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Au cours du dernier siècle, les pratiques d'investigations empiriques ont été bouleversées par le développement d'instruments qui détectent toutes sortes d'ondes électromagnétiques et mécaniques et par la possibilité de traiter numériquement les données qu'ils produisent. Ainsi, l'observation telle qu'elle est conçue par les philosophes, qui repose traditionnellement sur la perception non assistée, et qui est souvent qualifiée de directe, a-théorique et neutre, est devenue inadaptée. Dans cette thèse, je propose de redéfinir l'observation scientifique en prenant en compte le rôle essentiel que joue la connaissance déjà acquise dans les pratiques observationnelles, autant dans la production des données que dans leur interprétation. En définissant l'investigation scientifique comme un processus dynamique et correctif, au cours duquel un cadre matériel, conceptuel et épistémique est en évolution, je montre que ce cadre peut être stabilisé, définissant ainsi une phase observationnelle de l'investigation. L'adéquation de cette conception de l'observation scientifique à la pratique est démontrée par de nombreux exemples, tirés notamment de l'imagerie médicale.