L’imagerie ultrasonore est couramment utilisée en clinique pour le diagnostic du cancer du sein. Cependant, elle ne permet pas encore de différencier certaines tumeurs bénignes de cancers, ni de caractériser précisément le type de tumeur observé. Dans cette thèse, nous nous sommes donc intéressés aux potentiels apports de nouveaux modes ultrasonores développés par la recherche ces dernières années pour dépasser ces limites. Nous avons choisi d’effectuer notre imagerie en 3D pour décrire les tumeurs, parfois hétérogènes, dans toute leur complexité. Pour cela, nous avons développé une nouvelle approche tomographique à l’aide d’une sonde linéaire et d’un ensemble de moteurs. Ce choix a principalement été porté par la plus grande sensibilité des sondes linéaires par rapport aux sondes matricielles et leur plus grande disponibilité.Le premier chapitre présente l’état de l’art et se concentre d’abord sur une présentation du cancer du sein. Sans être exhaustif, nous cherchons à montrer la diversité de la maladie puis à présenter les principales méthodes de dépistage et de diagnostic. Lors de sa progression, le cancer modifie l’environnement de nombreuses cellules non tumorales provoquant des remaniements importants en particulier de la vascularisation sanguine et de la structure des fibres de collagène. Après une courte introduction aux ultrasons biomédicaux, nous détaillons ensuite les modalités d’imagerie utilisées pendant cette thèse : le mode B pour l’image anatomique, l’élastographie par onde de cisaillement (shear wave elastography – SWE) pour la rigidité des tissus, le Doppler ultrarapide pour la vascularisation sanguine, la microscopie par localisation ultrasonore (ultrasound localization microscopy – ULM) pour la microvascularisation sanguine et l’imagerie du tenseur de rétrodiffusion (backscatter tensor imaging – BTI) pour l’orientation des fibres des tissus.Le second chapitre de cette thèse propose une nouvelle méthode tomographique pour réaliser un BTI en 3D en utilisant une sonde linéaire et un jeu de moteurs. Nous montrons sur une série de fantômes ultrasonores que notre méthode de BTI est bien capable de mesurer l’orientation d’un milieu.Le troisième chapitre décrit la mise au point d’un nouveau fantôme ultrasonore permettant de valider une séquence multiparamétrique 3D comprenant le BTI développé au chapitre II, un Doppler ultrarapide et un SWE.Le quatrième chapitre teste notre méthode d’acquisition 3D (SWE - BTI) sur des tumeurs mammaires humaines ex vivo. En partenariat avec l’Institut Curie, nous apportons de premiers éléments de preuve que le BTI permet de repérer l’organisation des fibres de collagène dans les tumeurs mammaires. Par cette étude, nous montrons que le BTI pourrait également apporter de nouveaux biomarqueurs pertinents pour améliorer la caractérisation non invasive du cancer du sein.Enfin, le dernier chapitre applique notre stratégie d’acquisition multiparamétrique (SWE - BTI - Doppler – ULM) in vivo sur des modèles précliniques transgéniques de cancer du sein. Nous montrons la faisabilité de notre méthode par tomographie. Durant sept semaines de croissance tumorale, pour chaque tumeur, nous avons mesuré la rigidité, cartographié la vascularisation et estimé l’orientation des tissus.Ce travail représente une première étape en vue de l’utilisation de l’imagerie multiparamétrique ultrasonore 3D pour le diagnostic des tumeurs du sein en clinique. À terme, cette méthodologie pourrait permettre de réduire le nombre de biopsies et d’améliorer la prise en charge des patients grâce à une meilleure caractérisation précoce des tumeurs.