Cette thèse est consacrée à la conception et au développement d'un système de reconstruction tridimensionnelle d'objets transparents par imagerie polarimétrique. Nous présentons tout d'abord une extension de la technique de "Shape from Polarization" aux surfaces transparentes. Après réflexion sur la surface, la lumière incidente non polarisée devient partiellement linéairement polarisée, en fonction de l'angle d'incidence et de l'indice de réfraction du matériau. Ainsi, les normales de la surface sont calculées à partir des paramètres de polarisation de la lumière réfléchie. L'ambiguïté concernant l'orientation des normales est ici levée grâce à l'utilisation d'un éclairage multispectral dont la difficulté de calibration est expliquée dans ce manuscrit. Pour finir, nous détaillons précisément le prototype développé, et présentons des résultats de reconstruction 3D sur des objets parfaitement calibrés.

Etant sensible à la polarisation de la lumière et non à son intensité, l'imagerie polarimétrique peut révéler des propriétés de l'objet étudié invisibles en imagerie classique. Cette technique présente un réel potentiel pour le développement de nouveaux diagnostics optiques dans le domaine médical. L'imagerie polarimétrique est particulièrement performante pour détecter les modifications de la structure du collagène fibrillaire dans les tissus conjonctifs, modifications qui accompagnent (ou précèdent) l'apparition de nombreuses pathologies, parmi lesquelles le cancer du col utérin et le prolapsus vaginal. Ce travail a porté essentiellement sur l'étude, en microscopie polarimétrique, de la structure du collagène dans des lames histologiques issues de conisations (cols utérins extraits pour suspicion d'états précancéreux) et de prélèvements de parois vaginales, pour corréler cette structure avec la présence ou l'absence de pathologie. Après une brève introduction, le premier chapitre décrit la prise en charge actuelle du cancer du col utérin, son efficacité et aussi ses limites, qui justifient pleinement la recherche d'une nouvelle technique de diagnostic optique de cette pathologie. Le chapitre suivant est consacré au prolapsus génital, pour lequel une détection précoce des personnes à risque serait également très bénéfique. Le troisième chapitre décrit succinctement la polarisation de la lumière. Le chapitre suivant est consacré aux matériels et méthodes mis en {\oe}uvre, des polarimètres imageurs à la préparation des échantillons. Les résultats sont résumés dans les deux derniers chapitres. Dans le tissu vaginal normal le collagène est orienté différemment dans les trois couches principales (muqueuse, musculeuse et adventice), alors que cette structure disparaît dans du tissu prolabé. Sur les cols utérins, nous avons mis en évidence la présence, juste sous l'épithélium malphighien, d'une couche de collagène orienté parallèlement à l'éptihélium et dont la biréfringence est bien plus importante dans les zones saines que sous des dysplasies. Cette couche pourrait être la principale responsable des contrastes polarimétriques observées en rétrodiffusion sur des cols épais avec une biréfringence et une dépolarisation plus fortes dans les zones saines que dans les zones dysplasiques.

La biophotonique a permis de nombreuses avancées scientifiques, tant dans le domaine de la compréhension des mécanismes du vivant que dans le domaine de la médecine. Les biopuces optiques sont des outils participants à une plus grande compréhension des interactions biomoléculaires de surface et ont rendu possible le diagnostic génétique à haut débit ou la caractérisation simultanée d'un grand nombre d'interactions protéiques en parallèle. Les biopuces à résonance de plasmon de surface permettent de plus la caractérisation dynamique des interactions biomoléculaires, tout en se passant de l'utilisation de marqueurs fluorescents. L'objectif principal de ce travail a reposé sur la mise au point expérimentale d'un système de biopuces à résonance de plasmon de surface capable de caractériser dynamiquement l'anisotropie résultante de l'orientation moyenne d'édifices biomoléculaires de surface. La validation du système ainsi réalisé a été effectuée au travers de trois applications : l'observation de l'orientation de biomolécules sous l'effet d'un changement de régime fluidique ; la détermination de l'anisotropie induite par un champ électrique sur un assemblage biomoléculaire d'épaisseur nanométrique ; et enfin l'orientation de filaments de billes magnétiques microniques sous l'effet d'un champ magnétique. Le second objectif de ce travail reposait sur l'étude et le développement de nouveaux substrats métalliques structurés latéralement. La perturbation locale du champ évanescent se propageant à la surface du métal a ainsi pu être mis en évidence par le biais d'échantillons micro- puis nano- structurés.

L’imagerie polarimétrique permet d’estimer certaines caractéristiques d’un milieu qui peuvent ne pas être révélées par imagerie d’intensité standard. Cependant, les mesures effectuées peuvent être fortement perturbées par des fluctuations inhérentes aux processus physiques d’acquisition. Ces fluctuations sont difficiles à atténuer, notamment à cause de la fragilité des milieux observés ou de l’inhomogénéité des images acquises. Il est alors utile de caractériser la précision des estimations qu’il est possible d’obtenir. Dans cette thèse, cette question est abordée au travers de deux applications d’imagerie polarimétrique : la microscopie non-linéaire de second harmonique résolue en polarisation (PSHG) pour l’analyse de l’organisation structurale d’objets biomoléculaires, et l’imagerie radar polarimétrique interférométrique à synthèse d’ouverture (PolInSAR) pour l’estimation des paramètres du couvert forestier. Pour la première application, la précision d’estimation en présence de bruit de Poisson est caractérisée pour l’ensemble des assemblages moléculaires présentant une symétrie cylindrique, ce qui permet notamment d'aboutir à une procédure de détection des mesures qui ne permettent pas d’atteindre une précision d’estimation requise. Pour l’imagerie PolInSAR, on analyse une modalité d'acquisition intéressante pour les futures missions satellitaires. En particulier, on étudie dans ce contexte la précision d'estimation de la hauteur de végétation en présence de bruit de speckle en s'appuyant sur l'analyse du contraste polarimétrique. Une interprétation simple des comportements de cette modalité d'acquisition est obtenue dans la sphère de Poincaré. / Polarimetric imaging allows one to estimate some characteristics of a medium which might not be revealed by standard intensity imaging. However, the measurements can be strongly perturbed by fluctuations that are inherent in the physical acquisition processes. These fluctuations are difficult to attenuate, for instance because of the fragility of the observed media or because of the inhomogeneity of the obtained images. It is then useful to characterize the estimation precision that can be reached. In this thesis, this question is addressed through two polarimetric imaging applications: polarized-resolved second-harmonic generation non-linear microscopy (PSHG) for the analysis of the structural organization of biomolecular objects, and polarimetric interferometric synthetic aperture radar imaging (PolInSAR) for the estimation of vegetation parameters. For the first application, the estimation precision in the presence of Poisson noise is characterized for any molecular assembly that presents a cylindrical symmetry. This study results in particular in a procedure to detect the measurements that do not lead to a required precision. For PolInSAR imaging, we analyze an acquisition system that is interesting for future spatial missions. In particular, the estimation precision of the vegetation height is studied in this context in the presence of speckle noise by relying on the analysis of the polarimetric contrast. A simple interpretation of the behavior of this acquisition system is obtained in the Poincaré sphere.

Les techniques d'imagerie optique, dans la gamme de longueurs d'onde visible et proche infrarouge, permettent d'examiner très facilement les tissus biologiques de manière non invasive. Toutefois la forte diffusion des tissus biologiques limite fortement leur examen en profondeur. Examinés en rétrodiffusion (examen de la peau ou du col de l'uterus par exemple), non seulement les mesures sont polluées par la réflexion spéculaire, mais l'information sur la source volumique du signal est également perdue du fait de la forte diffusion. La prise en compte de la diffusion dans le modèle de propagation de la lumière permet d'évaluer cette distribution volumique du signal lumineux en fonction des propriétés optiques du milieu. Pour sophistiquer l'approche, nous introduisons un filtrage polarimétrique, basé sur l'utilisation de la lumière polarisée elliptiquement, particulièrement approprié à la géométrie de rétrodiffusion, permettant avant tout un sondage sélectif en profondeur tout en s'affranchissant de la réflexion spéculaire. Cette technique permet ainsi d'examiner les tissus à l'échelle mésoscopique (jusqu'à l'échelle du millimètre). / Optical imaging techniques using the visible and near-infrared wavelengths allow an easy and non-invasive way of analysing biological tissues. However, the high scattering of biological tissues significantly limits the depth of examination. Backscattering examination (of skin or of the cervix for example) shows not only that the measurements are polluted by mirror reflection, but also that information about the source of the signal is lost as a result of the high scattering. Including scattering in the light propagation model allows the evaluation of the volume distribution of the light signal as a function of the optical properties of the medium. In order to make the approach more sophisticated, we introduced a polarimetric filtering that uses elliptically polarised light. This is not only particularly appropriate for backscattering geometry, but also allows firstly to probe at selected depths and secondly to eliminate mirror reflection. Thus, this technique allows the examination of tissues at a mesoscopic scale (up to the milimeter scale).

Lors de la diffusion d’une onde électromagnétique sur une surface de rugosité aléatoire ou dans un volume, un champ de speckle, dont les caractéristiques dépendent du diffuseur considéré, se forme. Les diffusions au sein de matériaux impactent l’état de polarisation d’une lumière incidente. Ainsi, la polarisation est un paramètre sensible pour la caractérisation et l’étude de matériaux. Une technique de polarimétrie résolue spatialement, permettant une mesure de précision en champs de speckle, est proposée. Cette technique est utilisée pour étudier l’impact de différents paramètres d’imagerie sur la mesure polarimétrique, notamment les phénomènes de dépolarisation des champs dus au mode d’observation. Un modèle de simulation de champs de speckle polarisés, validé par comparaison avec l'expérimentation pour différents régimes de diffusions, est développé. Par ailleurs, les propriétés dynamiques de l’échantillon peuvent être mesurées par une analyse de contraste du speckle qu’il diffuse. Un dispositif d’imagerie de micro-vascularisation par mesure de contraste de speckle dynamique polarisé est optimisé, puis appliqué à l’étude in-vivo de l’angiogenèse tumorale du mélanome murin, ainsi que l’évolution de la vascularisation après traitement des tumeurs par électrochimiothérapie. Le potentiel de la technique pour la détection et l'étude du mélanome murin, sans contact ni marqueur, est démontré, avec comme perspective la détection et l'étude du mélanome humain, dont l'efficacité reste à être caractérisée pour une utilisation en imagerie biomédicale. / When an electromagnetic wave is scattered by a rough surface or in a volume, a speckle field is observed, with characterlstlcs depending on the consldered scatterer. Multiple scattering in samples immpact the State of polarizatlon of an incident light. Thus, polarization Is a sensitive parameter for material characterization and study. A spatially resolved polarlmetry method, allowing accurate measurements in speckle fields is proposed. That method is used to study the Impact of various parameters on polarimétrie measurements, especially the depolarization phenomenon due to the observation setup. A polarlzed speskle simulation model is proposed, validated by comparison with expérimentation for various scattering régime. Besides, dynamlc properties of samples can be measured by an analysis of the scattered speckle contrast. A method allowing microvascularization imaging based on dynamic polarized light scattering imaging is optlmlzed, then applied to in-vivo study of the tumor angiogenesis occuring on murine melanoma, as well as the vascularization évolution after a treatment called electrochemotherapy. Potentlal of the method for non invasive détection and study of the murine melanoma is demonstrated, its efflciency on human melanoma for biomédical applications remaning to be characterized.

Ce document présente les grandes lignes des travaux de recherche que j'ai menés dans divers laboratoires depuis ma thèse.

Les plasmas froids produits par les décharges électriques sont des gaz faiblement ionisés, ce qui maintient la température du gaz à une température proche de la température ambiante, contrairement à la température de l'électron qui peut atteindre plusieurs électron-volts. Les applications des plasmas froids en médecine et en agriculture sont des nouveaux domaines de recherche multidisciplinaires basés sur les interactions de ces plasmas avec des organismes vivants. Le champ électrique ainsi que les espèces réactives de l’oxygène et de l'azote peuvent inactiver les bactéries, stimuler la régénération de la peau (dermatologie), la réduction tumorale (oncologie) et la germination des graines (agriculture). Ces nouveaux domaines de recherche, basé sur la chimie produite par l’interaction plasma-liquide est très prometteur et se développe rapidement. L’objectif de ce travail est d’étudier les interactions entre les plasmas froids et l’eau pour les applications biologiques, d’une part la promotion de la germination des graines au moyen d’une décharge à barrière diélectrique (DBD) et, d’autre part, l’effet ex vivo d’un traitement par jet de plasma froid sur la peau.Ce manuscrit est divisé en cinq chapitres: i) On présente tout d'abord une revue de la littérature présentant l'état de l’art concernant l'interaction plasma-liquide et les principales avancées en matière d'applications des plasmas froids à la germination des semences. Ii) Deuxièmement, les dispisitifs expérimentaux sont décrits, en particulier la fabrication de réacteurs à plasma utilisant l’impression 3D. Iii) Ensuite, la production d'espèces réactives gazeuses et aqueuses formées par des plasmas de type DBD a été mesurée quantitativement et l'interaction plasma-liquide a été analysée. Iv) Puis, plusieurs variétés de graines ont été sélectionnées pour évaluer l’effet un traitement par plasma DBD ; l'étude des mécanismes de promotion de la germination du plasma a été spécifiquement étudiée en traitant les graines de soja vert dans différentes conditions de décharge, dans différents milieux, avec un champ électrique seul et dans différentes conditions de cultures ou de niveau d'hydratation des graines.v) Enfin, l'imagerie paramétrique de Muller (MPI) a été appliquée pour la modification de la peau de souris ex vivo traitées par un plasma à jet d'hélium. / Non-Thermal-Plasmas (NTP) produced by electric discharges are weakly ionized gases, which keeps the gas temperature at near room temperature contrary to the electron temperature which can reach several electron-Volts. Applications of NTP to medicine and agriculture are new multidisciplinary research fields based on interactions of the Non-Thermal-Plasmas with living organisms. Electric field as well as Reactive Oxygen and Nitrogen Species produced by NTP may inactivate bacteria, stimulate skin regeneration (dermatology), tumor reduction (oncology) and seeds germination (agriculture). These new fields of research are based on the plasma-liquid chemistry. The objective of this work is to study the NTP interacting with water for biological applications including on one hand, the promotion of the germination of seeds using a Dielectric Barrier Discharge (DBD) and on the other hand, the effect of a plasma jet treatment ex vivo on skinThis manuscript is divided in five chapters: i) First a literature review is presented showing the state of the art of the plasma-liquid interaction, and the main advances of the application of non thermal plasmas to seed germination. Ii) Second, experimental set ups are described, in particular the manufacturing of plasma reactors using 3D printing. Iii) then , the production of gaseous and aqueous reactive species formed by DBD plasmas was measured quantitatively and plasma-liquid interaction was analyzed. Iv) Next, different varieties of seeds were selected to evaluate the effect of a DBD plasma treatment and the study of the mechanisms of plasma germination promotion was specifically investigated by treating mung bean seeds in different discharge conditions, in different mediums, in electric field alone and in different hydration levels of seeds.v) Finally, Muller parametric imaging (MPI) was applied to study the modification of ex vivo mice skin treated by a helium jet plasma.