Cette thèse a pour sujet l’amélioration du traitement contre le cancer par radiothérapie externe à l’aide d’images prises par l’imageur portal. Actuellement, la dose totale d’un traitement curatif en radiothérapie externe est fractionnée sur plusieurs semaines. Au cours de celles-ci, le patient peut présenter des modifications anatomiques dues à de multiples facteurs (comme la perte de poids ou la modification du volume tumoral), ce qui peut compromettre la qualité du traitement planifié. La finalité de ce projet est d’améliorer les traitements de radiothérapie externe en utilisant une technique capable de déterminer si l’anatomie du patient traité est toujours conforme à sa planification. Ce principe est appelé radiothérapie adaptative. L’imageur portal est un détecteur, fixé sur le portique du côté opposé à la source de rayonnement et derrière la table de traitement, ce qui lui permet de mesurer le signal sortant de l’accélérateur, avec ou sans le patient sur la table de traitement. Le but de ce travail a été de développer une méthode, adaptée en fonction de la localisation du site anatomique traité, permettant de vérifier que le patient est anatomiquement conforme à son imagerie de référence, et dans le cas contraire, de chercher l’impact dosimétrique des changements observés pour, au besoin, mettre en place des mesures correctives. Pour chacun des sites anatomiques, des images de dose de sortie sont acquises à chaque fraction de traitement, ainsi que l’acquisition d’imagerie volumétrique par faisceau conique au début et à la fin du traitement. Une analyse gamma est réalisée pour chaque image en prenant comme référence celle de la première fraction et de nombreux paramètres sont extraits de ces analyses: le γ moyen, l’écart-type, le TOP 1% (la valeur moyenne des 1% des plus hautes valeurs de γ), pourcentage de points avec γ supérieur à 1 et, la plus grande surface de pixels connectés avec une valeur gamma> 1. Les analyses ont été effectuées avec une tolérance en dose et en distance classique de 3% / 3 mm et avec un seuil de 10 % du maximum. Des logiciels d’extraction d’image et d’analyse ont été développés premièrement pour faciliter le suivi et à terme, pour inclure le procédé dans une routine clinique automatisé. Chaque site ayant sa propre problématique, ils ont tous été abordés indépendamment des uns des autres. Les contraintes de chaque localisation ainsi que toutes les possibilités d’amélioration des traitements ont été étudiées afin de proposer une solution envisageable dans les conditions cliniques actuelles d’un centre de radiothérapie. Ainsi, chacune des solutions proposées pour améliorer le traitement des patients, que ce soit dans les chapitres 3 et 4ou encore dans l’annexe 1 sur le poumon, est basée sur les besoins réels, cliniquement parlant. Cette méthode, rapide à mettre en place et très simple d’utilisation, a su prouver qu’elle était susceptible d’améliorer les traitements des trois sites anatomiques étudiés. / This thesis project aims to improve cancer treatments by external radiotherapy using images from the electronic portal imaging device (EPID). The portal imager is a detector, attached to the gantry on the opposite side of the radiation source and behind the treatment table when a patient is treated. This enables the collection of the signal from the accelerator, with or without the patient on the treatment table. Currently, the total dose of a curative treatment by external radiotherapy is delivered over several weeks. During these weeks, the patients may have anatomical changes due to multiple factors (such as weight loss or changes in tumor volume), which may compromise the accuracy of the delivered dose as compared to the planned treatment. The aim of this research project is to develop a new adaptive radiotherapy methodology allowing to determine at each stage of the treatment whether the patient’s anatomy is still consistent with the initial planning and to estimate the dosimetric impact when changes were observed. EPID dose images were acquired at each treatment fraction for the three different anatomical site under study (head and neck, prostate and lung), together with cone beam volumetric imaging acquisition taken at least twice during treatment, at the second and last fractions. An image extraction and analysis software was first developed to facilitate monitoring and eventually to include the process in an automated clinical routine. A gamma analysis was thus performed for each image, with the one from the first fraction set as reference and several parameters were extracted from these analyzes: average γ-value, standard deviation, Top 1% from maximum γ, the percentage of points with a γ value larger than 1 and the largest connected pixel area with a gamma value > 1. Analyses were made with 3%/3mm as passing criteria and with a threshold of 10% for the low value cut-off. Since each targeted anatomical site has its own characteristics, they were all assessed independently. Taking into account the constraints of each anatomic site, the specificity and the sensitivity values that we have determined, confirmed the performance of the method to detect anatomical changes. Moreover, the γ-analysis threshold correlated well with morphological changes having a relevant dosimetric impact. In conclusion, such analyses of daily EPID images allow to identify patients at risk of deviation from the planned treatment and can support an early replanning decision. Our method is very quick to implement and very easy to use, and should be a powerful tool to improve the treatment of cancers, particularly those of the three anatomical sites studied

La région LOOP4, dans laquelle se trouvent les quatre nuages moléculaires d’intérêts, fait partie de la boucle céleste du nord et a été observée dans le centimétrique à l’aide des radiotélescopes DRAO et GBT afin entre autre d’y détecter la présence d’hydrogène moléculaire. Des observations supplémentaires ont été faites depuis le radiotélescope du Onsala Space Observatory dans le but d’examiner le ¹²CO(J = 1 - 0) et le ¹³CO(J = 1 - 0) dans le milimétrique. Cette molécule est considérée comme un traceur d’hydrogène moléculaire et elle est observable en émission sous les conditions physiques des quatre nuages. On considère que nos quatre régions (LOOP4P, LOOP4N1, LOOP4N2 et LOOP4N4) sont à l’équilibre thermodynamique local, permettant de décrire la distribution de population des niveaux d’énergie avec une seule température d’excitation. On observe le ¹³CO là où l’émission du ¹²CO est élevée, avec un rapport signal sur bruit 6 - 7. Deux à trois composantes en émission ont été observées, parfois sur la même ligne de visée, dans les quatre régions autant en ¹²CO qu’en ¹³CO, indiquant déjà que nous faisons face à des régions dont l’âge évolutif est assez jeune. Plusieurs composantes en ¹²CO sur une même ligne de visée indiquerait que celui-ci pourrait être partiellement optiquement épais. J’ai calculé les largeurs de raie du ¹³CO et constaté qu’elles sont systématiquement plus étroites que celles du ¹²CO, indiquant la faible opacité ainsi que la faible abondance de cet isotope ( << 1) en comparaison avec le ¹²CO. Les largeurs de raie du ¹²CO se situent entre 0:5kms⁻¹ et 1kms⁻¹ pour les quatre nuages, valeurs qui s’apparentent à celles des nuages moléculaires diffus. Par contre, les valeurs du ratio des intensités intégrées du ¹²CO et du ¹³CO, W(¹²CO)=W(¹³CO) se situent entre 3 et 13 et sont davantage associées aux nuages translucides, avec LOOP4N2 qui semble être le plus dense et le plus avancé en évolution. Les masses des nuages ont été calculées avec un facteur permettant de convertir l’intensité intégrée du ¹²CO en masse de H₂ le facteur XCO = 0:5 x 10²⁰cm⁻²(Kkms⁻¹)⁻¹, puis les températures d’excitation ont pu être obtenues à partir du ¹²CO. Les nuages moléculaires observés semblent être dans une étape de transition entre les nuages moléculaires diffus et les nuages translucides, dont LOOP4P et LOOP4N4 semblent être les plus diffus tandis que LOOP4N1 et LOOP4N2 semblent être les plus denses. / The LOOP4 region, in which we found our four molecular clouds of interest, is part of the northern celestial loop. millimetric observations from the DRAO and GBT radiotelescope have been made in this region, looking for IR excess over that expected from an atomic medium resulting in the presence of molecular hydrogen. Additional milimeter observations were made afterward from the Onsala Space Observatory radio telescope to examine the ¹²CO(J = 1 -0) transitions. This molecule is considered a tracer of molecular hydrogen and has observable emission lines under the conditions of our four clouds. We considere that our four regions (LOOP4P, LOOP4N1, LOOP4N2 and LOOP4N4) are in local thermodynamic equilibrium, which means that only one excitation temperature is needed to describe the distributon of energy levels. We only observe ¹³CO lines where ¹²CO lines are strong, with a signal over noise ratio of 6 -7. Two to three emission lines were observed, sometimes on the same line of sight, in our four regions in both ¹²CO and ¹³CO, giving us a glimpse of their early stage of evolution. Multiple ¹²CO components in one line of sight would indicate that it is partially optically thick. ¹³CO linewidths are sistematically narrower than that of ¹²CO, which is in agreement with the lower ¹³CO abundance, hence opacity. ¹²CO linewidths range between 0:5kms⁻¹ and 1 kms⁻¹ for all clouds, values that resemble diffuse molecular clouds. On the other hand, the ¹²CO and ¹³CO integrated intensity ratio, W(¹²CO)=W(¹³CO) ranges between 3 and 13 and they are more associated with translucent clouds, with LOOP4N2 who seems to be the denser and more mature cloud. Cloud masses were computed with the factor XCO = 0:5 x 10²⁰cm⁻²(Kkms⁻¹)⁻¹ and the excitation temperatures were obtained from the ¹²CO lines. The molecular clouds observed appear to be in a transition stage between diffuse molecular clouds and translucent clouds, of which LOOP4P and LOOP4N4 seems to be the most diffuse ones while LOOP4N1 and LOOP4N2 look to be the denser ones.

Les axicons sont principalement connus pour leur propriété à produire des faisceaux Bessel. Cependant, certains ont également la propriété de produire une focalisation en anneau soit directement ou avec l’ajout d’une lentille. Nous avons analysé la possibilité de faire un axicon avec un profil d’indice de réfraction qui produirait un anneau. Plus précisément, nous avons analysé la possibilité de faire une composante qui incorpore la fonction linéaire d’une lentille conique et la fonction parabolique d'une lentille. Le profil d’indice de réfraction analysé a une variation radiale et permet de produire une focalisation annulaire périodique. Un profil similaire a déjà été étudié sommairement par E. Marchand puis par Rosa M. Gonzalez. Cependant, les solutions proposées par eux sont des solutions approximatives et leur analyse est limitée. Il existe déjà des fibres optiques avec des indices de réfraction semblable à ce que l’on cherche, donc ces axicons ont le potentiel d’être utilisés directement pour une fibre optique. Nous avons déterminé la solution exacte du profil d’indice de réfraction qui permet la focalisation en anneau et nous avons démontré théoriquement que l’anneau produit est de bonne qualité. Nous avons étudié la possibilité de produire un faisceau Bessel à partir de cette composante optique que nous nommons GLA (Grin Lens Axicon) et les simulations montrent que le Faisceau Bessel peut être de très bonne qualité. Des tests expérimentaux ont été faits pour montrer qu’il est possible de produire un faisceau Bessel avec le GLA. / Axicons are mostly known for their capacity to produce Bessel beam. However, some axicon has the propriety to produce annular focusing whether directly or by adding a lens. In this text we have study the possibility to produce an axicon with gradient index of refraction that produce an annular focusing. More precisely we study the possibility to produce a component which incorporates the linear function of a conical lens and the parabolic function of a lens. The study refraction index profile has a radial variation and allow to a periodic annular focalisation. A similar refractive index profile has already been study by E. Marchand then by Rosa M. However, the solutions proposed by them are approximate solutions and their studies are limited. Some optical fiber already has index profile like the one we are interest so this axicon have the potential to be use for optical fiber application. We have demonstrated theoretically the exact refractive index profile that produce annular focusing and we have demonstrated theoretically that the ring produce is of good quality. We have also studied the possibility to produce a Bessel beam with this device that we name GLA (Grin Lens Axicon) and the simulation show that the beam could be of excellent quality. Some experimental tests have been done to show that it is possible to produce a Bessel beam with a GLA.

L’hologramme généré par ordinateur (HGO) a été démontré à jouer un rôle important depuis son invention par Lohmann dans les années 1960 dans de nombreuses applications telles que l’ingénierie du front d'onde, l’éclairage structuré et l’affichage optique, etc. Dans le travail de thèse ci-présent, la modélisation, la conception et l’optimisation d’HGO avec des phases binaires sont étudiées. Nous avons examiné un système pratique de projection d’image avec certaines spécifications de travail, par exemple, une distance de travail de 40 cm, une profondeur de champ de 10 cm et un angle de diffraction de 53 degré pour une longueur d’onde de travail de 632 nm, et ensuite conçu et optimisé un hologramme de phase binaire en passant par une recherche directe binaire pour ce système d’image. L’hologramme a été fabriqué par la lithographie à faisceau d’électrons. Pour atteindre l’angle de diffraction requis, nous avons discuté de l’architecture optique dans le système de projection d’image holographique. L’HGO conçu et le système de projection d’image holographique ont été validés expérimentalement par reconstruction optique. Étant donné que les pixels finiront par se regrouper pour former des ouvertures polygonales en hologramme, qui peut être vu clairement dans le processus de recherche directe binaire, nous avons proposé une nouvelle approche pour la conception directe des ouvertures polygonales basée sur la disposition triangulaire en HGO de grande taille en pixels. La diffraction de l’ouverture a été calculée par la transformation analytique d’Abbe. L’image reconstruite peut être exprimée comme une addition cohérente de motifs de diffraction à partir de tous les bords droits d’orientations et de longueurs différentes. Une optimisation en deux étapes comprenant l’algorithme génétique avec la recherche locale de codage des phases binaires des ouvertures, suivie par la recherche directe de co-sommets flottants des ouvertures triangulaires élémentaires a été développée. Nous avons en outre proposé une disposition d’ouverture quadrilatérale, qui fournit plus de degrés de liberté et peut former des ouvertures polygonales plus diverses en hologrammes. L’algorithme génétique parallèle avec la recherche locale a été adopté dans une première étape pour assigner des phases binaires, et la recherche directe a ensuite été utilisée pour optimiser des emplacements de co-sommets d'ouvertures quadrilatérales lors de la deuxième étape. Trois schémas différents pour l'algorithme en deux étapes ont été discutés pour fournir des moyens flexibles afin d’équilibrer la performance de l’optimisation et la durée nécessaire. / The computer-generated hologram (CGH) has been demonstrated to play an important role, since its invention by Lohmann in 1960s, in many applications such as wavefront engineering, structured illumination and optical display, etc. In this thesis, the modeling, design and optimization of CGH with binary phases are studied. We considered a practical projection image system with certain working specification, e.g. working distance of 40 cm, depth of field of 10 cm and a diffraction angle of 53 degree for 632 nm working wavelength, and then designed and optimized a binary-phase hologram by direct binary search for this image system. The hologram was fabricated by E-beam lithography. To achieve the required diffraction angle, we discussed the optical architecture in holographic projection image system. The designed CGH and holographic projection image system were validated experimentally by optical reconstruction. Since the pixels will eventually cluster to form polygonal apertures in hologram, which can be seen clearly during the process of direct binary search, we proposed a new approach to directly design polygonal apertures based on triangular layout in CGH of a large number of pixels. The diffraction of aperture was calculated by analytical Abbe transform. The reconstructed image can be expressed as a coherent addition of diffraction patterns from all the straight edges of different orientations and lengths. A two-step optimization including genetic algorithm with local search for encoding binary phases of apertures, followed by direct search for floating covertices of the elementary triangular apertures was developed. We further proposed a quadrilateral aperture layout, which provides more degrees of freedom and can form more diverse polygonal apertures in holograms. The parallel genetic algorithm with local search was adopted to assign binary phases in the first step, and direct search was then used to optimize of locations of covertices of quadrilateral apertures in the second step. Three different schemes for the two-step algorithm were discussed to provide flexible ways to balance the optimization performance and time cost. / Résumé en espagnol

L’objectif de ce mémoire est de partager les connaissances obtenues lors de mon travail sur la spectroscopie à deux peignes et ses applications sur les matériaux solides. Pour y parvenir, certain sujets connexes sont élaborés. Dans l’ordre, on y aborde la physique des lasers, le verrouillage et la stabilisation des modes, l’interférométrie générale et celle des peignes, ainsi que la modification des impulsions des peignes de fréquence en utilisant l’ptique non-linéaires. On présente ensuite deux études expérimentales. La première porte sur la combinaison de la spectroscopie à deux peignes avec la technique pompe-sonde et la seconde sur l’analyse de la variance baseline en contexte de la spectroscopie à deux peignes. / The goal of this memoire is to communicate my work regarding the application of dual comb spectroscopy to materials beyond traditional gas phase spectroscopy. A variety of topics required to understand my work are presented, such as general laser physics, mode-locking, stabilization of the repetition rate and carrier envelope offset, interferometry, dual comb spectroscopy, and the modification of said combs via non-linear optics. Two experimental studies are presented as well. These include the combination of dual comb spectroscopy with the pump-probe technique, as well as an analysis of baseline variance incontext of dual comb spectroscopy.

Ce mémoire présente une méthode d’augmentation du champ de vue d’une caméra temps-de-vol commerciale. Cette augmentation étendrait leur utilisation dans certaines applications où la perception de l’environnement sur un large champ de vision est un critère, notamment en robotique mobile. La conception inclut l’ajout d’une lentille de conversion au système optique de la caméra infrarouge ainsi qu’une modification du système d’illumination. Dans le cas d’une Kinect V2, les capacités de reconstruction 3D ont été conservées pour une augmentation d’environ 50% du champ de vue, soit de 70°x60° à 106°x86°. Afin de tenir compte des modifications apportées au système optique, une calibration de la caméra a été effectuée. Le système modifié comporte une bonne précision (<1%) et une bonne exactitude (<1,5%). Ces résultats sont calculés avec 100 acquisitions en considérant un peu moins de 40% des pixels disponibles sur le senseur. Les performances diminuent rapidement en dehors de la zone centrale du senseur. Un compromis a été fait sur les performances du système afin d’augmenter son champ de vue. / This dissertation presents a method to increase the field of view of a commercially available time-of-flight camera. This increase could extend the field of application of such cameras, especially in mobile robotics where awareness of the surrounding is an important factor. The design includes a conversion lens added in front of the optical system and a modification to the illumination system. In the specific case of a Kinect v2, capability of 3D reconstruction has been preserved for an augmentation of 50% of the field of view, from 70°x60° to 106°x86°. To take into consideration the optical modifications, a calibration of the camera has been made. The modified system is characterised by a good precision (<1%) and a good accuracy (<1,5%). These results are calculated on slightly under 40% of the available pixels using 100 acquisitions. Performances decrease at a great rate outside of the central pixel zone. A trade-off has been made on the system performances in order to increase the original field of view.

Le design d’un dispositif optique sans lentille et portatif est basé sur la microscopie holographique numérique pour des applications de terrain ou de point-of-care. L’appareil développé repose sur cette technique de microscopie car elle permet de reconstruire le front d’onde diffracté (phase et intensité) par un échantillon biologique observé. Le dimensionnement de cet appareil dépend de l’illumination utilisée ainsi que des contraintes physiques associées à la détection. Afin de maximiser l’information pertinente et enregistrable d’échantillons faiblement diffusants, des simulations FDTD sont utilisées. La propagation des champs diffractés à l’aide d’outils fidèles permet de générer des hologrammes échantillonnés à la façon d’un détecteur et de reconstruire les spécimens avec un grossissement. Par exemple, la reconstruction numérique de l’hologramme associé à la diffraction d’une bille de diamètre de 5 mm simulée via la méthode FDTD, et grossie selon un grandissement Gy = 20, est de 107.22 mm pour la méthode de propagation du spectre angulaire DFFT. La procédure proposée ouvre donc la voie à l’étude du champ diffracté utilisable dans un contexte d’holographie numérique, et ce pour des échantillons numériques pouvant modéliser des spécimens biologiques. D’ailleurs, le dispositif sans lentille mis sur pied à partir d’un coupleur de fibre optique offre une visibilité atteignant V = 0:8435 pour une configuration hors axe et cette dernière est limitée par le bruit cohérent de la source laser utilisée. L’étude du grossissement et de la résolution du dispositif montrent que le microscope holographique portatif est limité par l’échantillonnage du capteur utilisé, et ce, bien que la méthode d’indexation de zéros permette d’interpoler et de résoudre des détails plus fins que la taille d’un pixel pour la propagation DFFT. Finalement, l’appareil conçu est capable d’effectuer de l’imagerie de phase quantitative. L’épaisseur reconstruite d’une cible de verre (n = 1:52) est de 149±23 nm et concorde avec la valeur attendue de 150 nm. / ompact off-axis holographic lensless microscope capable of non-invasively imaging weakly scattering biological samples for on the field applications is designed. The technique allows to reconstruct both the phase and intensity of a sample-diffracted wavefront. The dimensioning of the proposed device depends on both the illumination shining the sample and the physical constraint associated with acquisition device. Hence, FDTD simulations are used in order to ascertain the smallest usable scattered field. Using proper propagation methods, the diffracted field is used to generate a numerical hologram emulating the sensor’s sampling rate. Such hologram is then numerically reconstructed in order to retrieve the object and compare it with the former. For instance, a 5 mm diameter bead diffraction field is obtained via FDTD simulation. As it is magnified by a factor Gy = 20, its reconstruction retrieves a magnified bead of 107.22 mm in diameter. The proposed pipeline thus paves the way for the study of modelled biological sample usable scattered field for holographic applications. Moreover, the proposed compact lensless device using an optical fiber coupler attains an off-axis visibility of V = 0:8435 as this last is limited by coherent noise. The study of the microscope attainable magnification and resolution shows that it is limited by the sampling rate of the used acquistion device, and that is, albeit zero-padding interpolation could provide smaller than a pixel size detail resolution for DFFT propagation. Lastly, the designed device is capable of quantitative phase imaging. The reconstructed thickness of a glass phase target (n = 1:52) is of d = 149±23 nm which is in good agreement with the expected value of 150 nm.

Les galaxies suivent habituellement une relation de masse-métallicité, où les galaxies plus massives sont plus riches en métaux que les galaxies moins massives. Toutefois, les galaxies naines de marée ne suivent pas cette relation. Ce type de galaxies naines se forment lors d'interactions, de collisions ou de fusions de galaxies. Puisqu'elles se forment à partir de gaz et d'étoiles de galaxies parentes plus massives, elles héritent de leur métallicité. Les galaxies naines de marée sont donc plus riches en métaux que les galaxies naines standards formées dans le scénario CDM. Ce modèle s'applique bien aux galaxies naines de marée formées dans l'Univers local. Or, les galaxies étaient beaucoup moins enrichies en métaux lorsque l'Univers était plus jeune. On se demande alors si les galaxies naines de marée formées à haut décalage vers le rouge peuvent être différenciées des galaxies naines standards par leur métallicité. Pour répondre à cette question, j'ai réalisé cinq simulations de fusion de galaxies à un décalage vers le rouge de 3. Plusieurs galaxies naines de marée se sont formées lors des collisions. Bien que la métallicité initiale des galaxies parentes soit faible, le sursaut de formation stellaire déclenché par la fusion permet un enrichissement rapide du milieu et induit de la formation stellaire dans les galaxies naines de marée. Ces dernières s'enrichissent alors par elles-mêmes jusqu'à devenir riches en métaux. J'en conclus que les galaxies naines de marée ne devraient pas suivre la relation de masse-métallicité, peu importe leur époque de formation. / Galaxies usually follow a mass-metallicity relation, where higher-mass galaxies are typically more metal-rich than the lower mass galaxies. Yet, tidal dwarf galaxies are outliers to this relation. This kind of dwarf is formed in galactic mergers. Since their material comes from the parent galaxies, they are typically more metal-rich than regular dwarfs. However, galaxies were far less enriched when the Universe was younger. One can ask if tidal dwarf galaxies that formed at high redshift can be chemically distinguished from regular dwarfs? To answer this question, I simulate gas-rich mergers in which I identify many tidal dwarf galaxies. While the initial abundance in metal was low, the merger allows a rapid enrichment and all tidal dwarfs end up with high abundances. I conclude that tidal dwarf galaxies should be outliers to the mass-metallicity relation, no matter their epoch of formation

Le rôle des bactéries est primordial partout dans la nature. Pensons seulement aux impacts qu’elles ont sur la santé humaine. Pour être en mesure de jouer leur rôle dans l’environnement, plusieurs bactéries ont besoin de se déplacer vers des sites spécifiques. Le moyen de locomotion le plus commun est le moteur flagellaire. Pour se propulser, les bactéries flagellaires possèdent un (ou des) moteur rotatif ancré dans leur membrane. Ce moteur transmet sa rotation à un long filament en forme d’hélice se trouvant à l’extérieur de la bactérie via un joint universel se nommant le crochet. Ce moteur fut l’un des premiers moteurs rotatifs biologiques à être découvert. De plus, un grand nombre d’études ont montré l’importance du moteur flagellaire durant les infections bactériennes. Ainsi, il a fait l’objet d’études intensives depuis plusieurs décennies. La vaste majorité de ces études ont toutefois été effectuées dans des milieux simples qui ne représentent qu’une infime partie des milieux biologiques naturels. En effet, les bactéries se déplacent souvent dans des milieux anisotropes, où les propriétés physiques dépendent de la direction. Par exemple, le mucus se trouvant un peu partout dans le corps humain, le liquide synovial qui lubrifie nos articulations, la peau et les biofilms sont tous des milieux qui peuvent être anisotropes et où les bactéries prolifèrent. Cette thèse par article présente les résultats obtenus durant notre étude de la motilité des bactéries flagellaires en milieux anisotropes. Puisque les milieux biologiques naturels sont difficiles à manipuler en laboratoire, un milieu synthétique a d’abord été choisi afin de mimer les propriétés de ces milieux. Deux types de milieux anisotropes ont été testés, les cristaux liquides (LCs) 5CB et DSCG. Seul le LC DSCG a été retenu puisque les bactéries ne peuvent pas pénétrer le LC 5CB. Pour créer le LC DSCG, des molécules sont dissoutes dans l’eau. À faible concentration, le milieu est isotrope, et à haute concentration le milieu devient anisotrope (un LC). Dans un premier temps, la vitesse et l’orientation du corps des bactéries ont été observées en faisant passer le LC DSCG de la phase isotrope à la phase anisotrope. Ces mesures ont d’abord confirmé que, dans un milieu anisotrope, les bactéries se déplacent en ligne droite et renverse leur mouvement plutôt que d’effectuer une marche aléatoire comme dans des milieux isotropes. L’observation du comportement bactérien a également démontré la présence d’une zone de prétransition dans les solutions isotropes de DSCG. À ces concentrations de DSCG, les molécules commencent à s’organiser sous forme de bâtonnets. Cette organisation explique pourquoi les bactéries deviennent collantes (via la force de déplétion), et pourquoi la viscosité augmente dans la zone de prétransition. Pour comprendre comment les bactéries peuvent renverser leur mouvement dans des milieux anisotropes, les filaments ont également été étudiés. Ces observations ont démontré que, durant le change de direction de la bactérie, le crochet n’est plus capable de jouer son rôle de joint universel et se bloque momentanément, permettant ainsi de changer l’orientation du filament. Cette réorientation du filament permet non seulement le renversement du mouvement de la bactérie dans le LC, mais également la réorientation du filament dans d’autres milieux comme dans des milieux poreux. Ce constat agrémenté de résultats provenant de la littérature nous permet de croire que le crochet bloqué est un phénomène universel se produisant dans tous les milieux. Pour terminer, la microscopie à champ sombre par guidage de lumière ainsi qu’une technique de microrhéologie seront exposées. Ces techniques ont été utilisées durant la caractérisation de la zone de prétransition. Tout au long de ce travail, il sera également souligné en quoi notre approche multidisciplinaire a été bénéfique. / Bacteria play an essential role in nature. We can simply think of their impact on human health to convince ourselves. To be able to play their role in the environment, bacteria often need to reach specific locations. The most common bacterial locomotion system is the flagellar motor. To propel themselves, the flagellated bacteria possess one (or few) rotary motor anchored in their membrane. This motor transfers its rotation to a long helical filament located outside the bacterium thanks to a universal joint called the hook. This motor was the first biological rotary motor discovered. Furthermore, several studies have shown the importance of the flagellar motor during bacterial infections. Thus, it has been the subject of intensive studies for several decades. Most of these studies, however, have been conducted in simple media that represent only a small fraction of natural biological environment. Indeed, bacteria often move in anisotropic media, where the physical properties depend on the direction. For example, mucus found throughout the human body, synovial fluid that lubricates our joints, skin and biofilms are all media that can be anisotropic and where bacteria proliferate. This thesis by article presents our study of the motility of flagellar bacteria in anisotropic media. Since natural biological media are difficult to manipulate in the laboratory, a synthetic medium was first chosen to mimic the properties of natural anisotropic media. Two types of anisotropic media were tested, the liquid crystals (LCs) 5CB and DSCG. Only the LC DSCG has been used since bacteria cannot penetrate the LC 5CB. To create the DSCG LC, molecules of disodium cromoglycate (DSCG) are dissolved in a water-based solvent. At low concentration, the medium is isotropic, and at high concentration the medium becomes anisotropic (a LC). First, the speed and the orientation of the body of the bacteria were recorded while changing the concentration of the DSCG LC to bring the solution from the isotropic phase to the anisotropic phase. These measurements first confirmed that, in an anisotropic environment, the bacteria move in a straight line and reverse their movement rather than performing a random walk as in isotropic media. Observation of bacterial behavior also demonstrated the presence of a pretransition zone in isotropic solutions of DSCG. At these concentrations of DSCG, the molecules begin to organize into rods. This organization explains why bacteria become sticky (via the depletion force), and why the viscosity increases in the pretransition zone. To understand how bacteria can reverse their motion in anisotropic media, the filaments have also been studied. These observations have shown that during the change of direction of the bacteria, the hook is no longer a universal joint and momentarily locks, thus changing the orientation of the filament. This reorientation of the filament does not only reverse the movement of the bacteria in the LC, but it also triggers the reorientation of the filament in other media as in porous media. This observation, supplemented by results from literature, suggests that the blocked hook is a universal phenomenon occurring in all environments. Finally, light-guided dark field microscopy and a microrheological technique will be exposed. These techniques were used during the characterization of the pretransition zone. Throughout this work, it will also be highlighted how our multidisciplinary approach has been beneficial.

Le passage de particules chargées dans un milieu ayant une vitesse excédant celle de la lumière dans ce même milieu entraîne l’émission de photons. Ce phénomène, nommé effet Cherenkov, peut être utilisé afin de déterminer la dose déposée dans un fantôme d’eau par un accélérateur linéaire utilisé en radiothérapie externe. Toutefois, les photons Cherenkov sont toujours émis de façon anisotrope et rendent le calcul de la dose complexe en raison de l’absence de linéarité entre l’intensité collectée et la dose déposée. Une alternative proposée par certains consiste à ajouter un fluorophore à l’eau afin d’absorber une portion de la lumière Cherenkov anisotrope et la réémettre de façon isotrope par fluorescence. Afin d’évaluer l’efficacité de cette méthode, la présente étude vise à déterminer les proportions de chaque processus d’émission lors de l’irradiation d’une solution aqueuse de quinine et quantifier l’absorption de photons Cherenkov par le fluorophore. Cela devait permettre de mieux comprendre les mécanismes menant à une amélioration de la mesure de dose lors de l’ajout du fluorophore. Pour ce faire, diverses concentrations de solution aqueuse de quinine ont été irradiées à l’aide d’un accélérateur linéaire et le spectre émis a été recueilli à l’aide d’un spectromètre. Afin de déterminer la quantité de photons produits initialement dans le solvant par effet Cherenkov, une solution témoin constituée uniquement d’eau distillée a été irradiée sous les mêmes conditions. De plus, à l’aide de l’intensité lumineuse mesurée par une caméra CCD, une comparaison de la mesure de la dose déposée a été réalisée entre l’eau et la solution de quinine. Finalement, ces mesures de dose expérimentales ont été comparées avec les doses prédites par un système de planification de traitement afin de quantifier l’amélioration observable lors de l’ajout du fluorophore. / Particles traveling through a medium at a speed exceeding light speed in that same medium gives rise to a phenomenon of photon emission. This phenomenon, called the Cherenkov effect, can be used to determine the dose deposition in a water phantom from a linear accelerator used in external radiotherapy. However, Cherenkov effect produces an anisotropic emission which makes the calculation of the dose complex as the relation between the dose deposition and the intensity of the signal collected is not linear. An alternative recently proposed consist of adding a fluorescent agent to the water with the hypothesis that it can absorb the Cherenkov emission and reemit it as an isotropic fluorescent light. To evaluate the efficiency of this method, the present study aims to determine the contribution of each excitation source producing the total light signal measured in the visible range during the irradiation of an aqueous quinine solution. Moreover, it aims to quantify the Cherenkov light absorption by the fluorophore in the UV region. To achieve this, various concentrations of aqueous quinine solutions were irradiated with a linear accelerator and the spectra where collected with a spectrometer. To determine the initial Cherenkov light production in the solvent, a control sample of distilled water was irradiated under the same conditions as the fluorophore solutions. Furthermore, using the light signal collected by a CCD camera, a comparison between the dose deposition along the beam path was performed between the quinine solution and the pure Cherenkov light. It was then possible to compare the percent depth dose obtained with both solution with a treatment planning system dose calculation to determine how quinine improves measurements.