Ce travail de th se a t r alis au d partement de g nie lectrique et l'Institut de g nie biom dical de l' cole Polytechnique de Montr al sous la direction du professeur Fr d ric Lesage, Ph.D., la codirection du professeur Michel Delfour, Ph.D. du d partement de math matiques et de statistiques de l'Universit de Montr al et la codirection industrielle de Roch M. Comeau, Ph.D., pr sident de Rogue-Research Inc (www.rogue-research.com). Il pr sente certains outils math matiques visant analyser le signal d tect en imagerie optique diffuse et en extraire la r ponse h modynamique. Il fait aussi l'objet de nouveaux d veloppements math matiques sur le probl me direct utilisant une m thode d' l ments de fronti re bas e partir d'images anatomiques provenant de l'imagerie par r sonance magn tique permettant l'am lioration de la quantification des images optiques reconstruites. Cette tude propose galement une revue de litt rature globale et diversifi e renvoyant le lecteur plusieurs concepts retrouv s en imagerie c r brale.