Le travail présenté dans cette thèse a permis de valider expérimentalement et par simulation le concept du micro-TEP à géométrie axiale proposé. L'optimisation des performances du module, par le revêtement des cristaux et par leur longueur, améliore la technique du partage de lumière dans la mesure de la profondeur d'interaction avec une précision inférieure à 1,5 mm. Le suivi des interactions des photons gamma dans les modules, propre à une approche 3D, a été validé par des simulations montrant ainsi qu'un imageur micro- TEP basé sur cette géométrie permet d'atteindre une efficacité de détection que les tomographes actuels ne peuvent obtenir. Un système à quatre modules composés de cristaux de 25 mm possèdera une résolution spatiale volumétrique inférieure à 1 mm3 pour une efficacité de détection de 15 %.