The autofluorescence images of the retina, which are obtained by laser scanning confocal ophthalmoscope Heidelberg Retina Angiograph (HRA), are used for early glaucoma diagnosis. Glaucoma is caused by gradual damage of the optic nerves, which leads to the failing of eyesight and can even cause its complete loss. HRA system is used to obtain a set of retinal images, where every image represents certain segment of retina. This thesis describes image registration methods for retinal image mosaicing. The tested registration methods are based on the global function of similarity or the landmarks detection. As landmarks, the blood vessel bifurcations are considered.

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Maîtriser l’impact des maladies sur les cultures est un défi majeur de l’agriculture moderne. Cette préoccupation est un aspect important de l’optimisation de la productivité, notamment en viticulture. En France, le mildiou de la vigne causé par Plasmopara viticola est une des maladies cryptogamiques responsable des épidémies les plus dévastatrices et les plus redoutées. Les traitements reposent sur l’utilisation préventive, systématique et onéreuse de composés chimiques antifongiques dont l’utilisation massive constitue un risque à la fois pour l’homme et l’environnement. La réduction de l’utilisation de fongicide implique le développement d’outils de diagnostic au champ, qui requiert la compréhension des interactions entre la plante et les agents pathogènes. Les travaux de cette thèse pluridisciplinaire ont porté sur le pathosystème Plasmopara viticola - Vitis vinifera, notamment pour répondre à l’intérêt croissant pour un outil de diagnostic en temps réel de la maladie utilisable au vignoble. Les stilbènes sont des phytoalexines impliqués dans la défense de certaines plantes supérieures vis-à-vis de stress biotiques et abiotiques. L’autofluorescence de ces composés phénoliques, dont la biosynthèse est induite dans les feuilles de vigne par P. viticola, en fait un potentiel marqueur naturel de l’infection. En effet, la faible autofluorescence bleu-verte des feuilles de vigne saines est considérablement renforcée par l’autofluorescence violet-bleue des stilbènes à la surface de feuilles de vigne infectée par P. viticola. Cette étude a montré que quelque soit le niveau de résistance du génotype, l’autofluorescence violet-bleue des stilbènes induit par l’infection est présente au niveau des parois des cellules de l’épiderme. En dehors de la concentration, la viscosité s’est révélé être la principale variable physico-chimique influençant l’intensité de l’autofluorescence des stilbènes dans les différents compartiments cellulaires des feuilles de vigne. Ceci explique la fluorescence intense des parois, particulièrement rigides, des cellules de garde (stomates) des feuilles infectées. Le suivi cinétique journalier a révélé la nature transitoire de l’autofluorescence des stilbènes lors de l’infection. La robustesse et l’intérêt de ce signal a également été validée par la mesure à différentes échelles (de la cellule à la feuille entière) et avec différentes méthodes fluorimétriques. Les résultats de ce travail ont permis des avancées sur la connaissance du rôle de composés phénoliques induits et constitutifs dans la défense contre P. viticola. En plus de la localisation de l’autofluorescence des stilbènes en surface des feuilles, la microscopie confocale couplée à la microspectrofluorimetrie a révélé différentes localisations de ces phytoalexines dans la profondeur des tissus en corrélation avec le niveau de résistance des génotypes. L’utilisation de l’autofluorescence des stilbènes comme marqueur de l’infection a permis de mettre en évidence : 1) le fait que les flavonols constitutifs des feuilles de V. vinifera retardent le développement de l’infection par P. viticola; et 2) le fait que les acides hydroxycinnamiques constitutifs ne semble pas participer à la défense contre P. viticola. Enfin, une nouvelle méthode de diagnostic non-destructive du mildiou sur feuille basée sur l’autofluorescence des stilbènes a été développée. Elle a montré une détection pré-symptomatique du mildiou sur les feuilles de vigne entières dès le premier jour après l’infection sur la face abaxiale et le troisième jour sur la face adaxiale. Cette méthode de diagnostic du mildiou a été validée au laboratoire notamment grâce à un prototype de capteur proximal développé en collaboration avec la société Force-A. La validation de la méthode au vignoble dans le cadre d’infection naturelle est la prochaine étape pour une utilisation de ce capteur optique dans le cadre de l’agriculture durable et de la sélection variétale. / Controlling the impact of diseases on crops is a major challenge of modern agriculture. This concern is an important aspect of optimizing productivity, notably in viticulture. In France, downy mildew caused by Plasmopara viticola is a fungal disease responsible for the most devastating epidemics. The preventive and systematic treatments are expensive, while the massive use of antifungal chemicals is a risk to both humans and the environment. Reducing the use of fungicide involves the development of diagnostic tools in the field, which requires understanding the interactions between plants and pathogens. The work of this multidisciplinary thesis focused on the pathosystem Plasmopara viticola - Vitis vinifera, especially to meet the growing interest in a real-time diagnostic tool of disease applicable in the vineyard. Stilbenes are phytoalexins involved in the defense of certain higher plants against biotic and abiotic stresses. The autofluorescence of these phenolic compounds, whose biosynthesis is induced in grapevine leaves by P. viticola, makes it a potential marker of natural infection. Indeed, the low blue-green autofluorescence of grapevine leaves is greatly enhanced by the violet-blue autofluorescence of stilbenes on the surface of leaves infected by P. viticola. This study showed that whatever the level of resistance in various genotypes, violet-blue autofluorescence induced by stilbene is present in the walls of epidermal cells. In addition to their concentration, viscosity proved the main physico-chemical variable affecting the intensity of the autofluorescence of stilbenes in different compartments of vine leaves. This explains the intense fluorescence of the walls, particularly rigid, of guard cells (stomata) of infected leaves. Daily monitoring revealed a kinetic with a transient rise of the autofluorescence of stilbenes during infection. The robustness and value of this signal was also validated by measuring at different levels (cellular to whole leaf) and with various fluorimetric methods (imaging, spectroscopy, proximal sensing). These results advance our understanding of the role of constitutive and induced phenolic compounds in plant defence against P. viticola. In addition to a common location of the autofluorescence of stilbenes on the leaf surface, confocal microscopy coupled with microspectrofluorometry revealed distinctive localizations of these phytoalexins in the deep tissue correlated with the level of resistance in genotypes. This aspect no doubt needs broader testing. The use of autofluorescence of stilbene as a marker of infection allowed us to ascertain that: 1) constitutive flavonols of the leaves of V. vinifera retard the development of infection by P. viticola and 2) the constitutive hydroxycinnamic acids do not seem to participate in the defence against P. viticola. Finally, a new method for the non-destructive diagnosis of leaf infection based on the autofluorescence of stilbenes has been developed. We have demonstrated a pre-symptomatic detection of downy mildew on whole grape leaves from the first day after infection on the abaxial surface and from the third day on the adaxial surface. This method of diagnosis has been validated in the laboratory thanks to a proximal sensor prototype developed in collaboration with the company Force-A. The validation of the method in the vineyard in a context of natural infections is the next step for use of this optical sensor as a tool for sustainable agriculture and for genetic screening.

Les technologies d'imagerie intravasculaire c’est à dire l’échographie endo-coronaire (IVUS)et la tomographie par cohérence optique (IV-OCT) sont des outils précieux pour aider audiagnostic de la plaque d’athérosclérose et guider les gestes thérapeutiques.Le chapitre 1 présente les inconvénients de la coronarographie dans la pratique clinique.Dans plusieurs circonstances, l’IVUS et l’OCT ont clairement une valeur supplémentaire quandils sont utilisés comme un outil diagnostique en cas d'ambiguïtés angiographiques. Nousavons récemment rapporté la première observation utilisant l’OCT pour décrire une dissectioncoronaire d'une branche septale perforante responsable d’un infarctus du myocarde.Le chapitre 2 porte sur la reproductibilité de I’OCT entre différents instituts concernant denombreux paramètres qualitatifs et quantitatifs de la plaque d'athérome. Le but de notre étudeétait d'étudier en plus de la reproductibilité inter- et intra-observateur, la variabilité inter-institutsde I’OCT concernant les mesures quantitatives et qualitatives et de la comparer à celle del’IVUS. Dans ce travail, nous avons observé que, dans la mesure de la surface de la lumièreendocoronaire, des diamètres minimum et maximum de cette même lumière endocoronaire,de la surface endo-luminale du stent, des diamètres minimum et maximum endo-luminaux dustent, par des analystes provenant de 2 laboratoires différents, la reproductibilité inter-institutsde I’OCT était nettement supérieure à celle de l’IVUS. Le Chapitre 3 présente 2 nouvelles technologies robustes d'imagerie intravasculaire hybridesdéveloppées dans le laboratoire du Professeur Guillermo J. Tearney: l’OCT couplée à laspectroscopie dans le proche infra-rouge (OFDI-NIRS) et l’OCT couplée à l’autofluorescencedans le proche infra-rouge (OFDI-NIRAF). Les premières procédures d’OFDI-NIRS chezl’homme sont prévues dans un avenir proche. Les premières procédures chez l’homme ontété réalisées chez 12 patients porteurs d’un angor stable entre Juillet 2014 et Janvier 2015.Les résultats de cette étude pilote ont montré que le signal d’autofluorescence recueilli(NIRAF) a été focalement trés élevé dans des endroits de la plaque d’athérome où la plupartdes phénotypes morphologiques en OCT d’une plaque à haut risque de rupture étaientévidents. Les substrats biochimiques de ce signal d’autofluorescence (NIRAF) sont encore àélucider. / Intravascular imaging technologies i.e. IVUS and IV-OCT are valuable tools for interventionguidance and diagnostic plaque imaging.Chapter 1 introduces the drawbacks of coronary angiography in the clinical practice. In severalcircumstances, IVUS and IV-OCT have clearly an additional value when they are used as adiagnosis tool in case of angiographic ambiguities. We recently reported the first observationusing IV-OCT to describe a coronary dissection of a septal perforating branch causing AMI.Chapter 2 focuses on the inter-institute reliability of IV-OCT to determine qualitative andquantitative parameters of atherosclerotic plaque. The purpose of our study was to investigatefurther inter- and intra-observer reproducibility, the inter-institute variability for IV-OCT (OFDI)quantitative and qualitative measurements vs. IVUS measurements using publishedconsensus document definitions. In our work, we observed that in the measurement of lumenCSA, maximum and minimum lumen diameters, stent CSA, maximum and minimum stentdiameters by analysts from 2 different laboratories, inter-institute reproducibility of OFDI wasfound to be more consistent than IVUS.Chapter 3 present 2 new robust hybrid intravascular imaging technologies developed in Dr.Tearney’s laboratory i.e. OFDI-NIRS and OFDI-NIRAF, which may offer supplementary criteriafor plaque vulnerability. First-in-human OFDI-NIRS imaging procedures are anticipated in thenear future. First-in-human OFDI-NIRAF imaging procedures have been performed in a firstpioneering series of 12 stable patients between July 2014 and January 2015. Findings of thispilot study showed that NIRAF was focally elevated in plaque locations where most high-riskmorphologic phenotypes were evident. The biochemical substrates of the NIRAF signal stillhave to be elucidated.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Maîtriser l'impact des maladies sur les cultures est un défi majeur de l'agriculture moderne. Cette préoccupation est un aspect important de l'optimisation de la productivité, notamment en viticulture. En France, le mildiou de la vigne causé par Plasmopara viticola est une des maladies cryptogamiques responsable des épidémies les plus dévastatrices et les plus redoutées. Les traitements reposent sur l'utilisation préventive, systématique et onéreuse de composés chimiques antifongiques dont l'utilisation massive constitue un risque à la fois pour l'homme et l'environnement. La réduction de l'utilisation de fongicide implique le développement d'outils de diagnostic au champ, qui requiert la compréhension des interactions entre la plante et les agents pathogènes. Les travaux de cette thèse pluridisciplinaire ont porté sur le pathosystème Plasmopara viticola - Vitis vinifera, notamment pour répondre à l'intérêt croissant pour un outil de diagnostic en temps réel de la maladie utilisable au vignoble. Les stilbènes sont des phytoalexines impliqués dans la défense de certaines plantes supérieures vis-à-vis de stress biotiques et abiotiques. L'autofluorescence de ces composés phénoliques, dont la biosynthèse est induite dans les feuilles de vigne par P. viticola, en fait un potentiel marqueur naturel de l'infection. En effet, la faible autofluorescence bleu-verte des feuilles de vigne saines est considérablement renforcée par l'autofluorescence violet-bleue des stilbènes à la surface de feuilles de vigne infectée par P. viticola. Cette étude a montré que quelque soit le niveau de résistance du génotype, l'autofluorescence violet-bleue des stilbènes induit par l'infection est présente au niveau des parois des cellules de l'épiderme. En dehors de la concentration, la viscosité s'est révélé être la principale variable physico-chimique influençant l'intensité de l'autofluorescence des stilbènes dans les différents compartiments cellulaires des feuilles de vigne. Ceci explique la fluorescence intense des parois, particulièrement rigides, des cellules de garde (stomates) des feuilles infectées. Le suivi cinétique journalier a révélé la nature transitoire de l'autofluorescence des stilbènes lors de l'infection. La robustesse et l'intérêt de ce signal a également été validée par la mesure à différentes échelles (de la cellule à la feuille entière) et avec différentes méthodes fluorimétriques. Les résultats de ce travail ont permis des avancées sur la connaissance du rôle de composés phénoliques induits et constitutifs dans la défense contre P. viticola. En plus de la localisation de l'autofluorescence des stilbènes en surface des feuilles, la microscopie confocale couplée à la microspectrofluorimetrie a révélé différentes localisations de ces phytoalexines dans la profondeur des tissus en corrélation avec le niveau de résistance des génotypes. L'utilisation de l'autofluorescence des stilbènes comme marqueur de l'infection a permis de mettre en évidence : 1) le fait que les flavonols constitutifs des feuilles de V. vinifera retardent le développement de l'infection par P. viticola; et 2) le fait que les acides hydroxycinnamiques constitutifs ne semble pas participer à la défense contre P. viticola. Enfin, une nouvelle méthode de diagnostic non-destructive du mildiou sur feuille basée sur l'autofluorescence des stilbènes a été développée. Elle a montré une détection pré-symptomatique du mildiou sur les feuilles de vigne entières dès le premier jour après l'infection sur la face abaxiale et le troisième jour sur la face adaxiale. Cette méthode de diagnostic du mildiou a été validée au laboratoire notamment grâce à un prototype de capteur proximal développé en collaboration avec la société Force-A. La validation de la méthode au vignoble dans le cadre d'infection naturelle est la prochaine étape pour une utilisation de ce capteur optique dans le cadre de l'agriculture durable et de la sélection variétale.

Metal nanoparticles have recently gained popularity in many research areas due to their nanosize-related properties. Depending on the size of the metal nanoparticle, their mode of interaction with electromagnetic radiation and the outcome of this interaction vary; in turn the effect exerted on a protein which is conjugated to a nanoparticle varies, because different sized nanoparticles demonstrate different modes of energy transfer with electromagnetic radiation and molecules conjugated to them. Very small cluster with sizes around 1 – 1.2 nm tend to get excited by incident light and emit fluorescence, whereas larger nanoparticles absorb the incoming light very strongly due to their LSPR. In this study we observed the outcomes of the interaction between two types of nanoparticles, namely gold and gold/silver alloyed nanoparticles with the fluorescence emission of two fluorophores, namely eGFP and rPhiYFP; and demonstrated a bioassay where the fluorescence modulation by gold nanoparticles can be used as the sensing strategy. Lastly, we demonstrated the potential of autofluorescent gold nanoparticles as intracellular reporters.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Color theory was first formalized in the seventeenth century by Isaac Newton just a couple of decades after the first microscope was built. But it was not until the twentieth century that technological advances led to the integration of color theory, optical spectroscopy and light microscopy through spectral image processing. However, while the focus of image processing often concerns modeling of how images are perceived by humans, the goal of image processing in natural sciences and medicine is the objective analysis. This thesis is focused on color theory that promotes quantitative analysis rather than modeling how images are perceived by humans. Color and fluorescent dyes are routinely added to biological specimens visualizing features of interest. By applying spectral image processing to histopathology, subjectivity in diagnosis can be minimized, leading to a more objective basis for a course of treatment planning. Also, mathematical models for spectral image processing can be used in biotechnology research increasing accuracy and throughput, and decreasing bias. This thesis presents a model for spectral image formation that applies to both fluorescence and transmission light microscopy. The inverse model provides estimates of the relative concentration of each individual component in the observed mixture of dyes. Parameter estimation for the model is based on decoupling light intensity and spectral information. This novel spectral decomposition method consists of three steps: (1) photon and semiconductor noise modeling providing smoothing parameters, (2) image data transformation to a chromaticity plane removing  intensity variation while maintaining chromaticity differences, and (3) a piecewise linear decomposition combining advantages of spectral angle mapping and linear decomposition yielding relative dye concentrations. The methods described herein were used for evaluation of molecular biology techniques as well as for quantification and interpretation of image-based measurements. Examples of successful applications comprise quantification of colocalization, autofluorescence removal, classification of multicolor rolling circle products, and color decomposition of histological images.

Ce travail porte sur le développement d’une nouvelle technique de diagnostic associant la résonance magnétique à haute résolution spatiale à la spectroscopie optique d’autofluorescence et de réflectance. La mise au point d’une telle sonde endoluminale bimodale s’inscrit dans les recherches de méthodes complémentaires ou alternatives à l’endoscopie conventionnelle pour le diagnostic précoce des pathologies du tube digestif. En effet le cancer colorectal représente aujourd’hui un enjeu majeur de santé publique avec plus de 1,2 millions de cas diagnostiqués dans le monde sachant que le taux de survie à 5 ans d’un patient est actuellement de 94% dans le cas de lésions détectées à un stade précoce (stade I) et seulement de 8% à un stade tardif (stade IV). Dans la première partie du manuscrit, nous abordons les différentes modalités d’imagerie et d’analyse spectrale en cours de développement ou d’évaluation, en mettant l’accent sur les principes physiques utilisés en RMN et spectroscopie optique. Dans une deuxième partie, nous détaillons la conception et la réalisation de prototypes de sondes endoluminales ainsi que les bancs optiques associés. Nous traitons également de la mise en oeuvre de dispositifs d’acquisition ainsi que des méthodes d’analyse de données au moyen de programmes informatiques dédiés. Dans une dernière partie, le système bimodal est caractérisé et validé lors d’études sur fantômes et une étude in vivo sur lapin. Les images obtenues par RM, fournissant l’information morphologique des échantillons ou du tissu, et les spectres optiques liés à leur composition sont corrélés / The main aim of this work is the development of a new diagnostic technique combining high spatial resolution MRI to autofluorescence and reflectance spectroscopy through the conception of a bimodal endoluminal probe. Such a technique falls within the framework of alternative innovative techniques to conventional colonoscopy that would allow better sensitivity to early stage digestive pathologies. Colorectal cancer is today a major health issue worldwide with more than 1.2 million cases diagnosed each year bearing the fact that the 5 year survival rate is 94% when precancerous lesions are diagnosed at an early stage (stage I) and only 8% when diagnosed at an advanced stage (stage IV). The promising imaging and spectral analysis techniques under investigation or undergoing clinical evaluation in different parts of the world are presented in the first chapter of this manuscript along with the basic physics involved in magnetic resonance imaging and optical spectroscopy. Chapter 2 gives a detailed description of the work carried out in devising and conceiving different endoluminal bimodal probe prototypes along with the dedicated optical test benches. Dedicated data processing and visualisation programmes developed are also presented within this chapter. The final chapter of this work deals with the different studies carried out in-vitro on different phantoms and in-vivo on a rabbit. Morphological information obtained through the MR images are also correlated to the biochemical information through the autofluorescence and reflectance spectra