Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les objets spatiaux en basse orbite dont les satellites et les débris spatiaux représentent une menace croissante; leur vitesse relative fait que même les plus petits représentent un potentiel danger pour les infrastructures spatiales. Alors que les instruments optiques et radars permettent une bonne couverture des débris de grande taille (> 1 m), la population de débris spatiaux proche du centimètre est mal représentée dans les catalogues. Le suivi de ces objets implique l'utilisation d'un imageur fixe sur des observatoires ou des satellites à la recherche d'objets en mouvement, mais cette solution est coûteuse et le temps d'accessibilité est limité selon le nombre de projets. Une alternative est d'utiliser les ballons stratosphériques pour l'observation du ciel avec un détecteur capable d'effectuer des acquisitions rapides, empêchant ainsi le signal faible de l'objet d'être noyé dans le signal du bruit de fond. Ce projet de recherche se concentre sur l'observation de cette population de débris, en utilisant une caméra *Electron Multiplying Charge Coupled Device*, Hnü512 de Nüvü Caméras, avec sa capacité de comptage de photons et une fréquence d'acquisition rapide, dans le domaine du visible sur un ballon stratosphérique à 35-40 km d'altitude. Le lancement du ballon stratosphérique a été effectué le 22 août 2023 à la base de lancement de l'Agence Spatiale Canadienne, à Timmins, Ontario. Ce document présente les différentes phases de la conception d'une charge utile et une analyse d'une séquence d'empilement d'un objet en mouvement sur 113 acquisitions avec un champ de vue de 2,347°, un temps d'exposition de 4,5 ms et un gain EM de 2500. De plus, ce projet est en collaboration avec le projet HiCIBaS-II, un télescope pour l'observation directe d'exoplanète par imagerie à haut contraste embarqué sur un ballon. Ce travail contribue à l'effort global sur la connaissance de la situation spatiale en évaluant l'impact de l'inclusion de l'imagerie optique embarquée dans les systèmes de détection sur ballon. / Low-orbit space objects represent a growing threat ; their relative speed means that even the smallest objects are a potential danger to space infrastructures. While optical and radar instruments provide good coverage of large debris objects (> 1 m), the near-centimeter space debris population is poorly represented in catalogs. Tracking these objects involves searching for moving objects using a fixed imager on observatories or satellites, but this solution is costly and time is limited by the number of astronomical projects. An alternative is to use stratospheric balloons for sky observation, with a detector capable of making short exposures, thus preventing the object's weak signal from being drowned out by the background signal. This research project focuses on observing this debris population, using an Electron Multiplying Charge Coupled Device camera, Hnü512 from Nüvü Cameras, with its photon-counting capability and fast frame rate, in the visible range on a stratospheric balloon at 35-40 km altitude. The stratospheric balloon was launched on August 22, 2023 from the Canadian Space Agency's launch pad in Timmins, Ontario. This document presents the various phases involved in designing a payload and an analysis of a stacking sequence of a moving object over 113 acquisitions with a field of view of 2.347°, an exposure time of 4.5 ms and an EM gain of 2500. In addition, this project is in collaboration with the HiCIBaS-II project, a balloon-borne telescope for direct observation of exoplanets using high-contrast imaging. This work contributes to the global effort on space situational awareness by assessing the impact of including onboard optical imaging in balloon-based detection systems.

L’étude du cerveau humain est un domaine en plein essor et les techniques non-invasives de l’étudier sont très prometteuses. Afin de l’étudier de manière non-invasive, notre laboratoire utilise principalement l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et l’imagerie optique diffuse (IOD) continue pour mesurer et localiser l’activité cérébrale induite par une tâche visuelle, cognitive ou motrice. Le signal de ces deux techniques repose, entre autres, sur les concentrations d’hémoglobine cérébrale à cause du couplage qui existe entre l’activité neuronale et le flux sanguin local dans le cerveau. Pour être en mesure de comparer les deux signaux (et éventuellement calibrer le signal d’IRMf par l’IOD), où chaque signal est relatif à son propre niveau de base physiologique inconnu, une nouvelle technique ayant la capacité de mesurer le niveau de base physiologique est nécessaire. Cette nouvelle technique est l’IOD résolue temporellement qui permet d’estimer les concentrations d’hémoglobine cérébrale. Ce nouveau système permet donc de quantifier le niveau de base physiologique en termes de concentrations d’hémoglobine cérébrale absolue. L’objectif général de ma maîtrise était de développer un tel système afin de l’utiliser dans une large étude portant sur la condition cardiovasculaire, le vieillissement, la neuroimagerie ainsi que les performances cognitives. Il a fallu tout d’abord construire le système, le caractériser puis valider les résultats avant de pouvoir l’utiliser sur les sujets de recherche. La validation s’est premièrement réalisée sur des fantômes homogènes ainsi qu’hétérogènes (deux couches) qui ont été développés. La validation des concentrations d’hémoglobine cérébrale a été réalisée via une tâche cognitive et appuyée par les tests sanguins des sujets de recherche. Finalement, on présente les résultats obtenus dans une large étude employant le système d’IOD résolue temporellement en se concentrant sur les différences reliées au vieillissement. / Our understanding of the functional organization of the human brain has been greatly influenced by the development of new medical imaging techniques. Pr. Hoge’s research has focused on the use of functional magnetic resonance imaging (fMRI) and continuous diffuse optical imaging (DOI) for non-invasive localization and quantification of brain activity associated with behavioral stimuli or tasks (e.g. cognitive, motor or visual). The respective signals of both techniques are based on cerebral haemoglobin concentrations because of the coupling that exists between neuronal activity and cerebral blood flow. Relating BOLD fMRI signals with those acquired using DOI has been complicated by the fact that fMRI yields fractional change values, while the majority of DOI methods have provided absolute changes from an unknown baseline. To address this, we adopted a newer technique known as time-resolved DOI, which allows absolute quantification of cerebral haemoglobin concentrations. Time-resolved DOI thus has the capacity to quantify the subject’s resting hemoglobin concentrations in absolute micromolar units. The main objective of my masters’ project was to implement and optimize a time-resolved DOI system for use in a large study exploring the links between cardiovascular fitness, aging, neuroimaging markers, and cognitive performance. In this thesis we describe the fabrication of the system, followed by its characterisation and validation using solid optical phantoms (homogeneous and heterogeneous) developed for this purpose. Haemoglobin concentrations obtained non-invasively with the system are validated against blood draws, while the sensitivity to variations in concentration are assessed during a cognitive task. Finally, we present the results of a large study in which the time-resolved DOI system was used to characterize age-related vascular changes in the brain.

L’étude du cerveau humain est un domaine en plein essor et les techniques non-invasives de l’étudier sont très prometteuses. Afin de l’étudier de manière non-invasive, notre laboratoire utilise principalement l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et l’imagerie optique diffuse (IOD) continue pour mesurer et localiser l’activité cérébrale induite par une tâche visuelle, cognitive ou motrice. Le signal de ces deux techniques repose, entre autres, sur les concentrations d’hémoglobine cérébrale à cause du couplage qui existe entre l’activité neuronale et le flux sanguin local dans le cerveau. Pour être en mesure de comparer les deux signaux (et éventuellement calibrer le signal d’IRMf par l’IOD), où chaque signal est relatif à son propre niveau de base physiologique inconnu, une nouvelle technique ayant la capacité de mesurer le niveau de base physiologique est nécessaire. Cette nouvelle technique est l’IOD résolue temporellement qui permet d’estimer les concentrations d’hémoglobine cérébrale. Ce nouveau système permet donc de quantifier le niveau de base physiologique en termes de concentrations d’hémoglobine cérébrale absolue. L’objectif général de ma maîtrise était de développer un tel système afin de l’utiliser dans une large étude portant sur la condition cardiovasculaire, le vieillissement, la neuroimagerie ainsi que les performances cognitives. Il a fallu tout d’abord construire le système, le caractériser puis valider les résultats avant de pouvoir l’utiliser sur les sujets de recherche. La validation s’est premièrement réalisée sur des fantômes homogènes ainsi qu’hétérogènes (deux couches) qui ont été développés. La validation des concentrations d’hémoglobine cérébrale a été réalisée via une tâche cognitive et appuyée par les tests sanguins des sujets de recherche. Finalement, on présente les résultats obtenus dans une large étude employant le système d’IOD résolue temporellement en se concentrant sur les différences reliées au vieillissement. / Our understanding of the functional organization of the human brain has been greatly influenced by the development of new medical imaging techniques. Pr. Hoge’s research has focused on the use of functional magnetic resonance imaging (fMRI) and continuous diffuse optical imaging (DOI) for non-invasive localization and quantification of brain activity associated with behavioral stimuli or tasks (e.g. cognitive, motor or visual). The respective signals of both techniques are based on cerebral haemoglobin concentrations because of the coupling that exists between neuronal activity and cerebral blood flow. Relating BOLD fMRI signals with those acquired using DOI has been complicated by the fact that fMRI yields fractional change values, while the majority of DOI methods have provided absolute changes from an unknown baseline. To address this, we adopted a newer technique known as time-resolved DOI, which allows absolute quantification of cerebral haemoglobin concentrations. Time-resolved DOI thus has the capacity to quantify the subject’s resting hemoglobin concentrations in absolute micromolar units. The main objective of my masters’ project was to implement and optimize a time-resolved DOI system for use in a large study exploring the links between cardiovascular fitness, aging, neuroimaging markers, and cognitive performance. In this thesis we describe the fabrication of the system, followed by its characterisation and validation using solid optical phantoms (homogeneous and heterogeneous) developed for this purpose. Haemoglobin concentrations obtained non-invasively with the system are validated against blood draws, while the sensitivity to variations in concentration are assessed during a cognitive task. Finally, we present the results of a large study in which the time-resolved DOI system was used to characterize age-related vascular changes in the brain.