La possibilité de déterminer précisément et de quantifier la composition des milieux biologiques est un défi pour l'imagerie médicale qui permettrait de diagnostiquer certaines maladies ou de mieux étudier les processus physiologiques. La tomographie optique diffuse (DOT) est une technique d'imagerie attrayante qui permet de façon non invasive, non-ionisante et potentiellement avec une grande spécificité de sonder les milieux en profondeur en utilisant la lumière dans le proche infrarouge et de reconstruire en trois dimensions leur composition. Pour obtenir les caractéristiques des chromophores endogènes (oxy- et désoxy-hémoglobine) enfouis dans un milieu très diffusant, une instrumentation optique dans le domaine temporel et multi-longueurs d'onde combinée à un algorithme de reconstruction en trois dimensions a été développée. Des mesures expérimentales ont été menées en géométrie de réflectance en éclairant avec un laser picoseconde un milieu perturbé (contenant une hétérogénéité) et en récupérant, pour plusieurs longueurs d'onde et multi-positions, la lumière rétrodiffusée via deux fibres optiques connectées à deux détecteurs dédiés et couplés à un système de comptage de photon unique. Le traitement des données de ces mesures résolues en temps a été réalisé en supposant que la propagation de la lumière est gouvernée par l'approximation de la diffusion et en utilisant une méthode basée sur la transformée de Mellin-Laplace. Des simulations et des expériences sur une gamme de milieux imitant les milieux biologiques ont démontré que cette technique médicale a le potentiel pour donner des images médicales quantitatives. Nous avons montré que l'on peut déterminer correctement la composition d'objets à 10 mm de profondeur absorbant faiblement. Pour de plus fortes profondeurs et des absorptions plus élevées, la valeur du coefficient d'absorption ou de la concentration est sous-estimée. En outre, l'imagerie multimodale apporte des améliorations dans la précision de la quantification en profondeur et donc peut être une bonne opportunité pour les futures applications cliniques de la DOT. / In medical imaging, the ability to accurately retrieve and quantify the composition of turbid media is challenging and would enable to diagnose some diseases or to better study physiological processes. Diffuse optical tomography (DOT) is an attractive medical imaging technique which permits to probe in depth using near-infrared light and to reconstruct in three dimensions the composition of biological tissues non-invasively, non-ionizing and with potentially high specificity. To obtain endogenous chromophore (oxy- and desoxy-hemoglobin) features in the depth of a highly scattering medium, a multiwavelength time domain optical setup combined to a three-dimensional reconstruction algorithm was developed. Experimental measurements were conducted in reflectance geometry by illuminating a perturbed medium (with a heterogeneity) with a picosecond laser and by collecting, for several wavelengths and multi-positions, the backscattered light via two fibers connected to two dedicated detectors and coupled to a time-correlated single photon counting system. The data processing of these time-resolved measurements and those of a known reference medium was performed by supposing that the propagation of light is governed by the diffusion approximation and using a method based on Mellin-Laplace transform. Numerical and phantom experiments on series of objects similar to biological media demonstrate that this technique has the potential to give quantitative medical images. We have highlighted a correct quantification for the less absorbing objects at 10 mm depth while underestimation results at deeper depths and higher absorptions. Furthermore, the multimodal imaging brings improvements in quantification in depth and thus it can be a good opportunity to DOT for its future clinical applications.