On assiste depuis quelques années à l'émergence d'une robotique médicale proposée pour accroître la précision des actes, améliorer les conditions de travail de l'équipe chirurgicale et le confort du patient. Nos recherches s'inscrivent dans le projet national EndoXiroB du RNTS dont l'objectif est la réalisation d'un ensemble robotisé de chirurgie mini-invasive. Elles sont dédiées à la conception et à la réalisation, en s'appuyant sur les technologies microsystèmes, d' une instrumentation chirurgicale poly-articulée équipée d'outils terminaux intégrés permettant une mesure des efforts et une découpe thermo-coagulante des tissus vivants. Nous présenterons une description complète de notre proposition qui consiste en une articulation poly-articulée innovante, proche du type « corps de serpent ». Cette articulation, commandée par quatre ou six fils, est composée de liaisons rotules plastiques accompagnées par plusieurs fils métalliques assurant à l'ensemble une rigidité en torsion et flexion. Nous décrirons nos travaux sur la conception microsystème d'un capteur d'effort deux axes pour mesurer des forces de tiraillement sur les tissus. Le microsystème utilise deux niveaux de silicium intégrant un corps d'épreuve à quatre branches orthogonales et un ensemble d'électrodes capacitives inter-digitées.Nous exposerons nos premières études sur la conception de lames thermo-chauffantes pour la découpe et la coagulation des tissus. Ces études sont basées sur la réalisation de lames en technologie silicium. Au-delà de la simple découpe et de la mesure des efforts, on peut imaginer d'intégrer d'autres micro-capteurs sur les outils chirurgicaux. Il serait ainsi possible d'augmenter la sécurité de l'acte chirurgical en évaluant, par exemple, la présence d'artères, de vaisseaux ou de nerfs à proximité de l'outil de chirurgie. Pour finir, nous proposerons une réflexion plus prospective basée sur la miniaturisation d'un robot portable intégrant un dispositif compact pour actionner l'a rticulation terminale de l'instrument chirurgical. Au-delà de cette réflexion, une solution extrême consisterait dans le futur à transférer tous les degrés de liberté d'un système robotisé à l'intérieur de la cavité opératoire.

La microcirculation est constituée d'un réseau vasculaire qui comprend les artérioles, les veinules et les capillaires. La microcirculation cutanée est un paramètre physiologique important pour les applications cliniques avancées comme le syndrome de Raynaud ou la prévention des escarres. De nombreuses méthodes non ambulatoires ont été développées afin de mesurer la microcirculation sanguine. La tendance actuelle dans le domaine des technologies pour la santé est la miniaturisation des capteurs et de leurs instrumentations associées pour les rendre non-invasifs, portables par le patient et ainsi adaptés aux mesures ambulatoires en conditions réelles, ou appelées aussi " écologiques ". Le manuscrit présente la conception et la réalisation d'un système électronique miniaturisé ambulatoire (µHématron), permettant de réaliser un monitoring continu, en temps réel de la conductivité thermique tissulaire qui est l'image de la microcirculation dans les capillaires. La première expérimentation effectuée a pour l'objectif de confronter le système µHématron avec un moniteur de fluxmétrie laser Doppler, au cours d'une étude destinée à évaluer le confort thermique chez l'homme. Ainsi, une étude d'influence de la température de différentes ambiances sur un certain nombre de paramètres de la peau de sujets sains, y compris la microcirculation cutanée, a été réalisée. Les corrélations obtenues entre les variations des deux signaux des deux instrumentations pour les ambiances neutres, chaudes et froides sont présentées. La deuxième expérimentation est consacrée à l'étude préliminaire de l'effet global des bas médicaux de compression sur la microcirculation cutanée des membres inférieurs de sujets sains. Grâce à l'instrumentation ambulatoire, la microcirculation a pu être évaluée de façon continue pour différentes postures des sujets : allongée, assise, débout et en marche, et ce, pour des différentes classes de bas de compression (I, II, et III). Cette étude a permis d'améliorer la compréhension de l'effet de ces bas sur les sujets sains.

Afin de contrôler l'émission totale des NOx dans l'échappement automobile, un capteur potentiométrique à base de zircone stabilisée à l'yttrium a été développé par la technique de sérigraphie. Il est montré que l'utilisation d'un filtre catalytique, déposé directement sur l'élément sensible, permet d'éliminer les interférences venant d'autres gaz réducteurs dans l'échappement, en particulier monoxyde de carbone (CO), hydrogène (H2), hydrocarbures (CxHy) et ammoniac (NH3). En plus, il est possible de fixer avec le filtre catalytique le rapport NO/NO2 correspondant à l'équilibre thermodynamique. Par conséquent la réponse du capteur n'est plus dépendante du rapport NO/NO2, mais seulement de la température. De plus, la sensibilité et la sélectivité du capteur à NO2 peut considérablement être améliorée en appliquant un courant de polarisation.

Ce travail porte sur la réalisation de capteurs interdigités (IDT pour InterDigital Transducer) sur des supports piézoélectriques. L’enjeu est double puisqu’il s’agit premièrement de disposer de capteurs efficaces pour générer des ondes de surface acoustiques (SAW pour Surface Acoustic Wave) afin de caractériser la qualité des revêtements et des surfaces de structures. Le deuxième objectif de cette étude est de rendre ces capteurs IDT flexibles afin qu’ils puissent s’adapter non seulement aux différentes géométries planes ou non mais aussi pour qu’ils soient capables de supporter les déformations des structures au cours de leur utilisation. En général, les matériaux piézoélectriques sont rigides et le caractère souple des matériaux est souvent en opposition avec les performances piézoélectriques de ces derniers ; nous avons donc développé des matériaux qui répondent à ces deux exigences : la performance piézoélectrique et la souplesse. Enfin, nous avons privilégié des technologies relativement bon marché pour développer ces capteurs afin d’envisager par la suite, un contrôle continu des structures en intégrant ces capteurs à demeure sur ces dernières. / This work deals with the realization of interdigital sensors (IDT for InterDigital Transducer) on piezoelectric substrates. There is a dual challenge since firstly, the aim is to have efficient sensors to generate surface acoustic waves (SAW) in order to characterize the quality of the coatings and structure surfaces. The second objective of this study is to make these IDT sensors flexible so as to adapt to different geometries of structures and to be able to put up with the deformations of structures in use. Typically, piezoelectric materials are rigid and the flexible nature of the materials is often in opposition to the piezoelectric performance of the latter. We developed materials that meet these two requirements: piezoelectricity and flexibility. Finally, we gave greater importance to relatively cheap technologies to develop these sensors because this allows then to consider continuous monitoring (structural health monitoring) by incorporating these sensors permanently on the structures to be tested.

Une architecture de capteurs à pixels CMOS permettant la désertion du volume sensible par polarisation via la face avant du circuit est étudiée à travers la caractérisation en laboratoire d’un capteur prototype. Les performances de collection de charge confirment la désertion d‘une grande partie de l’épaisseur sensible. De plus, le bruit de lecture restant modeste, le capteur présente une excellente résolution en énergie pour les photons en dessous de 20 keV à des températures positives. Ces résultats soulignent l’intérêt de cette architecture pour la spectroscopie des rayons X mous et pour la trajectométrie des particules chargées en milieu très radiatif. La profondeur sur laquelle le capteur est déserté est prédite par un modèle analytique simplifié et par des calculs par éléments finis. Une méthode d’évaluation de cette profondeur par mesure indirecte est proposée. Les mesures corroborent les prédictions concernant un substrat fin, très résistif, qui est intégralement déserté et un substrat moins résistif et mesurant 40 micromètres, qui est partiellement déserté sur 18 micromètres mais détecte correctement sur la totalité de l’épaisseur. Deux développements de capteurs destinés à l’imagerie X et à la neuro-imagerie intracérébrale sur des rats éveillés et libres de leurs mouvements sont présentés. / An architecture of CMOS pixel sensor allowing the depletion of the sensitive volume through frontside biasing is studied through the characterization in laboratory of a prototype. The charge collection performances confirm the depletion of a large part of the sensitive thickness. In addition, with a modest noise level, the sensor features an excellent energy resolution for photons below 20 keV at positive temperatures. These results demonstrate that such sensors are suited for soft X-ray spectroscopy and for charged particle tracking in highly radiative environment. A simplified analytical model and finite elements calculus are used to predict the depletion depth reached. An indirect measurement method to evaluate this depth is proposed. Measurements confirm predictions for a thin highly resistive epitaxial layer, which is fully depleted, and a 40micrometers thick bulk less resistive substrate, for which depletion reached 18 micrometers but which still offers correct detection over its full depth. Two sensor designs dedicated to X-ray imaging and in-brain neuroimaging on awake and freely moving rats are presented.

En France, en Europe et dans le monde entier, le vieillissement de la population est une réalité. Une partie de cette population âgée est dite dépendante car elle n’est plus en mesure d’assumer seule les tâches de la vie quotidienne. L’enjeu sociétal est alors de garantir un niveau de bien-être et de sécurité à ces personnes, compatible avec l’évolution du niveau de vie et des usages et habitudes ‘modernes’. Très logiquement, les domaines de recherche liés à la problématique des personnes âgées à domicile font preuve d’un grand dynamisme, alors que la maison de retraite, qui reste la solution pour la grande dépendance, a été un peu délaissée. Néanmoins, la pénurie de personnel conjuguée à l’augmentation des coûts et des exigences des résidents offre une opportunité à des solutions innovantes basées sur les TIC. Les travaux de cette thèse de doctorat sous convention CIFRE se sont déroulés dans ce contexte au sein de l’équipe de recherche de Legrand et du département d’Electronique et Physique de Télécom SudParis à Evry. Le sujet concerne la conception d’un nouveau capteur (non-porté) intégrant l’installation électrique du lieu de vie du patient ainsi que la fusion avec d’autres capteurs de l’infrastructure afin de suivre l’activité du résident et, le cas échéant, soit signaler en temps réel des situations nécessitant le recours d’un aidant, soit identifier des dérives lentes dont l’interprétation sera du ressort du personnel médical. Les travaux de la thèse ont été en partie intégrés au projet FUI14 « E-monitor’âge » dont l’objectif est précisément la « supervision » des résidents. Ce mémoire est structuré de manière à présenter l’historique de ces travaux et la démarche opérée pour leur réalisation. Nous introduisons le contexte et les besoins identifiés pour le suivi des personnes âgées dans les maisons de retraites. Nous faisons un point sur les systèmes de supervision/monitoring existants et nous présentons les méthodes et les techniques de détection de situations d’urgence. Nous terminons cette partie du mémoire (chapitre 1) par la spécification du problème majeur rencontré par ces systèmes de supervision qui est celui de la détection de présence d’une personne. En s’appuyant sur la technologie des capteurs pyro-électriques, la partie suivante propose une solution originale de traitement de signal pour la détection d’une présence humaine dans une chambre voire la détection de présence de plusieurs personnes à la fois (chapitre 2). Le chapitre 3 introduit ensuite un capteur thermique à base de thermopiles afin de détecter la présence d’une personne dans son lit, ce que ne permet pas la technologie pyro-électrique qui ne détecte pas un corps chaud immobile. Dans cette partie nous limitons l’utilisation de ce capteur à la détection de la présence de la personne dans son lit (chapitre 4) voire à l’estimation de la qualité de son sommeil qui constitue d’une part l’originalité de nos travaux s’appuyant sur des approches de classification non-supervisée, et qui ouvre des perspectives encourageantes quant à l’utilisation de ce capteur pour caractériser relativement finement le type de sommeil d’autre part (chapitre 5) / In France, in Europe and worldwide, the aging population is a reality. Some of these elderly people lose their autonomy as they are no longer able to manage alone the tasks of daily life. The societal issue is therefore to ensure a level of well-being and safety of these persons, consistent with changes in living standards, customs and modern habits. The research areas related to the problems of elderly people at home are showing great dynamism, while the nursing home, which remains the solution for cases of high dependence, is somewhat neglected. Nevertheless, staff shortages combined with rising costs and residents’ demands offer an opportunity for innovative ICT-based solutions. The work presented here was performed, in the context of a CIFRE doctoral thesis, within the Legrand research team and at the physics and electronics department of Mines-Telecom SudParis at Evry. The subject and project aim was twofold: firstly, designing a new sensor which will be incorporated in the electrical installation of the patient’s living space, and secondly, a multi-sensor merger to monitor the activity of the resident in order to enable real-time reporting of situations requiring the caregiver’s intervention or to detect slow drifts whose interpretation will be the responsibility of the medical staff. The work carried out for the purpose of this thesis has been included partially in the FUI 14 project whose propose is precisely the “supervision of residents in the nursing home”. The present paper is structured in such a way as to introduce the background of the work and the approach taken to perform it. The context and needs identified for monitoring of nursing home residents are also introduced. We begin by describing existing monitoring systems and the technical methods used to detect emergency situations. We end the first part (chapter 1) of this paper by specifying the major problem encountered when testing existing monitoring systems based on ambient sensors: namely how to detect the presence of an immobile and silent person in the room. Using an existing pyro-electric infrared sensors network installation in a nursing home, the next section proposes an original solution for detecting human presence in a room and also for differentiating between the presence of one and the presence of more than one person (chapter 2). Chapter 3 presents a new sensor integrated into the electrical installation of the patient’s living space. Here, we introduce a thermopile based thermal sensor in order to detect the presence of a person in his/her living space. In this work we restrict the use of this sensor to detecting the presence of the person in bed (chapter 4). The estimation of sleep quality which represents the original dimension of our work is presented in chapter 5. Differentiation between different phases of sleep is based on unsupervised classification approaches. Our project opens up encouraging prospects for the use of this type of sensor for relatively fine characterization of different kinds of sleep

La microcirculation est constituée d’un réseau vasculaire qui comprend les artérioles, les veinules et les capillaires. La microcirculation cutanée est un paramètre physiologique important pour les applications cliniques avancées comme le syndrome de Raynaud ou la prévention des escarres. De nombreuses méthodes non ambulatoires ont été développées afin de mesurer la microcirculation sanguine. La tendance actuelle dans le domaine des technologies pour la santé est la miniaturisation des capteurs et de leurs instrumentations associées pour les rendre non-invasifs, portables par le patient et ainsi adaptés aux mesures ambulatoires en conditions réelles, ou appelées aussi « écologiques ». Le manuscrit présente la conception et la réalisation d’un système électronique miniaturisé ambulatoire (µHématron), permettant de réaliser un monitoring continu, en temps réel de la conductivité thermique tissulaire qui est l’image de la microcirculation dans les capillaires. La première expérimentation effectuée a pour l’objectif de confronter le système µHématron avec un moniteur de fluxmétrie laser Doppler, au cours d’une étude destinée à évaluer le confort thermique chez l’homme. Ainsi, une étude d’influence de la température de différentes ambiances sur un certain nombre de paramètres de la peau de sujets sains, y compris la microcirculation cutanée, a été réalisée. Les corrélations obtenues entre les variations des deux signaux des deux instrumentations pour les ambiances neutres, chaudes et froides sont présentées. La deuxième expérimentation est consacrée à l’étude préliminaire de l’effet global des bas médicaux de compression sur la microcirculation cutanée des membres inférieurs de sujets sains. Grâce à l’instrumentation ambulatoire, la microcirculation a pu être évaluée de façon continue pour différentes postures des sujets : allongée, assise, débout et en marche, et ce, pour des différentes classes de bas de compression (I, II, et III). Cette étude a permis d’améliorer la compréhension de l’effet de ces bas sur les sujets sains. / The microcirculation consists of a vascular network that includes arterioles, venules and capillaries. Skin microcirculation is an important physiological parameter for advanced clinical applications such as Raynaud's syndrome or the prevention of ulcers. Many non-ambulatory methods were developed to measure blood microcirculation. The current trend in the field of health technology is the miniaturization of sensors and their associated instrumentation to make them non-invasive, portable by the patient and adapted to ambulatory measurements in time real, or also known as « ecological ». The manuscript presents the design and the realization of an ambulatory miniaturized electronic system (μHematron), to achieve continuous monitoring of the effective thermal conductivity in real-time that is the image of the microcirculation in the capillaries. The first experimentation was performed to compare the µHematron system with a laser Doppler flowmetry monitor, during a study which aims to evaluate thermal comfort in humans. A study of the effects of different temperature environments on a group of skin parameters of healthy subjects, including the cutaneous microcirculation, was performed. Correlations between changes in the two signals of both instrumentations for neutral, hot and cold temperatures are presented. The second experimentation is aimed to a preliminary study of the global effect of medical compression stockings on the cutaneous microcirculation of the lower extremities of healthy subjects. Thanks to the ambulatory instrumentation, the microcirculation has been measured continuously for different postures of subject: lying, sitting, standing and walking, and this for different classes of compression stockings (I, II, and III). This study has improved the understanding of the effect of these stockings on healthy subjects.

Les objets déformables sont omniprésents dans notre vie quotidienne. Chaque jour, nous manipulons des vêtements dans des configurations innombrables pour nous habiller, nouons les lacets de nos chaussures, cueillons des fruits et des légumes sans les endommager pour notre consommation et plions les reçus dans nos portefeuilles. Toutes ces tâches impliquent de manipuler des objets déformables et peuvent être exécutées sans problème par une personne. Toutefois, les robots n'ont pas encore atteint le même niveau de dextérité. Contrairement aux objets rigides, que les robots sont maintenant capables de manipuler avec des performances proches de celles des humains; les objets déformables doivent être contrôlés non seulement pour les positionner, mais aussi pour définir leur forme. Cette contrainte supplémentaire, relative au contrôle de la forme d’un objet, rend les techniques utilisées pour les objets rigides inapplicables aux objets déformables. En outre, le comportement des objets déformables diffère largement entre eux, par exemple: la forme d’un câble et des vêtements est considérablement affectée par la gravité, alors que celle-ci n’affecte pas la configuration d’autres objets déformables tels que des produits alimentaires. Ainsi, différentes approches ont été proposées pour des classes spécifiques d’objets déformables.Dans cette thèse, nous cherchons à remédier à ces lacunes en proposant une approche modulaire pour détecter la forme d'un objet pendant qu'il est manipulé par un robot. La modularité de cette approche s’inspire d’un paradigme de programmation qui s’applique de plus en plus au développement de logiciels en robotique et vise à apporter des solutions plus générales en séparant les fonctionnalités en composants. Ces composants peuvent ensuite être interchangés en fonction de la tâche ou de l'objet concerné. Cette stratégie est un moyen modulaire de suivre la forme d'objets déformables.Pour valider la stratégie proposée, nous avons implémenté trois applications différentes. Deux applications portaient exclusivement sur l'estimation de la déformation de l'objet à l'aide de données tactiles ou de données issues d’un capteur d’effort. La troisième application consistait à contrôler la déformation d'un objet. Une évaluation de la stratégie proposée, réalisée sur un ensemble d'objets élastiques pour les trois applications, montre des résultats prometteurs pour une approche qui n'utilise pas d'informations visuelles et qui pourrait donc être améliorée de manière significative par l'ajout de cette modalité. / Deformable objects are ubiquitous in our daily lives. On a given day, we manipulate clothes into uncountable configurations to dress ourselves, tie the shoelaces on our shoes, pick up fruits and vegetables without damaging them for our consumption and fold receipts into our wallets. All these tasks involve manipulating deformable objects and can be performed by an able person without any trouble, however robots have yet to reach the same level of dexterity. Unlike rigid objects, where robots are now capable of handling objects with close to human performance in some tasks; deformable objects must be controlled not only to account for their pose but also their shape. This extra constraint, to control an object's shape, renders techniques used for rigid objects mainly inapplicable to deformable objects. Furthermore, the behavior of deformable objects widely differs among them, e.g. the shape of a cable and clothes are significantly affected by gravity while it might not affect the configuration of other deformable objects such as food products. Thus, different approaches have been designed for specific classes of deformable objects.In this thesis we seek to address these shortcomings by proposing a modular approach to sense the shape of an object while it is manipulated by a robot. The modularity of the approach is inspired by a programming paradigm that has been increasingly been applied to software development in robotics and aims to achieve more general solutions by separating functionalities into components. These components can then be interchanged based on the specific task or object at hand. This provides a modular way to sense the shape of deformable objects.To validate the proposed pipeline, we implemented three different applications. Two applications focused exclusively on estimating the object's deformation using either tactile or force data, and the third application consisted in controlling the deformation of an object. An evaluation of the pipeline, performed on a set of elastic objects for all three applications, shows promising results for an approach that makes no use of visual information and hence, it could greatly be improved by the addition of this modality.

Les travaux décrits dans cette thèse portent sur la mesure de courant à partir de mesure de champ magnétique sans canalisation de flux. Une nouvelle structure de capteur de courant basée sur une mesure différentielle du champ magnétique a été réalisée. Elle consiste à disposer un seul capteur magnétique différentiel linéaire du type fluxgate au-dessus des sections d'un conducteur en forme U traversé par le courant à mesurer. Utilisant cette structure, nous avons pu améliorer la précision et assurer une bonne réjection des perturbations magnétiques extérieures. Cette structure a été étudiée théoriquement et validée expérimentalement. Les impacts de divers facteurs de réalisation ont été étudiés à l'aide de calculs analytiques, des simulations par éléments finis et des mesures. L'intégration de cette nouvelle structure faciliterait la dissémination de capteurs de courant.

Ces travaux concerne le développement de capteurs/effecteurs piézoélectrique et pyroélectrique de faible diamètre intégrable dans des structures textiles par exemple les tissus, ce qui permet soit d'avoir différentes informations sur le comportement mécanique et de température de ces structures (piézoélectricité directe) ou bien de changer les propriétés mécaniques de ces structures (piézoélectricité inverse), ce qui permettrait d'avoir des tissus à contention variable.A ce jour, sur le marché il n'existe pas de capteurs/effecteurs filamentaires piézoélectriques et/ou pyroélectriques flexibles de faibles diamètres intégrables dans les structures textiles. Les instrumentations des structures textiles qui existent se font par le biais de filaments résistifs agissant comme résistances entrecroisées qui permettent seulement d'avoir une information sur la localisation d'une pression sur ces structures textiles. Le but ces travaux est de remédier aux inconvénients des procédés connus ci-dessus. Ce but est atteint grâce à la fabrication de câbles filamentaires à l'aide d'un procédé de filage par voie fondue.Ces composites filamentaires sont caractérisé puis polariser avant de les introduire dans différents textiles par exemple les tissus, ce qui permet soit d'avoir différentes informations sur le comportement mécanique et de température de ces structures (capteurs de déformations et de température) ou bien de changer leurs propriétés mécaniques (effecteurs).Ces travaux ont été brevetés par la cellule Conectus Alsace et ils ont été sélectionnés pour le second prix International Théophile Legrand de l'innovation textile 2012.