Soutenance mémoire
L’imagerie nucléaire fonctionnelle est une modalité de l’imagerie médicale qui consiste à localiser une substance radioactive préalablement injectée à un patient. Que ce soit avec la TEMP (Tomographie d’Émission MonoPhotonique) ou la TEP (Tomographie par Émission de Positrons), la méthode utilisée pour remonter à cette position consiste à détecter les photons gamma émis par l’émetteur radioactif et à appliquer une reconstruction tomographique pour obtenir l’image. Pour cela, en routine clinique, les caméras employées détectent les photons gamma en se servant de cristaux de scintillation couplés à des photomultiplicateurs ; cette technologie a bénéficié de plusieurs dizaines d’années de développement. L’imagerie nucléaire est principalement utilisée en cancérologie pour diagnostiquer des tumeurs et suivre leur évolution suite à un traitement approprié, mais elle est aussi utilisée en cardiologie et en neurologie.
Imagerie médicale et Imagerie à 3γ
Imagerie médicale
L’imagerie médicale consiste à obtenir des informations, sous forme d’images, de l’anatomie ou du fonctionnement des organes d’un être vivant d’une manière non invasive, c’est à dire sans l’opérer. L’imagerie médicale fait appel à plusieurs disciplines scientifiques telles que la biologie, la chimie, la physique, les mathématiques, l’informatique, pour créer les images dans les domaines des neurosciences, de la cardiologie, de la psychiatrie et de l’oncologie. Une large palette de signaux physiques est utilisée en imagerie médicale pour obtenir une image du corps du patient. Parmi les plus utilisés en routine clinique, il y a les rayons X, les ultrasons, les champs magnétiques, les ondes électromagnétiques et les rayonnements ionisants. Chacun de ces signaux est associé à une technique d’imagerie particulière qui peut être classée suivant une des trois familles : l’imagerie anatomique, l’imagerie fonctionnelle et l’imagerie moléculaire.
Imagerie anatomique
L’imagerie anatomique, aussi appelée imagerie morphologique, a pour objectif d’obtenir des informations sur l’anatomie même des organes et ainsi détecter certaines anomalies. Parmi les techniques les plus connues de ce type d’imagerie, nous pourrons citer la radiographie à rayons X, l’échographie, ou l’IRM.
Radiographie à rayons X C’est la forme la plus ancienne d’imagerie médicale pratiquée, puisqu’elle remonte à la fin du XIXème siècle et à la découverte des rayons X par Wilhelm Röntgen en 1895. Celui-ci pratiqua une première radiographie, celle de la main de sa femme, quelques semaines seulement après sa découverte.
Il existe deux types d’imagerie X : la radiographie classique utilisée pour détecter les fractures osseuses par des images planaires et la tomodensitométrie à rayons X, plus connue sous le nom de scanner X (CT pour Computed Tomography en anglais). Ce dernier fournit des images en trois dimensions avec un contraste amélioré par rapport à la radiologie classique.
Imagerie ultrasonore Le principe de cette technique, plus connue sous le nom d’échographie dans le milieu médical, est de reconstruire une image à partir de l’amplitude d’ondes ultrasonores rétrodiffusées sur l’interface entre deux milieux ayant deux impédances acoustiques différentes. Ce type d’imagerie permet d’observer le développement du fœtus .
IRM (pour Imagerie par Résonance Magnétique) est une technique d’imagerie médicale permettant d’obtenir une vue en trois dimensions d’une partie du corps humain, avec une résolution spatiale typiquement inférieure au millimètre. Tout comme l’imagerie par ultrasons, elle possède l’avantage d’être non invasive et non irradiante. L’IRM repose sur le phénomène physique de la RMN (pour Résonance Magnétique Nucléaire) qui permet d’imager la densité des protons contenus dans le corps humain en se servant des propriétés magnétiques des noyaux. Du fait de son excellente résolution spatiale (moins d’un millimètre), l’IRM est une technique principalement utilisée pour imager le cerveau.
Imagerie fonctionnelle
L’imagerie fonctionnelle a pour but d’étudier les processus physiologiques en caractérisant le niveau de métabolisme d’un organe. Elle est principalement utilisée dans les domaines tels que l’oncologie et la cardiologie où elle permet de mettre en évidence la présence de tumeurs ou d’anomalies cardiaques. Elle trouve une application en recherche, que ce soit dans le cadre des études cognitives et comportementales, ou dans celui des maladies neurodégénératives.
Les techniques de l’imagerie anatomique se retrouvent aussi dans l’imagerie fonctionnelle comme l’IRMf (pour Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle) qui permet d’explorer le fonctionnement du cerveau, l’échographie Doppler, qui donne des informations sur les flux sanguins et l’angiographie par rayons X, qui permet de visualiser les vaisseaux sanguins. Le pan le plus vaste de l’imagerie médicale fonctionnelle reste cependant l’imagerie médicale nucléaire, qui sera décrit par la suite.
Imagerie moléculaire
L’imagerie moléculaire est le nom donné à une discipline émergente d’imagerie ; elle provient du domaine de la radiopharmacologie en raison de la nécessité de mieux comprendre les phénomènes moléculaires fondamentaux dans les organismes. Elle vise alors à observer le fonctionnement des organes et organismes in vivo par des moyens les moins invasifs possibles. Elle est utilisée pour faire l’image de gènes, de protéines ou de phénomènes associés à ces objets.
Imagerie médicale nucléaire
L’imagerie nucléaire est un domaine de l’imagerie médicale qui consiste à utiliser des radiopharmaceutiques administrés en très faibles doses à un patient à des fins de diagnostic, de suivi thérapeutique ou de recherche. L’objectif est de visualiser en trois dimensions la distribution de ce radiopharmaceutique dans l’organisme afin d’analyser le fonctionnement des organes ou de détecter des changements métaboliques causés par une maladie. Le radiotraceur utilisé, ou radiopharmaceutique, est une entité composée d’une molécule vectrice et d’un isotope radioactif. Le tout possède au final des propriétés chimiques similaires au composé d’origine basé sur l’équivalent stable, mais peut être détecté grâce au rayonnement qu’il émet. Cette molécule est choisie en fonction de l’application voulue ; elle doit être spécifique du phénomène étudié. Les deux types de radioisotopes utilisés en imagerie nucléaire sont les émetteurs gamma et les émetteurs de positrons. Les positrons émis par ces derniers s’annihilent avec la matière du corps humain pour former deux gamma de 511 keV. Dans ce cas, l’outil de détection privilégié est une caméra à scintillation, basée sur la technologie des cristaux scintillants associés à des photomultiplicateurs. L’imagerie nucléaire se divise classiquement en deux types principaux :
− Tomographie d’émission monophotonique (TEMP en francais et SPECT en anglais, pour Single Photon Emission Computed Tomography)
− Tomographie à émission de positrons (TEP en francais et PET en anglais pour Positron Emission Tomography).
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Table des matières
Introduction
1 Imagerie médicale et Imagerie à 3γ
1.1 Imagerie médicale
1.1.1 Imagerie anatomique
1.1.2 Imagerie fonctionnelle
1.1.3 Imagerie moléculaire
1.2 Imagerie médicale nucléaire
1.2.1 Radiotraceurs
1.2.2 Détection des photons γ avec la gamma-caméra
1.2.3 Reconstruction de l’image
1.3 Tomographie à Émission Mono-Photonique (TEMP)
1.4 Tomographie à Émission de Positrons TEP
1.4.1 Principe de la TEP
1.4.2 Radiotraceurs utilisés en TEP
1.4.3 Le détecteur
1.4.4 Formation des coïncidences
1.4.5 Reconstruction tomographique
1.4.6 Caractéristiques des images TEP
1.5 Imagerie 3γ
1.5.1 Principe de l’imagerie 3γ
1.5.2 Un émetteur particulier, le 44Sc
1.6 Conclusion
2 Un télescope Compton au xénon liquide
2.1 Le xénon liquide comme un milieu de détection
2.1.1 Propriétés physiques
2.2 Interaction des particules ionisantes
2.2.1 Interaction des photons γ
2.2.2 Ionisation
2.2.3 Scintillation
2.3 Influence du champ électrique sur les signaux détectables
2.3.1 Modification des rendements des signaux et des temps de décroissance
2.3.2 Dérive des électrons et des ions
2.3.3 Diffusion des électrons et résolution spatiale intrinsèque
2.3.4 Résolution en énergie
2.4 Chambre à projection temporelle XEMIS
2.4.1 Principe de la chambre à projection temporelle
2.4.2 Description de la chambre XEMIS
2.4.3 Photomultiplicateur (PM)
2.4.4 MICROMEGAS comme grille de Frisch
2.4.5 Anode et électronique
2.4.6 Cryogénie de XEMIS
2.5 Conclusion
3 Simulation Monte Carlo avec GATE
3.1 Motivation
3.2 Méthodes Monte Carlo
3.3 Geant4
3.3.1 Architecture globale
3.3.2 L’application utilisateur
3.3.3 Processus et modèles physiques dans Geant4
3.3.4 Principe de tracking dans Geant4
3.4 GATE : une interface de Geant4 pour l’imagerie médicale et la radiothérapie
3.4.1 Structure de GATE
3.4.2 Caractéristiques de GATE
3.4.3 Architecture de la simulation dans GATE
3.4.4 Simulation des photons optiques dans GATE
3.5 Physique de Geant4 dans le xénon liquide
3.5.1 Comparaison des processus électromagnétiques avec NIST
3.5.2 Étude du limiteur de pas (stepLimiter)
3.6 Conclusion
4 Développement de la simulation de la chambre à projection temporelle dans GATE
4.1 La structure générale de la simulation de la TPC
4.1.1 Construction de la géométrie
4.1.2 Mise en place des processus physiques
4.1.3 Définition de la source
4.2 Simulation du signal d’ionisation
4.2.1 Etapes de la simulation du signal d’ionisation
4.2.2 Comparaison données-simulation
4.3 Simulation du signal de scintillation
4.3.1 Paramètre de la simulation du signal de scintillation
4.3.2 L’efficacité de collection du signal de scintillation
4.4 Conclusion
5 Simulation de l’imagerie 3γ avec la caméra XEMIS2
5.1 XEMIS2, une caméra cylindrique au xénon liquide pour l’imagerie du petit animal
5.1.1 Description
5.1.2 Changement de modèle de caméra
5.2 Simulation avec GATE
5.2.1 Ajout de l’aspect multi-système à GATE
5.2.2 Géométrie de la caméra simulée
5.2.3 Paramètres de la simulation
5.2.4 Résolution en énergie et Résolution spatiale
5.3 Mécanisme de la reconstruction de l’image
5.3.1 Déclenchement de la TPC avec la lumière de scintillation
5.3.2 Reconstruction des LOR
5.3.3 Reconstruction des cônes
5.3.4 Intersection LOR-cône
5.4 Configuration et performances de la caméra XEMIS2
5.4.1 Choix de la configuration de la caméra en fonction de la sensibilité
5.4.2 Étude de la sensibilité
5.4.3 Étude de la résolution spatiale le long de la LOR
5.4.4 Modalités de reconstruction de l’image
5.5 Conclusion
Conclusion
Bibliographie
