Optimisation de la résolution temporelle en Tomographie par Emission de Positons dédiée au contrôle de dose en hadronthérapie.

DU 2018, EDSF 639Hadrontherapy is a tumor treatment technique based on irradiation by ions beams. The dose distribution can be controlled during the treatment by Positron Emission Tomography (PET). Indeed, the nuclear collisions between the incident ions and the target medium produce beta+ emitters, whose spatial distribution is correlated to the dose distribution. However, this application of PET suffers from a low beta+ activity, a high parasitic activity, and requires fast reconstruction. The Time-Of-Flight technique appears as a key factor to make the in beam PET technique feasible. This work starts from a front-end concept based on fast digital sampling of the detector signals and digital processing for energy and time extraction. The statistical limitations to time resolution determined by the scintillation process are first examined. An experimental set-up with two scintillation detectors in coincidence is then used to test various algorithms: digital discriminators (leading-edge, constant fraction), and filters (least squares, optimal filter, low-pass interpolating filter). The timing performances of all the algorithms are very similar, except the least squares filter, which is not adapted to the non-stationary noise conditions resulting from the scintillation process. Various scintillator materials and configurations are tested, confirming the importance of light yield, scintillation time constants and photodetector response. An avalanche photodiode detector is tested and used for a multichannel demonstrator, which will be used for in-beam tests.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