La moelle épinière (ME) fait partie du système nerveux central. Elle prend naissance dans le cerveau et est responsable de fonctions importantes, telles que la transmission d'informations nerveuses entre le cerveau et la périphérie, ainsi que les réflexes du tronc et des extrémités. Un traumatisme de la ME peut entraîner une perte de sensation et de contrôle d'une partie du corps dans les cas mineurs, ou une paralysie totale dans les cas graves. Le monitorage en temps réel de l'état fonctionnel de la ME au cours d'une chirurgie rachidienne, telle que la chirurgie de la scoliose, est essentiel pour éviter les conséquences graves d'un dommage involontaire à la ME lors de l’acte opératoire. Cependant, il n’existe pas à l'heure actuelle de méthode permettant d'obtenir des informations suffisantes sur les évolutions de la fonction de la ME avant qu'elle ne soit atteinte. L’emploi de l’Imagerie Optique Diffuse (IOD) multi-longueurs d'onde semble être une alternative prometteuse pour répondre à ce besoin. Elle permet en effet de monitorer en temps réel les caractéristiques hémodynamiques de tissus biologiques, qui sont des indicateurs importants pour évaluer leur état fonctionnel. Dans le cadre de cette thèse, on se propose de mettre en œuvre cette technique à travers la modélisation, la réalisation et le test de dispositifs spécifiques. Tout d'abord, la modélisation du système de monitorage en interaction avec l'environnement biologique de la ME est réalisée en SystemC et SystemC-AMS. Cela permet d’estimer les performances du système en cours de développement et de les optimiser, mais aussi d’étudier certaines caractéristiques physiologiques de la ME. Cette approche de modélisation multi-domaines (e.g., optique, biologie, électronique) présente les avantages d'être flexible, facile à modifier et adaptable pour tout d’autre type d'application. Deuxièmement, le prototypage du système de monitorage est réalisé. Basé sur les résultats de la simulation et des données expérimentales, un module de transmission sans-fil de dernière génération est mis en œuvre pour gagner en ergonomie par rapport à l’application visée. Enfin, des données des expérimentations sur modèle porcin sont traitées, afin d’extraire des informations physiologiques pertinentes, ce qui fournit une référence pour un processus de traitement des signaux de la ME. Ces trois parties se complètent pour aboutir à une proposition de dispositif médical qui pourrait être employé dans le futur sur l’homme pour aider les médecins à déterminer l'état fonctionnel de la ME en temps réel et éviter certains traumatismes irréversibles lors d'une intervention chirurgicale du rachis et de sa périphérie.