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La thématique principale de nos travaux est l'étude de l'intégration du mouvement au niveau de la population du cortex visuel primaire du singe éveillé : de l'identification des circuits corticaux impliqués dans le traitement du mouvement,jusqu'à l'identification et l'émergence d'un signal de mouvement. Nous avons ainsi principalement utilisé deux protocoles (mouvement réel ou apparent).La réponse neuronale de population à l'entrée du système (V1) a été comparée à une réponse comportementale en sortie, la réponse de suivi oculaire réflexe (OFR).L'activité de population dans le cortex visuel primaire est enregistrée par imagerie optique de composés sensible au potentiel.Nous avons alors montré que la réponse au contraste dans V1 est contrôlée par un bassin de normalisation dynamique qui évolue lentement via un recrutement progressif et polysynaptique des circuits récurrents locaux. Ce bassin reçoit des afférents horizontaux liés au contraste qui suppriment graduellement le gain au contraste et à la réponse neuronale.Ensuite, en comparant l'activité de population de V1 avec la réponse de suivi oculaire réflexe avec un stimulus dont l'échelle intermédiaire active à la fois l'entrée et la sortie du système, nous avons identifié deux mécanismes distincts, impliqués dans les interactions contextuelles étudiées : un mécanisme précoce et rapide agissant sur les entrées fortes provenant majoritairement de MT et un mécanisme lent et soutenu plus visible sur les entrées faibles provenant majoritairement de V1.Finalement, en étudiant l'intégration et la représentation du mouvement apparent à la surface de V1, nous avons observé que la dynamique de l'activité corticale générée par des stimuli de mouvement apparent induit une suppression non-linéaire à la surface du cortex qui permet à la population de V1 de ne représenter qu'un seul stimulus à la fois, et ferait donc émerger un signal de mouvement non-ambigu.Pour conclure, nos expériences montrent que les interactions non-linéaires entre et parmi les aires corticales entraînent la normalisation, la modulation et l'émergence de différents signaux de mouvement.

Our goal is to study motion integration at population level in V1 in the awake behaving onkey. We compare V1population recorded with optical imaging of voltage sensitive dyes with ocular following response.We have shown that contrast response function in V1 is controlled by a dynamic normalization pool. Then we identified two distinct mechanisms involved in contextual modulations: a fast transient one originating from MT and a show and sustained one, originating from V1. Finally, we have observed that cortical activity dynamics in presponse to apparent motion can induce a suppression wave at acortical surface.

Advisors/Committee Members: Chavane, Frédéric (thesis director).

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Mise en oeuvre de circuits intégrés dédiés à l’analyse des corrélations temporelles des tavelures optiquesOn pourrait chercher à exploiter, à des fins de diagnostic médical, la forte pénétration au sein des tissus biologiques de la lumière située dans l’infrarouge proche. Cependant la nature diffusante des tissus brouille fortement l’information spatiale, et il faut mesurer plusieurs paramètres pour obtenir des informations pertinentes, avec par exemple des mesures résolues en temps, ou des mesures de corrélations de speckle. Ces dernières sont délicates de par le faible flux lumineux dans un grain de speckle et les temps de corrélations très courts observés avec les tissus. L’équipe d’optique en milieu aléatoire du Laboratoire de Physique des Lasers a développé, en collaboration avec l’Institut d’Electronique Fondamentale, un concept de circuit multipixels dédié à la détection et à l’analyse du speckle. Ce circuit traite individuellement différents grains de speckle en parallèle, et calcule en temps réel une grandeur moyenne sur l’ensemble des pixels, améliorant ainsi le rapport signal à bruit. Chaque pixel de détection est capable d’effectuer une détection synchrone du signal, et de calculer différentes corrélations temporelles. L’objectif de cette thèse était de caractériser une nouvelle génération de circuits, et de les mettre en oeuvre dans différentes expériences d’optique diffuse. Nous avons pu, au cours de ces travaux, mesurer les corrélations temporelles du speckle en fonction du temps de transit à travers 4cm de lait, et ce malgré la décorrélation très rapide observée dans ce cas. Nous avons également réalisé des expériences d’imagerie acousto-optique, en collaboration avec l’Institut Langevin, en développant un nouveau protocole de mesure adapté à notre technologie.

Implementation of Application Specific Integrated Circuits dedicated to the analysis of speckle patterns temporal correlationsThe fact that near infrared light has a good penetration depth inside biological tissues calls to its exploitation for medical diagnosis purposes. However, given their scattering nature, tissues strongly blur the spatial information. One therefore needs to measure several parameters in order to obtain pertinent information. One can for instance use time-resolved detection, or measure speckle correlations. The latter implies serious technological bottlenecks due to the weakness of the light flux in one speckle grain, and due to the very short correlation times observed in tissues. The biomedical optics group of Laboratoire de Physique de Lasers, in collaboration with Institut d'Electronique Fondamentale, has developed a concept of multipixels ASIC dedicated to speckle detection and analysis. This device processes different speckle grains in parallel, and computes an averaged value across all the pixels in real time in order to improve the signal to noise ratio. Each detection pixel can perform a lock-in detection of the signal, and compute different time correlations. The objective of this thesis is to characterize a…

Advisors/Committee Members: Tualle, Jean-Michel (thesis director).

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Le cancer de la peau est un enjeu majeur de santé publique. Il représente le type de cancer ayant le plus fort taux de prévalence et le nombre de cas semble être en constante augmentation. Aujourd'hui, la méthode de référence pour le diagnostic du cancer cutané nécessite un échantillon de tissu suspect, appelé biopsie, prélevé après un simple examen visuel de la peau du patient. Par conséquent, près de 60 % des biopsies se révèlent être bénignes et environ 20 % des cancers de la peau ne sont pas détectés.Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit de thèse portent sur le développement d'un dispositif de tomographie par cohérence optique confocale en ligne (LC-OCT) capable de produire des images d'une qualité similaire aux coupes histologiques de manière non invasive et in vivo. Le prototype conçu fonctionne à une longueur d'onde centrale autour de 800 nm avec une largeur spectrale d'environ 150 nm. Il a été appliqué à l'imagerie in vivo de la peau avec une résolution spatiale quasi-isotrope d'environ 1 µm et une profondeur de pénétration de 400 µm. Ce dispositif pourrait alors être utilisé pour améliorer l'efficacité du processus de diagnostic du cancer de la peau en limitant le nombre de cas non détectés ainsi que le nombre de biopsies inutiles.Nous présentons ensuite un dispositif de LC-OCT fonctionnant dans deux bandes spectrales centrées autour de 770 nm et 1250 nm. La première bande produit des images à haute résolution (1.3 µm x 1.2 µm, latéral x axial) tandis que la seconde offre une profondeur de pénétration accrue (700 µm). En fusionnant les images produites dans les deux bandes il a été possible de produire des images avec une bonne résolution en superficie tout en ayant une profondeur de pénétration étendue. De plus, acquérir des images d'un échantillon dans deux bandes spectrales différentes permet dans une certaine mesure d'obtenir des informations sur les propriétés spectrales de l'échantillon.Finalement, nous présentons une preuve de concept d'un dispositif de LC-OCT couplé avec un microscope Raman ainsi que quelques exemples d'application. La microscopie Raman est une modalité spectroscopique qui permet d'identifier des molécules et ainsi de mesurer "l'empreinte digitale" d'un échantillon. Cette modalité pourrait alors fournir des informations complémentaires aux images morphologiques acquises par LC-OCT à propos de la composition biomoléculaire de l'échantillon.

Skin cancer is a major public health issue. Among all types of cancer, skin cancer has the highest prevalence rate and the number of cases seems to be steadily increasing. Currently, the gold standard of skin cancer diagnosis requires a sample of suspicious tissue, called a biopsy, removed after a simple visual inspection of the patient's skin. Consequently, almost 60 % of biopsies result in benign diagnoses, and approximately 20 % of all skin cancers are missed.The research presented in this thesis revolves around the development of a line-field confocal optical coherence tomography (LC-OCT) device capable of producing…

Advisors/Committee Members: Dubois, Arnaud (thesis director).

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Les arcs impulsionnels sont des arcs électriques établis d'une façon générale lors de la séparation entre deux contacts électriques. Ces arcs indésirables mais inévitables peuvent causer des dégâts en raison d'un important transfert d'énergie vers les électrodes. Lors de l'interaction entre l'arc et l'électrode, cette dernière s'érode entraînant une contamination plus ou moins importante du plasma par les vapeurs des éléments issues de cette érosion et pouvant conduire à une modification notable de ses propriétés. Le travail présenté dans ce mémoire consiste à étudier par une approche expérimentale une configuration d'arc impulsionnel. La première étape indispensable à cette étude est la conception et la réalisation d'un dispositif spécifique permettant de simuler et de caractériser ce type d'arc. Des techniques de diagnostic adaptées au dispositif utilisé ont été développées dans ce travail. Les caractéristiques physiques du plasma (température, densité électronique...) déterminées par spectroscopie optique d'émission associées aux caractéristiques électriques de l'arc ont été corrélées avec les résultats de la visualisation effectuée par imagerie rapide de l'érosion de l'électrode et de la géométrie de l'arc durant son extinction. Des travaux spécifiques sur l'évolution de la tension totale d'arc en régime transitoire ont été réalisés en détaillant les chutes de tension aux électrodes et à la colonne. Par ailleurs des mesures spectroscopiques ont montré l'influence de divers paramètres (nature de l'anode, amplitude et forme de l'onde de courant) sur la température du plasma. Nous avons ainsi mis en évidence que les propriétés du plasma pour une configuration donnée, ne dépendent pas uniquement de la valeur instantanée du courant mais sont également fonctions de l'état antérieur de l'arc

The impulse arcs are electric arcs established generally during the separation between electrical contacts. These undesirable and unavoidable arcs can cause damage because of an important energy transfer to the electrodes. During the arc-electrodes interaction, electrodes erosion may involve an important contamination of the plasma by the vapors of the materials resulting from this erosion and may lead to a notable modification of its properties. The work presented in this thesis is an experimental approach of impulse arc configuration. The first essential stage to this study is the design and the realization of a specific device to simulate and characterize this kind of arc. Techniques of diagnostic adapted to the device were developed in this work. The plasma characteristics (temperature, electron number density...) determined by optical emission spectroscopy associated with the electrical characteristics of the arc were correlated with the results of the fast imaging visualization of the electrode erosion and of the arc geometry during its extinction. A specific study was developed to precisely determine the evolution of the arc voltage in transient state, separating the electrode voltage drop from the plasma column voltage.…

Advisors/Committee Members: Razafinimanana, Manitra (thesis director).

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L’Ataxie spastique autosomale récessive de Charlevoix-Saguenay (ARSACS) est un syndrome héréditaire précoce caractérisé par un tableau clinique particulier incluant des anomalies oculaires. Quatorze ARSACS et 36 témoins sains ont été suivis prospectivement durant 20 mois et ont subi différents tests neuro-ophtalmologiques et des mesures par tomographie par cohérence optique. Des augmentations de l’épaisseur moyenne de la couche de fibres nerveuses (mRNFL), de l’épaisseur fovéolaire centrale et de l’épaisseur moyenne du cube maculaire (CAT) ont été mises en évidence chez les ARSACS en comparaison avec les témoins (p< 0,0001 à toutes les séances). Une différence cliniquement significative a été observée dans l’évolution au cours du suivi des épaisseurs de la mRNFL et la CAT des ARSACS par rapport aux contrôles (p=0,030, p=0,026 respectivement), et ces paramètres étaient inversement corrélés avec le degré de sévérité de la maladie, suggérant une diminution d’épaisseur de la mRNFL et de la CAT à mesure que progresse la maladie.

Autosomal recessive spastic ataxia of Charlevoix-Saguenay (ARSACS) is an early-onset hereditary disorder characterized by a typical phenotype including eye abnormalities. We performed a 20-month prospective follow-up of 14 ARSACS and 36 controls. Patients underwent neuro-ophthalmologic evaluations and measurements using an optical coherence tomography instrument. Increased thicknesses of the average retinal nerve fiber layer (mRNFL), the central subfield thickness (CST) and the macular cube average thickness (CAT) have been demonstrated in ARSACS compared with controls (p< 0,0001 in all sessions). Changes in the mRNFL and CAT thicknesses during the follow-up differed significantly (p=0,030 and p=0,026 respectively) between the 2 groups, and these parameters were inversely correlated with the degree of severity of the disease, which suggest a reduction of the mRNFL and CAT thicknesses as the disease progresses.

Advisors/Committee Members: Fredette, Marie-Josée.

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La numérisation 3D de scène à grande échelle est un problème complexe sans solution à la fois précise, rapide et abordable. Les scènes à grande échelle comme les façades d'édices comportent cependant des éléments répétitifs (fenêtres, briques, panneaux de bois) qui peuvent être utilisés pour améliorer le processus de numérisation. Notre approche, Depth Texture Synthesis, utilise un scan haute résolution d'un de ces éléments, effectué avec un scanneur RGBD, et transmet cette résolution élevée aux endroits où l'élément est répété ailleurs dans la scène. Cette transmission s'effectue suivant l'information fournie par une reconstruction SfM. Pour effectuer une procédure de Depth Texture Synthesis, la façade de l'édice est simplifiée en une géométrie planaire qui nous sert de canevas. Sur ce canevas nous projetons l'information RGB ainsi que l'information de profondeur du modèle échantillon haute résolution et du modèle SfM basse résolution. Ensuite, un algorithme puissant de synthèse de texture 2D est employé pour transmettre l'information de profondeur haute résolution suivant les patrons de profondeur basse résolution et d'information RGB. La nouvelle carte de profondeur haute résolution peut alors être reconvertie en modèle 3D pour un résultat beaucoup plus réaliste et visuellement détaillé que la reconstruction SfM. Il est aussi intéressant de noter que notre approche est beaucoup moins fastidieuse qu'un scan complet de la scène utilisant des scanneurs RGBD. Les outils utilisés (Kinect v2 et appareil photo) sont aussi très abordables en comparaison avec le Lidar.

Large scenes such as building facades are challenging environments for 3D reconstruction. These scenes often include repeating elements (windows, bricks, wood paneling) that can be exploited for the task of 3D reconstruction. Our approach, Depth Texture Synthesis, is based on that idea and aims to improve the quality of 3D model representation of large scenes. By scanning a sample of a repeating structure using a RGBD sensor, Depth Texture Synthesis can propagate the high resolution of that sample to similar parts of the scene. It does so following RGB and low resolution depth information of a SfM reconstruction. To handle this information the building facade is simplified into a planar primitive and serves as our canvas. The high resolution depth of the Kinect sample and low resolution depth of the SfM model as well as the RGB information are projected onto the canvas. Then, powerful image based texture synthesis algorithms are used to propagate the high resolution depth following cues in RGB and low resolution depth. The resulting synthesized high resolution depth is converted back into a 3D model that greatly improves on the SfM model with more detailed, more realistic looking geometry. Our approach is also much less labor intensive than RGBD sensors in large scenes and it is much more affordable than Lidar.

Advisors/Committee Members: Lalonde, Jean-François, Laurendeau, Denis.

▼ Résumé Ce travail de thèse en cotutelle a été réalisé à l’Institut de Chimie Moléculaire de l’Université de Bourgogne (France) ainsi qu’au département de Chimie de l’Université de Sherbrooke (Québec). Ces travaux sont consacrés à la modification de la structure des BODIPY en vue d'une application in vivo pour l'imagerie bimodale optique/TEP ou TEMP. Ces modifications concernent l'hydrosolubilisation des fluorophores, mais aussi le décalage des domaines d’absorption et d’émission vers la fenêtre thérapeutique, zone dans laquelle la lumière est moins atténuée par les tissus biologiques. Des solutions permettant la bioconjugaison des fluorophores sur un dérivé de la bombésine, peptide permettant de cibler des récepteurs membranaires surexprimés dans certains types de cellules cancéreuses, sont également présentées. Enfin, une stratégie d’introduction d’un radioélément sur le BODIPY est décrite. Elle implique l’introduction sur l’atome de bore d’un groupe partant permettant sa radiofluoration. Différents dérivés de BODIPY ont également été utilisés pour la construction d’édifices multichromophoriques à transfert d’énergie. Ces travaux sont décrits dans la seconde partie de cette thèse. Ils comprennent notamment des études photophysiques permettant de mettre en évidence le transfert d’énergie photoinduit donneur-accepteur entre différents chromophores Dans les différents système élaborés, de type BODIPY-pophyrine et BODIPY-corolle, le BODIPY est alternativement donneur, ou accepteur d’énergie. Advisors/Committee Members: Harvey, Pierre D. (advisor), Denat, Franck (advisor).

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Le fonctionnement du cerveau humain est fascinant. En seulement quelques millisecondes, des milliards de neurones synchronisés perçoivent, traitent et redirigent les informations permettant le contrôle de notre corps, de nos sentiments et de nos pensées. Malheureusement, notre compréhension du cerveau reste limitée et de multiples questions physiologiques demeurent. Comment sont exactement reliés le fonctionnement neuronal et le comportement humain ? L’imagerie de l’activité neuronale au moyen de systèmes miniatures est l’une des voies les plus prometteuses permettant d’étudier le cerveau des animaux se déplaçant librement. Cependant, le développement de ces outils n’est pas évident et de multiples compromis techniques doivent être faits pour arriver à des systèmes suffisamment petits et légers. Les outils actuels ont donc souvent des limitations concernant leurs caractéristiques physiques et optiques. L’un des problèmes majeur est le manque d’une lentille miniature électriquement réglable et à faible consommation d’énergie permettant l’imagerie avec un balayage en profondeur. Dans cette thèse, nous proposons un nouveau type de dispositif d’imagerie miniature qui présente de multiples avantages mécaniques, électriques et optiques par rapport aux systèmes existants. Le faible poids, la petite dimension, la capacité de moduler électriquement la distance focale à l’aide d’une lentille à cristaux liquides (CL) et la capacité d’imager des structures fines sont au cœur des innovations proposées. Dans un premier temps, nous présenterons nos travaux (théoriques et expérimentaux) de conception, assemblage et optimisation de la lentille à CL accordable (TLCL, pour tunable liquid crystal lens). Deuxièmement, nous présenterons la preuve de concept macroscopique du couplage optique entre la TLCL et la lentille à gradient d’indice (GRIN, pour gradient index) en forme d’une tige. Utilisant le même système, nous démontrerons la capacité de balayage en profondeur dans le cerveau des animaux anesthésiés. Troisièmement, nous montrerons un dispositif d’imagerie (2D) miniature avec de nouvelles caractéristiques mécaniques et optiques permettant d’imager de fines structures neuronales dans des tranches de tissus cérébraux fixes. Enfin, nous présenterons le dispositif miniaturisé, avec une TLCL intégrée. Grâce à notre système, nous obtenons ≈ 100 µm d’ajustement électrique de la profondeur d’imagerie qui permet d’enregistrer l’activité de fines structures neuronales lors des différents comportements (toilettage, marche, etc.) de la souris.

The functioning of the human brain is fascinating. In only a few milliseconds, billions of finely tuned and synchronized neurons perceive, process and exit the information that drives our body, our feelings and our thoughts. Unfortunately, our understating of the brain is limited and multiple physiological questions remain. How exactly are related neural functioning and human behavior ? The imaging of the neuronal activity by means of miniaturized systems is one of the most promising avenues allowing…

Advisors/Committee Members: Galstian, Tigran.

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La présente dissertation est principalement consacrée à la conception et à la caractérisation d’une sonde universelle pour l’imagerie volumétrique ultrasons-optoacoustique et le développement d’un algorithme de reconstruction adapté aux exigences physiques pour la conception du système. Les traits distinctifs de cette dissertation sont l’introduction d’une nouvelle géométrie pour les sondes manuelles ultrasons-optoacoustique et des évaluations systématiques basées sur des méthodes de pré-reconstruction et post-reconstruction. Pour éviter l’interprétation biaisée, une évaluation capable d’évaluer le potentiel de la sonde doit être faite. Les caractéristiques mentionnées établissent un cadre pour l’évaluation des performances du système d’imagerie d’une manière précise. En outre, elle permet d’optimiser les performances suivant l’objectif fixé. Ainsi, deux algorithmes de reconstruction anticipée ont été élaborés pour la conception du système OPUS (optoacoustique ultrasons) capables de produire des images avec un contraste et une résolution homogènes sur tout le volume d’intérêt. L’intérêt d’avoir de tels algorithmes est principalement dû au fait que l’analyse des données médicales est souvent faite dans des conditions difficiles, car on est face au bruit, au faible contraste, aux projections limités et à des transformations indésirables opérées par les systèmes d’acquisition. Cette thèse montre, aussi, comment les artefacts de reconstruction peuvent être réduits en compensant les propriétés d’ouverture et en atténuant les artefacts dus à l’échantillonnage angulaire parcimonieux. Afin de transférer cette méthodologie à la clinique et de valider les résultats théoriques, une plate-forme d’imagerie expérimentale a été développée. En utilisant le système de mesure développé, l’évolution d’une nouvelle géométrie annulaire parcimonieuse et sa dynamique ont été étudiées et une preuve de concept a été démontrée à travers des mesures expérimentales dans le but d’évaluer les progrès réalisés.

When the interest is in multiscale and multipurpose imaging, there exists such a will in integrating multi-modalilties into a synergistic paradigm in order to leverage the diagnostic values of the interrogating agents. Employing multiple wavelengths radiation, optoacoustic imaging benefits from the optical contrast to specifically resolve molecular structure of tissue in a non-invasive manner. Hybridizing optoacoustic and ultrasound imaging comes with the promises of delivering the complementary morphological, functional and metabolic information of the tissue. This dissertation is mainly devoted to the design and characterization of a hybridized universal handheld probe for optoacoustic ultrasound volumetric imaging and developing adaptive reconstruction algorithms toward the physical requirements of the designed system. The distinguishing features of this dissertation are the introduction of a new geometry for optoacoustic ultrasonic handheld probe and systematic assessments based on pre and post reconstruction methods. To avoid the…

Advisors/Committee Members: Vray, Didier (thesis director).

▼ L'imagerie médicale sur petits animaux est d'une grande utilité en recherche préclinique, car elle permet d'imager in vivo et en 3D l'intérieur de l'animal. Ceci sert au développement de nouveaux médicaments et au suivi de l'évolution de certaines pathologies. En effet, les techniques d'imagerie éliminent la nécessité de sacrifier les animaux, ce qui permet le suivi de processus biomoléculaires sur un même individu et l'obtention de données statistiquement plus significatives. Cependant, l'information moléculaire recueillie s'avère généralement de faible résolution spatiale, notamment en imagerie optique à cause de la diffusion de la lumière, et donc difficile à localiser dans le corps de l'animal. Le jumelage de modalités d'imagerie complémentaires permet donc d'obtenir des images anatomiques et moléculaires superposées, mais cela s'avère toutefois relativement coûteux. Le projet présenté vise à améliorer une technique d'imagerie 2D toute optique à faible coût permettant d'obtenir une carte approximative 3D des organes internes d'une souris. Cette technique devrait permettre le recalage spatial automatique d'informations moléculaires obtenues sur le même appareil, bien que cela n'ait pas encore été démontré. L'amélioration apportée par le projet consiste à obtenir des images anatomiques 3D, plutôt que 2D, en utilisant une caméra tournante et des techniques de vision numérique stéréo. Pour ce faire, la technique existante est d'abord reproduite. Celle-ci consiste à injecter de l'ICG , un marqueur fluorescent non spécifique qui demeure confiné au réseau vasculaire une fois injecté, à une souris anesthésiée. De par leurs métabolismes distincts et le temps que met l'ICG à atteindre chacun d'eux, la dynamique de fluorescence varie entre les organes, mais demeure relativement uniforme à l'intérieur d'un même organe. Certains organes peuvent donc être segmentés par des techniques appropriées de traitement de signal, telles l'analyse en composantes principales et la régression par moindres carrés non négative. Un système d'imagerie à caméra rotative comme le QOS® de Quidd permet d'obtenir des images 2D segmentées de l'anatomie. interne de l'animal selon plusieurs plans de vue. Ces plans de vue servent à reconstruire l'information anatomique en 3D par des techniques de vision numérique. La procédure pourrait être répétée avec un ou plusieurs marqueurs fluorescents fonctionnalisés dans le but d'obtenir des images moléculaires 3D du même animal et de les superposer aux images anatomiques 3D. La technique développée devrait ainsi permettre d'obtenir à faible coût et de manière toute optique des images 3D anatomiques et moléculaires recalées spatialement automatiquement. Advisors/Committee Members: Bérubé-Lauzière, Yves (advisor).

▼ La tomographie optique diffuse (DOT) se caractérise par l’utilisation de la lumière dans un régime de propagation diffusif pour sonder les tissus biologiques. L’utilisation de marqueurs fluorescents permet de cibler des processus biologiques précis (tomographie optique diffuse en fluorescence - FDOT) et d’améliorer le contraste dans les images obtenues. Les applications typiques de la DOT/FDOT sont la mammographie laser, l’imagerie cérébrale de nouveau-nés et les investigations non-invasives sur petits animaux, notamment pour l’imagerie moléculaire. Le présent projet fait partie du programme de recherche TomOptUS dirigé par le professeur Yves Bérubé-Lauzière. Un scanner optique pour petits animaux y est en cours de développement. Ce scanner possède la particularité de fonctionner avec une prise de mesures sans contact dans le domaine temporel. La première partie du projet a pour point de départ l’algorithme développé en FDOT par Vincent Robichaud qui permet la localisation spatiale d’une seule inclusion fluorescente ponctuelle immergée dans un milieu diffusant homogène ayant une géométrie cylindrique. Une nouvelle approche de localisation pour une pluralité d’inclusions discrètes est ici introduite. Cette dernière exploite l’information contenue dans le temps de vol des premiers photons provenant d’une émission de fluorescence. Chaque mesure permet de définir un lieu géométrique où une inclusion peut se trouver : ces lieux prennent la forme d’ovales en 2D ou d’ovoïdes en 3D. À partir de ces lieux, une carte de probabilité de présence des inclusions est construite : les maxima de la carte correspondent à la position des inclusions. Cette approche géométrique est soutenue par des simulations Monte Carlo en fluorescence dans des milieux reproduisant les propriétés optiques des tissus biologiques. Plusieurs expériences sont ensuite effectuées sur une mire optique homogène répliquant les propriétés optiques des tissus dans lequel des inclusions remplies de vert d’indocyanine (ICG) sont placées. L’approche permet la localisation avec une erreur positionnelle de l’ordre du millimètre. Les résultats démontrent que l’approche est précise, rapide et efficace pour localisation des inclusions fluorescentes dans un milieu hautement diffusant mimant les tissus biologiques. Des simulations Monte Carlo sur un modèle réaliste de souris montrent la faisabilité de la technique pour l’imagerie sur petits animaux. Le second volet de la thèse s’intéresse aux mesures intrinsèques par le développement d’une approche de reconstruction d’une carte des vitesses de propagation des ondes lumineuses diffuses dans un milieu diffusant hétérogène. De telles vitesses constituent un nouveau contraste pour de l’imagerie DOT. La méthode utilise une configuration en faisceaux lumineux analogue aux méthodes utilisées en tomographie par rayons X. Ici, toutefois, les temps d’arrivée des premiers photons sont utilisés plutôt que l’amplitude du signal. Des résultats sont présentés en 2D pour différentes configurations d’inclusions démontrant la validité de… Advisors/Committee Members: Bérubé-Lauzière, Yves.

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Pendant le développement d'un organisme, les tissus subissent, génèrent des changements morphologiques drastiques nécessaires à l'obtention d'une forme finale ou intermédiaire spécifique et fonctionnelle. On comprend cette acquisition de formes comme un phénomène émergent résultant de l'interaction mécanique entre toutes les cellules composant le tissu. On sait que les structures de protéines du cytosquelette sont capables aussi bien de générer des forces ou de changer les propriétés mécaniques des cellules i.e de changer la réaction de celles-ci à un stress mécanique. Ces phénomènes émergents font l'objet de nombreuses études et mesures aussi bien lors d'expériences in vitro (solution de protéines purifiées) que sur cellules de cultures. Le travail décrit dans cette thèse s'est attaché à mesurer quantitativement les forces et propriétés mécaniques in vivo durant le développement d'un organisme. À terme, ces mesures sont utiles à l'élaboration d'un modèle mécanique qui amènerait une meilleure compréhension des phénomènes morphogénétiques.Pour réaliser ces mesures, un banc de mesures optiques a été développé. Il permet de réaliser des mesures de microrhéologie passives et actives durant l'extension de la bandelette germinale de l'embryon de drosophile. Des mesures quantitatives de viscosité, de raideur et de force jonctionnelle ont été réalisées.

Pendant le développement d'un organisme, les tissus subissent, génèrent des changements morphologiques drastiques nécessaires à l'obtention d'une forme finale ou intermédiaire spécifique et fonctionnelle. On comprend cette acquisition de formes comme un phénomène émergent résultant de l'interaction mécanique entre toutes les cellules composant le tissu. On sait que les structures de protéines du cytosquelette sont capables aussi bien de générer des forces ou de changer les propriétés mécaniques des cellules i.e de changer la réaction de celles-ci à un stress mécanique. Ces phénomènes émergents font l'objet de nombreuses études et mesures aussi bien lors d'expériences in vitro (solution de protéines purifiées) que sur cellules de cultures. Le travail décrit dans cette thèse s'est attaché à mesurer quantitativement les forces et propriétés mécaniques in vivo durant le développement d'un organisme. À terme, ces mesures sont utiles à l'élaboration d'un modèle mécanique qui amènerait une meilleure compréhension des phénomènes morphogénétiques.Pour réaliser ces mesures, un banc de mesures optiques a été développé. Il permet de réaliser desmesures de microrhéologie passives et actives durant l'extension de la bandelette germinale de l'embryon de drosophile. Des mesures quantitatives de viscosité, de raideur et de force jonctionnelle ont été réalisées.

Advisors/Committee Members: Lenne, Pierre-François (thesis director).

▼ La tomographie optique diffuse (TOD) et la tomographie optique diffuse par fluorescence (TODF) sont de nouvelles techniques d'imagerie médicale fort prometteuses. L'utilisation de lumière dans le proche infrarouge(PIR) permet une acquisition in vivo fréquente et même en continue sans danger pour l'opérateur ou pour le sujet. Ces méthodes sont présentement le sujet de plusieurs recherches notamment par le groupe TomOptUS. Un appareil d'imagerie optique sur petit animal, le Quidd Optical imaging System (QOS) est disponible au Centre Hospitalier Universitaire de Sherbrooke (CHUS). Muni d'une caméra refroidie à haute sensibilité et d'actionneurs contrôlés par ordinateur, il donne une grande flexibilité dans la géométrie d'acquisition en permettant notamment une rotation de la caméra sur une plage de ±60 degrés. L'appareil ne permet toutefois que l'acquisition de données en rétro-diffusion (ou épi-illumination), c'est à dire que la détection sur l'animal se fait du même côté que l'illumination. En TODF, un enjeu majeur est de pouvoir imager en profondeur dans les tissus. Pour ce faire, il devient important d'avoir accès à des mesures en transillumination. Le présent mémoire traite de l'ajout de degrés de libertés au QOS affin de permettre l'imagerie en transillumination tout en conservant la capacité d'épi-illumination. La configuration développée permet de déplacer l'excitation lumineuse indépendamment de l'acquisition et ce linéairement ainsi qu'angulairement autour du sujet. L'implantation nécessitant trois degrés de libertés (DDL) supplémentaires, l'utilisation de composantes standard a été préférée. Étant donné les contraintes identifiées, un actionneur rotatif ainsi que son contrôleur à base de micro-contrôleur ont été développés. Le présent document détaille les choix de conception ainsi que l'architecture du contrôleur. Avec la réalisation de ce projet, les utilisateurs du QOS disposent dorénavant d'un appareil flexible permettant l'acquisition de données tomographiques qui aideront à imager en profondeur dans le sujet. Quoique ceci ne fasse pas partie du cadre de cette maîtrise, le but ultime de l'acquisition de ces données est la reconstruction en trois dimensions de l'intérieur de l'animal imagé. Advisors/Committee Members: Bérubé-Lauzière, Yves (advisor).

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La visualisation des phénomènes physiques est l’un des défis que les chercheurs tentent de relever en concevant et en mettant en œuvre différents capteurs qui fournissent des informationsproches de la réalité grâce à la modifications d’un des paramètres qu’ils mesurent. Historiquement, la visualisation des variations des phénomènes physiques a permis une une meilleure compréhension du problème étudié et a changé notre perception du monde et de nousmêmes pour toujours. Au cours des 300 dernières années, en particulier, de très nombreuses méthodes ont été développées pour visualiser le son à travers une représentation visuelle. Dans le domaine de l’acoustique, les scientifiques ont tenté de développer une représentation visuelle des ondes sonores à l’aide de transducteurs détectant deux composantes fondamentales du son : la pression acoustique et la vitesse des particules. En d’autres termes, la mesure de l’énergie cinétique et du potentiel, dont les quantités fournissent des informations sur le phénomène physique de propagation acoustique. Dans ce résumé, nous présentons succinctement les travaux de la thèse intitulée "2D and 3D visualization of acoustic waves by Optical Feedback Interferometry" dans laquelle un nouvel outil de visualisation des phénomènes acoustique a été dévelopé. Ce système est basé sur un capteur optique dit à réinjection dans une diode laser et permet de reconstruire en 2D et en 3D l’image d’une onde acoustique se propageant. Le manuscrit est divisé en 3 chapitres : • un premier chapitre présente les méthodes connues pour la visualisation des phénomènes acoustiques et présente le contexte des recherches menées, • un second chapitre, permet de détailler le principe de mesure et son application à la réalisation d’une image en deux dimensions de l’onde acoustique, • enfin, dans le dernier chapitre, nous démontrons comment par une méthode tomographique, une image en trois dimensions peut être réalisée

The visualization of physical phenomena is one of the challenges that researchers are trying to overcome by designing and implementing different sensors that provide information close to realitythrough changes in one of the parameters they measure. Historically, the visualization of variations in physical phenomena has allowed for a better understanding of the problem being studied and has changed our perception of the world and ourselves forever. Over the last 300 years, in particular, many methods have been developed to visualize sound through a visual representation. In the field of acoustics, scientists have attempted to develop a visual representation of sound waves using transducers detecting two fundamental components of sound: sound pressure and particle velocity. In other words, the measurement of kinetic energy and potential, whose quantities provide information on the physical phenomenon of acoustic propagation. In this summary, we briefly present the work of the thesis entitled "2D and 3D Visualizations of Acoustic Waves by Optical Feedback Interferometry" in which a new visualization…

Advisors/Committee Members: Bosch, Thierry (thesis director), Perchoux, Julien (thesis director).

▼ La tomographie optique diffuse (DOT) se caractérise par l’utilisation de la lumière dans un régime de propagation diffusif pour sonder les tissus biologiques. L’utilisation de marqueurs fluorescents permet de cibler des processus biologiques précis (tomographie optique diffuse en fluorescence - FDOT) et d’améliorer le contraste dans les images obtenues. Les applications typiques de la DOT/FDOT sont la mammographie laser, l’imagerie cérébrale de nouveau-nés et les investigations non-invasives sur petits animaux, notamment pour l’imagerie moléculaire. Le présent projet fait partie du programme de recherche TomOptUS dirigé par le professeur Yves Bérubé-Lauzière. Un scanner optique pour petits animaux y est en cours de développement. Ce scanner possède la particularité de fonctionner avec une prise de mesures sans contact dans le domaine temporel. La première partie du projet a pour point de départ l’algorithme développé en FDOT par Vincent Robichaud qui permet la localisation spatiale d’une seule inclusion fluorescente ponctuelle immergée dans un milieu diffusant homogène ayant une géométrie cylindrique. Une nouvelle approche de localisation pour une pluralité d’inclusions discrètes est ici introduite. Cette dernière exploite l’information contenue dans le temps de vol des premiers photons provenant d’une émission de fluorescence. Chaque mesure permet de définir un lieu géométrique où une inclusion peut se trouver : ces lieux prennent la forme d’ovales en 2D ou d’ovoïdes en 3D. À partir de ces lieux, une carte de probabilité de présence des inclusions est construite : les maxima de la carte correspondent à la position des inclusions. Cette approche géométrique est soutenue par des simulations Monte Carlo en fluorescence dans des milieux reproduisant les propriétés optiques des tissus biologiques. Plusieurs expériences sont ensuite effectuées sur une mire optique homogène répliquant les propriétés optiques des tissus dans lequel des inclusions remplies de vert d’indocyanine (ICG) sont placées. L’approche permet la localisation avec une erreur positionnelle de l’ordre du millimètre. Les résultats démontrent que l’approche est précise, rapide et efficace pour localisation des inclusions fluorescentes dans un milieu hautement diffusant mimant les tissus biologiques. Des simulations Monte Carlo sur un modèle réaliste de souris montrent la faisabilité de la technique pour l’imagerie sur petits animaux. Le second volet de la thèse s’intéresse aux mesures intrinsèques par le développement d’une approche de reconstruction d’une carte des vitesses de propagation des ondes lumineuses diffuses dans un milieu diffusant hétérogène. De telles vitesses constituent un nouveau contraste pour de l’imagerie DOT. La méthode utilise une configuration en faisceaux lumineux analogue aux méthodes utilisées en tomographie par rayons X. Ici, toutefois, les temps d’arrivée des premiers photons sont utilisés plutôt que l’amplitude du signal. Des résultats sont présentés en 2D pour différentes configurations d’inclusions… Advisors/Committee Members: Bérubé-Lauzière, Yves (advisor).

▼ Cette thèse présente un nouveau type de système optique, un imageur à grandissement localisé. L'idée derrière ce dernier est de modifier en temps réel la distorsion à l'aide d'un composant optique actif qui est positionné loin des pupilles pour permettre de modifier chaque champ local de façon individuelle. Avec la bonne déformation de la surface active, on peut alors créer des zones de l'image avec un grandissement augmenté. De plus, si l'on désire conserver le champ de vue total constant, il est possible d'y parvenir en combinant ces zones d'intérêt à des zones de redressement où le grandissement est diminué. Pour bien comprendre comment se comportent ces systèmes avec beaucoup de distorsion, une analyse des erreurs de surface est d'abord présentée. On y conclut que ces lentilles ont des particularités qui compliquent leur conception et leur tolérancement. On obtient lors de cette analyse une équation reliant le déplacement dans le plan image en fonction des défauts de fabrication sur la surface frontale. De cette équation, on comprend qu'un des paramètres importants lors du tolérancement de ces systèmes est la longueur focale locale, définie comme étant la dérivée de la position dans le plan image par rapport à l'angle du champ de vue. Cela permet de conclure que dans la conception de ce type de lentilles, des tolérances plus serrées doivent être choisies dans certaines parties de la surface, contrairement à un critère de qualité unique partout sur la surface comme la norme actuelle le propose. Ensuite, à partir de ces résultats du déplacement dans le plan image par rapport à une erreur donnée, un concept d'imageur à grandissement localisé est développé. Tout d'abord, les équations de base pour ce type d'imageur sont obtenues. On peut y conclure qu'en première approximation, c'est le produit de la courbure z" sur la surface déformable par la distance L0 entre la surface et la pupille d'entrée du reste de l'imageur qui détermine le rapport de grandissement local que l'on peut obtenir. De ces équations, on définit également des limites fondamentales sur l'amplitude que le composant déformable doit produire et sur le f/# qui conserve la qualité d'image à un niveau acceptable. À partir de ces résultats, des simulations à l'aide du logiciel ZEMAX sont effectuées, confirmant ainsi les paramètres obtenus mathématiquement. Ces simulations conduisent finalement à un prototype expérimental utilisant un miroir déformable ferrofluidique comme surface active. Avec une distance focale originale de f0 = 12.5 mm et une distance Lo = 220 mm, des résultats expérimentaux avec un système pouvant produire des rapports de grandissement supérieurs à 3 dans une zone d'intérêt sont présentés et analysés. Bref, s'il est possible de vaincre les limites fondamentales, cet imageur à grandissement localisé a le potentiel de révolutionner certains domaines d'imagerie grâce à ses capacités originales en conception optique. Advisors/Committee Members: Thibault, Simon.

▼ Les métalloprotéinases de matrice (MMPs) sont des enzymes impliquées dans la restructuration tissulaire et la migration cellulaire. La MMP-2, en particulier, a été reconnue comme biomarqueur de la progression ou du pronostic de plusieurs pathologies, comme l'arthrite, l'athérosclérose, l'infarctus et le cancer. Son rôle exact est mal caractérisé. Pour ces raisons, il est important de développer des outils pour nous permettre d'étudier la MMP-2 de manière spécifique et non invasive. Actuellement, il existe une grande quantité de sondes optiques (imagerie optique), d'agent de contrastes (imagerie par résonance magnétique) et de radiotraceurs (tomographie d'émission par positrons et tomographie d'émission monophotonique) ciblant les MMPs. Par contre, aucune de ces molécules ne permet de quantifier spécifiquement l'activité MMP-2, particulièrement envers la MMP-9 qui possède des substrats similaires. De plus, la plupart des études publiées sur le sujet sont incomplètes. Cette Thèse résume nos progrès dans le développement de molécules permettant de cibler spécifiquement et d'effectuer l'imagerie de la MMP-2. Toutes les molécules testées sont activées rapidement par la MMP-2 et se révèlent sélectives in vitro par rapport aux MMP- 3, MMP-7 et MMP-9. Tout d'abord, un agent de contraste (PCA2-switch) est évalué dans un modèle de tumeur sous-cutanée chez la souris et nous permet de différencier entre des tumeurs possédant des niveaux d'activité faible ou élevé de la MMP-2. Nous explorons ensuite une série de sondes fluorescentes activables, dont l'une permet l'obtention de résultats prometteurs in vitro (haut rendement de l'atténuation et haute spécificité d'activation par la MMP-2 par rapport à la MMP-9). Toutefois, cette sonde ne se révèle pas spécifiques in vivo - plutôt, toutes les sondes testées résultent en l'obtention d'une distribution similaire à la distribution d'une molécule contrôle (non spécifique). L'une des principales limitations du domaine de l'imagerie des MMPs est le manque de contrôle pour différencier la captation et l'activation spécifique de la captation non spécifique des molécules testées. La dernière section de cette Thèse inclut une étude de captation tumorale dans un modèle de tumeur sous-cutanée et de radiothérapie. Cette étude met en évidence l'implication de la captation non spécifique dans le signal observé en imagerie. Advisors/Committee Members: Lepage, Martin (advisor).

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L’objectif de cette thèse a été de développer une méthode simple et rapide (35 minutes) d'imagerie afin d’enregistrer des images grand champ (jusqu’à 2,5 cm x 2,5 cm) et multi-échelles (µm-cm) de lames de tissus colorés et non colorés en anatomopathologie.La solution proposée est basée sur l’imagerie sans lentille. C’est une méthode simple, bas coût, qui permet d’enregistrer des images grand champ (10-30 mm²) d’objets épars, comme des virus, des bactéries ou des cellules. Dans ces travaux, nous montrons qu’il est possible d'obtenir en imagerie sans lentille des images d'objets denses tels que des lames de tissus colorés ou non marqués. Pour ce faire, l’échantillon est illuminé sous différentes longueurs d’onde, et un nouvel algorithme de reconstruction holographique multi-longueurs d’onde permet de reconstruire le module et la phase d’objets denses. Chaque image est reconstruite en 1,1 seconde couvrant un champ de 10 mm². Une image totale de la lame de tissu, couvrant un champ de 6,25 cm², est obtenue en 35 minutes en scannant l’échantillon au-dessus du capteur. Les images reconstruites sont multi-échelles, permettant à l’utilisateur d’observer en une seule fois la structure générale du tissu, et de zoomer jusqu’à la cellule individuelle (3-4 µm). La méthode a été testée sur différents échantillons anatomopathologiques colorés et non colorés. Au-delà des lames de tissus, l’imagerie sans lentille multi-longueurs d’onde montre des résultats encourageants pour le diagnostic de la méningite, le suivi au cours du temps d’une population bactérienne pour l’identification et la réalisation d’antibiogrammes, et le suivi au cours du temps de cultures cellulaires.

This PhD project aims to develop a simple, fast (35 minutes), wide-field (up to 2.5 cm x 2.5 cm) multiscale (µm-cm) imaging method for stained and unstained tissue slides for digital pathology application. We present a solution based on lensfree imaging. It is a simple, low-cost technique that enables wide field imaging (10-30 mm²) of sparse objects, like viruses, bacteria or cells. In this project, we adapted lensfree imaging for dense objects observation, like stained or unstained tissue slides. The sample is illuminated under multiple illumination wavelengths, and a new multiwavelength holographic reconstruction algorithm was developed in order to reconstruct the modulus and phase of dense objects. Each image covers 10 mm² field of view, and is reconstructed in 1.1 second. An image of the whole tissue slide covers 6.25 cm². It is recorded in 35 minutes by scanning the sample over the sensor. The reconstructed images are multiscale, allowing the user to observe the overall tissue structure and to zoom down to the single cell level (3-4 µm). The method was tested on various stained and unstained pathology samples. Besides tissue slides, multiwavelength lensfree imaging shows encouraging results for meningitis diagnosis, bacteria population monitoring for identification and antibiotic susceptibility testing, and cell culture monitoring.

Advisors/Committee Members: Delon, Antoine (thesis director).

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L'imagerie optique des tissus biologiques est un défi du fait de la diffusion de la lumière. Pour sonder les propriétés optiques à quelques cm de profondeur, on peut coupler l'information optique des ultrasons. De cette idée sont nées les imageries acousto-optique et photoacoustique. La première repose sur la modulation de la lumière par des ultrasons balistiques. La seconde se base sur la génération d'ultrasons lors de l'absorption de lumière par un objet. Que ce soit pour l'une ou pour l'autre, l'enregistrement du signal nécessite la mesure de très faibles modulations de phase dans une figure de speckle. L'holographie dynamique est une bonne solution. En effet, les techniques interférométriques sont suffisamment sensibles pour mesurer de telles modulations et l'holographie permet de corriger la nature speckle de la lumière. Dans cette thèse nous démontrons la faisabilité de fabriquer un système d'holographie adaptative basé sur un milieu laser (Nd :YVO4). Un des grands avantages de ce type de milieu est le temps de réponse. On montrera que le rafraîchissement d'un hologramme dans notre cristal peut se faire en moins de 100 ?s, bien inférieur au temps de décorrélation du speckle (? 1ms) qui pourrait grandement perturber les techniques de détection plus lentes lors d'expériences in vivo. Trois montages sont présentés ici, le premier pour la détection acousto-optique par conjugaison de phase, le deuxième pour la détection acousto-optique par adaptation de front d'onde et enfin le troisième pour détection photoacoustique. Dans les trois cas on mesure un temps de réponse entre 15 ?s et 50 ?s, et on utilise le montage imager un échantillon.

Strong scattering properties of biological media make their optical imaging in depth a challenge. A solution to probe the local optical properties is to couple the optical information with ultrasound. Two imaging techniques were born from this idea, acousto-optic imaging and photoacoustic imaging. The first technique is based on the local modulation of light by ballistic ultrasound. The latter relies on the emission of ultrasound following the absorption of light by an object. Whether it is acousto-optic imaging or photoacoustic imaging, the recording of the the signal requires a detection system sensitive to weak phase modulation. In addition, the detection system must be compatible with a speckle pattern. Dynamic holography is a good solution. Indeed, as it is based on interferometry, it is very sensitive to small phase variations and holography can be used to correct the speckle nature of light. In this manuscript, we show the use of an holographic detection system based on a laser medium (Nd:YVO4). One of the main advantage of this type of material is the very fast response time. It will be highlighted that the recording of a hologram inside our crystal can be done in less than 100 μs, much faster than the speckle decorrelation time (≈ 1ms), which is one of the major obstacle towards in vivo imaging. Three optical setups will be presented in this manuscript. The first one is a…

Advisors/Committee Members: Ramaz, François (thesis director).

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La fistule anastomotique (FA) est une complication grave de la chirurgie. Une perfusion locale adéquate est fondamentale pour réduire le risque de FA. Cependant, les critères cliniques ne sont pas fiables pour évaluer la perfusion intestinale. À cet égard, l'angiographie par fluorescence (AF) a été explorée. Malgré des résultats prometteurs dans les essais cliniques, l'évaluation de l'AF est subjective, d'où l'incertitude quant à son efficacité. L'AF quantitative a déjà été introduite. Cependant, elle est limitée par la nécessité d'injecter un fluorophore. L'imagerie hyperspectrale (HSI) est une technique d'imagerie optique prometteuse couplant un spectroscope à une caméra photo, permettant une analyse quantitative des tissus en temps réel et sans contraste. L'utilisation intraopératoire de l'HSI est limitée par la présence d'images statiques. Nous avons développé la hyperspectral-based enhanced reality (HYPER), pour permettre une évaluation précise de la perfusion intraopératoire. Cette thèse décrit les étapes du développement et de la validation d'HYPER.

Anastomotic leak (AL) is a severe complication in surgery. Adequate local perfusion is fundamental to promote anastomotic healing, reducing the risk of AL. However, clinical criteria are unreliable to evaluate bowel perfusion. Consequently, a tool allowing to objectively detect intestinal viability intraoperatively is desirable. In this regard, fluorescence angiography (FA) has been explored. In spite of promising results in clinical trials, FA assessment is subjective, hence the efficacy of FA is unclear. Quantitative FA has been previously introduced. However, it is limited by the need of injecting a fluorophore. Hyperspectral imaging (HSI) is a promising optical imaging technique coupling a spectroscope with a photo camera, allowing for a contrast-free, real-time, and quantitative tissue analysis. The intraoperative usability of HSI is limited by the presence of static images. We developed hyperspectral-based enhanced reality (HYPER), to allow for precise intraoperative perfusion assessment. This thesis describes the steps of the development and validation of HYPER.

Advisors/Committee Members: Diana, Michele (thesis director).

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Ce travail de thèse en cotutelle a été réalisé à l’Institut de Chimie Moléculaire de l’Université de Bourgogne (France) et au département de chimie de l’Université de Sherbrooke (Québec). Ces travaux sont consacrés à la conception de nouveaux dérivés du BODIPY en vue d'une application in vivo pour l'imagerie bimodale optique/TEP ou TEMP. Ces modifications concernent l'hydrosolubilisation des fluorophores, mais aussi le décalage des domaines d’absorption et d’émission vers la fenêtre thérapeutique, zone dans laquelle la lumière est moins atténuée par les tissus biologiques. Des solutions permettant la bioconjugaison des fluorophores sur un dérivé de la bombésine, un peptide permettant de cibler des récepteurs membranaires surexprimés dans certains types de cellules cancéreuses, sont également présentées. Une stratégie de radiofluoration du, BODIPY, impliquant l’introduction sur l’atome de bore d’un groupe partant, est décrite.. Différents dérivés de BODIPY ont également été utilisés pour la construction d’édifices multichromophoriques à transfert d’énergie. Ces travaux sont décrits dans la seconde partie de cette thèse. Ils comprennent notamment des études photophysiques permettant de mettre en évidence le transfert d’énergie photo-induit donneur-accepteur entre différents chromophores. Dans les différents systèmes élaborés, de type BODIPY-pophyrine et BODIPY-corolle, le BODIPY est alternativement donneur, ou accepteur d’énergie.

This thesis was performed at the Institut de Chimie Moléculaire de d’Université de Bourgogne (France) and in the Département de chimie de l’Université de Sherbrooke (Québec). The aim of this work was to design new BODIPY derivatives in order to obtain optimal properties for in vivo bimodal optical/PET or SPECT imaging. The modifications concern the hydrosolubilisation of these organic dyes, as well as the shifting of the absorption and emission bands toward the therapeutic window, where the light is less attenuated by biological tissues. Solutions allowing the bioconjugation of BODIPY on a bombesin derivative, a peptide which targets receptors surexpressed in tumor cells, were also investigated. A strategy for BODIPY radiofluorination, implying the introduction of a leaving group on the boron atom, is also described. Several BODIPY based multichromophoric species have also been prepared. The photophysical studies of these derivatives, reported in the second part of the thesis, have evidenced a photoinduced energy transfer between the chromophores. In these systems, BODIPY-pophyrin and BODIPY-corolle, the BODIPY moiety is alternatively donor or acceptor.

Advisors/Committee Members: Denat, Franck (thesis director), Harvey, Pierre D. (thesis director).

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Nous proposons dans cette thèse d’étudier une méthode d’imagerie qui s’adapte à la scène étudiée en utilisant des états polarimétriques choisis sur critères physiques pour optimiser le contraste polarimétrique en 2 zones aux propriétés polarimétriques différentes. En prenant en compte le bruit de Grenaille du détecteur, cette nouvelle technique d’imagerie à 2 canaux nommée APSCI montre un gain en contraste quantifié par la distance de Bhattacharyya pouvant atteindre un facteur 10 par rapport à l’imagerie de Mueller. D’autre part, elle utilise la totalité de l’information polarimétrique de la scène pour générer une seule image au contraste optimum ce qui la rend particulièrement performante pour distinguer deux zones aux propriétés polarimétriques légèrement différentes. La solution analytique complète de ce problème est proposée au chapitre suivant avec des illustrations associées. Le modèle proposé permet, en plus d’une interprétation physique, de quantifier les performances limites de la méthode APSCI en fonction des matrices de Mueller des 2 objets à discerner. Le chapitre suivant est consacré à l’étude des performances de cette méthode soumise au bruit optique de tavelure de cible. Les simulations numériques montrent que les performances de cette méthode en terme de contraste polarimétrique restent relativement robustes et souvent très supérieures à celles obtenues par l’imagerie de Mueller classique. Le dernier chapitre consiste à décrire l’implémentation expérimentale nécessaire à l’adaptation d’un imageur de Mueller en imageur APSCI en vue d’obtenir un imageur hybride Mueller/APSCI. La méthode APSCI nécessite de pouvoir utiliser en émission et en projection lors de la détection.

We propose in this thesis to study and imaging method which is adapted to the scene under investigation by the use of specific polarimetric excitations. The scenes under inversigation have two separate regions with different polarimetric properties. The specific fully polarized state of illumination is found by the physical criteria for oprimizing the polarimetric constrat in two aereas with different polarization properties. Taking into account the Shot noise of the detector, this new 2 channel imaging technique named APSCI, shows a gain in contrast quantified by the Bhattacharyya distance of up to a factor of 10 compared to what is achievable from classical Mueller imagnin. On the other hand, it uses the full polarimetric information of the scene to generate a single image at optimum contrast which makes it particularly effective to distinguish two distinct areas with slightly different polarization properties. The complete analytical solution of this problem is proposed in the next chapter with associated illustrations. The proposed model allows, in addition to a physical interpretation of the imaging problem, to quantify the limits of APSCI method based on evaluated Mueller matrices of the scene. Furthermore the relative performance of APSCI vs Classical Mueller Imaging (CMI) associated to polar decomposition has been studied…

Advisors/Committee Members: Orlik, Xavier (thesis director), Lacot, Éric (thesis director).

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L'imagerie plénoptique est souvent présentée comme une révolution par rapport à l'imagerie standard. En effet, elle apporte plus de contrôle à l'utilisateur sur l'image finale puisque les dimensions spatiales et angulaires du champ de lumière offrent la possibilité de changer le point de vue ou de refaire la mise au point après coup ainsi que de calculer la carte de profondeur de la scène. Cependant, cela complique le travail du concepteur optique du système pour deux raisons. La première est qu'il existe une multitude d'appareils de capture plénoptique différents, chacun avec sa propre spécificité. La deuxième est qu'il n'existe pas de modèle qui relie le design de la caméra à ses propriétés optiques d'acquisition et qui puisse guider le concepteur dans sa tâche. Cette thèse répond à ces observations en proposant un modèle optique du premier ordre pour représenter n'importe quel appareil d'acquisition plénoptique. Ce modèle abstrait une caméra plénoptique par un réseau équivalent de caméras virtuelles existant en espace objet et qui effectue un échantillonnage identique de la scène. Ce modèle est utilisé pour étudier et comparer plusieurs caméras plénoptiques ainsi qu'un microscope plénoptique monté en laboratoire, ce qui révèle des lignes directrices pour la conception de systèmes plénoptiques. Les simulations du modèle sont aussi validées par l'expérimentation avec une caméra et le microscope plénoptique.

Light field imaging is often presented as a revolution of standard imaging. Indeed, it does bring more control to the user over the final image as the spatio-angular dimensions of the light field offer the possibility to change the viewpoint and refocus after the shot and compute the scene depth map.However, it complicates the work of the optical designer of the system for two reasons. The first is that there exist a multitude of different light field acquisition devices, each with its own specific design. The second is that there is no model that relates the camera design to its optical properties of acquisition and that would guide the designer in his task. This thesis addresses these observations by proposing a first-order optical model to represent any light field acquisition device. This model abstracts a light field camera as en equivalent array of virtual cameras that exists in object space and that performs the same sampling of the scene. The model is used to study and compare several light field cameras as well as a light field microscope setup which reveals guidelines for the conception of light field optical systems. The simulations of the model are also validated through experimentation with a light field camera and a light field microscope that was constructed in our laboratory.

Advisors/Committee Members: Granier, Xavier (thesis director), Reuter, Patrick (thesis director).

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La portée de cette thèse est de montrer le potentiel de l'imagerie térahertz (THz) pour l'évaluation non-destructive et non-invasive d’objets liés à notre héritage culturel. A cette fin, nous avons développé un spectro-imageur THz permettant une analyse spectroscopique des objets sur la gamme de fréquence 0-3 THz. Le système permet aussi de mesurer des variations d’épaisseur inférieures à 30 µm suite à une analyse du « temps de vol » lié à la propagation des impulsions THz entre l’émetteur et le détecteur. Ainsi, nous avons pu révéler des esquisses dissimulées sous diverses couches de peinture ou de plâtre. Nous avons également mis au point un scanner THz portable monochromatique pour une analyse tomographique des objets. Après une étude en laboratoire, une campagne de mesures a été réalisée au Musée d’Aquitaine (France) afin de démontrer l’intérêt de ce système de caractérisation optique 3D pour diverses pièces du musée et notamment certaines antiquités égyptiennes vieilles de 3500 ans qui ont pu ainsi livrer une partie de leurs mystères.

The scope of this thesis is to demonstrate the potential of terahertz (THz) imaging for non-destructive evaluation of various artworks associated with a complete 3D volumetric inspection. For this purpose we used a pulsed THz time-domain spectrometer and a portable millimeter continuous wave scanner. Time-of-flight of THz electric field and material dependent spectroscopic information allows the analysis of various artistic samples. THz imaging was able to reveal buried layer information, covered by several layers of painting and plaster. It was also possible to evaluate the variations of the painting thickness along with their spectroscopic features in the THz range. The portable imaging system was used for the inspection of real historical art samples preserved at museum of Aquitaine (France). THz computed tomography has been performed for visualizing volumetric objects. Different reconstruction methods have been compared in order to enhance final image quality with the optimization of the number of projections. Finally the tomographic technique was used for a complete 3D inspection of historical art objects.

Advisors/Committee Members: Abraham, Emmanuel (thesis director), Mounaix, Patrick (thesis director).

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L'objectif de ce travail de recherche est le développement d'un système fibré d'imagerie point par point d'auto fluorescence multi-excitation, de tissus biologiques en utilisant la technique de fluorescence hyperspectrale et l'étude d'un système de tomographie optique cohérente comme possible modalité supplémentaire. La première partie de ce rapport présente les propriétés optique des tissus biologiques et les fluorophores pertinents pour la détection de tumeurs cancéreuses. La deuxième partie présente l'instrumentation du système d'imagerie de fluorescence et l'analyse hyperspectrale des résultats obtenus in vitro.Il est démontré la pertinence de ce type d'analyse qui permet de déterminer la concentration de certains fluorophores. La troisième partie présente le système de tomographie optique cohérente appelé "scan free" OCT car il permet de réaliser des images sans déplacement d'éléments optiques. Ce système est caractérisé et présente des fonctionnalités intéressantes comme la compensation de la dispersion dépendante de la profondeur. Les divers résultats obtenus montrent que ces deux techniques sont complémentaires car elles apportent des informations de nature différentes. La première technique donne de se informations sur la composition biochimique des tissus, la seconde donne des information sur la structure.

The aim of this activity is the development of a mono point imaging fiber system which uses hyperspectral multi-excitation auto fluorescence technique for biological tissues and the study of an Optical Coherence Tomography system like another modality. At first, this report presents the optical properties of biological tissues and the relevant fluorophores for cancerous tumors detection. Secondly, the fluorescence imaging system instrumentation and hyperspectral analysis are presented with in vitro results. The third part presents the "scan free" optical coherence tomography system which is able to image without optical displacement. It's characterized and have interesting functionality like depth dependant dispersion compensation. These both techniques are complementary because they get different kind of information. The information of the first one is about biochemical composition of the tissues and the information of the second one is about the stucture.

Advisors/Committee Members: Wacogne, Bruno (thesis director).

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Ce travail est dédié à l’étude de l’origine des phénomènes statistiques récemment observés dans le cadre de la turbulence intégrable. Les études expérimentales et numériques de la propagation d’ondes partiellement cohérentes dans les systèmes décrits par l’équation de Schrödinger non linéaire à une dimension ont révélé un écart par rapport à la distribution gaussienne. Les régimes de propagation focalisant et défocalisant présentent un comportement qualitativement différent: la probabilité que des événements extrêmes apparaissent dans le cas focalisant est supérieure à la loi normale, alors que dans le régime défocalisant, elle y est inférieure. Nous avons réalisé des expériences d’optique bien décrites par l'équation de Schrödinger non linéaire 1-D afin d'étudier ce problème. Nous avons construit deux outils de mesure nouveaux et complémentaires. En utilisant ces outils, nous avons réalisé une observation directe des structures cohérentes qui apparaissent à différents stades de la propagation dans les deux régimes. En fournissant une analyse de ces structures, nous avons déterminé les mécanismes dominants dans les régimes focalisant et défocalisant. Dans le régime focalisant, nous avons mis en évidence le caractère universel de structures voisines des solitons de Peregrine et établi un lien avec un résultat mathématique rigoureux obtenu dans le régime semi-classique. Dans le régime défocalisant, nous avons montré que le mécanisme d'interférence non linéaire entre impulsions voisines définit l'évolution des conditions initiales partiellement cohérentes. Nous avons proposé un modèle simplifié qui explique la présence des différentes échelles dans les données enregistrées.

This work is dedicated to the investigation of the origin of statistical phenomena recently observed in the framework of integrable turbulence. Namely, experimental and numerical studies of the partially-coherent waves propagation in 1-D Nonlinear Schrödinger equation systems revealed a deviation from the Gaussian statistics. Focusing and defocusing regimes of propagation demonstrated qualitatively different behaviour: the probability of extreme events to appear in the focusing case is higher than it is predicted by normal law, while in defocusing it is lower. We provided optical experiments well described by the 1-D Nonlinear Schrödinger equation in order to investigate this problem. We built two novel and complementary ultrafast measurement tools. Employing these tools we provided direct observation of coherent structures which appear at different stages of the propagation in both regimes. Providing analysis of these structures, we determined dominating mechanisms in both focusing and defocusing regimes. In the focusing regime, we discovered the universal appearance of Peregrine soliton-like structures and made a link with the rigorous mathematical result obtained in the semi-classical regime. In the defocusing case, we showed that the mechanism of nonlinear interference of neighbour pulse-like structures defines the evolution of the…

Advisors/Committee Members: Suret, Pierre (thesis director), Randoux, Stéphane (thesis director).

▼ L’imagerie médicale a permis à l’Homme de mieux connaitre son anatomie, le fonctionnement de son corps, et de diagnostiquer ses pathologies à des stades de plus en plus précoces, à partir de techniques peu invasives. Au cœur de cette discipline, l’imagerie moléculaire permet d’observer les processus biologiques qui participent au fonctionnement du vivant à des fins exploratoires, diagnostiques, thérapeutiques et aujourd’hui théranostiques. L’activité enzymatique étant à l’origine d’une grande part du métabolisme, la plupart des pathologies implique le dérèglement de celle-ci. L’observation par imagerie moléculaire de cette activité constitue alors un outil prépondérant de l’arsenal médical. Parmi les techniques d’imagerie les plus adaptées à cet enjeu, l’Imagerie par Résonnance Magnétique (IRM) permet d’observer les tissus et organes de façon non invasive, en s’appuyant couramment sur l’administration au patient d’agents de contraste. Ces molécules destinées à renforcer la qualité des images acquises peuvent également être utilisées pour réagir à la présence de cibles biologiques d’intérêt, notamment des enzymes, accompagnant ainsi les clichés obtenus d’informations biologiques et physiologiques. Parmi les nombreux outils pharmacologiques destinés à l’IRM, les complexes de lanthanides ont déjà prouvé leur efficacité en imagerie clinique, et peuvent potentiellement être détectés par trois modalités d’imagerie complémentaires : l’IRM à effets T₁ et paraCEST, et l’imagerie optique. Notre équipe travaille à la conception d’une plateforme modulable permettant de détecter une grande variété d’enzymes. Elle est constituée d’un « déclencheur » qui peut être activé par une enzyme ciblée, relié par l’intermédiaire d’un bras « auto-immolable » à un « rapporteur » assurant la détection de la sonde. Ce dernier se compose d’un chélate de lanthanide qui confère à la sonde des propriétés magnétiques détectables par IRM à effets T₁ et paraCEST. Par ailleurs, une antenne de type pyridine assure l’excitation du lanthanide conduisant à sa luminescence, qui peut être détectée par imagerie optique. L’activation enzymatique de l’agent de contraste conduit à la dégradation du bras « auto-immolable », qui s’accompagne d’une modification détectable des propriétés magnétiques et optiques du rapporteur ainsi libéré. Une plateforme de ce type a été conçue lors de travaux précédents ce projet de thèse pour la détection de l’activité de la β-galactosidase. Cependant le processus de dégradation du bras « auto-immolable » déclenché par l’activité de l’enzyme ne permet pas de libérer le rapporteur sous forme activée. En effet, la cascade électronique à l’origine de ce processus est considérablement ralentie par la coordination du bras « auto-immolable » au lanthanide. Aussi, l’objectif de ce projet de thèse consiste à modifier la structure de ces agents de contraste afin de lever ce blocage cinétique, tout en conservant une détectabilité par les trois modalités d’imagerie citées précédemment.Pour ce faire, six nouveaux analogues ont été synthétisés… Advisors/Committee Members: Durand, Philippe (thesis director).

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Cette thèse s'intéresse à la phénoménologie relative à l'imagerie passive dans le domaine sub-térahertz allant de 0,1 à 1 THz. Dans cette fenêtre électromagnétique, les matériaux diélectriques comme les vêtements sont transparents ce qui ouvre la voie à la réalisation d'images des personnes débarrassées de leurs vêtements et la possibilité de détecter des objets extracorporels cachés sous ces derniers. Le processus de formation d'images repose sur la détection des puissances de rayonnement provenant de la scène et sur la discrimination des signatures spectrales des objets de la scène. Dans cette thèse, nous mesurons l'indice, la transmission et la diffusion de quelques vêtements et autres matériaux dissimulants dans le domaine térahertz. La technique de mesure utilisée est la spectroscopie térahertz dans le domaine temporel, la génération et la détection des signaux sont réalisées par les photocommutateurs ultra-rapides à base de GaAs-BT. Les résultats obtenus s'étendent jusqu'à 2 ou 2,5 THz. La technique de mesure est ensuite adaptée pour la détermination in-vivo des propriétés térahertz de la peau humaine. La base de données constituée par la campagne de mesures est enfin intégrée dans un modèle radiométrique pour l'étude des scénarios d'imagerie passive de détection à distance. Les performances obtenables sont discutées et les spécifications favorables à l'imagerie sont déduites.

The thesis focuses on the phenomenology related to passive imaging in Millimeter/Terahertz domain, 0.1 to 1 THz. In this domain, dielectric materials such as clothing are transparent, this paves the way for the creation of images of people guillemotleft stripped of guillemotright their clothing and the ability to detect extracorporeal objects hidden behind the clothes. In this thesis, we measure the optical index, the transmission and the diffusion of some hidden materials in the terahertz domain. The measurement technique used is the terahertz time-domain spectroscopy. The generation and detection of signals are carried out by LT-GaAS photoswitches. The results extend to 2 or 2.5 THz. The optical properties of human skin is measured using our experimental setup mounted in reflection geometry. The database made from the measurement campaign is finally integrated into a radiometric model for the study of passive imaging scenarios for remote sensing. Obtainable performances are discussed and favorable specification to imaging are derived.

Advisors/Committee Members: Coutaz, Jean-Louis (thesis director).

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Dans le domaine de l'imagerie infrarouge, on distingue deux types de technologies : les détecteurs refroidis, coûteux et très performants, et les détecteurs thermiques, bas coût et moins encombrants. Dans les deux cas le système optique associé au détecteur représente une part importante du coût total du fait de la production unitaire de lentilles et du besoin en une résolution de plus en plus importante pour suivre la diminution du pas pixel et l'augmentation du format des détecteurs. Dès lors il est intéressant d'explorer des solutions pour diminuer le coût et l'encombrement du système optique tout en maintenant ou en améliorant les performances optiques. Dans ce contexte, ce travail de thèse s'intéresse à l'utilisation d'optiques sub-lambda ou métasurfaces optiques en matériau diélectrique au sein de systèmes d'imagerie infrarouge. De telles optiques sont peu encombrantes et fabriquées par des moyens issus de l'industrie de la microélectronique ce qui permet d'envisager une fabrication collective donc une diminution des coûts. Ces objets sont obtenus en structurant un substrat plan avec des motifs de taille inférieure à la longueur d'onde. La géométrie de ces motifs, dans des matériaux à forts indices de réfraction et transparents dans l'infrarouge comme le silicium, permettent de modifier les propriétés d'une onde optique : sa polarisation, sa phase, sa dispersion et la transmission. Cependant il est complexe de contrôler tout ces paramètres tout en prenant compte des limites technologiques des outils de fabrication. Ce travail s'est donc orienté vers la conception de systèmes optiques mêlant lentilles réfractives et lames sub-lambda de correction de front d'onde. Pour ce faire nous avons (i) développé un outil de simulation mêlant calculs électromagnétiques par la méthode RCWA, pour rendre compte du comportement d'une optique sub-lambda, et conception optique pour la partie réfractive. Nos optiques sub-lambda ont dès lors des dimensions millimétriques à centimétriques pour être couplées à des lentilles réfractives au sein de systèmes d'imagerie, et notre méthode permet de simuler efficacement de tels systèmes optiques. Dans un second temps nous avons (ii) développé des procédés de fabrication de prototypes d'optiques sub-lambda, notamment pour la correction d'aberration sphérique dans le LWIR (bande 8-14µm de longueur d'onde). (iii) Enfin la caractérisation de nos systèmes optiques a permis de valider notre modèle et de démontrer une forte amélioration de la FTM d'un système optique aberrant associé à une lame sub-lambda de correction de front d'onde (FTM multipliée par 3 à 25 cycles par millimètre). Nos derniers résultats montrent une amélioration sur une bande 8-12µm de nos systèmes optiques et ouvrent la voie vers la conception d'optiques sub-lambda large bande au sein de systèmes d'imagerie infrarouge.

In the field of infrared imaging, there are two main types of detectors : cooled detectors, with great sensitivity but expensive, and uncooled detectors, exhibiting precise temperature measurement at…

Advisors/Committee Members: Rothman, Johan (thesis director).

▼ Pouvoir déterminer la structure et la composition de l’intérieur de la Terre est un enjeu scientifique fondamental, pour la compréhension de l’organisation de la Terre profonde, des mécanismes des séismes et leur localisation en lien avec la prévention du risque sismique, pour la détection et l’exploitation des ressources naturelles telles que l’eau ou les hydrocarbures, ou encore pour toutes les activités de construction et de prévention associées au génie civil. Pour cela, les ondes sismiques sont un outil de choix. L’utilisation d’une approximation haute fréquence pour la modélisation de la propagation des ondes est avantageuse en termes de coût de calcul dès lors que plusieurs centaines, voire milliers, ou plus de longueurs d’ondes doivent être propagées. À la place de l’équation des ondes linéaire, l’approximation haute fréquence fournit trois équations aux dérivées partielles fondamentales. L’équation Eikonal, non linéaire, permet d’obtenir le temps de trajet. Une deuxième équation fournit l’angle d’émergence. L’équation Eikonal et l’équation des angles appartiennent toutes deux à la grande famille des équations de Hamilton-Jacobi. Enfin, l’équation de transport permet de calculer l’amplitude.Le tracé des rais sismiques est une technique lagrangienne qui utilise la méthode des caractéristiques pour obtenir un ensemble d’équations différentielles ordinaires à partir de ces équations aux dérivées partielles. Ces équations peuvent être intégrées facilement, donnant ainsi accès au temps de trajet et à l’amplitude le long des rais. Très largement utilisés dans la communauté géophysique du fait de leur simplicité, les outils de tracé de rais ne sont pas pour autant les plus efficaces et les plus robustes en pratique pour des applications d’imagerie et d’inversion haute résolution. En lieu et place, il peut être utile de résoudre directement les équations aux dérivées partielles par une méthode eulérienne. Durant les trois dernières décennies, une multitude de solveurs ont été développés pour l’équation Eikonal, la plupart utilisant la méthode des différences finies. Ces différents travaux visent à obtenir le meilleur compromis entre précision, coût de calcul, robustesse, facilité d’implémentation et souplesse d’utilisation.Dans cette thèse, je développe une approche différente, se basant principalement sur une méthode Galerkine discontinue. Dans le champ des mathématiques, cette méthode a été largement utilisée pour résoudre les lois de conservation et les équations de Hamilton-Jacobi. Très peu de travaux ont porté sur l'utilisation de cette méthode pour la résolution de l’équation Eikonal statique dans un contexte géophysique, et ce malgré le haut niveau de précision qu'elle apporte. C’est pourquoi, en me basant sur des travaux mathématiques, je propose un nouveau solveur Eikonal adapté au contexte géophysique. Les milieux hétérogènes complexes, anisotropes, et incluant des variations topographiques sont correctement pris en compte, avec une précision sans précédent. En y intégrant de manière robuste une stratégie… Advisors/Committee Members: Virieux, Jean (thesis director), Métivier, Ludovic (thesis director).