La sérotonine (5-HT) est un neurotransmetteur régulant plusieurs fonctions fondamentales du corps : la thermorégulation, le comportement sexuel et alimentaire, le cycle éveil-sommeil, la perception de la douleur, l'anxiété, le contrôle moteur, mais elle est surtout connue pour le contrôle de l'humeur. Le manque de sérotonine dans le système nerveux central est associé aux maladies mentales. Ces maladies sont la dépression, le trouble bipolaire, l’anxiété, le trouble de panique, les phobies, les troubles obsessionnel-compulsifs et la schizophrénie. Un outil pour la détection de la sérotonine et de ses précurseurs nous permettrait d'étudier les mécanismes des diverses maladies impliquant un débalancement de la sérotonine. Dans le système nerveux central, la biosynthèse de la sérotonine se fait dans certains neurones du tronc cérébral. La sérotonine, tout comme son précurseur le tryptophane (Trp), est fortement fluorescente en comparaison à d'autres molécules endogènes. L’imagerie multiphotonique a été exploitée dans le cadre de ce projet pour détecter la sérotonine. Cette technique d’imagerie permet d’obtenir une bonne spécificité et d’offrir un sectionnement optique pour l’imagerie dans les cellules et les tissus. Différents processus d’excitation (à 2- et 3- photons) dans différentes conditions (cellules fixées ou non) ont été explorés afin d’optimiser la détection de l’autofluorescence de la sérotonine. Nous avons donc d’abord développé un système d’imagerie capable de détecter la fluorescence des molécules de la biosynthèse de la sérotonine, excluant le tryptophane. Nous sommes capables de détecter ces espèces isolées à des concentrations avoisinant le milli molaire en solutions. La méthode a été testée dans deux modèles contenant de la sérotonine (cellules et tranches). Les mesures ont démontré un manque de spécificité et sensibilité lorsqu’utilisées dans des systèmes plus complexes que les simples solutions. Ce manque de spécificité et de sensibilité est discuté avec des pistes d’amélioration pour les projets futurs, incluant l’utilisation d’autres modèles mieux contrôlés et d’autres techniques optiques plus avancées. / Serotonin (5-HT) is a neurotransmitter regulating several basic functions of the body: thermoregulation, sexual and food behavior, the sleep-wake cycle, perception of pain, anxiety, motor control, but is best known for control of mood. The lack of serotonin in the central nervous system is associated with mental illness. These diseases are depression, bipolar disorder, anxiety, panic disorder, phobias, obsessive-compulsive disorder and schizophrenia. A detection tool of serotonin and its precursors would allow us to study the mechanism of various diseases involving an imbalance of this neurotransmitter. In the central nervous system, the biosynthesis of serotonin occurs in specific neurons of the brainstem. Serotonin, like its precursor tryptophan (Trp), is highly fluorescent in comparison to other endogenous molecules. Multiphoton fluorescence excitation has been used in this project to detect serotonin without exogenous labels. This fluorescence imaging technique provides a good specificity as well as optical sectioning for imaging in cells and tissues. Different excitation processes (two- and three-photon) under different conditions (fixed cells or not) were explored to optimize the detection of autofluorescence of serotonin. We therefore first developed an imaging system capable of detecting the fluorescence of molecules involved in the biosynthesis of serotonin, excluding tryptophan. We are able to detect these isolated species in solution at concentrations near a millimolar. The method was tested in two models containing serotonin (cells and slices). The measurements have shown a lack of specificity and sensitivity when used in systems more complex than simple solutions. This lack of specificity and sensitivity is discussed with possible improvements for future project including the use of other models with better control of serotonin concentrations, of other more advanced optical techniques such as fluorescence lifetime imaging.

Le but de cette thèse est de développer de nouveaux systèmes de dosimétrie par scintillateurs plastiques afin de faciliter leur implémentation comme détecteurs de dose in vivo en temps réel pour la radiothérapie et surtout pour la curiethérapie à haut débit de dose. Dans un premier temps, la nécessité de soustraire la lumière induite dans le guide optique par effet de tige a été démontrée pour cette modalité d'irradiation. Le détecteur développé pour cette étude a ensuite été utilisé afin de démontrer sa capacité à effectuer des mesures de dose en temps réel lors de la délivrance d'un traitement de curiethérapie de prostate à haut débit de dose à l'intérieur d'un fantôme d'eau. La dose déposée à chaque position de source, dans chaque cathéter et pour la fraction entière était comparable à la dose attendue par le système de planification de traitement. Comme les dosimètres à scintillation jusqu’à ce jour nécessitent une fibre optique de transmission par scintillateur, la preuve de faisabilité pour la mesure adéquate de doses de radiation avec un détecteur multi-points utilisant une seule fibre de transmission a été effectuée. Cela a d’abord été effectué pour des détecteurs à 2 et 3 points de mesure exposés à des irradiations externes de haute énergie. Comme l'approche proposée permet la décomposition du signal en ses diverses composantes, une étude sur l'importance du signal de fluorescence dans l'effet de tige a été effectuée pour une multitude de modalités d'irradiation. Finalement, un détecteur à 3 points de mesure et une seule fibre optique collectrice a été utilisé en curiethérapie à haut débit de dose et inséré dans un unique cathéter pour effectuer la mesure de dose dans un fantôme d’eau. Sa capacité de mesurer efficacement la dose en de multiples positions simultanément a été démontrée. Un budget d'incertitude a aussi été effectué afin d'évaluer les limites sous lesquelles ce détecteur peut être utilisé comme potentiel dosimètre in vivo en clinique pour la curiethérapie à haut débit. / The goal of this thesis is to develop new plastic scintillation dosimetry systems to enable the measurement of in vivo doses in real time and the verification of the treatment delivery accuracy for radiation therapy, especially for high dose rate brachytherapy. The necessity to account for the stem effect light produced in the optical guide by radiation was first shown. The detector built for this study was then used to verify its accuracy to measure dose in real time during the delivery of a typical prostate treatment plan in high dose rate brachytherapy. This measurement was performed inside a water phantom. Dose deposited at each dwell position, inside each catheter and for the entire treatment delivery was measured and compared to the treatment planning system. Another part of this research project was on the development of an approach to render possible measurement at multiple positions with the use of multiple scintillating elements and only a single collecting optical guide. Plastic scintillation detectors with 2 and 3 points of measurement were first developed and used under external beam high energy radiation therapy. The approach enabled the calculation of different signal contributions over the total optical signal; a study was then performed to evaluate the importance of the fluorescence component on the total stem effect under a variety of irradiation modalities and conditions. Finally, a 3-point detector was inserted inside a single catheter to perform dosimetry under Ir-192 high dose rate brachytherapy in a water phantom. Its accuracy to measure dose was demonstrated. An uncertainty budget was also calculated in order to evaluate the limitations of this detector for its clinical potential as a real-time in vivo dosimeter.

En radiothérapie, la planification de traitement correspond à l’optimisation de la balistique pour administrer la dose prescrite aux lésions à traiter, tout en minimisant les doses collatérales reçues par les tissus sains. L’algorithme de calcul de dose qui est au cœur de cette simulation numérique se doit d’être précis et efficace. L’antagonisme de ces deux compétences a abouti au développement d’algorithmes analytique rapides dont l’amélioration de la précision dosimétrique a, de nos jours, atteint sa limite. L’exactitude de l’algorithme de calcul de dose est particulièrement importante en protonthérapie pour exploiter pleinement le potentiel balistique des protons. La méthode Monte Carlo de transport de proton est la plus précise mais également la moins efficace. Cette thèse a pour sujet le développement d’une plateforme Monte Carlo de calcul de dose suffisamment efficace pour envisager son utilisation en routine clinique. L’objectif principal du projet est d’accélérer le transport Monte Carlo de protons sans compromettre la précision des dépôts de dose. Pour ce faire, deux voies de recherche ont été exploitées. La première a consisté à établir une nouvelle méthode de réduction de variance nommée formalisme du pouvoir d’arrêt restreint équivalent (formalisme Leq). Cette technique améliore significativement la complexité algorithmique temporelle rendue constante (O(1)) au lieu de linéaire (O(n)) des algorithmes Monte Carlo actuels. La seconde voie de recherche s’est attardée à l’utilisation des processeurs graphiques pour améliorer la vitesse d’exécution du transport Monte Carlo de protons. La plateforme développée, nommée pGPUMCD, réalise le transport des protons sur des processeurs graphiques au sein de géométries voxelisées. Dans pGPUMCD, les techniques d’interactions condensées et ponctuelles sont considérées. Les interactions inélastiques de faibles portées sont modélisées par la décélération continue du proton à l’aide du formalisme Leq, et les interactions élastiques par la diffusion coulombienne multiple. Les interactions ponctuelles modélisées sont les interactions inélastiques, les intéractions nucléaires élastiques et non-élastiques proton-noyaux. pGPUMCD est comparé à Geant4, et les procédés physiques implémentés sont validés les uns après les autres. Pour les cas cliniques de calcul de dose, 27 matériaux sont définis pour la segmentation des tissus du scanner tomodensitométrique. L’exactitude dosimétrique du formalisme Leq est meilleure que 0.31% pour divers milieux allant de l’eau à l’or. Les gains d’efficacité intrinsèque au formalisme Leq sont supérieurs à 30 : entre 100 et 630 à précisions dosimétriques similaires. Combiné à l’accélération du GPU, le gain d’efficacité est d’un ordre de grandeur supérieur à 10⁵. pGPUMCD concorde à Geant4 à moins de 1% jusqu’au pic de Bragg et à moins de 3% dans sa pénombre distale, pour différentes configurations de simulations allant des milieux homogènes jusqu’aux cas cliniques. De plus, 99.5% des points de dose passent le critère 1% et les portées de prescription concordent avec celles de Geant4 à moins 0.1%. Les temps de calcul de pGPUMCD sont inférieurs à 0.5 seconde par million de protons transportés contre plusieurs heures avec Geant4. Les performances dosimétriques et d’efficacité de pGPUMCD lui confèrent les bonnes caractéristiques pour être employé dans un environnement de planification dosimétrique clinique. L’apport médical attendu est un meilleur contrôle sur les doses administrées, ce qui permet une réduction significative des marges et des toxicités des traitements. / In radiotherapy, treatment planning is the optimization of the ballistics to administer the prescribed dose to the treated lesions while minimizing collateral doses received by the healthy tissue. The algorithm of the dose calculation is at the heart of this numerical simulation. It must be precise and computationally efficient. The antagonism of these two features has led to the development of rapid analytical algorithms whose improvement in dosimetric accuracy has nowadays reached its limit. The accuracy of the dose calculation algorithm is particularly important in proton therapy to fully exploit the ballistic potential of protons. The Monte Carlo proton transport method is the most accurate but also the least efficient. This thesis deals with the development of a Monte Carlo dose calculation platform that is sufficiently effective to consider its use in clinical routine. The main objective of the project is to accelerate the Monte Carlo proton transport without compromising the precision of the dose deposition. To do this, two lines of research have been exploited. The first was to establish a new variance reduction technique called the equivalent restricted stopping power formalism (formalism Leq). This technique significantly improves the algorithmic time complexity made constant (O(1)) instead of linear (O(n)) for the current Monte Carlo algorithms. The second line of research focused on the use of graphics processing units to improve the execution speed of the proton Monte Carlo transport. The developed platform, named pGPUMCD, transports protons on graphic processors in a voxelized geometry. In pGPUMCD, condensed and discrete interaction techniques are considered. The inelastic low-range interactions are modeled with a continuous proton slowing down using the Leq formalism and the energy straggling is considered. The elastic interactions are based on the multiple Coulomb scattering. The discrete interactions are the inelastic interactions, the nuclear elastic and the non-elastic proton-nuclei interactions. pGPUMCD is compared to Geant4 and the implemented physical processes are validated one after the other. For the dose calculation in a clinical context, 27 materials are defined for the tissue segmentation from the CT scan. The dosimetric accuracy of the Leq formalism is better than 0.31% for various materials ranging from water to gold. The intrinsic efficiency gain factors of the Leq formalism are greater than 30, between 100 to 630 for a similar dosimetric accuracy. Combined with the GPU acceleration, the efficiency gain is an order of magnitude greater than 10⁵. Dose differences between pGPUMCD and Geant4 are smaller than 1% in the Bragg peak region and below 3% in its distal fall-off for the different simulation configurations with homogeneous phantoms and clinical cases. In addition, 99.5% of the dose points pass the criterion 1% and the prescribing ranges match with those of Geant4 at less than 0.1%. The computing times of pGPUMCD are below 0.5 seconds per million of transported protons compared to several hours with Geant4. The dosimetric and efficiency performances of pGPUMCD make it a good candidate to be used in a clinical dosimetric planning environment. The expected medical benefit is a better control of the delivered doses allowing a significant margin and toxicity reductions of the treatments.

Le but de cette thèse est de développer les techniques et les connaissances en imagerie par particules chargées pour l’application en radiothérapie par hadrons. Dans un premier temps, les techniques d’estimation de parcours sont étudiées de façon phénoménologique et subséquemment retrouvée depuis une approache physique théorique, pour chaque ion depuis le proton jusqu’au carbone. Les techniques prenant en compte la connaissance préalable du milieu ont aussi été étudiées pour obtenir l’estimé de parcours le plus précis pour toute particule chargée. À l’aide de cet estimé de parcours précis et rapide, nous nous sommes par la suite penchés sur le problème de la reconstruction tomographique par particules chargées. La première étape de ce processus était l’inclusion de l’algorithme d’estimation de parcours développé précédemment dans les techniques conventionnelles de reconstruction itérative tomographique, telle que la reconstruction algébrique itérative, par particules chargées. Nous nous sommes rapidement aperçus de la lenteur du processus de reconstruction itérative et des problèmes de convergence reliés à ce type d’optimisation. Face à ces difficultés, nous avons décidé de développer notre propre algorithme de reconstruction tomographique dont la principale différence est l’optimisation individuelle des projections radiographiques. L’idée principale de notre algorithme est de diviser l’objet de la reconstruction en voxels et de retrouver le pouvoir d’arrêt d’une colonne de voxels de façon à ce qu’il maximise la probabilité de l’énergie perdue des protons qui la traversent. Le parcours des protons dans chaque colonne de voxels est calculé par l’algorithme de prédiction de parcours développé au début de la thèse. De cette façon, nous optimisons la résolution spatiale des radiographies individuellement. Les nouvelles radiographies peuvent par la suite être utilisées comme données d’entrée dans un algorithme conventionnel de reconstruction tomographique. La reconstruction tomographique nécessite un grand nombre de projections et celles-ci peuvent être longues à acquérir, ce qui est problématique dans un contexte clinique où le temps de faisceau est précieux et limité. Il existe donc une exigence d’efficacité et d’optimisation de la procédure. Dans cette optique, la prochaine partie de cette thèse s’est concentrée sur l’utilisation d’un ensemble limité de radiographies pour retrouver les paramètres de pouvoir d’arrêt dans les tissus, et ce de façon spécifique à un patient. La rationnelle de ce projet est que les radiographies peuvent être acquises rapidement, directement avant le traitement. Nous avons étudié la possibilité de combiner cet ensemble limité de radiographies avec l’image tomodensitométrique à simple énergie acquise lors du diagnostic. Une méthode permettant d’effectuer ce processus à été développée et évaluée sur différents fantômes anthropomorphiques représentant différentes sections du corps humain. Il a été prouvé qu’avec un nombre limité de radiographies, acquérable rapidement avant le traitement, il est possible de retrouver le pouvoir d’arrêt massique dans les tissus spécifiques à un patient avec une grande précision (< 1% d’erreur par rapport à la référence). Pour terminer la thèse, nous avons procédé à l’application expérimentale des différents algorithmes développés théoriquement. En collaboration avec le DKFZ (Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg, Allemagne), le HIT (Heavy Ion Therapy facility, Heidelberg, Allemagne) et la collaboration proton-CT (Loma Linda University, University of California San Francisco, University of California Santa Cruz, University Baylor, États-Unis) nous avons mis en place une expérience de tomographie par particules d’hélium. Nous avons pu utiliser le synchrotron du HIT en combinaison avec le détecteur proton-CT développé par la collaboration éponyme pour produire et détecter à la fois en entrée et en sortie un faisceau de particules chargées traversant un médium pré-déterminé. Cette étude nous a permis d’évaluer le bruit et la précision atteignable en imagerie tomographique par particules chargées. / The goal of this thesis is to develop methodology and knowledge in charged particle imaging for application in hadron radiotherapy. First, the various existing algorithm to estimate the path of a charged particle crossing a medium have been studied as a function of their efficiency and accuracy. To find an optimal solution for those two constraints, a phenomenological model has been developed that predict the most likely particle path in a medium. It was subsequently grounded in a solid physical background and extended to every ion up to carbon. Furthermore, prior-knowledge techniques were introduced to obtain the highest accuracy in the path estimate prediction for any ions. With these techniques in hand, we then approached the problem of tomographic reconstruction of charged particle radiographies. The first step of the work was to introduce the aforementioned path estimate method into a conventional charged particle reconstruction algorithm such as the algebraic reconstruction technique. This process requires a large calculation time that prevents an efficient reconstruction in a clinical work-flow, and suffer from convergence problems that leave the images with a high-noise level. Thus, it was decided to develop our own tomographic reconstruction algorithm in which the main difference resided in the optimization of individual projections. In our algorithm, the object was discretized into voxels and the average relative stopping power through voxel columns defined from the source to the detector pixels is optimized such that it maximizes the likelihood of the proton energy loss. The length spent by individual protons in each column is calculated through the path estimate. In this way, the spatial resolution of individual radiographies is optimized. The new radiographies can then be fed into a conventional X-ray tomographic algorithm, such as FDK, for a high resolution pCT reconstruction. The tomographic reconstruction requires a large number of projections and each can be individually long to acquire. This might cause problem into a clinical context where the beam time is costly and limited. There is a demand for efficiency in the procedure, which requires optimization of the algorithms. In this context, the next part of the thesis consisted on developing a method to utilize a subset of proton radiographies to retrieve stopping power parameters specific to the patient. This was done because a fewer number of radiographies can be acquired rapidly prior to the treatment. We studied the possibility of combining those subset of proton radiographies (usually either a single radiography or a pair) with single-energy X-ray tomographic images acquired prior for diagnostic. A new algorithm was develop to combine these two types of images and evaluated against various anthropomorphic phantoms that represents three body sites, the lung, the pelvis and the head. It has been shown that with a limited number of radiographies, it is possible to retrieve stopping power specific to the patient with an RMS error to the ground truth below 1%. The last part of the work was the experimental validation of the various algorithms developed. In collaboration with the (Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg), the HIT (Heavy Ion Therapy facility, Heidelberg) and the pCT collaboration (Loma Linda University, University of California San Francisco, University of California Santa Cruz, University Baylor), we designed an experiment to acquire charged particle tomographic images. To do so, we used the HIT’s synchrotron to produce a collimated beam of charged particle combined with the pCT detector to detect the particle before and after having crossed a pre-determined medium. This study allowed us to evaluate the noise, the spatial resolution and the precision achievable with charged particle imaging tomography.

Plusieurs bactéries possèdent des flagelles qui leur permettent de se déplacer dans leur milieu. Ce sont des moteurs rotatifs, imbriqués dans la membrane, qui font tourner des filaments hélicoïdaux à plus de 100 Hz et qui propulsent les bactéries dans leur environnement. La source d'énergie des moteurs flagellaire est le gradient électrochimique de protons de part et d'autre de la membrane dont l'énergie potentielle est convertie en mouvement de rotation. Plusieurs facteurs influencent la rotation des filaments, notamment la concentration de certaines protéines dans le cytoplasme des bactéries. Afin d'étudier plus facilement les caractéristiques du moteur flagellaire, un système in vitro a été développé pour contrôler les conditions de rotation des moteurs flagellaires d'Escherichia coli. Pour ce faire, les bactéries ont été coincées individuellement à l'extrémité d'une micropipette de verre. Une partie de la membrane de la bactérie située à l'intérieur de la micropipette a été perforée en utilisant l'ablation laser femtoseconde. La perméabilisation de la membrane de la bactérie a permis le contrôle externe de la source d'énergie du moteur et le remplacement du contenu cytoplasmique par le liquide à l'intérieur de la micropipette. Avec le contrôle des conditions de rotation du moteur, il a été possible d'observer la relation linéaire entre la vitesse de rotation des moteurs et la différence de potentiel électrique appliquée. La rotation des filaments des bactéries a également été soutenue pendant plus de 30 minutes grâce à un gradient de pH. La diffusion de protéines fluorescentes à l'intérieur des bactéries a permis de confirmer que notre technique pourrait être utiliser pour étudier l'effet de certaines protéines, notamment CheY-P, sur la rotation des moteurs. Enfin, notre technique a également permis des observations préliminaires de la dynamique d'entrée et de sortie des unités génératrices du couple dans les moteurs. Ce nouvel outil pour l'étude du moteur flagellaire devrait permettre d'approfondir notre compréhension du mécanisme de la génération du couple dans le moteur en fournissant des données permettant de mettre des contraintes aux modèles théoriques.

La modulation de la phase d'un signal optique à l'intérieur d'une fibre optique peut être obtenue par l'application d'un stress mécanique sur la fibre. Ce stress peut être une tension ou une compression axiale ou encore un stress latéral. Contrairement à une tension ou à une compression purement axiale, l'application d'un stress latéral introduit une biréfringence dans la fibre optique, soit un retard de phase différent pour les polarisations x et y. Une modulation rapide et précise d'un stress latéral peut être obtenue en fixant la fibre sur un actuateur fait d'un matériau piézoélectrique ou magnétostrictif. Cependant, le lien entre l'actuateur et la fibre, généralement un collage, peut mener à des problèmes de stabilité et de tenue en température. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé un moyen simple, efficace et stable pour moduler directement la phase du signal se propageant dans une fibre optique. Le saut de phase induit est biréfringent et peut être modulé à des fréquences supérieures à 300 kHz. Le modulateur de phase développé est fait d'une épissure mécanique en alliage à mémoire de forme couplée à un actuateur piézoélectrique. La fibre s'insère facilement dans le modulateur de phase et aucun collage n'est nécessaire entre celui-ci et l'actuateur. Ce modulateur de phase a été utilisé pour réaliser un laser DFB (Distributed Feedback) pouvant être opéré en régime continu, en régime déclenché et en régime de modulation de puissance. De plus, la biréfringence du saut de phase induit permet de choisir une émission polarisée linéairement en x ou en y, selon la tension appliquée à l'actuateur piézoélectrique. Le laser peut également émettre en alternance des impulsions polarisées linéairement en x et en y. Le temps de vie de la cavité a pu être obtenu de la période des oscillations de relaxation. De plus, pour amener une solution à une autre problématique, des connexions haute puissance ont été mises au point entre des fibres de silice et des fibres de verre fluoré, en utilisant l'épissure en alliage à mémoire de forme développée par notre partenaire industriel Phasoptx.

Dans cette thèse, nous étudions les modifications optiques et structurales induites par des impulsions provenant d'un laser Ti:Saphir dans la silice et le ZBLAN. Nous avons réalisé une série d'expériences dans le but d'écrire des guides d'onde dans ces matériaux et d'en optimiser les conditions d'écriture. Les modifications induites via la focalisation d'impulsions femtosecondes à l'intérieur des matériaux ont ensuite été caractérisées. Dans la silice, les modifications observées sont, entre autres, le changement positif de l'indice de réfraction et la création de guides d'onde. Par contre, dans le ZBLAN, le changement de l'indice de réfraction peut être positif ou négatif selon la composition du verre. Nous avons ainsi étudié la création de guides d'onde et d'anti-guides d'onde dans ce matériau. Nos études nous ont permis d'établir les liens entre les phénomènes de fïlamentation, de claquage et de changement de l'indice de réfraction. Nous apportons aussi une meilleure compréhension aux mécanismes présents lors du changement d'indice de réfraction dans les verres, ce qui a permis d'optimiser le processus d'écriture des guides d'onde.

Pouvoir visualiser de nouveaux éléments pathogéniques est un but standard dans la monde de l’imagerie médicale. L’objectif principal de ce projet de maîtrise est le développement d’une modalité en microscopie optique qui permet la caractérisation de l’intégrité de la structure moléculaire de la myéline in vivo. Cet outil sera utilisé pour la recherche sur la sclérose en plaques. En utilisant la dépendance en polarisation présente en diffusion Raman cohérente, nous avons été en mesure de quantifier le degré d’ordre de la myéline. Représenter cet ordre à tous les pixels d’une image résulte en imagerie de la structure moléculaire. L’imagerie de la structure moléculaire de la myé- line est similaire à la microscopie électronique, sauf qu’elle peut être appliquée sur des tissus biologiques épais et vivants. L’indice qui décrit l’organisation de la myéline est l’amplitude de modulation. L’imagerie de la structure moléculaire a été utilisée pour étudier le modèle animal EAE de la sclérose en plaques. Un nouveau type de lésions focales de la membrane de myéline a été identifié. Aucune autre technique existante permet une description de l’organisation moléculaire de la myéline à une si grande échelle dans du tissu vivant. L’imagerie de la structure moléculaire de la myéline a aussi été utilisée pour l’étude du développement de la moelle épinière de dard-perches (zebrafish), une espèce de poisson, et pour évaluer l’impact de certaines drogues sur ce dernier. Nous avons pu mesurer une fine, mais néanmoins généralisée, réorganisation de la membrane de myéline et ce malgré l’absence de modification morphologique. Cette capacité d’observer de subtiles modifications de la myéline se révélera certainement utile pour l’étude de la remyélinisation. / Being able to visualize new pathogenic features is a gold standard in the biological imag- ing community. The principal goal of this master’s project is to develop a new optical microscopy modality capable of characterizing myelin molecular structural integrity in vivo. This tool is to be used in multiple sclerosis research. Using the polarization de- pendence of coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS), we were able to quantify the degree of myelin ordering. Mapping this ordering for every pixels in an image results in molecular structural imaging. Optical molecular structural imaging is, to some ex- tent, similar to electron microscopy, but has the distinct advantage that it can be used on thick and live tissue which provides better context. The index describing myelin ordering is the amplitude modulation. After a full analysis of the amplitude modula- tion, myelin molecular structural imaging was used to study the EAE animal model of multiple sclerosis. A new type of focal myelin membrane disruption was identified. No other existing technique can describe the myelin molecular structure at such a large scale and in live biological tissue. Myelin molecular imaging was also applied to study the spinal cord development in zebrafish. We were able to quantitatively describe a fine but nonetheless generalized reorganization of the myelin sheath through early stages of development although no microscopic morphological changes were apparent. This capacity of observing subtle myelin modification will certainly reveal itself useful in the monitoring of remyelination.

Les calculs de dose en curiethérapie à bas débit reposent depuis 1995 sur un formalisme qui considère le milieu irradié comme étant homogène et constitué d’eau afin de mieux accommoder les temps de calcul clinique. Ce travail présente une amélioration de ce formalisme dosimétrique issu du protocole TG-43 de l’AAPM (American Association of Physicists in Medicine), utilisé actuellement dans les systèmes de planification de traitement (SPT) clinique. Avec l’ajout d’un tracé radiologique pour tenir compte des hétérogénéités et en séparant la dose primaire de la dose diffusée, il est possible de raffiner les calculs dosimétriques. Or, cette modification au calcul le rendant plus complexe était coûteuse en temps d’exécution jusqu’à très récemment. Elle se voit matérialisée dans ce travail avec l’arrivée récente de la technologie GPGPU, les calculs scientifiques sur périphériques graphiques. En exploitant le parallélisme des calculs de dose en curiethérapie à bas débit pour les implants permanents, l’algorithme baptisé TG-43-RT pour TG-43 avec tracé de rayons (Ray-Tracing en anglais) permet d’obtenir des facteurs d’accélération de l’ordre de 103 par rapport au CPU. Seulement 0.5 s par source est requis dans une géométrie de 1003 voxels, et les dosimétries d’anatomies hétérogènes sont sensiblement améliorées. Le TG-43-RT corrige les dépôts de dose en aval des hétérogénéités et réduit les effets indésirables de l’atténuation inter-sources. Des écarts de dose de plus de 80% au-delà d’une calcification avaient de quoi influencer les HDV, or, le TG-43-RT ramène ces déviations en-deçà de l’incertitude de 8.7% (2σ) concédée par les SPT, tel qu’établi dans le TG-138. Les simulations Monte Carlo ont été employées pour servir de référence absolue à la méthode développée et quantifier les améliorations dosimétriques relatives à l’actuel calcul de dose. L’algorithme a été testé d’un point de vue clinique dans un fantôme de prostate avec des sources d’125I et dans un fantôme de sein avec des sources de 103Pd pour unifier les corrections apportées. / Brachytherapy dose calculations have been relying since 1995 on a formalism that considers the whole geometry as a homogeneous water tank. This gives the opportunity to compute dose distributions within a reasonable clinical timeframe, but with considerable approximations that can influence or even change the treatment. This work presents an upgraded version of this formalism derived from the TG-43 protocol (AAPM), currently used in actual treatment planning systems. The new algorithm includes a primary and scatter dose separation using ray-tracing operation to account for heterogeneities through the medium. These modifications to the dose calculation are very power consuming and too long for the clinical needs when executed on modern CPUs. With the GPGPU technology, a GPU-driven algorithm allows a complex handling of the anatomic heterogeneities in the dose calculation and keeps execution times below 0.5 s/seed. The algorithm was named TG-43-RT for TG-43 with Ray-Tracing and accelerations factors of three order of magnitude were obtained over a regular CPU implementation. The TG-43-RT algorithm adequatly corrects dose deposition along heterogeneities and it reduces interseed attenuation effects. Dose is scored in the medium instead of water, which also applies a severe correction for high heterogeneous medium like the breast. Deviations of more than 80% in dose deposition were obtained over calcification inside the prostate when compared to Monte Carlo simulations. This kind of deviation influences DVH shape. However, the TG-43-RT was keeping those deviations within the 8.7% uncertainty range (2σ) associated with a regular TG-43 evaluation as stated in the TG-138. Monte Carlo simulations were used as a gold standard to get an absolute dose calculation reference. The algorithm was also tested in a prostate phantom with 125I seeds and in a breast phantom with 103Pd seeds to mimic real anatomic geometries and unify the applied corrections.

Suite à la propagation d 'une impulsion laser femtoseconde intense dans un milieu gazeux, l'impulsion laser s'effondre sur elle-même et forme des filaments de lumière. Ces filaments sont induits par un équilibre dynamique entre l'autofocalisation par effet Kerr et la défocalisa:tion due au plasma « auto généré ». L'équilibre de ces deux effets aboutit au phénomène universel. de la « saturation de l'intensité ». L'intensité saturée est assez grande pour ioniser ou dissocier les différentes espèces de gaz par l'ionisation multiphotonique/tunnel (MPlj TI) , produisant la fluorescence 'propre'. Le phénomène de la filamentation est riche en concepts et applications. Ceci inclut la détection et l'identification des gaz polluants, le contrôle de la foudre ou d'une décharge ou, finalement, la génération d'impulsions puissantes de peu de cycles. L'objectif de cette thèse était de développer un outil spectroscopique qui peut être utilisé pour mesurer la densité de plasma à l'intérieur du filament. La connaissance de ce paramètre clé est importante pour la caractérisation de la saturation de l'intensité du processus de filamentation. Ce défi pourrait être relevé en développant une nouvelle approche basée sur l'élargissement Stark de lignes atomiques du spectre d'émission du filament. Cette thèse traite des critères de l'applicabilité et de la validité de l'approche de l'élargissement Stark. L'approche de l'élargissement Stark est d'abord illustrée par la « spectroscopie de plasma induite par filament» (FIBS) du plomb métallique. On montre pourquoi la technique FIBS est avantageuse comparée à la spectroscopie conventionnelle de plasma induite par laser nanoseconde (ns-LIBS). Ensuite, la preuve de l'applicabilité de la méthode de l'élargissement Stark à un milieu gazeux (utilisant l'argon comme exemple) est fournie. Elle s'avère utile pour mesurer la densité de plasma à l'intérieur du filament dans l'air ambient dans différentes conditions de propagation. De plus, la saturation d'intensité du processus de filamentation dans l'hélium est confirmée. Ceci, en particulier, est effectué en mesurant les densités de plasma en fonction de l'énergie et de la pression, respectivement. La réalisation des objectifs ci-dessus serait profitable pour obtenir une meilleure compréhension de la physique fondamentale et développer les applications mentionnées.