L'imagerie 3γ est une technique innovante d'imagerie medicale nucleaire qui est etudiee au laboratoire SUBATECH. Elle repose sur la localisation tridimensionnelle d'un radioisotope emetteur (β⁺, γ), le ⁴⁴Sc, a l'aide d'un telescope Compton au xenon liquide. Le lieu de desintegration de ce radioisotope est obtenu par l'intersection de la ligne de reponse, construite a partir de la detection des deux photons de 511 keV issus de l'annihilation d'un positron, et du cone determine a partir du troisieme photon. Un prototype de petite dimension XEMIS1 (XEnon Medical Imaging System) a ete developpe afin de faire la preuve experimentale de la faisabilite de l'imagerie a 3γ. Les resultats de ce prototype sont tres promoteurs en termes de resolution en energie, de purete du xenon liquide et de faible bruit electronique. La simulation Monte Carlo est un outil indispensable pour accompagner la R et D et evaluer les performances de la nouvelle technique d'imagerie proposee. Les travaux rapportes dans cette these concernent le developpement de la simulation du systeme d'imagerie 3γ avec GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission). De nouvelles fonctionnalites ont ete implementees dans GATE afin de simuler un detecteur de type TPC (Time Projection Chamber). Nous avons effectue une simulation du prototype XEMIS1 et obtenu des resultats en bon accord avec nos donnees experimentales. La prochaine etape du projet consiste a construire une camera cylindrique au xenon liquide pour l'imagerie du petit animal. Les resultats des simulations de cette camera presentes dans cette these montrent la possibilite de localiser chaque desintegration le long de la ligne de reponse avec une tres bonne precision et une bonne sensibilite de detection. Des premieres images de fantomes simples, realisees evenements par evenements, et apres reconstruction tomographique sont egalement presentees. (auteur)