisation dans un cristal ainsi que d’autres effets cristallins observes le long des axes du cristal ; ces effets produisent un grand nombre de photons qui, à leur tour, génèrent un grand nombre de paires e+e- dans une cible amorphe. Les photons et les paires sont créés dans deux cibles différentes séparées par une certaine distance permettant l’installation d’un aimant pour dévier les particules chargées avant la cible amorphe. Une telle source est appelée source hybride de positrons ; elle a été choisie par le CERN pour le projet CLIC. Ce type de sources présente de réels avantages par rapport aux cibles conventionnelles qui ont une grande emittance ainsi qu’un niveau important de dépôt d’énergie dans la cible.Apres un rappel des phénomènes physiques qui concernent notre étude, des simulations détaillées utilisant d’une part le programme de V .Strakhovenko pour les effets cristallins et d’autre part le code GEANT4 pour la génération des positrons conduisent à une description complète pour les photons et les positrons avec, notamment, les espaces de phase longitudinal et transverse, le spectre en énergie, la distribution temporelle,.. Nous avons particulièrement insiste sur deux points : d’abord sur les dispositifs de capture des positrons -après la cible- qui sont essentiels pour avoir de bons rendements de positrons acceptes et ensuite sur la densité de l’énergie déposée dans la cible qui représente un paramètre important pour la survie des cibles. En ce qui concerne le premier point, trois dispositifs de capture ont été étudiés : le système adiabatique (AMD), le système quart d’onde (QWT) et la lentille de lithium. Pour le deuxième point qui concerne l’énergie déposée et l’échauffement de la cible, on a cherché à optimiser la densité d’énergie déposée en diminuant son maximum (PEDD) ; l’énergie moyenne déposée a aussi été optimisée en utilisant une solution spéciale pour le convertisseur : un convertisseur granulaire forme de petites sphères, comme cela avait été considéré précédemment pour les usines à neutrinos. Des résultats très prometteurs nous ont conduits à envisager la source hybride de positrons avec un convertisseur granulaire comme une solution au difficile problème d’ILC. Cette solution est étudiée moyennant une transformation des impulsions du faisceau avant la cible, comme cela avait été envisage par l’équipe du KEK. Le transport du faisceau de positrons au-delà du solénoïde a été étudié avec la première partie de l’optique quadrupolaire. / The research work carried out for this PhD is concerning a special kind of positron source using channeling radiation and other crystal effects in an axially oriented crystal to generate a high number of photons which create, subsequently, a large number of pairs in an amorphous target. Photon generation and pair creation are developing in two targets separated by some distance allowing a sweeping magnet to get off the charged particles away from the amorphous converter. Such a scheme is called an hybrid positron source and has been adopted for the CLIC baseline. This kind of sources present big advantages with respect to the conventional sources where large emittance and important heat deposition are met. After some recall on the physical phenomena of interest for our study, detailed simulations are worked out using a special program dealing with crystal effects from Prof. Strakhovenko and the GEANT4 code; these tools led to a complete description of the positron source concerning the photons from one side and the positrons, from the other side, for which the main characteristics have been determined: transverse and longitudinal phase space, energy spectrum, time distribution,…Emphasis has been put on two points: first the matching devices capturing the positrons after the target which are essential for good accepted yields and the energy deposition density which is an important question for the reliability of the targets. Concerning the former point, three matching devices have been studied and their features compared: the Adiabatic Matching Device (AMD) largely used or considered for the positron sources, the Quarter Wave Transformer (QWT) and also the Lithium lens. For the latter point, related to the energy deposition and heating of the targets, we have tried to optimize the energy deposition density lowering its maximum value (PEDD); the average heat deposition has also been optimized using special converter material in granular shape, as considered for the neutrino factories. Very promising results allowed us to consider the hybrid positron source as an alternative to the difficult case of ILC; a special scheme for the transformation of the ILC beam pulses has been used, after KEK proposition. The positron beam transport has also been studied in the first part of the positron pre-accelerator including the solenoid and the first part of the quadrupole channel.

Au cours des prochaines années les expériences au grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN vont explorer méticuleusement les lois fondamentales de la physique des hautes énergies à une énergie qui n'a jamais été atteinte auparavant. Afin de compléter les recherches du LHC, plusieurs projets de Collisionneur Linéaire (CL) de lepton de prochaine génération utilisant des collisions e+ – e- ont été proposé pour permettre des études de haute précision. Dans ce cadre il existe deux grands projets: le collisionneur linéaire international (ILC) pour explorer une plage d'énergie dans le centre de masse de s = 0.5 – 1 TeV et le collisionneur linéaire compact (CLIC) qui devrait fonctionner à s = 0.5 – 3 TeV. Le programme de physique du futur CL profitera grandement de collisions où les deux faisceaux seront polarisés. Cette thèse présente la source de positrons polarisés qui est un élément clef du future CL. Dans ce contexte, les différents concepts de source de positrons polarisés sont présentés en mettant en avant les principaux défis technologiques. Plus spécifiquement, le centre d'intérêt principal est sur la source de positrons Compton adoptée par CLIC comme option préférée pour l'amélioration de la future source de positrons. Dans cette source, les rayons gamma de haute énergie produits par diffusion Compton sont envoyés sur une cible où les interactions électromagnétiques produisent des positrons dans des e+ – e- . Pour améliorer l'efficacité de l'étape de production de rayons gamma, une ligne de multiples points de collisions est proposée intégrée à un linac à récupération d'énergie. Les simulations de la production de positrons, de leur capture et de leur accélération initiale permettent d'estimer l'efficacité de production de positrons et de fournir une paramétrisation simple de la source de positrons polarisés basée sur l'interaction Compton dans la perspective des besoins futurs du CL. L'option d'une source Compton basée sur un anneau de stockage appelé anneau Compton est aussi décrite. La principale contrainte de ce concept provient de la dynamique faisceaux à cause de la grande dispersion en énergie et l'augmentation de la longueur du paquet ce qui affecte le taux de production des rayons gamma. Une contribution théorique originale est présentée pour calculer la dispersion en énergie induite par la diffusion Compton. De plus, une expérience pour tester la production de rayons gamma par diffusion Compton en utilisant un système laser au fait de la technologie et développé au LAL est en cours dans le cadre du projet "MightyLaser" à l'ATF, KEK. La configuration expérimentale ainsi que les résultats principaux obtenus sont discutés en détails. Les recherches décrites dans cette thèse montrent que la source de positrons polarisés basée sur la diffusion Compton est un candidat prometteur pour la source de positrons polarisés du futur CL. Pour atteindre les performances requises des travaux supplémentaires et de la R&D sont nécessaires dans le domaine des lasers de puissance, des cavités optiques et des accélérateurs d'électrons à fort courant tels que les linacs à récupération d'énergie. / During the next few years experiments at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN will continue to explore carefully fundamental high energy physics principles at a an energy domain which has never been reached before. Possible designs for the next-generation lepton Linear Collider (LC) based on e+–e- collisions have already been proposed to perform high precision studies complementary to the LHC. In this framework, there are two large projects: the International Linear Collider (ILC) exploring a centre-of-mass energy range of de s = 0.5 – 1 TeV and the Compact Linear Collider (CLIC) expected to operate at s = 0.5 – 3 TeV. The physics programme of the future LC will benefit strongly of colliding both polarised electron and positron beams. This thesis introduces the polarized positron source as one of the key element of the future LC. In this context, the different schemes of the polarized positron source are described highlighting the main issues in this technology. In particular, the main focus is on the Compton based positron source adopted by the CLIC as a preferred option for the future positron source upgrade. In this case, the circularly polarized high energy gamma rays resulting from Compton scattering are directed to a production target where an electromagnetic cascade gives rise to the production of positrons by e+–e- pair conversion. To increase the efficiency of the gamma ray production stage, a multiple collision point line integrated in energy recovery linac is proposed. The simulations of the positron production, capture and primary acceleration allow to estimate the positron production efficiency and provide a simple parametrization of the Compton based polarized positron source in the view of the future LC requirements. The storage ring based Compton source option, so-called Compton ring, is also described. The main constraint of this scheme is given by the beam dynamics resulting in the large energy spread and increased bunch length affecting the gamma ray production rate. An original theoretical contribution is shown to calculate the energy spread induced by Compton scattering. Moreover, an experiment to test the gamma ray production by Compton scattering using a state-of-art laser system developed at LAL has been conducted in the framework of the "MightyLaser" project at the ATF, KEK. The experimental layout as well as the main results obtained are discussed in details. The studies carried out in this thesis show that the polarized positron source based on Compton scattering is a promising candidate for the future LC polarized positron source. To attain the required performance, further developments and R&D in field of the high power laser systems, optical cavities and high current electron accelerators such as the energy recovery linacs should be pursued in the future.

L'objectif de ce travail est de développer de nouvelles méthodes statistiques de reconstruction d'image spatiale (3D) et spatio-temporelle (3D+t) en Tomographie par Émission de Positons (TEP). Le but est de proposer des méthodes efficaces, capables de reconstruire des images dans un contexte de faibles doses injectées tout en préservant la qualité de l'interprétation. Ainsi, nous avons abordé la reconstruction sous la forme d'un problème inverse spatial et spatio-temporel (à observations ponctuelles) dans un cadre bayésien non paramétrique. La modélisation bayésienne fournit un cadre pour la régularisation du problème inverse mal posé au travers de l'introduction d'une information dite a priori. De plus, elle caractérise les grandeurs à estimer par leur distribution a posteriori, ce qui rend accessible la distribution de l'incertitude associée à la reconstruction. L'approche non paramétrique quant à elle pourvoit la modélisation d'une grande robustesse et d'une grande flexibilité. Notre méthodologie consiste à considérer l'image comme une densité de probabilité dans (pour une reconstruction en k dimensions) et à chercher la solution parmi l'ensemble des densités de probabilité de . La grande dimensionalité des données à manipuler conduit à des estimateurs n'ayant pas de forme explicite. Cela implique l'utilisation de techniques d'approximation pour l'inférence. La plupart de ces techniques sont basées sur les méthodes de Monte-Carlo par chaînes de Markov (MCMC). Dans l'approche bayésienne non paramétrique, nous sommes confrontés à la difficulté majeure de générer aléatoirement des objets de dimension infinie sur un calculateur. Nous avons donc développé une nouvelle méthode d'échantillonnage qui allie à la fois bonnes capacités de mélange et possibilité d'être parallélisé afin de traiter de gros volumes de données. L'approche adoptée nous a permis d'obtenir des reconstructions spatiales 3D sans nécessiter de voxellisation de l'espace, et des reconstructions spatio-temporelles 4D sans discrétisation en amont ni dans l'espace ni dans le temps. De plus, on peut quantifier l'erreur associée à l'estimation statistique au travers des intervalles de crédibilité. / The aim of this work is to develop new statistical methods for spatial (3D) and space-time (3D+t) Positron Emission Tomography (PET) reconstruction. The objective is to propose efficient reconstruction methods in a context of low injected doses while maintaining the quality of the interpretation. We tackle the reconstruction problem as a spatial or a space-time inverse problem for point observations in a \Bayesian nonparametric framework. The Bayesian modeling allows to regularize the ill-posed inverse problem via the introduction of a prior information. Furthermore, by characterizing the unknowns with their posterior distributions, the Bayesian context allows to handle the uncertainty associated to the reconstruction process. Being nonparametric offers a framework for robustness and flexibility to perform the modeling. In the proposed methodology, we view the image to reconstruct as a probability density in(for reconstruction in k dimensions) and seek the solution in the space of whole probability densities in . However, due to the size of the data, posterior estimators are intractable and approximation techniques are needed for posterior inference. Most of these techniques are based on Markov Chain Monte-Carlo methods (MCMC). In the Bayesian nonparametric approach, a major difficulty raises in randomly sampling infinite dimensional objects in a computer. We have developed a new sampling method which combines both good mixing properties and the possibility to be implemented on a parallel computer in order to deal with large data sets. Thanks to the taken approach, we obtain 3D spatial reconstructions without any ad hoc space voxellization and 4D space-time reconstructions without any discretization, neither in space nor in time. Furthermore, one can quantify the error associated to the statistical estimation using the credibility intervals.