La tomographie optique diffuse de fluorescence permet la reconstruction tridimensionnelle de fluorophores presents dans un tissu biologique. La modalite la plus simple de cette technique repose sur une illumination continue du milieu et s'interesse aux mesures d'attenuation du faisceau incident en differentes positions. En raison de la forte diffusion des tissus, la modalite continue souffre d'une faible resolution en profondeur. On considere aujourd'hui que la modalite resolue en temps, qui fournit pour chaque photon detecte son temps de vol, permettrait l'etude de tissus plus epais, ouvrant ainsi la porte a des applications cliniques. L'objet de cette these est de chercher comment tirer profit de l'information temporelle et de quantifier son apport par rapport a la modalite continue. La tomographie optique diffuse de fluorescence est un probleme inverse mal conditionne. Dans un contexte ou tout ecart au modele doit etre limite, nous nous interessons tout d'abord au modele direct et montrons que la densite de photons est un modele satisfaisant de la quantite experimentalement mesuree. Nous passons ensuite au crible la methode de reconstruction fondee sur l'exploitation des moments temporels des mesures. etudiant theoriquement les proprietes des moments, nous montrons que cette approche necessite, pour s'averer interessante, la detection d'un nombre eleve de photons. Nous introduisons enfin une nouvelle approche permettant d'exploiter l'information temporelle pour un nombre de photons plus limite. Cette approche, reposant sur une transformation en ondelettes des mesures, offre une qualite de reconstruction accrue par rapport a celle offerte par l'approche des moments. (auteur)