Dans ce travail, nous nous intéressons à l'imagerie de diffraction dans des configurations à deux ou trois dimensions avec pour objectif la reconstruction d'une image (fonction contraste) d'un objet inconnu à l'aide de plusieurs mesures du champ qu'il diffracte. Ce champ résulte de l'interaction entre l'objet et un champ incident connu dont la direction de propagation et la fréquence peuvent varier. La difficulté de ce problème réside dans la non-linéarité du modèle direct et le caractère mal posé du problème inverse qui nécessite l'introduction d'une information a priori (régularisation). Pour cela, nous utilisons une approche bayésienne avec une estimation conjointe du contraste de l'objet, des courants induits et des autres paramètres du modèle. Le modèle direct est décrit par deux équations intégrales couplées exprimant les champs électriques observé et existant à l'intérieur de l'objet, dont les versions discrètes sont obtenues à l'aide de la méthode des moments. Pour l'inversion, l'approche bayésienne permet de modéliser notre connaissance a priori sur l'objet sous forme probabiliste. Les objets que nous étudions ici sont connus pour être constitués d'un nombre fini de matériaux homogènes répartis en régions compactes. Cette information a priori est introduite dans l'algorithme d'inversion à l'aide d'un mélange de gaussiennes, où chaque gaussienne représente une classe de matériaux, tandis que la compacité des régions est prise en compte au travers d'un modèle de Markov caché. La nature non linéaire du modèle direct et l'utilisation de cet a priori nous amènent à des estimateurs qui n'ont pas de formes explicites. Une approximation est donc nécessaire et deux voies sont possibles pour cela: une approche numérique, par exemple MCMC, et une approche analytique comme l'approche bayésienne variationnelle. Nous avons testé ces deux approches qui ont donné de bons résultats de reconstruction par rapport aux méthodes classiques. Cependant, l'approche bayésienne variationnelle permet de gagner énormément en temps de calcul par rapport à la méthode MCMC.

La tomographie optique diffuse de fluorescence permet la reconstruction tridimensionnelle de fluorophores présents dans un tissu biologique. La modalité la plus simple de cette technique repose sur une illumination continue du milieu et s'intéresse aux mesures d'atténuation du faisceau incident en différentes positions. En raison de la forte diffusion des tissus, la modalité continue souffre d'une faible résolution en profondeur.On considère aujourd'hui que la modalité résolue en temps, qui fournit pour chaque photon détecté son temps de vol, permettrait l'étude de tissus plus épais, ouvrant ainsi la porte à des applications cliniques. L'objet de cette thèse est de chercher comment tirer profit de l'information temporelle et de quantifier son apport par rapport à la modalité continue.La tomographie optique diffuse de fluorescence est un problème inverse mal conditionné. Dans un contexte où tout écart au modèle doit être limité, nous nous intéressons tout d'abord au modèle direct et montrons que la densité de photons est un modèle satisfaisant de la quantité expérimentalement mesurée. Nous passons ensuite au crible la méthode de reconstruction fondée sur l'exploitation des moments temporels des mesures. Étudiant théoriquement les propriétés des moments, nous montrons que cette approche nécessite, pour s'avérer intéressante, la détection d'un nombre élevé de photons. Nous introduisons enfin une nouvelle approche permettant d'exploiter l'information temporelle pour un nombre de photons plus limité. Cette approche, reposant sur une transformation en ondelettes des mesures, offre une qualité de reconstruction accrue par rapport à celle offerte par l'approche des moments.

Ce travail de thèse concerne le traitement d'image fDOT (fDOT pour fluorescence diffuse optical tomography) suit vers deux axes. Le recalage d'images fDOT à l'aide de l'imagerie TEP (tomographie par émission de positons) et l'amélioration des reconstructions fDOT à l'aide de miroirs pour collecter des projections complémentaires. Il est présenté en deux parties : Dans la première partie, une méthode automatique pour recaler les images de fDOT avec les images de Tomographie par Emission de Positons (TEP) développée dans le but de corréler l'ensemble des informations issues de chaque modalité. Cette méthode de recalage est basée sur une détection automatique de marqueurs fiduciaires présents dans les deux modalités. La particularité de cette méthode est l'utilisation de l'image de surface obtenue en fDOT, qui sert à identifier la position en Z des marqueurs fiduciaires dans les images optiques. Nous avons testé cette méthode sur un modèle de souris porteuses de xénogreffes de tumeurs de cellules cancéreuses MEN2A qui imitent un carcinome thyroïdien médullaire humain, après une double injection de traceur radioactif : [18F]2-fluoro-2-Deoxy-D-glucose (FDG) pour l'imagerie TEP et un traceur optique d'infrarouge fluorescent, le Sentidye. Grâce à la précision de notre méthode, nous arrivons à démontrer que le signal Sentidye est présent à la fois dans la tumeur et les vaisseaux environnants [1]. La qualité des images fDOT est dégradée selon l'axe Z du fait d'un nombre limité de projections pour la reconstruction. Dans la deuxième partie, le travail s'est orienté vers une nouvelle méthode de reconstruction d'images fDOT à partir d'un nouveau système d'acquisition multi-angulaire avec deux miroirs placés de chaque côté de l'animal. Ce travail a été mené en collaboration avec le département CS d'University College London (UCL), partenaire du projet Européen FMT-XCT. Le logiciel TOAST développé par cette équipe a été utilisé comme source pour l'algorithme de reconstruction, et modifié pour s'adapter à notre problématique. Après plusieurs essais concernant l'ajustement des paramètres du programme, nous avons appliqué cette méthode sur un fantôme réaliste des tissus biologiques et chez la souris. Les résultats montrent une amélioration de l'image reconstruite d'un fantôme semi-cylindrique et de l'image de rein chez la souris, pour lesquelles la méthode des miroirs est supérieure à la méthode classique sans miroir. Malgré tout, nous avons observé que les résultats étaient très sensibles à certains paramètres, d'où une performance de reconstruction variable d'un cas à l'autre. Les perspectives futures concernent l'optimisation des paramètres afin de généraliser l'approche multi-angle.

La Tomographie Optique Diffuse (TOD) est une nouvelle technique d'imagerie médicale permettant de reconstruire les propriétés optiques des tissus biologiques dans le but de détecter des tumeurs cancéreuses. Il s’agit, toutefois, d’un problème inverse mal-posé et sous-déterminé. Le travail de cette thèse s’articule autour de la résolution de ce problème en utilisant l’équation du transfert radiatif comme modèle de propagation de la lumière (modèle direct). L’analyse de sensibilité a montré que le facteur d’anisotropie g de la fonction de phase de Henyey-Greenstein est le paramètre le plus influant sur la sortie du modèle direct suivi du coefficient de diffusion µs puis du coefficient d’absorption µa. Dans un premier temps, un algorithme de Gauss-Newton a été implémenté en utilisant les fonctions de sensibilités. Toutefois, ce dernier ne permet d’estimer qu'un nombre très limité de paramètres optiques (supposés constants en espace). Dans un second temps, un algorithme de Quasi-Newton a été développé pour reconstruire les distributions spatiales des propriétés optiques. Le gradient de la fonction objectif a été calculé efficacement par la méthode adjointe à travers le formalisme de Lagrange avec une approche Multi-fréquences. Les reconstructions sont obtenues à partir des données simulées en surface. Le facteur g est reconstruit comme un nouvel agent de contraste en TOD. Le problème de diaphonie entre µs g a été donc mis en évidence dans cette thèse. Notre algorithme a permis de reconstruire en 2D et 3D une ou plusieurs inclusions tumorales présentant différentes formes. La qualité des images reconstruites a été examinée en fonction du nombre de fréquences, de la diaphonie, du niveau de contraste (Inclusion/Fond), du niveau de bruit et de la position des inclusions tumorales / Diffuse Optical Tomography (DOT) is a new medical imaging technique used to reconstruct the optical properties of biological tissues in order to detect cancerous tumors. However, this is an ill-posed and under-determined inverse problem. The work of this thesis deals with the resolution of this problem using the radiative transfer equation as a forward model of light propagation. The sensitivity analysis showed that the anisotropy factor g of the Henyey-Greenstein phase function is the most sensitive parameter of the forward model followed by the scattering coefficient µs and then the absorption coefficient µa. In a first step, a Gauss-Newton algorithm was implemented using the sensitivity functions. However, this algorithm allows to estimate a very limited number of the optical parameters (assumed to be constant in space). In a second step, a Quasi-Newton algorithm was developed to reconstruct the spatial distributions of the optical properties. The gradient of the objective function was efficiently computed by the adjoint method through the Lagrangian formalism with a Multi-frequency approach. The reconstructed images were obtained from simulated boundary data. The g factor was reconstructed as a new optical contrast agent in DOT and the crosstalk problem between this factor and µs has been studied. The results showed that the algorithm is efficient to reconstruct in 2D and 3D one or several tumor inclusions having different shapes. The quality of the reconstructed images was examined according to several parameters: the number of frequencies, the crosstalk, the contrast and the noise levels

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.

La tomographie optique diffuse (TOD) est une méthode d'imagerie médicale émergente permettant de faire l'acquisition des coefficients d'absorption et de diffusion, de même que la détection d'inclusions fluorescentes ou bioluminescentes à l'intérieur d'un sujet. Ce type d'imagerie vise de nombreuses applications, dont la mammographie optique, l'imagerie cérébrale fonctionnelle et l'imagerie sur petits animaux pour la recherche préclinique. La TOD utilise la lumière laser rouge et proche infrarouge pour illuminer le sujet à l'étude. Les photons diffus ressortant du sujet sont ensuite captés par des détecteurs tout autour de l'animal. L'acquisition de données en TOD peut être réalisée dans trois régimes d'opération, soit le régime continu, les mesures dans le domaine fréquentiel et les mesures dans le domaine temporel. Ce dernier régime permet l'obtention d'information beaucoup plus riche que les autres régimes, et est donc le sujet d'intérêt du présent mémoire. Depuis plusieurs années, le laboratoire TomOptUS développe l'instrumentation nécessaire aux systèmes de TOD à mesures dans le domaine temporel (TOD-DT) pour l'imagerie moléculaire in vivo sur petits animaux. Des travaux récents ont mené à la réalisation d'un scanner TOD-DT sans contact et à angles de vue multiples, de même qu'au développement des algorithmes de reconstruction d'image. Le scanner actuel ne permet toutefois pas l'imagerie de sujets vivants, le temps d'acquisition étant trop long pour garder un animal sous anesthésie. Pour améliorer significativement la sensibilité, le nombre de canaux de détection autour du sujet doit être augmenté afin d'éviter le balayage mécanique de multiples positions de détecteurs. Le système actuel a toutefois atteint son plein potentiel, ses possibilités d'expansion étant limitées par le système d'acquisition de données. Les travaux de recherche du présent mémoire portent sur la conception de l'électronique d'un système d'acquisition spécialement conçu pour la TOD-DT et pour l'intégration d'un plus grand nombre de canaux (64 et plus) dans l'anneau de détection. Ce système propose une architecture à canaux multiples extensible permettant de combiner plusieurs canaux dans un seul système d'acquisition. Son système électronique modulaire à carte mère et cartes filles supporte tous les types de détecteurs monophotoniques sur le marché et s'adapte à tout type de signal. Le système d'acquisition offre aussi un procédé de calibration entièrement programmable permettant d'éviter l'ajustement manuel des longueurs de câble lors de l'assemblage du système. Comme le système utilise uniquement des composants électroniques disponibles sur le marché, le coût par canal est réduit de plus d'un ordre de grandeur, passant de > 10 000 CAD pour un système conventionnel à < 750 CAD pour le système dédié. Ce dernier offre des performances très compétitives par rapport aux systèmes d'acquisition commerciaux, avec une taille de bin de 13,02 ps, une précision moyenne de 19 ps largeur à la mi-hauteur (LMH) et une non-linéarité intégrale maximale de 10% LSB.

Ce travail de thèse concerne le traitement d’image fDOT (fDOT pour fluorescence diffuse optical tomography) suit vers deux axes. Le recalage d'images fDOT à l’aide de l’imagerie TEP (tomographie par émission de positons) et l’amélioration des reconstructions fDOT à l’aide de miroirs pour collecter des projections complémentaires. Il est présenté en deux parties : Dans la première partie, une méthode automatique pour recaler les images de fDOT avec les images de Tomographie par Emission de Positons (TEP) développée dans le but de corréler l’ensemble des informations issues de chaque modalité. Cette méthode de recalage est basée sur une détection automatique de marqueurs fiduciaires présents dans les deux modalités. La particularité de cette méthode est l’utilisation de l’image de surface obtenue en fDOT, qui sert à identifier la position en Z des marqueurs fiduciaires dans les images optiques. Nous avons testé cette méthode sur un modèle de souris porteuses de xénogreffes de tumeurs de cellules cancéreuses MEN2A qui imitent un carcinome thyroïdien médullaire humain, après une double injection de traceur radioactif : [18F]2-fluoro-2-Deoxy-D-glucose (FDG) pour l’imagerie TEP et un traceur optique d’infrarouge fluorescent, le Sentidye. Grâce à la précision de notre méthode, nous arrivons à démontrer que le signal Sentidye est présent à la fois dans la tumeur et les vaisseaux environnants [1]. La qualité des images fDOT est dégradée selon l’axe Z du fait d’un nombre limité de projections pour la reconstruction. Dans la deuxième partie, le travail s’est orienté vers une nouvelle méthode de reconstruction d’images fDOT à partir d’un nouveau système d’acquisition multi-angulaire avec deux miroirs placés de chaque côté de l’animal. Ce travail a été mené en collaboration avec le département CS d’University College London (UCL), partenaire du projet Européen FMT-XCT. Le logiciel TOAST développé par cette équipe a été utilisé comme source pour l’algorithme de reconstruction, et modifié pour s’adapter à notre problématique. Après plusieurs essais concernant l’ajustement des paramètres du programme, nous avons appliqué cette méthode sur un fantôme réaliste des tissus biologiques et chez la souris. Les résultats montrent une amélioration de l’image reconstruite d’un fantôme semi-cylindrique et de l’image de rein chez la souris, pour lesquelles la méthode des miroirs est supérieure à la méthode classique sans miroir. Malgré tout, nous avons observé que les résultats étaient très sensibles à certains paramètres, d’où une performance de reconstruction variable d’un cas à l’autre. Les perspectives futures concernent l’optimisation des paramètres afin de généraliser l’approche multi-angle. / This thesis concerns the image processing of fluorescence diffuse optical tomography (fDOT), following two axes: FDOT image co-registration with PET (positron emission tomography) image and improvement of fDOT image reconstructions using mirrors to collect additional projections. It is presented in two parts:In the first part, an automatic method to co-register the fDOT images with PET images has been developed to correlate all the information from each modality. This co-registration method is based on automatic detection of fiducial markers (FM) present in both modalities. The particularity of this method is the use of optical surface image obtained in fDOT imaging system, which serves to identify the Z position of FM in optical images. We tested this method on a model of mice bearing tumor xenografts of MEN2A cancer cells that mimic a human medullary thyroid carcinoma, after a double injection of radiotracer [18F] 2-fluoro-2-Deoxy-D-glucose ( FDG) for PET imaging and optical fluorescent infrared tracer Sentidye. With the accuracy of our method, we can demonstrate that the signal of Sentidye is present both in the tumor and surrounding vessels.The fDOT reconstruction image quality is degraded along the Z axis due to a limited number of projections for reconstruction. In the second part, the work is oriented towards a new method of fDOT image reconstruction with a new multi-angle data acquisition system in placing two mirrors on each side of the animal. This work was conducted in collaboration with the CS Department of University College London (UCL), a partner of the European project FMT-XCT. TOAST software developed by this team was used as source code for the reconstruction algorithm, and was modified to adapt to the concerned problem. After several tests on the adjustment of program parameters, we applied this method on a phantom that simulating the biological tissue and on mice. The results showed an improvement in the reconstructed image of a semi-cylindrical phantom and the image of mouse kidney, for which the reconstruction of the mirrors geometry is better than that of conventional geometry without mirror. Nevertheless, we observed that the results were very sensitive to certain parameters, where the performance of reconstruction varies from one case to another. Future prospectives concern the optimization of parameters in order to generalize the multi-angle approach.

La Tomographie Optique Diffuse Résolue en Temps (TOD-RT) est une technique d'imagerie clinique et préclinique en pleine croissance. Elle fournit les cartes d'absorption et de diffusion optique des organes explorés, et les paramètres physiologiques associés. La Tomographie Optique Diffuse de Fluorescence Résolue en Temps (TODF-RT) est basée sur la détection de photons de fluorescence. Elle permet de déterminer les cartes de la concentration et du temps de vie de sondes fluorescentes et d'accéder à une imagerie métabolique et moléculaire très importante pour le diagnostic et le suivi thérapeutique, en particulier en cancérologie. L'objectif de cette thèse était de réaliser des images 3D de TOD/TODF-RT sur des rongeurs en utilisant une technologie optique résolue en temps, les acquisitions étant réalisées à l'aide de fibres optiques disposées autour de l'animal et sans contact avec sa surface. Le travail a été mené en quatre étapes : 1- mise en place d'un dispositif d'imagerie de la surface de l'animal et reconstruction de son contour 3D, 2- modélisation de l'approche sans contact pour la résolution du problème direct, 3- traitement des mesures prenant en compte la réponse impulsionnelle de l'appareil, 4- établissement d'une méthode de reconstruction des images basée sur une sélection de points judicieusement choisis sur les profils temporels. Ces travaux ont permis d'obtenir des images optiques 3D de bonne qualité en réduisant la diaphonie entre l'absorption et la diffusion. Ces améliorations ont été obtenues tout en diminuant le temps de calcul, par comparaison avec les méthodes utilisant la totalité des profils temporels.

SWIFTS (Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) est une nouvelle technologie innovante de spectrométrie qui permet une réduction radicale de la taille des spectromètres à Transformée de Fourier, tout en conservant, et même en améliorant leurs performances. Grâce aux avancées de l'optique intégrée et des nanotechnologies, SWIFTS repose sur une méthode de détection optique originale, sans aucune partie mobile, où des nanoplots métalliques échantillonnent directement le champ évanescent d'une onde stationnaire dans un guide d'onde.Dans cette thèse, nous proposons de présenter le cheminement complet qui a mené, en partant du concept original, au développement puis à la mise en pratique de la technologie SWIFTS. Le document illustre notamment les caractérisations optiques, les choix technologiques et les optimisations entrepris pour la réalisation de spectromètres fonctionnels dans le domaine visible et proche-infrarouge. Des procédures de calibrages novatrices et complémentaires, basées sur du multiplexage fréquentiel et sur de l'interférométrie à faible cohérence temporelle, ont été développées pour déterminer avec précision les différentes irrégularités de fabrication et de comportement de l'appareil complètement intégré. Les spectromètres calibrés permettent à présent d'aborder des applications diverses en industrie et en recherche, de la caractérisation hautes performances de lasers, à l'interrogation de capteurs fibrés à réseaux de Bragg, aux techniques de spectrométries Raman et LIBS, et de tomographie optique OCT, jusqu'aux sciences de l'Univers (géophysique, astrophysique).SWIFTS est une innovation de rupture qui, de part sa miniaturisation obtenue sans compromis avec de hautes performances d'analyse spectrale, a la capacité de faire passer la spectrométrie du stade de la mesure complexe en laboratoire à celle d'un simple composant intégré pour des applications exigeantes. / SWIFTS (Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) is a new innovative technology of spectrometry that allows a drastic reduction of the size of Fourier transform spectrometers, while maintaining, and even improving their performance. With advances in integrated optics and nanotechnology, SWIFTS is based on an original method of optical detection, without any moving part, where metallic nanodots directly sample the evanescent field of a standing wave in a waveguide.In this thesis, we propose to present the complete process that led, starting from the original concept, to the development and the applications of the technology. The document illustrates the optical characterizations, the technological choices and the optimizations made for the realization of functional spectrometers in the visible and near-infrared range. Innovative and complementary procedures of calibrations, based on frequency multiplexing and low coherence interferometry, have been developed to accurately determine the various irregularities of the manufacturing and of the behavior of the integrated device. The calibrated spectrometers allow to address various applications in industry and research, such as high performance characterization of lasers, interrogation of fiber Bragg gratings sensors, Raman and LIBS spectrometry, optical coherence tomography OCT, and sciences of the Universe (geophysics, astrophysics).SWIFTS is a breakthrough innovation in spectrometry, without trade-off between miniaturization and high performance, that opens the way for product development based on the most demanding applications currently performed in research laboratories.

La Tomographie Optique Diffuse (TOD) est désormais une modalité d’imagerie médicale fonctionnelle reconnue. L’une des applications les plus répandues de cette technique est celle de l’imagerie fonctionnelle cérébrale chez l’Homme. En effet, cette technique présente de nombreux avantages, notamment grâce à la richesse des contrastes optiques accessibles. Néanmoins, certains verrous subsistent et freinent le développement de son utilisation, spécialement pour des applications chez l’Homme adulte en clinique ou dans des conditions particulières comme lors du suivi de l’activité sportive. En effet, le signal optique mesuré contient des informations venant de différentes profondeurs de la tête, et donc de différents types de tissus comme la peau ou le cerveau. Or, la réponse d’intérêt étant celle du cerveau, la réponse de la peau peut dégrader l’information recherchée. Dans ce contexte, ces travaux portent sur le développement d’un nouvel instrument de TOD permettant d’acquérir les dimensions spatiale, spectrale et de temps de vol du photon de façon simultanée, et ce à haute fréquence d’acquisition. Au cours de cette thèse, l’instrument a été développé et caractérisé sur fantôme optique. Ensuite, il a été validé in-vivo chez l’Homme adulte, notamment en détectant l’activité du cortex préfrontal en réponse à une tâche de calcul simple. Les informations multidimensionnelles acquises par notre système ont permis d’améliorer la séparation des contributions des différents tissus (Peau/Cerveau). Elles ont également permis de différencier la signature de la réponse physiologique de ces tissus, notamment en permettant de détecter les variations de concentration en Cytochrome-c-oxydase. Parallèlement à ce développement instrumental, des simulations Monte-Carlo de la propagation de la lumière dans un modèle anatomique de tête ont été effectuées. Ces simulations ont permis de mieux comprendre la propagation de la lumière dans les tissus en fonction de la longueur d’onde et de valider la pertinence de cette approche multidimensionnelle. Les perspectives de ces travaux de thèse se dirigent vers l’utilisation de cet instrument pour le suivi de la réponse du cerveau chez l’Homme adulte lors de différentes sollicitations comme des stimulations de TDCS, ou en réponse à une activité sportive. / The Diffuse Optical Tomography (DOT) is now a relevant tool for the functional medical imaging. One of the most widespread application of this technic is the imaging of the human brain function. Indeed, this technic has numerous advantages, especially the richness of the optical contrast accessible. Nevertheless, some drawbacks are curbing the use of the technic, especially for applications on adults in clinics or in particular environment like in the monitoring of sports activity. Indeed, the measured signal contains information coming from different depths of the head, so it contains different tissues types like skin and brain. Yet, the response of interest is the one of the brain, and the one of the skin is blurring it. In this context, this work is about the development of a new instrument of DOT capable of acquiring spatial and spectral information, as well as the arrival time of photons simultaneously and at a high acquisition speed. During the PhD thesis the instrument has been developed and characterised on optical phantoms. Then, it has been validated in-vivo on adults, especially by detecting the cortical activation of the prefrontal cortex, in response to a simple calculation task. Multidimensional information acquired by our system allowed us to better distinguish between superficial and deep layers. It also allowed us to distinguish between the physiological signature of those tissues, and especially to detect the variations of concentration in Cytochrom-c-oxydase. Concurrently to this experimental work, Monte-Carlo simulation of light propagation in a model off a human head has been done. Those simulations allowed us to better understand the light propagation in tissues as function as their wavelength, and to validate the relevance of our multidimensional approach. Perspectives of this work is to use the developed instrument to monitor the brain’s response of the Human adult to several solicitations like tDCS stimulation, or sports activity.