Depuis son entrée dans le monde de l'imagerie médicale, l'imagerie optique a connu un grand développement. Beaucoup d'intérêt lui est porté car cette modalité est non invasive et permettrait éventuellement de faire de l'imagerie moléculaire. Toutefois, elle doit relever un défi de taille, celui de la reconstruction de l'image. Cette étape est très ardue, car elle fait intervenir des modèles de propagation de la lumière dans les tissus biologiques complexes, qui se traduisent par des équations intégro-différentielles dont il est difficile de dériver des solutions analytiques. Ainsi, une étape essentielle au développement d'appareil d'imagerie, la calibration, devient cruciale. Les fantômes optiques, l'objet de ce travail de recherche, sont les standards de calibration qui servent à la réalisation de cette étape. Ces derniers interviennent pour valider les performances et les algorithmes de recontructions des appareils. Ce sujet de recherche s'inscrit dans le cadre du projet TomOptUS qui développe un appareil de tomographie optique diffuse pour petits animaux. Ce travail a deux objectifs principaux : la fabrication de fantômes aux propriétés optiques contrôlables et pouvant simuler celles des tissus biologiques et le développement de méthodes de caractérisation des milieux utilisés pour ces fantômes. La réalisation du volet fabrication a permis de doter le laboratoire d'un protocole robuste pour la fabrication de fantômes solides (par opposition à liquides). Ce protocole contourne une problématique majeure rencontrée souvent lors de la réalisation de fantômes solides, qui est la formation de bulles indésirables à l'intérieur des milieux fabriqués. Aussi, ce protocole permet la fabrication de fantômes de formes complexes tels que des fantômes de souris. Quant à la caractérisation, le laboratoire a vu l'implantation de deux méthodes de caractérisation qui permettent l'obtention des propriétées optiques de milieux absorbants et/ou diffusants. Ces méthodes s'inscrivent également à l'intérieur d'un protocole de caractérisation adapté aux besoins du laboratoire. L'étude approfondie des méthodes de caractériation a amené le développement d'une expertise qui pourrait être exploitée pour étendre l'utilisation de ces techniques de caractérisation sur des tissus biologiques, une voie d'avenir pour l'imagerie médicale.

L'objectif de ce travail de thèse est de développer une sonde optique dédiée à aider le neurochirurgien à parfaire la résection des glioblastomes. Ce type de tumeurs est le plus fréquent et le plus agressif. Améliorer son exérèse permettrait d’augmenter la durée de survie moyenne du patient. Une exposé des tumeurs cérébrales et de leur prise en charge médicale introduit cette thèse. Le développement comporte trois volets. En premier lieu, le dispositif expérimental et la sonde utilisée fibrée sont caractérisés. Pour ce faire, des fantômes optiques calibrés aux géométries variées ont été conçus. Après validation, ils ont permis de définir la profondeur détectée en fonction de la variation de coefficients optiques.Deuxièmement, un programme de simulation Monte-Carlo a été développé et adapté au dispositif de mesures. Grâce aux mesures sur fantômes, ce programme a été validé. Cet outil permet un gain de temps considérable dans le processus de définition des propriétés de détection d'une sonde en fonction de sa géométrie.Enfin, dans le but d'identifier des indicateurs potentiels du tissu cérébral tumoral, une campagne de mesures sur modèle animal a été menée. Une étude spectroscopique approfondie a été effectuée sur des échantillons frais ex vivo. Plusieurs indices caractéristiques des tissus tumoraux ont été mis en évidence grâce à ce travail. / This work is dedicated to the development of an optical probe, which aims at helping the neurosurgeon during glioblastoma surgery. These brain tumours are the most frequent and aggressive ones. The quality of the tumour resection is crucial for the patients’ survival.As an introduction, the different types of brain tumours are described and the way they are taken in care is explained. The manuscript is divided into three parts. First, the experimental set-up and the home-made fibre-probe are characterized, thanks to optical calibrated phantoms. The depth of detection has been determined for several optical coefficients and phantom geometries.A dedicated Monte-Carlo simulation program has been developed. Based on phantom measurements, this program has been validated. The time-consuming process of fibre probe characterisation via phantoms can be replaced by the use of the program.At last, the identification of indicators of tumourous brain tissue is studied by means of an animal model. A spectroscopic study has been performed on fresh ex-vivo rat brain slices. Several tumourous indicators have been highlighted within this study.

L'objectif de ce travail de thèse est de développer une sonde optique dédiée à aider le neurochirurgien à parfaire la résection des glioblastomes. Ce type de tumeurs est le plus fréquent et le plus agressif. Améliorer son exérèse permettrait d'augmenter la durée de survie moyenne du patient. Une exposé des tumeurs cérébrales et de leur prise en charge médicale introduit cette thèse. Le développement comporte trois volets. En premier lieu, le dispositif expérimental et la sonde utilisée fibrée sont caractérisés. Pour ce faire, des fantômes optiques calibrés aux géométries variées ont été conçus. Après validation, ils ont permis de définir la profondeur détectée en fonction de la variation de coefficients optiques.Deuxièmement, un programme de simulation Monte-Carlo a été développé et adapté au dispositif de mesures. Grâce aux mesures sur fantômes, ce programme a été validé. Cet outil permet un gain de temps considérable dans le processus de définition des propriétés de détection d'une sonde en fonction de sa géométrie.Enfin, dans le but d'identifier des indicateurs potentiels du tissu cérébral tumoral, une campagne de mesures sur modèle animal a été menée. Une étude spectroscopique approfondie a été effectuée sur des échantillons frais ex vivo. Plusieurs indices caractéristiques des tissus tumoraux ont été mis en évidence grâce à ce travail.

L'objectif de cette thèse concerne l'association de deux techniques de mesure dans le cadre de la caractérisation in vivo de la peau. La première, nommée Spectroscopie de Réflectance Diffuse (DRS), permet la caractérisation des paramètres optiques de la peau analysée et quantifie les phénomènes d'absorption et de diffusion de la lumière. La deuxième est la microspectroscopie Raman. Elle fournit une identification chimique des composés analysés sans marquage. L'objet de cette thèse est d'évaluer l'effet de l'interaction lumière-matière sur les capacités de localisation et de quantification de la microspectroscopie Raman, lesquelles sont dégradées dans un milieu diffusant tel que la peau. Une approche in vivo bimodale (DRS et Raman) est proposée pour la caractérisation biochimique quantitative des tissus cutanés avec l'idée d'établir un protocole de correction des spectres Raman acquis, en exploitant les propriétés optiques fournies par la DRS. Elle est décomposée en trois axes de travail complémentaires : le développement d'une instrumentation DRS permettant la mesure des spectres de réflectance diffuse et le calcul des propriétés optiques dans la zone sondée par la spectroscopie Raman ; le développement de fantômes optiques permettant une compréhension expérimentale des phénomènes d'absorption, de diffusion élastique et de diffusion Raman; le développement d'un protocole de correction des spectres Raman à partir des propriétés optiques obtenues par DRS. / This thesis relates to the combination of two in vivo skin characterization techniques. On the one hand, Diffuse Reflectance Spectroscopy (DRS) enables skin optical properties characterization by quantifying light absorption and light elastic scattering. On the other hand, Raman microspectroscopy provides information on molecular compositions of tissues with no need of labeling. Localization and quantification functions of Raman microspectroscopy are both distorted in scattering media such as skin. Therefore, the aim of this thesis was to assess the effect of light-matter interactions on these functions. A bimodal method is proposed to achieve quantitative biochemical characterization of cutaneous tissues in vivo. The main idea is to develop a procedure of Raman spectra correction based on the quantified optical properties provided by DRS. This work was divided in three complementary approaches: the development of a system enabling diffuse reflectance and optical properties measurements in the same zone as Raman microspectroscopy; the fabrication of optical phantoms improving our knowledge on absorption, elastic scattering and Raman scattering phenomena; and the development of a Raman spectra correction model as function of the skin optical properties given by DRS measurements.