De par le monde, les virus, les bactéries pathogènes et les parasites ont causé plus de 21 millions de décès en 2010 [1, 2]. La détection dés agents pathogènes plus tôt dans le traitement antimicrobien permettrait de diminuer le nombre de victimes et réduirait le développement de résistance antibiotique [3]. Cependant, les techniques de biodétection nécessitent souvent quelques jours de délai dus à l'étape de culture microbienne. Pour éliminer cette étape, notre groupe de recherche développe une technique de biodétection optique très sensible basée sur les modes de galerie de microsphères fluorescentes. Bien que cette technique ait montré des résultats prometteurs, elle n'est toutefois pas prête à être intégrée en milieu clinique, puisque certaines étapes sont longues et expérimentalement non triviales. Dans nos travaux de recherche, les étapes de préparation des échantillons, de prise de mesures et de traitement de signal de la technique de biodétection WGMs en fluorescence ont. été réformées afin de simplifier et d'accélérer les manipulations. En premier lieu, les microsphères fluorescentes ont été étudiées afin de choisir un diamètre nominal et une plage spectrale offrant un maximum de WGMs selon la longueur d'onde d'excitation utilisée au laboratoire. Ensuite, l'intégration de la chambre d'écoulement d'un cytomètre en flux commercial et d'un système de déclenchement synchronisé au montage ont permis d'automatiser et d'accélérer considérablement l'étape de prise de mesures. De plus, l'optimisation de l'étape de traitement de signal a permis de générer des spectres théoriques très représentatifs des spectres de fluorescence de microsphères plus grandes que 6250 nm de rayon. Finalement, une nouvelle version de l'algorithme de mesure instantanée d'indice de réfraction apparent (IMARI 2.0) a été validée puis appliquée à la reconnaissance du rayon et de l'indice de réfraction apparent pour des microsphères de 6500 nm émettant de 580 nm à 650 nm.

Les travaux présentés dans cette thèse portent en premier lieu sur l’établissement d’un modèle théorique décrivant une nouvelle famille de faisceaux invariants reposant sur une distribution correspondant à la fonction de Bessel dans le plan spatiotemporel, d’où leur nom de faisceaux Bessel spatiotemporels (BST). Le modèle analytique décrivant ces faisceaux n’a pas de bornes physiques, ce qui se traduit par une impossibilité de les générer expérimentalement. Il est cependant possible dans les faits de limiter l’étendue spatiale et temporelle de ceux-ci en utilisant par exemple une enveloppe gaussienne, dont la taille est variable. La limitation physique par enveloppe gaussienne altère la nature invariante des faisceaux BST en introduisant une dépendance spatiale qui affecte de manière plus ou moins prononcée leur invariance, selon que la taille de l’enveloppe est petite ou large relativement à la structure interne du faisceau. Un modèle théorique présente par la suite les caractéristiques physiques des faisceaux BST limités par une enveloppe gaussienne, appelés faisceaux Bessel-Gauss spatiotemporels (BGST). Une méthode expérimentale de génération des faisceaux BGST centrés à 800 nm est également présentée. Les méthodes de caractérisation reposent quant à elles sur l’analyse du profil spatial, temporel et du spectre résolu spatialement (SRS). Le SRS permet d’obtenir la distribution des longueurs d’onde en fonction de la position transversale du faisceau, et permet une reconstruction partielle de la structure spatiotemporelle des faisceaux BGST via une transformée de Fourier. Les méthodes d’analyse développées ont permis de comparer les faisceaux générés expérimentalement avec les modèles théoriques pour en faire ressortir une très bonne correspondance.

Cette thèse se situe dans le cadre général de la détection d’objets. Elle porte plus particulièrement sur la détection de véhicules dans les images aériennes de grandes dimensions. Le principal obstacle à l’obtention d’une détection robuste des véhicules est la grande variété de leurs apparences. Dans un premier temps, nous avons abordé le cadre théorique de la détection et identifié une approche prometteuse, l’analyse locale de scène. Par le biais de détecteurs, nous avons limité l’analyse aux seules régions susceptibles de contenir des véhicules. De là, nous avons extrait les informations locales caractéristiques des véhicules afin d’entraîner des Séparateurs à Vaste Marge (en anglais Support Vector Machine, SVM). Cette première chaîne de traitement nous a permis d’obtenir de multiples détections par véhicule. Dans un deuxième temps, nous avons regroupé automatiquement les multiples détections à l’aide de l’algorithme Affinity Propagation(AP). Des contraintes spatiales ont été introduites afin de garantir que le regroupement se fasse dans le respect des dimensions des véhicules. Finalement, l’extraction des véhicules a été effectuée en utilisant les informations relatives à l’orientation et la forme des véhicules présentes dans l’image. Afin de pallier certaines faiblesses que présente la première chaîne de traitement, nous avons développé une seconde chaîne de traitement. Tout d’abord, nous avons procédé à la sélection de régions saillantes susceptibles de contenir les véhicules. Ensuite, nous avons sur-segmenté l’image afin d’obtenir des régions uniformes en couleur de dimensions inférieures à celles des véhicules, les superpixels. De là, nous avons extrait les informations locales et globales relatives à ces superpixels et entraîné à nouveau des SVM en mode classification. À l’issue de cette deuxième chaîne de traitement, nous avons augmenté significativement notre capacité de détection. Finalement, dans le dernier chapitre de cette thèse, nous avons proposé un nouvel algorithme destiné à sélectionner les régions saillantes de l’image. Cet algorithme est spécialement conçu pour traiter des images aériennes. De plus, il présente de nombreux avantages comparativement aux méthodes concurrentes existantes.

L'objectif de cette thèse est d'améliorer les traitements du cancer du poumon en radiothérapie par modulation d'intensité (IMRT) réalisés grâce à un logiciel maison (Ballista) et à un logiciel commercial (Pinnacle3 de Philips). Dans un premier temps, nous avons constaté que de mélanger les basses et hautes énergies dans un même plan permettait d'obtenir une meilleure épargne des tissus périphériques tout en conservant la couverture du volume cible et l'épargne des organes sensibles. Ensuite, le système Ballista a été mis à profit pour explorer les limites d'augmentation de la dose à la tumeur pour des plans d'IMRT simples. En explorant des configuration d'angles non coplanaires, la dose à la maladie macroscopique a pu être augmentée à des niveaux supérieurs à 78 Gy dans un nombre important de cas, sans augmentation excessive de la dose aux organes à risque. Finalement, nous avons utilisé des images de perfusion pulmonaire acquises par tomographie par émission monophotonique (TEM) pour caractériser spatialement et quantitativement la fonction pulmonaire et obtenir des plans qui évitent les régions les plus saines. Nous avons cherché à identifier une méthode simple et avantageuse pour générer ces plans. Toutes les méthodes tentées ont permis d'obtenir un gain incrémentiel sur l'épargne des régions fonctionnelles. Nous n'avons cependant pas pu trouver de corrélation possible entre l'épargne fonctionnelle obtenue et divers paramètres géométriques spécifiques à chaque patient. Le grand résultat de cette thèse a été la création d'un cadre d'applications pour un système de planification 5D, combinant ainsi les trois dimensions de l'espace, la dimension temporelle (mouvements intrafraction et interfraction) et la dimension de l'information fonctionnelle. On pourrait ainsi imaginer un logiciel permettant d'optimiser les angles d'incidence des faisceaux en tenant compte de la distribution spatiale de la fonctionnalité (autant tumorale que celle des tissus normaux), avec une définition de volume cible tenant compte du déplacement intrafraction des structures internes et avec un niveau de modulation suffisant pour obtenir une conformité accrue.

L’ablation laser est une technique éprouvée pour la fabrication de nanoparticules qui possèdent la composition et les propriétés du matériel original. La plupart des expériences sont réalisées en focalisant des impulsions laser UV à la surface d’une cible monoatomique, soit un métal ou un semi-conducteur. La technique présentée se concentre plutôt sur l’utilisation d’un laser femtoseconde pour faire l’ablation de saphir dopé au titane, Ti3+: Al2O3 ou Ti: saphir. Le Ti: saphir est employé comme milieu de gain dans plusieurs oscillateurs ou amplificateurs laser et possède comme avantage la production d’impulsion ultrabrèves dans l’infrarouge proche. Dans le cadre de ce mémoire, la production de nanoparticules de Ti: saphir par ablation laser est réalisée à l’aide de deux méthodes différentes, la première étant l’ablation dans une enceinte à pression fixe et la deuxième par ablation et transport à l’aide d’un gaz dans une zone à haute température puis par récupération des particules par impact. Des observations au MEB et au MET permettent d’affirmer que les particules et agrégats de particules produits ont une taille qui varie entre 5 et 200 nm, avec quelques particules de plus grande taille. Les particules produites à pression fixe semblent amorphes et possèdent un spectre de fluorescence décalé vers le bleu, tandis que les particules transportées dans la zone à haute température semblent mieux cristallisées et possèdent un spectre qui se rapproche davantage de celui du matériel original. Des expériences de production de nanoparticules de rubis (Cr3+: Al2O3) ont également été réalisées à l’aide de la méthode de combustion de nitrates. Cette méthode a permis de produire facilement de grandes quantités de particules significativement agglomérées avec une fluorescence très forte. / Pulsed laser ablation is a well-known technique for the production of nanoparticles that possess the same composition and properties as of the original material. Most of the experiments are done by focusing UV laser pulses on the surface of a monoatomic metallic or semiconductor targets. The technique presented in this work focuses on the use of femtosecond laser pulses to initiate the ablation of titanium doped sapphire, Ti3+: Al2O3 or Ti:sapphire. Ti:sapphire is a well-known laser gain medium, commonly used in femtosecond oscillators or amplificators. In the course of this thesis, pulsed laser ablation of Ti: sapphire and nanoparticle production were made possible by the use of two different methods. The first experiments took place in a vacuum chamber under constant pressure. The second setup used a flow of low pressure helium gas to transport the particles in a high temperature environment before they were collected. SEM and TEM observations lead to the conclusion that the produced particles and particle agglomerates were between 5 and 200 nm in diameter, with a few larger particles. Particles produced in a fixed pressure seem amorphous and their fluorescence spectra are generally blue-shifted. Particles that were passed in the high temperature volume seem to have undergone better crystallization and their spectra are closer to the spectrum of bulk Ti: sapphire. Cr3+: Al2O3 (ruby) nanoparticles were also produced with the low temperature nitrate combustion synthesis method. These experiments produced large quantities of highly agglomerated nanoparticles with very strong fluorescent properties. The fluorescent properties are similar of those of bulk ruby.

Les structures périodiques induites par laser sont étudiées depuis plusieurs années et sont présentes sur des matériaux très variés : métaux, verres, céramiques, matériaux cristallins, semi-conducteurs. Elles sont un phénomène générique mais elles ont leurs particularités pour chaque type de matériau. La plupart des modèles développés n’expliquent qu’une partie des résultats et ne s’étendent pas à tous les types de matériaux. Les modèles se basent généralement sur l’hypothèse d’une interférence du laser avec une onde créée subséquemment; elle peut être d’origine plasmonique si le matériau le permet. Ce mémoire a pour but de présenter les résultats de l’interaction d’un laser femtoseconde avec des verres de chalcogénure, en fonction des différents paramètres du laser. / Laser induced periodic surfaces structures have been the subject of studies for many years and are present on very different materials: metals, glasses, ceramics, crystalline materials, semiconductors. They are a generic phenomenon but each material has its distinctive features. The majority of the models developed only explain part of the results and do not extend over to all types of materials. They are generally based on the hypothesis of interference from the laser with a wave created subsequently; they can be of plasmonic nature if the material allows it. The purpose of this report is to present the results of femtosecond laser interaction with chalcogenide glasses, as a function of the various laser parameters.


Le monde militaire s’intéresse à la détection de systèmes optiques présents dans un milieu urbain. La raison de cet intérêt est que la présence de systèmes optiques peut être directement ou indirectement reliée à des activités hostiles. Cette visée consiste en un défi de taille car l’environnement urbain contient de nombreux éléments pouvant être confondus aux systèmes optiques, générant alors de fausses alarmes. Au cours de cette thèse, les concepts de base d’une méthode de détection novatrice permettant de détecter et d’identifier la présence de systèmes optiques ainsi que de diminuer les fausses alarmes sont présentés et vérifiés expérimentalement. Ces concepts sont fondés sur l’établissement d’une signature propre aux systèmes optiques construite à partir de la mesure de leur section efficace laquelle est fonction de la longueur d’onde de la source d’interrogation. Une plateforme de détection a été conçue afin de mesurer la section efficace des systèmes optiques en utilisant le principe de rétro-réflexion. Cette plateforme contient des sources lasers de longueurs d’onde différentes, une caméra à crénelage spatial, un tube télescopique pour l’émission et la collection des rayonnements ainsi qu’un télémètre laser. Les résultats expérimentaux ont permis de valider les concepts de la méthode proposée en détectant et identifiant correctement les systèmes optiques en plus de les différentier des fausses alarmes, ouvrant ainsi la voie à un traitement nouveau de l’information pour ce type d’application.

La radiothérapie guidée par imagerie permet d'offrir des traitements plus précis, alors que la radiothérapie adaptative semble prometteuse. Afin de caractériser la position d'équilibre de la tumeur au poumon, des séries d'images de tomodensitométrie par faisceau conique (ou CBCT pour Cone-Beam Computed Tomography) ont été utilisées. La variation du volume tumoral macroscopique (ou GTV pour Gross Tumor Volume), le déplacement du centre de masse et des extrémités ont été mesurés pour un ensemble de 34 patients à partir de contours GTV tracés sur chacun des CBCT. Une des façons de faire de la radiothérapie adaptative est d'utiliser le recalage dé-formable d'images (ou DIR pour Deformable Image Registration). Ainsi, deux logiciels de DIR ont été testés afin de comparer leur performance respective. Les CBCTs ainsi que les contours GTV ont été déformés et comparés à ceux tracés manuellement lors de la caractérisation de la position d'équilibre. De grandes variations et déplacements ont été observés chez la tumeur au poumon, ce qui justifie l'utilisation de l'imagerie CBCT lors des traitements de radiothérapie. Les deux logiciels de recalage deformable d'images présentent des avantages et des inconvénients. La méthodologie n'est pas au point, mais les résultats sont intéressants et ouvrent la voie à d'autres investigations.

Nous examinons la possibilité de créer de nouveaux composants électro-optiques à l’aide de surfaces mésogènes contrôlées par champs électromagnétiques. Ces surfaces programmées ont comme fonction d’imposer une orientation sur le volume de cristal liquide lui étant juxtaposé afin de produire les propriétés électro-optiques désirées. L’étendue et l’efficacité de ces propriétés ont un impact technologique important par exemple dans le domaine des afficheurs à cristaux liquides et des atténuateurs optiques variables. Plus spécifiquement, cette recherche analyse l’interaction de surface entre le substrat mésogène et le cristal liquide ainsi que les diverses avenues pratiques en découlant. Par exemple, l’importance de l’interdiffusion entre ces deux milieux sera détaillée et liée à la création de réseaux autoorganisés en surface. Ce phénomène précurseur permet la création d’un système composite novateur de cristaux liquides stabilisés par surfaces mésogéniques avec comme application les atténuateurs électro-optiques. / We investigate the possibility of creating new electro-optical components using mesogenic surfaces controlled by electromagnetic fields. These programmed surfaces have the function of imposing an alignment on the juxtaposed volume of liquid crystal to produce the desired electro-optical properties. The extent and effectiveness of these properties have a great technological impact such as in the field of liquid crystal displays and variable optical attenuators. More specifically, this research addresses the surface interaction between the mesogen substrate and the liquid crystal and various practical avenues resulting therefrom. For example, the importance of interdiffusion between those two materials will be detailed and linked to the creation of surface self-organizing networks. This original phenomenon allows the creation of a surface - polymer stabilized liquid crystal composite which is applied to electro-optical attenuators.

La sclérose en plaques est une maladie inflammatoire du système nerveux central qui touche beaucoup de jeunes adultes dans le monde entier. Malgré les efforts de recherche, la cause demeure inconnue. Afin de développer de meilleurs traitements et de trouver un remède, les modèles animaux sont utilisés pour identifier des biomarqueurs cellulaires. La caractérisation de ces modèles est essentielle afin de bien transposer les résultats à la maladie humaine et de tester de nouveaux médicaments. Cette thèse est le résultat d'un projet de maîtrise au Centre de recherche de l'Institut universitaire en santé mentale de Québec (CRIUSMQ) qui visait à étudier la barrière hématoencéphalique en tant que biomarqueur possible chez un modèle animal de la sclérose en plaques. Le chapitre 1 présente les différents thèmes abordés dans ce projet. Les chapitres 2, 3 et 4 se concentrent sur les méthodes choisies, tandis que le chapitre 5 présente les résultats obtenus. / Multiple sclerosis is an inflammatory disease of the central nervous system that affects many young adults worldwide. Despite research efforts, the cause of the disease remains unknown. In order to develop better therapies and ultimately find a cure, animal models are used to identify cellular biomarkers. Characterizing these models is essential in order to properly relate findings to the human disease and test possible medications. This thesis is the result of a three-year Master's project at Centre de recherche de l'Institut universitaire en santé mentale de Québec (CRIUSMQ) that aimed to study the blood-brain barrier as a possible biomarker of disease pathology in a multiple sclerosis animal model. Chapter 1 introduces the different themes addressed in this project. Chapters 2, 3 and 4 focus on the materials and methods chosen, while chapter 5 presents the results obtained. These findings are discussed in chapter 6.