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Les qubits de spin dans des boîtes quantiques sont des candidats prometteurs comme unités de base d'un ordinateur quantique en raison de leur long temps de cohérence. Une approche pour contrôler et manipuler ces qubits est de faire des mesures non destructives sur ceux-ci. Le couplage d'une boîte quantique avec une cavité micro-onde supraconductrice permet d'e ectuer ce type de mesures. Avant de commencer tout calcul quantique, il est nécessaire d'initialiser les qubits dans un état connu. Actuellement, la relaxation contrôlée par un bain thermique et la rétroaction conditionnelle sont deux techniques utilisées pour initialiser un qubit. Ces deux techniques nécessitent de travailler à des températures très basses de l'ordre des dizaines aux centaines de mK avec une délité limitée. En outre, comme les qubits de spin sont généralement des systèmes bien isolés, ils ont des temps de relaxation longs. Ceci fait en sorte qu'une approche passive d'attente que le qubit retourne dans son état fondamental sera typiquement longue, ce qui mènera à un temps d'initialisation appréciable dans un calcul quantique. L'objectif du présent travail est de développer une nouvelle approche active par asservissement qui permet d'atteindre toute délité, qui est rapide et qui permet de travailler à de plus hautes températures de l'ordre du Kelvin, ce qui est important expérimentalement et pour les développements actuels. Pour ce faire, on considère un qubit de spin couplé à un résonateur micro-onde supraconducteur. Le couplage est fait d'une manière dispersive. Ceci permet de réaliser des mesures non-destructives sur le qubit. Des simulations numériques montrent la validité de l'opérateur de mesure utilisé dans cette étude. Le contrôle du qubit se fait directement sur celui-ci en utilisant un opérateur de rotation. La loi de rétroaction consiste à calculer les paramètres de cet opérateur à chaque itération de la boucle de rétroaction. Les résultats numériques incluant la décohérence montrent

La double boîte quantique (DBQ) à électron unique sur silicium est une architecture très prometteuse pour la réalisation d'un qubit physique. D'une part, les très longs temps de cohérence du spin électronique sur semiconducteurs du groupe IV permettent la fabrication de qubits ayant de très longs temps de vie. D'autre part, la susceptibilité électrique des états de charge d'un électron unique dans une DBQ permet de manipuler rapidement l'état du qubit par résonance magnétique de spin, ou encore de faire interagir plusieurs spins distants via un résonateur micro-ondes pour une connectivité accrue au sein du processeur quantique. Un couplage entre les degrés de liberté de spin et de charge de l'électron, médié par le gradient de champ magnétique engendré par un microaimant, permet la réalisation d'un qubit dont le caractère de spin ou de charge peut être contrôlé dynamiquement par la modulation des tensions des grilles du dispositif. Cette versatilité propre à l'architecture, combinée à l'infrastructure déjà en place à l'échelle mondiale pour la fabrication de dispositifs en silicium, font de la DBQ un candidat de qubit très intéressant. L'opération optimale de ce type de qubit dans le cadre d'un calcul quantique requiert toutefois un degré de contrôle accru sur son régime d'opération, caractérisé par les tensions appliquées aux grilles métalliques qui définissent la DBQ. De façon générale, la modification du hamiltonien d'un système quantique est faite de façon adiabatique, ce qui permet de changer l'espacement relatif des niveaux d'énergie permis sans modifier la population relative de ces états. Or, des travaux dans le domaine du contrôle quantique ont montré que l'application de signaux de contrôle exotiques optimaux permettent d'exécuter ce type de manipulation sans avoir recours au régime adiabatique, atteignant une fidélité d'état plus élevée ou encore des séquences de transfert plus rapides. Les travaux de recherche détaillés dans le présent mémoire portent su

L'amélioration continuelle des technologies d'imagerie médicale supporte les spécialistes du milieu de la santé dans leur exploration des structures complexes du vivant autant pour la recherche que pour le diagnostic clinique. La tomodensitométrie (TDM) joue un rôle clé en radiologie grâce à son excellente résolution spatiale et à sa rapidité. Une des plus importantes considérations dans la conception de nouveaux systèmes de TDM est la réduction de la dose de radiations tout en maintenant la même qualité de l’image. Cette modalité d’imagerie médicale anatomique est actuellement limitée par un mauvais rapport contraste sur dose qui en fait, de loin, la plus importante contributrice aux expositions à de la radiation ionisante pour usage médical. La présence de collimateurs pour retirer les photons de rayons X qui ont diffusé dans le patient, réduit la sensibilité des détecteurs, ce qui entraîne l'utilisation d'une dose plus élevée que nécessaire. La détection des photons diffusés réduit le contraste, cause des artéfacts et génère des imprécisions dans l’image reconstruite. Ce phénomène est tout particulièrement problématique dans les scanners à faisceaux coniques où l’angle solide du système de détection favorise la détection d’un plus grand nombre de photons diffusés. Ce travail de recherche propose une nouvelle approche, la TDM par temps de vol de photons, pour identifier les photons qui ont diffusé et les retirer des données recueillies. Pour ce faire, il faut modifier le scanner TDM traditionnel pour y mettre une source de rayons X pulsée et un système de détection avec une bonne résolution temporelle qui doivent être synchronisés ensemble. La faisabilité de cette méthode a d’abord été étudiée par une série de simulations effectuées avec le logiciel GATE, puis une preuve de concept a été réalisée expérimentalement. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail de maîtrise démontrent une différence dans les mesures statistiques du temps de vol des photons diffu

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 p

Afin d'étudier le fonctionnement des organes, les chercheurs utilisent l'imagerie médicale pour faire des observations d'une façon non invasive. Parmi les techniques d'imagerie les plus utilisées, on cite la tomographie d'émission par positrons (TEP) qui permet d'obtenir des informations fonctionnelles et métaboliques et la tomodensitométrie (TDM) qui fournit des informations sur l'anatomie. Le LabPET II est un scanner bimodal combinant les techniques TEP et TDM. Il est développé par le Centre d'Imagerie Moléculaire de Sherbrooke (CIMS) et le Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke (GRAMS), et dispose de plusieurs fonctionnalités innovantes qui le rendent unique dans sa résolution spatiale et sa qualité d'image. Il est également le premier scanner à intégrer totalement les modes TEP et TDM sur les mêmes détecteurs et dans un même système électronique. Ceci se fait grâce à un module détecteur composé d'une matrice de 64 cristaux scintillateurs couplés à 64 photodiodes à avalanche. L'acquisition des signaux se fait par un circuit intégré dédié composé de 64 canaux d'acquisition analogiques et d'un processeur numérique pour le traitement des données. Les travaux de ce projet ont pour but de réviser le circuit intégré à application spécifique (ASIC) incluant la chaîne d'acquisition et de stabiliser son fonctionnement, afin d'améliorer les performances du scanner dans les deux modes TEP et TDM. Ceci a été effectué à travers la conception de nouveaux circuits analogiques et la modification des circuits actuels. Des interventions ont été faites sur différents composants de l'ASIC. Au niveau du canal analogique, des modifications ont été apportées sur les sous-circuits, d'une part pour améliorer le taux de réjection de l'alimentation et ainsi baisser le niveau de bruit, et d'autre part pour augmenter les marges de stabilité et éliminer le risque d'oscillation à gain élevé. Au niveau des circuits auxiliaires de l'ASIC, le circuit de transmission différetiel

L’imagerie de l’activité neuronale (AN) permet d’étudier le fonctionnement normal et pathologique du cerveau humain, en plus d’aider au diagnostic et à la planification d’interventions neurochirurgicales. L’électroencéphalographie (EEG) et l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) comptent parmi les modalités d’imagerie fonctionnelle les plus utilisées en recherche et en clinique. Plusieurs éléments de la structure cérébrale peuvent toutefois influencer les signaux mesurés, de sorte qu’ils ne reflètent pas uniquement l’AN. Il importe donc d’en tenir compte pour bien interpréter les résultats, surtout lorsqu’on compare des sujets à l’anatomie cérébrale très différente. En outre, la maturation, le vieillissement et certaines pathologies s’accompagnent de changements structurels du cerveau. Ceci complique l’analyse de données longitudinales et la comparaison d’un groupe cible avec un groupe contrôle. Or, notre compréhension des interactions structure-signal demeure incomplète et très peu d’études en tiennent compte. Mon projet de doctorat a consisté à étudier les impacts de la structure cérébrale sur les signaux d’EEG et d’IRMf ainsi qu’à explorer des pistes de solution pour s’en affranchir. J’ai d’abord étudié l’effet de l’amincissement cortical dû au vieillissement sur la désynchronisation liée à l’événement (« event-related desynchronization » - ERD) en EEG. Les résultats ont mis en lumière une relation linéaire négative entre l’ERD et l’épaisseur corticale, ce qui a permis de corriger les signaux par régression. J’ai ensuite étudié l’impact de la présence de veines sur la réponse BOLD (blood-oxygen-level dependent) mesurée en IRMf suite à une stimulation visuelle. Ces travaux ont démontré que la densité veineuse locale, qui varie fortement d’une région et d’un sujet à l’autre, corrèle positivement avec l’amplitude et le délai de la réponse BOLD. Finalement, j’ai adapté une technique de classification de données visant à améliorer la détection des rég, Imaging neural activity allows studying normal and pathological function of the human brain, while also being a useful tool for diagnosis and neurosurgery planning. Electroencephalography (EEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) are some of the most commonly used functional imaging modalities, both in research and clinic. Many aspects of cerebral structure can however influence the measured signals, so that they do not only reflect neural activity. Taking them into account is therefore of import to correctly interpret results, especially when comparing subjects displaying large differences in brain anatomy. In addition, maturation, aging as well as some pathologies are associated with changes in brain structure. This acts as a confounding factor when analysing longitudinal data or comparing target and control groups. Yet, our understanding of structure-signal relationships remains incomplete and very few studies take them into account. My Ph.D. project consisted in studying the impacts of cerebral structure on EEG and fMRI signals as well as exploring potential solutions to mitigate them. In that regard, I first studied the effect of age-related cortical thinning on event-related desynchronization (ERD) in EEG. Results allowed identifying a negative linear relationship between ERD and cortical thickness, enabling signal correction using regression. I then investigated how the presence of veins in a region impacts the blood-oxygen-level dependent (BOLD) response measured in fMRI following visual stimulation. This work showed that local venous density, which strongly varies across regions and subjects, correlates positively with the BOLD response amplitude and delay. Finally, I adapted a data clustering technique to improve the detection of activated cortical regions in fMRI. This method allows eschewing many problematic assumptions used in classical fMRI analyses, reducing the impacts of cerebral structure on results and establishing richer b

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’imag, 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 perf

La tomographie optique diffuse (TOD) est une modalité d’imagerie biomédicale 3D peu dispendieuse et non-invasive qui permet de reconstruire les propriétés optiques d’un tissu biologique. Le processus de reconstruction d’images en TOD est difficile à réaliser puisqu’il nécessite de résoudre un problème non-linéaire et mal posé. Les propriétés optiques sont calculées à partir des mesures de surface du milieu à l’étude. Dans ce projet, deux méthodes de reconstruction non-linéaire pour la TOD ont été développées. La première méthode utilise un modèle itératif, une approche encore en développement qu’on retrouve dans la littérature. L’approximation de la diffusion est le modèle utilisé pour résoudre le problème direct. Par ailleurs, la reconstruction d’image à été réalisée dans différents régimes, continu et temporel, avec des mesures intrinsèques et de fluorescence. Dans un premier temps, un algorithme de reconstruction en régime continu et utilisant des mesures multispectrales est développé pour reconstruire la concentration des chromophores qui se trouve dans différents types de tissus. Dans un second temps, un algorithme de reconstruction est développé pour calculer le temps de vie de différents marqueurs fluorescents à partir de mesures optiques dans le domaine temporel. Une approche innovatrice a été d’utiliser la totalité de l’information du signal temporel dans le but d’améliorer la reconstruction d’image. Par ailleurs, cet algorithme permettrait de distinguer plus de trois temps de vie, ce qui n’a pas encore été démontré en imagerie de fluorescence. La deuxième méthode qui a été développée utilise l’apprentissage machine et plus spécifiquement l’apprentissage profond. Un modèle d’apprentissage profond génératif est mis en place pour reconstruire la distribution de sources d’émissions de fluorescence à partir de mesures en régime continu. Il s’agit de la première utilisation d’un algorithme d’apprentissage profond appliqué à la reconstruction d’images en TOD de f, Diffuse optical tomography (DOT) is a low cost and noninvasive 3D biomedical imaging technique to reconstruct the optical properties of biological tissues. Image reconstruction in DOT is inherently a difficult problem, because the inversion process is nonlinear and ill-posed. During DOT image reconstruction, the optical properties of the medium are recovered from the boundary measurements at the surface of the medium. In this work, two approaches are proposed for non-linear DOT image reconstruction. The first approach relies on the use of iterative model-based image reconstruction, which is still under development for DOT and that can be found in the literature. A 3D forward model is developed based on the diffusion equation, which is an approximation of the radiative transfer equation. The forward model developed can simulate light propagation in complex geometries. Additionally, the forward model is developed to deal with different types of optical data such as continuous-wave (CW) and time-domain (TD) data for both intrinsic and fluorescence signals. First, a multispectral image reconstruction algorithm is developed to reconstruct the concentration of different tissue chromophores simultaneously from a set of CW measurements at different wavelengths. A second image reconstruction algorithm is developed to reconstruct the fluorescence lifetime (FLT) of different fluorescent markers from time-domain fluorescence measurements. In this algorithm, all the information contained in full temporal curves is used along with an acceleration technique to render the algorithm of practical use. Moreover, the proposed algorithm has the potential of being able to distinguish more than 3 FLTs, which is a first in fluorescence imaging. The second approach is based on machine learning techniques, in particular deep learning models. A deep generative model is proposed to reconstruct the fluorescence distribution map from CW fluorescence measurements. It is the first time

Le cancer du sein triple négatif (TNBC) représente entre 15-20% des cancers du sein et est l'un des types les plus agressifs. De plus, un sous-groupe de ces patientes est résistant à la radiothérapie (RT) et développe fréquemment une récidive hâtive de la maladie. Des études précédentes ont démontré que l’inflammation induite par la RT accélère la progression du cancer et le développement des métastases. Cette hypothèse a donc été validée dans un modèle pré-clinique de TNBC en implantant les cellules de carcinome de souris triple négatives D2A1 dans les glandes mammaires de la souris Balb/c. Premièrement, la tumeur primaire à été irradiée à une dose sous-curative une semaine post-implantation des cellules. En deuxième lieu, le tissu mammaire de la souris a été pré-irradié avant d'implanter les cellules cancéreuses afin de bien discerner l'effet du microenvironnement irradié sur celles-ci. Ces deux modèles ont mené à une augmentation significative des cellules tumorales circulantes ainsi que du nombre de métastases pulmonaires. Plusieurs molécules inflammatoires dont l'interleukine-1 bêta (IL-1β), l'interleukine-6 (IL-6) ou encore la cyclooxygénase 2 (COX-2) ont été identifiées comme facteurs clés impliqués dans la migration radio-induite des cellules cancéreuses du sein. Conséquemment, un inhibiteur large-spectre comme la chloroquine (CQ), entre autres utilisé comme traitement anti-malarien et anti-inflammatoire, a su prévenir ces effets secondaires associés à la RT. Étant donné que l'action de la CQ est peu sélective, une répression de l'expression de l'ARNm de la métalloprotéinase (MMP) de membrane de type 1 (MT1-MMP), une MMP de surface impliquée notamment dans la migration cellulaire, l'invasion tumorale et l'angiogenèse, a été réalisée afin d'éclaircir le mécanisme d'inhibition des métastases radio-induites. Cette répression de la MT1-MMP prévient la formation des métastases pulmonaires radio-induites, démontrant ainsi un des mécanisme important de l'invasion r

L'imagerie par tomographie optique diffuse requiert de modéliser la propagation de la lumière dans un tissu biologique pour une configuration optique et géométrique donnée. On appelle cela le problème direct. Une nouvelle approche basée sur la méthode des différences finies pour modéliser numériquement via l'équation de la diffusion (ED) la propagation de la lumière dans le domaine temporel dans un milieu inhomogène 3D avec frontières irrégulières est développée pour le cas de l'imagerie intrinsèque, c'est-à-dire l'imagerie des paramètres optiques d'absorption et de diffusion d'un tissu. Les éléments finis, lourds en calculs, car utilisant des maillages non structurés, sont généralement préférés, car les différences finies ne permettent pas de prendre en compte simplement des frontières irrégulières. L'utilisation de la méthode de blocking-off ainsi que d'un filtre de Sobel en 3D peuvent en principe permettre de surmonter ces difficultés et d'obtenir des équations rapides à résoudre numériquement avec les différences finies. Un algorithme est développé dans le présent ouvrage pour implanter cette approche et l'appliquer dans divers cas puis de la valider en comparant les résultats obtenus à ceux de simulations Monte-Carlo qui servent de référence. L'objectif ultime du projet est de pouvoir imager en trois dimensions un petit animal, c'est pourquoi le modèle de propagation est au coeur de l'algorithme de reconstruction d'images. L'obtention d'images requière la résolution d'un problème inverse de grandes dimensions et l'algorithme est basé sur une fonction objective que l'on minimise de façon itérative à l'aide d'une méthode basée sur le gradient. La fonction objective mesure l'écart entre les mesures expérimentales faites sur le sujet et les prédictions de celles-ci obtenues du modèle de propagation. Une des difficultés dans ce type d'algorithme est l'obtention du gradient. Ceci est fait à l'aide de variables auxiliaire (ou adjointes). Le but est de développer et de

L'imagerie préclinique regroupe les méthodes d'imagerie permettant de faire une étude des processus biologiques in vivo et de manière non-invasive sur animaux de laboratoire. La tomographie d'émission par positrons (TEP) est une de ces méthodes. Elle utilise des molécules marquées par des émetteurs de positrons afin de pouvoir mesurer la biodistribution in vivo de ces molécules. Cependant, l'imagerie TEP est limitée à la détection de molécules marquées dans un organisme et n'offre pas toujours de référentiel suffisamment précis pour indiquer leur position exacte relativement aux organes et aux tissus internes. Le but du scanneur de profilométrie tridimensionnel (SPT) est donc de fournir un modèle 3D du contour de l'organisme qui sera superposé aux images TEP. Ce mémoire porte sur le développement de l'appareil et son installation sur le LabPET, un appareil d'imagerie TEP pour souris et rats de laboratoire développé au le Centre d'imagerie moléculaire de Sherbrooke. Ce mémoire détaille la méthodologie, le développement du matériel de mesure et les algorithmes utilisés pour la conception et la réalisation du SPT ainsi que les résultats obtenus. Une emphase est placée sur l'utilisation d'une bipyramide à base triangulaire afin d'obtenir une méthode de calibrage flexible permettant de calibrer simultanément les multiples systèmes d'acquisition du SPT et leur fournir un même référentiel unique.

La mesure de temps de vol de photons et/ou de temps de propagation d’ondes RF et ultra large bande est devenue une technique essentielle et indispensable pour de nombreuses applications telles qu’en géolocalisation en intérieur, en détection LASER et en imagerie biomédicale, notamment en tomographie optique diffuse (TOD) avec des mesures dans le domaine temporel (DT). De telles mesures nécessitent des convertisseurs temps-numérique aptes à mesurer des intervalles de temps très courts avec grande précision, et ce, à des résolutions temporelles allant de quelques picosecondes à quelques dizaines de picosecondes. Les scanners TOD-DT ont généralement recours à des cartes électroniques de comptage de photons uniques intégrant essentiellement des convertisseurs temps-numérique hybrides (un mixte de circuits monolithiques et non-monolithiques). Dans le but de réduire le temps d’acquisition de ces appareils et d’augmenter leur précision, plusieurs mesures à différentes positions et longueurs d’ondes doivent pouvoir être effectuées en parallèle, ce qui exige plusieurs cartes de comptage de photons. L’implémentation de tels dispositifs en technologie CMOS apporte de multiples avantages particulièrement en termes de coût, d’intégration et de consommation de puissance. Cette thèse apporte une solution architecturale d’un convertisseur temps-numérique à 10-bits dédié aux applications de TOD-DT. Le convertisseur réalisé en technologie CMOS 0,13 μm d’IBM et occupant une surface en silicium de 1,83 x 2,23 mm[indice supérieur 2] incluant les plots de connexion, présente une résolution temporelle de 12 ps sur une fenêtre de 12 ns pour une consommation en courant de 4,8 mA. Les avantages de l’architecture proposée par rapport à d’autres réalisations rapportées dans la littérature résident dans son immunité face aux variations globales du procédé de fabrication, l’indépendance de la résolution temporelle vis-à-vis de la technologie ciblée et la faible gigue temporelle qu’il présente. L

L'imagerie médicale joue désormais un rôle central tant en recherche fondamentale sur le développement des maladies que dans l'aide au diagnostic des pathologies. Il existe plusieurs techniques ou modalités d'imagerie qui permettent de visualiser de façon non invasive des corps biologiques et d'en fournir leurs propriétés structurelles et fonctionnelles. Un des problèmes majeurs rencontré est de pouvoir analyser et traiter ces techniques d'imagerie dans un référentiel commun. Ce problème, connu sous le nom de recalage ou registration, consiste en une estimation d'une transformation géométrique permettant la superposition spatiale des caractéristiques correspondantes entre les images. Deux contextes d'application peuvent être distingués : Le recalage monomodal qui traite les séquences temporelles d'images provenant de la même modalité et le recalage multimodal qui traite la mise en correspondance d'images venant de différentes modalités. Le laboratoire TomOptUs de l'Université de Sherbrooke a développé un lit multimodal, avec marqueurs fiduciaux, destiné à accueillir un petit animal pour des prises de mesures avec différentes modalités. Il est donc intéressant de recaler ces modalités en utilisant l'information basée sur les attributs géométriques ou sur l'intensité des pixels ou voxels. Le laboratoire a aussi développé un système laser-scanner permettant de mesurer le relief d'un objet ou d'un animal afin d'obtenir des images profilométriques. Avec ces images, il devient possible de faire un recalage de surface avec d'autres modalités d'imagerie dans la mesure où on veut obtenir le profil extérieur de l'animal afin de faire une reconstruction interne 3D. Le cadre de cette recherche consiste à développer un programme informatique permettant de répondre au besoin du laboratoire en matière de recalage d'image à l'aide de marqueurs fiduciaux et de recalage d'images profilométriques. Le présent document couvre la théorie et les algorithmes utilisés ainsi que la conceptio

La tomographie optique diffuse (TOD) est une technique d’imagerie médicale relativement récente qui utilise la lumière dans le proche infrarouge pour acquérir des images in vivo de façon non invasive. Cette technique est en utilisation croissante par de nombreux chercheurs et biologistes et plusieurs équipes dans le monde travaillent sur le développement de scanners par TOD y compris notre groupe de recherche (groupe TomOptUS). Le Centre d’imagerie moléculaire de Sherbrooke dispose d’un appareil pour imagerie optique sur petit animal développé par la compagnie Quidd, soit le QOS (Quidd Optical imaging System). Cet appareil est utilisé par des biologistes et chercheurs pour diverses études précliniques sur modèles animaux (souris) de maladies humaines comme le cancer. Le QOS est entièrement contrôlé par ordinateur à l’aide d’un logiciel sophistiqué (le QOSoft) qui permet d’obtenir des images en fluorescence et en bioluminescence. Il est toutefois limité en ne permettant d’acquérir que des images planaires de la lumière sortant d’un animal ; il ne permet pas la tomographie, à savoir obtenir des images tridimensionnelles (3D) des sources fluorescentes ou bioluminescentes situées en profondeur à l’intérieur de l’animal. Bien que le QOS offre une grande flexibilité en terme d’angle d’acquisition d’images autour de l’animal avec sa caméra montée sur un bras rotatif, il a une sensibilité limitée pour de l’imagerie en profondeur, notamment parce qu’il fonctionne en mode épiillumination (détection de la lumière du même côté que l’injection de la lumière excitatrice dans l’animal) et aussi à cause de la sensibilité limitée de sa caméra. Afin d’augmenter les capacités tomographiques et la sensibilité du QOS, ainsi que le contraste des images qu’il fournit, le présent projet propose des développements logiciels intégrés au QOSoft. Ces ajouts logiciels au niveau du contrôle d’instrumentation et de l’interface graphique permettent d’intégrer une caméra EMCCD à ultra-haute sensibi

La tomographie optique diffuse (DOT) se caractérise par l’utilisation de la lumière dans un régime de propagation diffusif pour sonder les tissus biologiques. L’utilisation de marqueurs fluorescents permet de cibler des processus biologiques précis (tomographie optique diffuse en fluorescence - FDOT) et d’améliorer le contraste dans les images obtenues. Les applications typiques de la DOT/FDOT sont la mammographie laser, l’imagerie cérébrale de nouveau-nés et les investigations non-invasives sur petits animaux, notamment pour l’imagerie moléculaire. Le présent projet fait partie du programme de recherche TomOptUS dirigé par le professeur Yves Bérubé-Lauzière. Un scanner optique pour petits animaux y est en cours de développement. Ce scanner possède la particularité de fonctionner avec une prise de mesures sans contact dans le domaine temporel. La première partie du projet a pour point de départ l’algorithme développé en FDOT par Vincent Robichaud qui permet la localisation spatiale d’une seule inclusion fluorescente ponctuelle immergée dans un milieu diffusant homogène ayant une géométrie cylindrique. Une nouvelle approche de localisation pour une pluralité d’inclusions discrètes est ici introduite. Cette dernière exploite l’information contenue dans le temps de vol des premiers photons provenant d’une émission de fluorescence. Chaque mesure permet de définir un lieu géométrique où une inclusion peut se trouver : ces lieux prennent la forme d’ovales en 2D ou d’ovoïdes en 3D. À partir de ces lieux, une carte de probabilité de présence des inclusions est construite : les maxima de la carte correspondent à la position des inclusions. Cette approche géométrique est soutenue par des simulations Monte Carlo en fluorescence dans des milieux reproduisant les propriétés optiques des tissus biologiques. Plusieurs expériences sont ensuite effectuées sur une mire optique homogène répliquant les propriétés optiques des tissus dans lequel des inclusions remplies de vert d’indocya

La tomographie optique diffuse (TOD) et la tomographie optique diffuse par fluorescence (TODF) sont de nouvelles techniques d'imagerie médicale fort prometteuses. L'utilisation de lumière dans le proche infrarouge(PIR) permet une acquisition in vivo fréquente et même en continue sans danger pour l'opérateur ou pour le sujet. Ces méthodes sont présentement le sujet de plusieurs recherches notamment par le groupe TomOptUS. Un appareil d'imagerie optique sur petit animal, le Quidd Optical imaging System (QOS) est disponible au Centre Hospitalier Universitaire de Sherbrooke (CHUS). Muni d'une caméra refroidie à haute sensibilité et d'actionneurs contrôlés par ordinateur, il donne une grande flexibilité dans la géométrie d'acquisition en permettant notamment une rotation de la caméra sur une plage de ±60 degrés. L'appareil ne permet toutefois que l'acquisition de données en rétro-diffusion (ou épi-illumination), c'est à dire que la détection sur l'animal se fait du même côté que l'illumination. En TODF, un enjeu majeur est de pouvoir imager en profondeur dans les tissus. Pour ce faire, il devient important d'avoir accès à des mesures en transillumination. Le présent mémoire traite de l'ajout de degrés de libertés au QOS affin de permettre l'imagerie en transillumination tout en conservant la capacité d'épi-illumination. La configuration développée permet de déplacer l'excitation lumineuse indépendamment de l'acquisition et ce linéairement ainsi qu'angulairement autour du sujet. L'implantation nécessitant trois degrés de libertés (DDL) supplémentaires, l'utilisation de composantes standard a été préférée. Étant donné les contraintes identifiées, un actionneur rotatif ainsi que son contrôleur à base de micro-contrôleur ont été développés. Le présent document détaille les choix de conception ainsi que l'architecture du contrôleur. Avec la réalisation de ce projet, les utilisateurs du QOS disposent dorénavant d'un appareil flexible permettant l'acquisition de données tomogra

L'imagerie médicale sur petits animaux est d'une grande utilité en recherche préclinique, car elle permet d'imager in vivo et en 3D l'intérieur de l'animal. Ceci sert au développement de nouveaux médicaments et au suivi de l'évolution de certaines pathologies. En effet, les techniques d'imagerie éliminent la nécessité de sacrifier les animaux, ce qui permet le suivi de processus biomoléculaires sur un même individu et l'obtention de données statistiquement plus significatives. Cependant, l'information moléculaire recueillie s'avère généralement de faible résolution spatiale, notamment en imagerie optique à cause de la diffusion de la lumière, et donc difficile à localiser dans le corps de l'animal. Le jumelage de modalités d'imagerie complémentaires permet donc d'obtenir des images anatomiques et moléculaires superposées, mais cela s'avère toutefois relativement coûteux. Le projet présenté vise à améliorer une technique d'imagerie 2D toute optique à faible coût permettant d'obtenir une carte approximative 3D des organes internes d'une souris. Cette technique devrait permettre le recalage spatial automatique d'informations moléculaires obtenues sur le même appareil, bien que cela n'ait pas encore été démontré. L'amélioration apportée par le projet consiste à obtenir des images anatomiques 3D, plutôt que 2D, en utilisant une caméra tournante et des techniques de vision numérique stéréo. Pour ce faire, la technique existante est d'abord reproduite. Celle-ci consiste à injecter de l'ICG , un marqueur fluorescent non spécifique qui demeure confiné au réseau vasculaire une fois injecté, à une souris anesthésiée. De par leurs métabolismes distincts et le temps que met l'ICG à atteindre chacun d'eux, la dynamique de fluorescence varie entre les organes, mais demeure relativement uniforme à l'intérieur d'un même organe. Certains organes peuvent donc être segmentés par des techniques appropriées de traitement de signal, telles l'analyse en composantes principales et la régres

Ce mémoire décrit le développement opto-mécanique et électro-mécanique de la 2ième version du scanner TomOptUS pour tomographie optique diffuse (TOD).Ce scanner est destiné à l'imagerie moléculaire 3D de l'intérieur d'un petit animal. Les buts de la TOD sont : 1) d'obtenir la distribution spatiale des coefficients d'absorption ([mu][indice inférieur a]) et de diffusion ([mu][indice inférieur s]) dans les tissus biologiques (imagerie intrinsèque) et 2) de localiser des agents fluorescents injectés et à suivre leur distribution spatiale (imagerie par fluorescence). La TOD sur petit animal est d'un grand intérêt en pharmacologie et en oncologie pour l'étiquetage de médicaments afin de suivre leur progression, pour suivre l'évolution d'une pathologie sous traitement sur un même individu, ou pour repérer des cellules cancéreuses par marquage des protéines membranaires qu'elles expriment. La diffusion de la lumière dans les tissus biologiques est le plus grand obstacle en TOD. Les mesures en régime continu ne permettent pas de distinguer les photons détectés selon le degré de diffusion qu'ils subissent. La diffusion mène à une perte d'information quant à la trajectoire suivie par les photons. La détection résolue en temps permet de garder une partie de cette information. Le scanner TomOptUS utilise un système ultra-rapide de comptage de photons corrélé en temps et des tubes photomultiplicateurs pour mesurer la distribution temporelle de pulses lumineux transmis et/ou rétrodiffusés dans le sujet à imager suite à l'illumination à l'aide d'impulsions laser ultra-brèves. La 2 ième version du scanner est un système multicanal à géométrie annulaire sur 360 [degrés] autour du sujet. Il est muni de 7 canaux de détection optique permettant l'acquisition simultanée de données tomographiques dans deux bandes de longueurs d'onde (intrinsèque et fluorescence). L'acquisition des données est automatisée par ordinateur.Ce scanner a l'avantage d'effectuer des mesures sans contact avec le

Un scanner permettant l'imagerie moléculaire est d'un grand intérêt pour l'industrie pharmaceutique dans le développement de nouveaux médicaments, notamment pour visualiser leur efficacité m-vivo (par exemple pour le cancer). Le groupe de recherche TomOptUS développe un scanner par tomographie optique diffuse par fluorescence pour imagerie moléculaire sur petit animal. Le but est de localiser en 3D les centres de fluorescence d'un traceur injecté dans l'animal. À cette fin, nous utilisons des mesures de signaux optiques de fluorescence obtenues par comptage de photons corrélé en temps (mesures dans le domaine temporel). On sait que les mesures contiennent de l'information sur les caractéristiques optiques du milieu, mais à ce jour, cette information n'est pas exploitée à son plein potentiel. Extraire cette information est essentiel en reconstruction tomographique. Le système d'instrumentation, comme tout système de mesure, celle-ci influe sur le signal optique à mesurer. Mathématiquement, les mesures optiques dans un milieu peuvent être décrites comme la convolution entre le signal d'intérêt et la fonction de réponse (ou fonction de transfert) du système de mesures optiques (IRF - instrument response function), le tout perturbé par du bruit. Les causes du bruit proviennent du système de détection, des conditions d'utilisation du système et des facteurs extérieurs. Il est indispensable d'éliminer les différents effets perturbateurs pour permettre l'extraction de caractéristiques de ces signaux. Ces caractéristiques dépendent des paramètres optiques du milieu diffusant. On distingue deux propriétés physiques, le coefficient d'absorption µ[indice inférieur a] et le coefficient de diffusion réduit µ'[indice inférieur s]. Un premier objectif du projet est de débruiter les mesures. À cette fin, un algorithme de débruitage par les ondelettes a été développé. Un second objectif est de concevoir un algorithme de déconvolution pour éliminer l'influence de l'IRF. La déconvolut

Depuis son entrée dans le monde de l'imagerie médicale, l'imagerie optique a connu un grand développement. Beaucoup d'intérêt lui est porté car cette modalité est non invasive et permettrait éventuellement de faire de l'imagerie moléculaire. Toutefois, elle doit relever un défi de taille, celui de la reconstruction de l'image. Cette étape est très ardue, car elle fait intervenir des modèles de propagation de la lumière dans les tissus biologiques complexes, qui se traduisent par des équations intégro-différentielles dont il est difficile de dériver des solutions analytiques. Ainsi, une étape essentielle au développement d'appareil d'imagerie, la calibration, devient cruciale. Les fantômes optiques, l'objet de ce travail de recherche, sont les standards de calibration qui servent à la réalisation de cette étape. Ces derniers interviennent pour valider les performances et les algorithmes de recontructions des appareils. Ce sujet de recherche s'inscrit dans le cadre du projet TomOptUS qui développe un appareil de tomographie optique diffuse pour petits animaux. Ce travail a deux objectifs principaux : la fabrication de fantômes aux propriétés optiques contrôlables et pouvant simuler celles des tissus biologiques et le développement de méthodes de caractérisation des milieux utilisés pour ces fantômes. La réalisation du volet fabrication a permis de doter le laboratoire d'un protocole robuste pour la fabrication de fantômes solides (par opposition à liquides). Ce protocole contourne une problématique majeure rencontrée souvent lors de la réalisation de fantômes solides, qui est la formation de bulles indésirables à l'intérieur des milieux fabriqués. Aussi, ce protocole permet la fabrication de fantômes de formes complexes tels que des fantômes de souris. Quant à la caractérisation, le laboratoire a vu l'implantation de deux méthodes de caractérisation qui permettent l'obtention des propriétées optiques de milieux absorbants et/ou diffusants. Ces méthodes s'inscrivent ég

Typiquement, en tomographie optique diffuse (TOD), les mesures optiques sont prises en amenant des fibres optiques en contact avec le sujet ou en faisant baigner le sujet dans un fluide adaptateur d'indice. Ces deux approches simplifient grandement le problème inverse pour la reconstruction tomographique, car seule la propagation de la lumière dans les tissus biologiques doit être considérée. Dans le cas de l'imagerie sur petits animaux, il est très difficile d'amener des fibres optiques en contact avec le sujet de façon automatisée sans l'écraser et sans changer sa géométrie. L'utilisation de fluides adaptateurs d'indice simplifie la géométrie du problème à celle du contenant, généralement de forme cylindrique, où se trouve l'animal. Par contre, il n'est pas pratique d'avoir à entretenir un tel système et il est difficile de mettre l'animal dans un fluide sans le noyer. L'utilisation de fluides adaptateurs d'indice atténue le signal optique menant à des mesures plus bruitées. Les sytèmes sans contact permettent d'éviter tous les problèmes mentionnés précédemment, mais nécessitent la mesure de la forme extérieure du sujet. Dans le cadre des présents travaux de recherche, un système de vision numérique utilisant une paire de caméras et un laser pour mesurer la forme extérieure 3D de sujets est présenté. La conception du système de vision numérique 3D vise à faciliter son intégration au système de TOD qui est présentement développé au sein du groupe TomOptUS. Le principal avantage du système de vision numérique est de minimiser la complexité du système de TOD en utlisant le même laser pour les mesures tomographiques optiques et pour les mesures 3D, permettant simultanément l'acquisition de modèles 3D et de données optiques. Cette approche permet de mesurer la position exacte à laquelle la lumière du laser est injectée dans le sujet, alors que cette postion est habituellement déduite et non mesurée par les autres systèmes. Cette information est extrêmement importante p