Ce manuscrit est présenté pour l'obtention de l'Habilitation à Diriger des Recherches de l'Université Paul Sabatier Toulouse 3. Il décrit les activités de recherche que j'ai menés depuis la soutenance de ma thèse de doctorat en 2008, effectuée au laboratoire Creatis à l'INSA-Lyon.Depuis septembre 2009, l'essentiel de mon activité de recherche au laboratoire IRIT est consacré au développement de techniques de traitement du signal et de l'image appliquées à l'imagerie médicale. En particulier, je m'intéresse à l'estimation du mouvement tissulaire et à la reconstruction d'images. Ce manuscrit est organisé en deux parties et se termine par des orientations du projet de recherche proposé pour la suite du travail. La première contient mon curriculum-vitæ détaillé et la liste complète de mes publications. La deuxième partie, organisée en trois chapitres, dresse un résumé de mes activités de recherche. Le premier chapitre résume nos contributions en estimation du mouvement cardiaque, avec un focus sur l'utilisation de la phase spatiale des images. Le deuxième chapitre montre nos travaux en échantillonnage compressif, notamment son application à l'imagerie ultrasonore. Enfin, le troisième chapitre concerne la résolution de problèmes inverses rencontrés en reconstruction d'images ultrasonores : la formation des voies, la déconvolution, la super-résolution et la segmentation.