Parmi les outils de réduction de dose d’exposition en scanner, le plus récent est l’emploi des Reconstructions Itératives (RI). Ces nouveaux algorithmes permettent de corriger de façon répétée les données d’acquisition par modélisation, rendant envisageable la compensation sur les images reconstruites, du bruit engendré par une acquisition scanographique à basse dose. Ce travail a eu pour but d’évaluer, à travers 5 études originales, la performance des RI en scanner thoracique, en particulier leur potentiel de réduction de dose et leurs applications cliniques. La 1ère étude a permis de valider la réduction de bruit sans perte d’information diagnostique sur 32 scanners thoraciques grâce à un algorithme de RI de 1ère génération (IRIS). L’évaluation initiale de cette technique a permis de l’intégrer en pratique clinique donnant lieu à la 2e étude évaluant IRIS chez 80 patients ayant bénéficié de 2 scanners thoraciques successifs dans le cadre d’un suivi. Malgré une réduction de dose de 35% par réduction du milliampérage, IRIS a permis de maintenir une qualité image similaire à celle du scanner initial. L’évaluation d’un algorithme de RI de 2e génération (SAFIRE) a ensuite été réalisée sur des examens acquis à dose encore plus réduite : (a) chez 80 patients étudiés par angioscanner à bas kilovoltage avec 50% de réduction de dose ; et (b) chez 50 patients étudiés en scanner double source avec acquisition simultanée d’images pleine dose et d’images à dose réduite de 60%. Enfin, SAFIRE a été évalué dans une situation clinique particulière, l’embolie pulmonaire, permettant une réduction de dose de 60% sans perte de performance diagnostique. / Among the different tools available to save dose in CT, the most recent option is the use of Iterative Reconstructions (IR) instead of Filtered Back Projection. These new algorithms can correct repeatedly the acquisition by modeling data, making possible the compensation of the noise generated in reconstructed images by a low-dose CT acquisition. The purpose of the present work was to evaluate, through 5 original studies, the performance of IR in chest CT, especially their potential for dose reduction and clinical applications.Based on 32 chest CT examinations, the first study validated the level of noise reduction achievable with a first-generation IR algorithm (IRIS). This initial evaluation allowed us to investigate the performance of IRIS in clinical practice, giving rise to the second IRIS study; the latter evaluated 80 patients who underwent two successive chest CT examinations for monitoring. Despite a 35% dose reduction achieved by reduction of the tube current, IRIS provided a similar image quality in comparison with that of the initial examination. A second-generation IR algorithm (SAFIRE) was then evaluated on examinations obtained at lower dose levels in (a) 80 patients who had undergone low-kilovoltage chest CT angiography with a 50% dose reduction; and (b) 50 patients studied with a dual source CT system providing simultaneously full-dose and low- dose (reduction of 60%) images. Lastly, SAFIRE has been evaluated in the specific context of acute pulmonary embolism where the diagnostic performance of low-dose SAFIRE images was found to be similar to that of full-dose FBP images.

La tomodensitométrie (TDM) permet d'obtenir, et ce de façon non invasive, une image tridimensionnelle de l'anatomie interne d'un sujet. Elle constitue l'évolution logique de la radiographie et permet l'observation d'un volume sous différents plans (sagittal, coronal, axial ou n'importe quel autre plan). La TDM peut avantageusement compléter la tomographie d'émission par positrons (TEP), un outil de prédilection utilisé en recherche biomédicale et pour le diagnostic du cancer. La TEP fournit une information fonctionnelle, physiologique et métabolique, permettant la localisation et la quantification de radiotraceurs à l'intérieur du corps humain. Cette dernière possède une sensibilité inégalée, mais peut néanmoins souffrir d'une faible résolution spatiale et d'un manque de repère anatomique selon le radiotraceur utilisé. La combinaison, ou fusion, des images TEP et TDM permet d'obtenir cette localisation anatomique de la distribution du radiotraceur. L'image TDM représente une carte de l'atténuation subie par les rayons-X lors de leur passage à travers les tissus. Elle permet donc aussi d'améliorer la quantification de l'image TEP en offrant la possibilité de corriger pour l'atténuation. L'image TDM s'obtient par la transformation de profils d'atténuation en une image cartésienne pouvant être interprétée par l'humain. Si la qualité de cette image est fortement influencée par les performances de l'appareil, elle dépend aussi grandement de la capacité de l'algorithme de reconstruction à obtenir une représentation fidèle du milieu imagé. Les techniques de reconstruction standards, basées sur la rétroprojection filtrée (FBP, filtered back-projection), reposent sur un modèle mathématiquement parfait de la géométrie d'acquisition. Une alternative à cette méthode étalon est appelée reconstruction statistique, ou itérative. Elle permet d'obtenir de meilleurs résultats en présence de bruit ou d'une quantité limitée d'information et peut virtuellement s'adapter à toutes formes de géométrie d'acquisition. Le présent mémoire se consacre à l'étude de ces algorithmes statistiques en imagerie TDM et à leur implantation logicielle. Le prototype d'imageur TEP/TDM basé sur la technologie LabPET[indice supérieur TM] de l'Université de Sherbrooke possède tous les pré-requis pour bénéficier de ces nombreux avantages.

Avec l’augmentation du nombre de scanner et de la dose collective, le risque potentiel d’apparition d’effets stochastiques est accentué. Pour limiter au maximum ce risque, les principes de justification et d’optimisation doivent être appliqués avec rigueur. L’optimisation des pratiques a pour but de délivrer la dose la plus faible possible tout en conservant une qualité diagnostique des images. C’est une tâche complexe qui implique de trouver en permanence un compromis entre la dose délivrée et la qualité image résultante. Pour faciliter cette démarche, des évolutions technologiques ont été développées. Les deux évolutions majeures sont la modulation du courant du tube en fonction de l’atténuation du patient et l’apparition des reconstructions itératives (IR). L’introduction des IR a modifié les habitudes puisqu’elles permettent de conserver des indices de qualité image équivalents en réduisant les doses. Cependant, leurs utilisations s’accompagnent d’une modification de la composition et de la texture de l’image nécessitant d’utiliser des métriques adaptées pour les évaluer. Le but de cette thèse est d’évaluer l’impact d’une utilisation des IR sur la réduction de la dose et sur la qualité des images afin de proposer en routine pour tous les patients, des protocoles avec la dose la plus faible possible et une qualité image adaptée au diagnostic. La première partie de cette thèse est consacrée à une mise au point sur la problématique du compromis dose/qualité image en scanographie. Les métriques de qualité image et les indicateurs dosimétriques à utiliser, ainsi que le principe et l’apport des reconstructions itératives y sont exposés. La deuxième partie est consacrée à la description des trois étapes réalisées dans cette thèse pour atteindre les objectifs. La troisième partie est constituée d’une production scientifique de 7 articles. Le 1er article présente la méthodologie d’optimisation globale permettant la mise en place de protocoles Basses Doses en routine avec utilisation de niveaux modérés des IR. Le 2ème article évalue l’impact et l’apport sur la qualité des images obtenues pour des niveaux de doses très bas. Le 3ème et le 4ème article montrent l’intérêt d’adapter ou de proposer des protocoles optimisés selon la morphologie du patient. Enfin les 3 derniers articles, illustrent la mise en place de protocoles Très Basses Doses pour des structures ayant un fort contraste spontané. Pour ces protocoles les doses sont proches des examens radiographiques avec des niveaux élevés des IR. La démarche d’optimisation mise en place a permis de réduire considérablement les doses. Malgré une modification de la texture et de la composition des images, la qualité des images obtenues pour tous les protocoles était jugée satisfaisante pour le diagnostic par les radiologues. L’utilisation des IR en routine nécessite une évaluation particulière et un temps d’apprentissage pour les radiologues. / The increasing number of scanner and the cumulative dose delivered lead to potential risk of stochastic effects. To minimize this risk, optimization on CT usage should be rigorously employed. Optimization aims to deliver the lowest dose but maintaining image quality for an accurate diagnosis. This is a complex task, which requires setting up the compromise between the dose delivered and the resulting image quality. To achieve such goal, several CT technological evolutions have been developed. Two predominant developments are the Tube Current Modulation and the Iterative Reconstruction (IR). The former lays one patient's attenuation, the latter depend on advanced mathematical approaches. Using IR allows one to maintain equivalent image quality values by reducing the dose. However, it changes the composition and texture of the image and requires the use of appropriate metric to evaluate them. The aim of this thesis was to evaluate the impact of using IR on dose reduction and image quality in routine for all patients, protocols with the lowest dose delivered with an image quality suitable for diagnosis. The first part of the thesis addressed the compromise between dose delivered and image quality. Metrics of the image quality and the dosimetric indicators were applied as well the principle and the contribution of IRs were explored. The second part targets the description of the three steps performed in this thesis to achieve the objectives. The third part of the thesis consists of a scientific production of seven papers. The first paper presents the global optimization methodology for the establishment of low dose protocols in routine using moderate levels of IR. The second paper assesses the impact and contribution of IR to the image quality obtained to levels very low doses. The third and the fourth papers show the interest to adapt or propose protocols optimized according to patient's morphology. Finally the last three papers illustrate the development of Very Low Dose protocols for structures with high spontaneous contrast. For these protocols, doses are close to radiographic examinations with high levels of IR. The optimization process implementation has significantly doses reduction. Despite the change on the texture and on composition of the images, the quality of images obtained for all protocols was satisfactory for the diagnosis by radiologists. However, the use of routine IR requires special assessment and a learning time for radiologists.

Le scanner a révolutionné la médecine permettant une accélération et une meilleure prise en charge du patient. La tomodensitométrie (TDM) s’accompagne d’un désavantage qui est l’augmentation du risque de cancer radio-induit des patients qui en bénéficient. La question se pose notamment aux urgences où l’emploi du scanner est de plus en plus prédominant, souvent après la réalisation d’une radiographie. Cette attitude, malgré tout justifiée dans la plupart des cas, peut s'avérer délétère. De ce fait les principes de radioprotection obligent à l’optimisation de la dose délivrée aux patients. L’inquiétude principale réside dans l’irradiation du thorax qui est la région la plus radiosensible du corps humain. Cela se traduit par une recherche continue d’un compromis entre l’obtention de la dose la plus basse possible tout en gardant une qualité d’image satisfaisante pour le diagnostic. Les dernières années des innovations technologiques ont été développées pour optimiser la dose au scanner ; la plus importante et la plus récente étant la reconstruction itérative (RI). La RI permet d’améliorer les index de qualité image avec une dose abaissée ou à dose équivalente reconstruite avec la classique rétroprojection filtrée, mais restituant enfin une qualité d’image modifiée. L’objectif de cette thèse était d’établir un protocole TDM du thorax délivrant une dose similaire à celle d’une radiographie du thorax de face et une de profil (ULD-CT_Ultra-low-dose-Computed Tomography) pour des indications de douleurs thoraciques en urgence sans injection de produit de contraste. La réaction des radiologues non habitués a été investiguée pour considérer la modification de l’image liée à la réduction de la dose et de l’emploi de la RI. Pour atteindre cet objectif les travaux de cette thèse se sont déroulés selon trois phases. La première phase représente une approche globale à la RI, testée sur fantômes pour optimiser les protocoles TDM de notre département. À partir des résultats obtenus, la deuxième phase a débuté. Des protocoles TDM thorax standard, à basse dose (LD-CT_Low-dose) et à très basse dose (ULD-CT) ont été testés sur des cadavres humains. La troisième phase a été caractérisée par l’application du protocole ULD-CT en pratique clinique aux urgences. Quatre articles scientifiques ont été rédigés pour représenter les trois phases de cette thèse. En conclusion, le protocole ULD-CT reconstruit avec des hauts niveaux de RI a délivré une dose inférieure à celle du niveau de référence diagnostique national pour une radiographie du thorax de face et une de profil. Ce type de protocole à très faible dose reconstruit avec RI est une alternative valable à la radiographie pour certaines indications sélectionnées pour l’exploration du thorax en urgence. En outre les radiologues malgré des remarques critiques sur la qualité d’image de l’ULD-CT ont toujours déclaré un niveau de confiance diagnostique élevé. / Computed Tomography (CT) improved patients' health care. However CT has a major drawback, which is the ionizing irradiation of the patient with an ensuing radiation-induced cancer risk. This issue is particularly observed in emergency settings, where the CT is increasingly becoming a dominant tool for the care decision-making, often after a radiographic study. Although this attitude is justified in the majority of the cases, it could be deleterious. Thus the principles of radiation safety obligate to the optimization of radiation dose delivered to the patients. The main problem is that the chest is the most radiation sensitive region of the human body. Hence the research of the better trade-off between the dose reduction and a diagnostic image quality is mandatory. Recently, several technological improvements have been developed to optimize the radiation dose at CT. The newest and most important innovation is the iterative reconstruction (IR). IR improves the quality image indexes of a CT image generated with a lowered dose or equivalent to that reconstructed with filtered back projection. Finally this reconstruction method renders a modified CT image. The goals of this PhD thesis were: i) to establish an unenhanced CT protocol, delivering a dose in the range of a radiographic study (ULD_ultra-low-dose-CT), for chest pain indications with no need of contrast media administration and ii) to investigate the reaction of unaccustomed radiologists to ULD-CT imaging. To accomplish these tasks the work of this thesis has been split in three phases. In the first phase a study approaching globally the IR was carried out testing several CT protocols on phantoms, in order to optimize the CT protocols of our institution. The outcomes of this study opened the second phase. A standard dose CT, a low-dose-CT and an ULD-CT protocols were acquired on the chest of human cadavers. The third phase was characterized by the application of ULD-CT in clinical practice in emergency settings. Four scientific articles were produced to communicate the results of this doctorate work. In conclusion, the ULD-CT protocol, reconstructed with high strengths of IR, conveyed a dose lower than the one of the national diagnostic reference level for a double projections chest X-ray. This ULD-CT protocol with IR is a valid alternative to the radiography for the study of the chest, for selected indications in emergency settings. Moreover, despite the radiologists were censorious about the ULD-CT image quality, they demonstrated always a high diagnostic confidence level.

L'arthrose est une maladie dégénérative de l'articulation qui provoque des douleurs, une raideur et une diminution de mobilité. La quantification de l’interligne articulaire est la mesure qui permet de diagnostiquer la maladie et de suivre son évolution. A ce jour, la radiographie conventionnelle est la méthode de référence pour ce diagnostic et ce suivi. Néanmoins, l'articulation du genou et ses modifications structurales sont trop complexes pour permettre un diagnostic à un stade précoce à partir de simples images 2D. Une des pistes prometteuses de la recherche sur le diagnostic précoce est l’exploitation de l’information 3D de l’interligne. C’est dans ce contexte que s’inscrit cette thèse qui a pour but la segmentation et la quantification 3D de l’interligne articulaire afin d’atteindre l’objectif du diagnostic précoce de l’arthrose de genou. Au cours de cette thèse nous avons développé une méthode de quantification semi-automatique de l’interligne articulaire. La cartographie 3D des distances générée a permis de caractériser la morphologie de l’espace articulaire sur des images haute résolution 3D. Pour atteindre l’objectif de quantification à basse dose, deux approches ont été explorées. La première consistait à proposer une approche de segmentation 3D du volume osseux à partir d’un faible nombre de projections. La deuxième approche consiste à réaliser la quantification 3D de l’interligne sur des images issus d’un scanner basse dose obtenue à l’aide d’autres algorithmes mis en œuvre par les partenaires du projet VOXELO. La segmentation de l’interligne a été dans ce cas utilisée comme un critère de qualité de la reconstruction selon ces différents algorithmes.Afin de tester la robustesse de notre approche, nous avons utilisé des images haute résolution selon 2 types de géométrie du faisceau ou des images à faible dose et également sur des images scanner clinique in vivo. Ceci nous permet de conclure que la méthode de quantification de l’interligne que nous avons développé en 3D est potentiellement applicable sur des images provenant de différents appareils de scanner. Cet outil sera potentiellement utile pour détecter les stades précoces et suivre la progression de l'arthrose en clinique. / Osteoarthritis (OA) is a degenerative joint disease that causes pain, stiffness and decrease mobility. Knee OA presents the greatest morbidity. The main characteristic of OA is the cartilage loss inducing joint space narrowing. Usually, the diagnosis and progression of OA is monitored by the joint space measurement. Actually, conventional radiography is the reference method for the diagnosis and monitoring. However, the knee joint and structural changes are too complex to be assessed from simple 2D images especially at early stage. A promising research into early diagnosis is the use of 3D. The objective of our thesis is to provide a tool for a 3D quantification of joint space in order to achieve the goal of early diagnosis of knee osteoarthritis. In this thesis we have developed a semi-automatic method for the quantification of joint space. The 3D map generated allowed us to characterize the morphology of the joint space widths on 3D high resolution images.To achieve the goal of low-dose quantification, two approaches have been explored. The first was to provide a 3D segmentation method for bone extraction from a limited number of projections. The second approach is to perform the 3D quantification from a low dose scan obtained using other algorithms implemented by our partners of VOXELO project. The segmentation of the joint space was used as a quality criterion according to these different algorithms.To test the robustness of our approach, we used high-resolution images with different geometry acquisition types and low-dose images. We have also done a test on clinical CT images in vivo. This allows us to conclude that the method we developed is potentially applicable to images from different scanner devices. This tool can be used for detecting the early stages and track the progress of the clinical osteoarthritis

La qualité des images en TEP est directement liée à l'algorithme de reconstruction utilisé. Les méthodes de reconstruction statistiques peuvent modéliser, via la matrice système, les différents phénomènes physiques qui détériorent la qualité des images. Notre approche consiste d'une part, à modéliser les différents phénomènes géométriques et physiques, au moyen de l'outil de simulation Monte-Carlo, et d'autre part, à exploiter les données dans un format "mode-liste" présentant de nombreux avantages, afin de les reconstruire à l'aide d'un algorithme de reconstruction 3D. Cette méthode, appelée SIMALIR, a été appliquée et étudiée sur la caméra MOSAIC(TM) de Philips, système TEP dédié au petit animal qui a fait l'objet d'une modélisation à l'aide de la plateforme GATE. Les principales performances du modèle simulé et particulièrement la distribution spatiale ont été testées et validées, afin de pouvoir les exploiter dans la modélisation de la matrice système. Les résultats précliniques et sur des objets tests ont montré que la méthode SIMALIR permet d'améliorer considérablement la qualité des images reconstruites par rapport aux programmes de reconstruction classiques.

OBJECTIF : L’objectif de cette étude a été de valider le potentiel des méthodes de reconstruction itérative nouvellement développées en imageries CT à faisceau conique, afin de réduire la dose d’exposition dans le cadre des bilans de localisation des canines incluses. MÉTHODOLOGIE : Quarante examens par imagerie volumétrique à faisceau conique de canines incluses ont été reconstruits à pleine dose (D), demi-dose (D2) et quart de dose (D4). Ces examens ont été analysés par un radiologiste maxillo-facial et par un résident en orthodontie. La cohérence entre les évaluations des critères radiologiques retenus a été évaluée avec les tests de Kappa Cohen. RÉSULTATS : Les résultats de cette étude ont montré de fortes valeurs de Kappa concernant l'évaluation inter-examinateur de la position de la canine impactée avec des scores compris entre 0.606 – 0.839. Les valeurs de Kappa déterminées pour la résorption, l'ankylose et les lésions associées étaient beaucoup plus faibles avec des scores compris entre 0.000 et 0.529. CONCLUSION : Cette étude a permis de montrer que la localisation des canines incluses pourrait potentiellement être possible à faible dose (1/4 dose), comparativement à un dosage conventionnel. Toutefois, le diagnostic de la résorption, de l'ankylose ou encore de certaines lésions associées nécessitent de la haute résolution et donc des acquisitions à pleine dose. / AIM : The aim of this study was to validate the potential of newly developed iterative reconstruction methods in cone beam CT imaging to reduce the exposure dose for localization assessments of impacted canines. METHODS : Forty Cone beam CT examinations of impacted canines were reconstructed at full dose (D), half dose (D2) and quarter dose (D4). These examinations were analyzed by a maxillofacial radiologist and by an orthodontic resident. Consistency between the assessments of the selected radiological criteria was evaluated with Kappa Cohen tests. RESULTS : The results of this study showed high Kappa values regarding the inter-examiner assessment of the impacted canine position with scores ranging from 0.606 - 0.839. The Kappa values determined for resorption, ankylosis and associated lesions were lower with scores between 0.000 and 0.529. CONCLUSION : This study showed that the localization of impacted canines could potentially be possible at low dose (1/4 dose), compared to a conventional assay. However, the diagnosis of resorption, ankylosis or certain associated lesions requires high resolution and therefore full dose acquisitions.

Nous proposons dans le cadre de cette thèse une nouvelle approche permettant de s'affranchir de l'atténuation mammaire en tomographie par émission monophotonique (TEMP) de perfusion myocardique. Elle est constituée de deux parties : - la première consiste à rendre les projections acquises consistantes. - la deuxième consiste à pondérer ces même les projections corrigées durant la reconstruction. Nous avons effectué l'étude de validité de nos méthodes sur quelques exemples de simulation TEMP de perfusion myocardique simulant l'atténuation mammaire et sur quelques exemples d'études patients réelles notamment : des cas d'atténuation mammaire, d'infarctus inférieure, d'infarctus apical, d'infarctus antérieur, d'ischémie antérieure et inférieure. Les résultats semblent encourageants. Il s'agit dans le proche avenir de mener une étude de validation chez les patients versus un gold standard (coronarographie, coroscanner) / We propose in this thesis a new approach to correct the breast attenuation in SPECT myocardial perfusion imaging. It consists of two parts: -The first is to make the acquired projections consistent with each other. - The second is to weight the corrected attenuated projection during the reconstruction. We conducted a validation of our methods on some examples of myocardial perfusion SPECT imaging simulating the breast attenuation and some examples of real patient studies including: breast attenuation, anterior myocardial infarction, inferior myocardial infarction, anterior myocardial ischemia and inferior myocardial ischemia. The obtained results are encouraging. At this step, it is interesting in the near future to conduct a validation study in patients versus a gold standard (angiography, coroscan).Key words: SPECT, tomographic reconstruction, breast attenuation, Iterative reconstruction, attenuation correction, myocardial perfusion imaging, nuclear medicine

Depuis le début des années soixante-dix, le nombre de scanners par hôpitaux n’a fait qu’augmenter et leur utilisation est de plus en plus fréquente. Même si cette technique permet de donner des informations cliniques précieuses, elle a un revers qui est l’exposition du patient à des rayonnements ionisants. La sensibilité des enfants aux rayonnements est plus grande que celle des adultes, les enfants ont une espérance de vie importante et ont donc plus de risques de développer des cancers dans le futur. Il y a donc nécessité de tenter de réduire la dose au patient. Cette thèse vise donc à développer des stratégies d’optimisation sur les protocoles cliniques en utilisant des méthodes de simulation et de modélisation permettant de comprendre l’influence des paramètres des protocoles sur les indicateurs de qualité d’image et sur la dose délivrée au patient. Ce travail se divise en quatre parties: La première partie porte sur la modélisation de l’influence des paramètres des protocoles scanographiques sur deux indicateurs de qualité d’image et un indicateur de dose en utilisant la méthodologie des plans d’expériences. La seconde partie traite du développement d’un Protocole Générique Optimisé (PGO) pour la région de l’abdomen. A partir des données des modèles développés, un PGO recalculé pour cinq morphologies de patients pédiatriques et pour quatre modèles de scanners a été réalisé. L’ensemble des résultats, ont permis le développement d’un outil d’aide à l’optimisation permettant à l’utilisateur de générer un protocole optimisé en fonction du modèle de scanner et de la morphologie du patient. / For the last 10-years, computed tomography (CT) procedures and their increased use have been a major source for concern in the scientific community. This concern has been the starting point for several studies aiming to optimize the dose while maintaining a diagnostic image quality. In addition, it is important to pay special attention to dose levels for children (age range considered to be from a newborn baby to a 16-y-old patient). Indeed, children are more sensitive to ionizing radiations, and they have a longer life expectancy. Optimizing the CT protocols is a very difficult process due to the complexity of the acquisition parameters, starting with the individual patient characteristics, taking into account the available CT device and the required diagnostic image quality. This PhD project is contributing to the advancement of knowledge by: (1) Developing a new approach that can minimize the number of testing CT scans examinations while developing a predictive mathematical model allowing radiologists to prospectively anticipate how changes in protocols will affect the image quality and the delivered dose for four models of CT scan. (2) Setting-up a Generic Optimized Protocol (based on the size of the phantom CATPAHN 600) for four models of CT scan. (3) Developing a methodology to adapt the GOP to five sizes of pediatric patient using Size Specific Dose Estimate calculation (SSDE). (4) Evaluating subjective and objective image quality between size-based optimised CT protocol and age-based CT protocols. (5) Developing a CT protocol optimization tool and a tutorial helping the radiologists in the process of optimization.

L’approximation par harmoniques sphériques (SPN) simplifiées de l’équation de transfert radiatif a été proposée comme un modèle fiable de propagation de la lumière dans les tissus biologiques. Cependant, peu de solutions analytiques ont été trouvées pour ce modèle. De telles solutions analytiques sont d’une grande valeur pour valider les solutions numériques des équations SPN, auxquelles il faut recourir dans le cas de tissus avec des géométries courbes complexes. Dans la première partie de cette thèse, des solutions analytiques pour deux géométries courbes sont présentées pour la première fois, à savoir pour la sphère et pour le cylindre. Pour les deux solutions, les conditions aux frontières générales tenant compte du saut d’indice de réfraction à l’interface du tissus et de son milieu environnant, telles qu’applicables à l’optique biomédicale, sont utilisées. Ces solutions sont validées à l’aide de simulations Monte Carlo basées sur un maillage de discrétisation du milieu. Ainsi, ces solutions permettent de valider rapidement un code numérique, par exemple utilisant les différences finies ou les éléments finis, sans nécessiter de longues simulations Monte Carlo. Dans la deuxième partie de cette thèse, la reconstruction itérative pour l’imagerie par tomographie optique diffuse par fluorescence est proposée sur la base d’une fonction objective et de son terme de régularisation de type Lq-Lp. Pour résoudre le problème inverse d’imagerie, la discrétisation du modèle de propagation de la lumière est effectuée en utilisant la méthode des différences finies. La reconstruction est effectuée sur un modèle de souris numérique en utilisant un maillage multi-échelle. Le problème inverse est résolu itérativement en utilisant une méthode d’optimisation. Pour cela, le gradient de la fonction de coût par rapport à la carte de concentration de l’agent fluorescent est nécessaire. Ce gradient est calculé à l’aide d’une méthode adjointe. Des mesures quantitatives utilisées en l’imagerie médicale sont utilisées pour évaluer la performance de l’approche de reconstruction dans différentes conditions. L’approche Lq-Lp montre des performances quantifiées élevées par rapport aux algorithmes traditionnels basés sur des fonction coût de type somme de carrés de différences. / Abstract : The simplified spherical harmonics (SPN) approximation to the radiative transfer equation has been proposed as a reliable model of light propagation in biological tissues. However, few analytical solutions have been found for this model. Such analytical solutions are of great value to validate numerical solutions of the SPN equations, which must be resorted to when dealing with media with complex curved geometries. In the first part of this thesis, analytical solutions for two curved geometries are presented for the first time, namely for the sphere and for the cylinder. For both solutions, the general refractiveindex mismatch boundary conditions, as applicable in biomedical optics, are resorted to. These solutions are validated using mesh-based Monte Carlo simulations. So validated, these solutions allow in turn to rapidly validate numerical code, based for example on finite differences or on finite elements, without requiring lengthy Monte Carlo simulations. provide reliable tool for validating numerical simulations. In the second part, iterative reconstruction for fluorescence diffuse optical tomography imaging is proposed based on an Lq-Lp framework for formulating an objective function and its regularization term. To solve the imaging inverse problem, the discretization of the light propagation model is performed using the finite difference method. The framework is used along with a multigrid mesh on a digital mouse model. The inverse problem is solved iteratively using an optimization method. For this, the gradient of the cost function with respect to the fluorescent agent’s concentration map is necessary. This is calculated using an adjoint method. Quantitative metrics resorted to in medical imaging are used to evaluate the performance of the framework under different conditions. The results obtained support this new approach based on an Lq-Lp formulation of cost functions in order to solve the inverse fluorescence problem with high quantified performance.