UNIVERSITÉ PARIS-SUD Démonstrateur optique CaLIPSO pour l

UNIVERSITÉ PARIS-SUD
ÉCOLE DOCTORALE : Sciences et Technologie de l’information, des
Télécommunications et des Systèmes
CEA-Saclay/DSM/IRFU/SPP
DISCIPLINE : Physique
THÈSE DE DOCTORAT
soutenue le 18/12/2014
par
Emilie RAMOS
Démonstrateur optique CaLIPSO pour l’imagerie TEP
clinique et pré-clinique
Directeur de thèse : Dominique YVON Physicien au CEA-Saclay/IRFU
Responsable scientifique du projet CaLIPSO
Composition du jury :
Rapporteurs : Jean-Yves DEVAUX Chef du service de médecine nucléaire et biophysique
de l’hôpital Saint-Antoine (Paris)
Christian MOREL Professeur-Chercheur (CNRS/IN2P3/CPPM-Marseille)
Examinateurs : Irène BUVAT Directeur de recherche (CNRS-Orsay)
Claude COMTAT Physicien médical (CEA/DSV/I2BM/SHFJ-Orsay)
Dominique THERS Maître-Assistant de l’Ecole des Mines de Nantes

Remerciements
Au terme de ces trois années de travail qui m’ont permis de beaucoup évoluer
autant sur le plan scientifique que sur le plan humain, je souhaite remercier toutes
les personnes qui ont joué un rôle dans ce cheminement.
D’abord, j’exprime ma gratitude à mon directeur de thèse Dominique Yvon, qui a
su m’épauler et me soutenir tout au long de ce travail. J’ai énormément appris grâce
à toi.
Je remercie également l’ensemble de l’équipe CaLIPSO au CEA-Saclay : Patrice
Verrecchia, Viatcheslav Sharyy, Gérard Tauzin, Christophe Flouzat, Jean-Pierre
Bard, Daniel Desforge et Jean-Philippe Mols, pour les nombreuses discussions scien-
tifiques ou techniques qui m’ont permis d’avancer dans mon travail ainsi que pour
leur accueil amical au sein de l’équipe.
Je souhaite également exprimer ma reconnaissance à Philippe Chomaz, chef de
l’Institut de recherches sur les lois fondamentales de l’univers, ainsi qu’à Ursula
Bassler et Anne-Isabelle Etienvre, chefs du service de physique des particules, pour
m’avoir accueilli au sein de l’IRFU et pour leur soutien lors de ma demande de
bourse, qui a permis ce travail.
Pour avoir accepté de rapporter sur ce travail, je remercie Christian Morel et Jean-
Yves Devaux. Merci pour vos commentaires pointus qui m’ont permis d’approfondir
mes analyses et la compréhension de notre détecteur. Que soient également remerciés
les autres jurés Claude Comtat, Dominique Thers et plus particulièrement Irène
Buvat pour avoir assuré en plus le rôle de président de jury.
Pour son soutien moral et ses précieux conseils, je souhaite également remercier
mon professeur d’école d’ingénieur Denis Porcheron, qui a su m’aiguiller dans les
moments difficiles.
Enfin, pour leur indéfectible et si précieux soutien, je remercie infiniment mes
proches, et plus particulièrement mon fiancé Julien, ma maman ainsi que ma soeur, et
pour avoir toujours été si fière de mon parcours, je remercie mon arrière-grand-mère.
Pour le bonheur immense qu’il m’a apporté en fin de thèse, je remercie mon adorable
fils Ian avec qui j’ai co-écrit ce manuscrit pendant mes neuf mois de grossesse.

Table des matières
Introduction 1
I Contexte bibliographique et motivations du projet CaLIPSO 9
1 L’imagerie TEP 11
1.1 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Critères de qualité en TEP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3 Détecteurs TEP actuels ou en développement . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2 Le projet CaLIPSO 35
2.1 Principe général de CaLIPSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2 Intérêt du détecteur en imagerie TEP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3 Enjeuxtechnologiques .............................. 39
II Validation du principe de détection des photons γdans le TMBi,
efficacité de détection et résolution en temps d’un démonstrateur
optique 41
1 Élaboration d’un démonstrateur optique permettant la détection des
photons γpar effet Cerenkov dans le TMBi 43
1.1 Choix de la géométrie du détecteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.2 Choix des matériaux pour favoriser la collection des photons Cerenkov . . . 44
1.3 Montage du détecteur en salle blanche et remplissage . . . . . . . . . . . . . 46
2 Efficacité de détection et résolution en temps du premier démonstra-
teur optique 51
2.1 Principe de la mesure : détection des cosmiques et détection en coïncidence
sur une source β+................................ 51
2.2 Étude de la ligne de base des signaux acquis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3 Efficacité de détection sur un évènement γ511keV.............. 55
2.4 Résolution en temps du démonstrateur optique . . . . . . . . . . . . . . . . 59
I

TABLE DES MATIÈRES
III Optimisation de la résolution en temps du scintillateur YaP
utilisé pour la mesure 65
1 Mise en évidence des pertes lumineuses dans le détecteur YaP grâce
à un modèle Monte Carlo 67
1.1 Modélisation du détecteur YaP utilisé dans Geant4 . . . . . . . . . . . . . . 67
1.2 Efficacité de collection de lumière dans les détecteurs YaP . . . . . . . . . . 70
2 Optimisation de la collection de lumière dans le détecteur YaP 73
2.1 Effet de différentes possibilités d’optimisation sur la collection de lumière . 73
2.2 Choix d’une géométrie de détecteur YaP optimisée et évaluation de ses
performances par Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3 Comparaison de la collection de lumière entre les prévisions Monte
Carlo et les mesures avec le cristal de YaP :Ce optimisé 83
3.1 Mesure de la collection de lumière sur le détecteur YaP optimisé . . . . . . 83
3.2 Comparaison des performances mesurées avec les performances attendues
parleMonteCarlo................................ 86
4 Mesure de la résolution en temps du nouveau détecteur YAP optimisé 89
4.1 Montage et matériel de test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2 Choix du meilleur algorithme pour déterminer le temps de déclenchement
duYAP ...................................... 91
IV Phénomènes responsables de l’efficacité et de la résolution en
temps du démonstrateur : mise en évidence par modèle Monte Carlo
et semi-analytique 95
1 Propriétés optiques du TMBi en fonction de la longueur d’onde 97
1.1 Indicederéfraction................................ 97
1.2 Longueur d’atténuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
1.3 Longueur d’absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2 Modélisation du démonstrateur optique dans le logiciel de simulation
Monte Carlo 115
2.1 Modélisation de la géométrie du démonstrateur optique . . . . . . . . . . . 115
2.2 Reproduction des matériaux constitutifs des différents volumes . . . . . . . 117
2.3 Comportement des surfaces réfléchissantes du guide optique : utilisation du
modèleunifié ...................................119
2.4 Modélisation des PMTs et de leur efficacité quantique de détection . . . . . 129
2.5 Validation du modèle pour les principaux phénomènes physiques . . . . . . 130
2.6 Collection de la lumière Cerenkov dans le démonstrateur optique . . . . . . 135
2.7 Efficacité globale de la détection des photons γ................137
3 Résolution en temps du démonstrateur optique calculée par modélisa-
tion semi-analytique 139
II