Ce mémoire aborde l'analyse et le traitement de données biomédicales. L'objectif est d'extraire des informations nécessaires au diagnostic de certaines pathologies. Plus précisément, ce rapport de thèse peut être scindé en deux parties. La première concerne l'élaboration d'un système ambulatoire multi-varié qui permette d'explorer les fonctions neurologiques nécessaires au diagnostic de différents troubles du sommeil. Des méthodes de séparation aveugle de sources, développées pour des mélanges instantanés, ont été étudiées et appliquées pour répondre à ce problème. La seconde partie porte sur l'étude du système nerveux autonome. Le but est de caractériser le profile sympathique et parasympathique des patients. Face aux différents problèmes mathématiques rencontrés, nous avons élaboré de nouvelles méthodes d'estimation de phase. Ces dernières ont fait l'objet d'une étude comparative au travers de simulations numériques.