L’accouchement prématuré est un problème de santé publique dans le monde et notamment dans les pays économiquement développés avec un taux variant entre 7 et 12 % des naissances. Le diagnostic du risque d’accouchement prématuré est difficile à faire et les outils à notre disposition ont peu évolué ces dernières années. La contraction utérine est la conséquence directe de l’activité électrique au niveau du myomètre. Le type de contraction est lié à l’importance de l’excitabilité cellulaire et de sa diffusion à l’ensemble du myomètre. Le recueil et l’analyse de cette activité électrique par des électrodes de surface est aujourd’hui le seul moyen non invasif d’étudier, pendant la grossesse, les mécanismes qui sont à l’origine de la contraction. L’enregistrement de l’électromyogramme utérin ou électrohystérogramme (EHG) est donc prometteur pour réaliser un diagnostic et une surveillance des femmes à risque d’accouchement prématuré. Dans ce travail de thèse 3 études cliniques ont été réalisées. Dans la première, j’ai étudié différentes électrodes de surface permettant d’enregistrer les signaux électriques. Je propose à la fin de cette première partie un système d’électrodes pour permettre à la fois un enregistrement de qualité et une pose aisée compatible avec une application clinique. Dans la deuxième étude j’ai étudié la détection automatique des contractions par l’EHG avec des résultats encourageants pour l’application clinique et notamment en ambulatoire. Enfin dans la troisième étude j’ai étudié la prédiction du risque d’accouchement prématuré par l’analyse de paramètres électriques issus de l’EHG. Les résultats obtenus permettent d’améliorer la prédiction du risque d’accouchement prématuré par rapport aux outils utilisés en routine. / Premature birth is a public health problem in the world, particularly in economically developed countries with a rate varying between 7% and 12% of births. The diagnosis of the risk of premature labor is difficult to make and the tools at our disposal have changed little in recent years. Uterine contraction is a direct consequence of electrical activity at the level of the myometrium. The type of contraction is related to the importance of cell excitability and its diffusion to the entire myometrium. The analysis of this electrical activity by surface electrodes is currently the only non-invasive way to study the mechanisms that are at the origin of the contraction. The recording of the uterine electromyogram or electrohysterogram (EHG) is therefore promising for the diagnosis and surveillance of women at risk of preterm birth. In this thesis work 3 clinical studies have been carried out. In the first clinical study, different surface electrodes to record electrical signals were tested. I propose at the end of this first part a system of electrodes to allow at the same time a recording of quality and an easy pose compatible with a clinical application. In the second study , the automatic detection of contractions by the El-IG was studied with encouraging results for the clinical application and especially in ambulatory. Finally, in the third clinical experiment, I studied the prediction of the risk of premature delivery by the analysis of electrical parameters extracted from the EHG. The results obtained make it possible to improve the prediction of the risk of premature delivery compared to the tools used routinely.

A novel dislocation locking technique is used to study the behaviour of nitrogen and oxygen in silicon. Specimens containing well-defined arrays of dislocation half-loops are subjected to isothermal anneals of controlled duration, during which nitrogen or oxygen diffuses to the dislocations. The stress required to move the dislocations away from the impurities is then measured. Measurement of this unlocking stress as a function of annealing time and temperature allows information on the transport of nitrogen and oxygen to be deduced. Despite being present in a concentration of just 3E14cm-3 in some specimens, nitrogen is found to provide substantial benefits to the mechanical properties of float-zone silicon (FZ-Si). The segregation of nitrogen at dislocations is stable to at least 1200 degrees centigrade and the unlocking stress measured at 550 degrees centigrade is of similar magnitude to that found previously for oxygen in Czochralski silicon (Cz-Si). The unlocking stress initially rises linearly with annealing time, before it takes a constant value. The rate of the initial rise is dependent on temperature and the 1.5eV activation energy found agrees with that found previously. The rate of the initial rise also depends on nitrogen concentration. In the 500 to 700 degrees centigrade temperature range, the unlocking stress is found to decrease linearly as the temperature at which the unlocking process takes place increases. The results of a pre-annealing experiment confirm that oxygen monomers and dimers in Cz-Si exist in thermodynamic equilibrium at 550 degrees centigrade. Numerical simulation of oxygen diffusion to dislocations allows values of the effective diffusivity of oxygen in Cz-Si with four different oxygen concentrations to be deduced. At 500 degrees centigrade, the effective diffusivity depends upon oxygen concentration in a way which is consistent with oxygen dimers being responsible for transport. The transport of oxygen in Cz-Si at 550 to 600 degrees centigrade is found to be unaffected by nitrogen doping at a level of 2.1E15cm-3. The dislocation locking technique has also been used to study the effect of high concentrations of shallow dopants on oxygen transport in Cz-Si in the 350 to 550 degrees centigrade temperature range. Oxygen transport has been found to be unaffected by a high antimony concentration ~3E18cm-3, but is found to be enhanced by, on average, a factor of approximately 44 in Cz-Si with a high boron concentration ~5E18cm-3. Furthermore, deep-level transient spectroscopy (DLTS) and high-resolution DLTS (HR-DLTS) are used to study the electrical activity of defects in silicon. A deep-level with an enthalpy of 0.50eV and a concentration of order 10E11cm-3 is found in n-type nitrogen-doped FZ-Si and n-type nitrogen-doped neutron transmutation doped FZ-Si. No additional deep-levels are found in either material, for which the detection limit is 6E10cm-3. No deep-levels are found in p-type nitrogen-doped Cz-Si, for which the detection limit is approximately 10E12cm-3. DLTS and HR-DLTS are also used to investigate the electrical activity of oxygen-decorated dislocations in Cz-Si and states associated with oxygen at dislocation cores have been identified.

The objective of the thesis was to evaluate the possibility to calculate the unloading distribution between a ventilator and a patient using a new mathematical modelling of the breathing patterns. The modelling used today is considered to lack sufficient precision for clinical use, and is a somewhat simplified model. To evaluate the possibility of a new model, a volunteer test was carried out - recording data such as Edi, pressure, volume and flow. Using this data, and by using a more complex model, tidal volume was estimated and compared to the measured data. The results did not imply any improvement compared to the simpler model regarding the accuracy and the variability. However, more work should be done in this area, as time deficiency prevented further analysis.

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The central nervous system is the most likely target of mobile telephony radiofrequency field (RF) exposure in terms of biological effects. Several EEG (electroencephalography) studies have reported variations in the alpha-band power spectrum during and/or after RF exposure, in resting EEG and during sleep. In this context, the observation of the spontaneous electrical activity of neuronal networks under RF exposure can be an efficient tool to detect the occurrence of low-level RF effects on the nervous system. In this thesis research work we developed a dedicated experimental setup in the GHz range for the simultaneous exposure of neuronal networks and monitoring of electrical activity. A transverse electromagnetic (TEM) cell was used to expose the neuronal networks to GSM-1800 signals at a SAR level of 3.2 W/kg. Recording of the neuronal electrical activity and detection of the extracellular spikes and bursts under exposure were performed using Micro Electrode Arrays (MEAs). This work provides the proof of feasibility and preliminary results of the integrated investigation regarding exposure setup, culture of the neuronal network, recording of the electrical activity and analysis of the signals obtained under RF exposure. In the main experiment (16 cultures), there was a 30% reversible decrease in mean firing rate (MFR) and bursting rate (BR) during the 3 min exposures to RF. Additional experiments are needed to further characterize this effect, especially in terms of temperature elevation at the microscopic level.

Le système nerveux central est la cible la plus probable d'effets biologiques dûs à l'exposition aux radiofréquences (RF) de la téléphonie mobile. Plusieurs études sur l’EEG (électroencéphalogramme) ont montré des variations dans le spectre de la bande alpha pendant et / ou après l'exposition aux radiofréquences, avec les yeux fermés ou pendant le sommeil. Dans ce contexte, l'observation de l'activité électrique spontanée des réseaux neuronaux sous exposition aux radiofréquences représente un outil efficace pour détecter de possibles effets des RF de faible niveau sur le système nerveux. Dans ce travail de thèse, nous avons développé un dispositif expérimental dédié à l'exposition dans la gamme des GHz de réseaux neuronaux et permettant simultanément l’enregistrement de l'activité électrique des neurones. Une cellule électromagnétique transversale (TEM) a été utilisée afin d'exposer les réseaux neuronaux aux signaux GSM-1800 à un niveau de DAS de 3,2 W / kg. L'enregistrement de l'activité électrique neuronale et la détection en termes de spikes et bursts sous exposition ont été réalisées à l'aide de réseaux de micro-électrodes (MEAs). Ce travail démontre la faisabilité de l’étude (culture de réseaux de neurones primaires, enregistrement de l'activité électrique et analyse des signaux obtenus sous exposition aux radiofréquences) et expose des résultats préliminaires. Dans l'expérience principale (16 cultures), il y avait une diminution réversible de 30% du taux moyen de spikes (MFR) et de bursts (BR) pendant les 3 min d’exposition aux RF. Des expériences supplémentaires sont nécessaires pour mieux caractériser cet effet, notamment en termes d'élévation de la température au niveau microscopique. / The central nervous system is the most likely target of mobile telephony radiofrequency field (RF) exposure in terms of biological effects. Several EEG (electroencephalography) studies have reported variations in the alpha-band power spectrum during and/or after RF exposure, in resting EEG and during sleep. In this context, the observation of the spontaneous electrical activity of neuronal networks under RF exposure can be an efficient tool to detect the occurrence of low-level RF effects on the nervous system. In this thesis research work we developed a dedicated experimental setup in the GHz range for the simultaneous exposure of neuronal networks and monitoring of electrical activity. A transverse electromagnetic (TEM) cell was used to expose the neuronal networks to GSM-1800 signals at a SAR level of 3.2 W/kg. Recording of the neuronal electrical activity and detection of the extracellular spikes and bursts under exposure were performed using Micro Electrode Arrays (MEAs). This work provides the proof of feasibility and preliminary results of the integrated investigation regarding exposure setup, culture of the neuronal network, recording of the electrical activity and analysis of the signals obtained under RF exposure. In the main experiment (16 cultures), there was a 30% reversible decrease in mean firing rate (MFR) and bursting rate (BR) during the 3 min exposures to RF. Additional experiments are needed to further characterize this effect, especially in terms of temperature elevation at the microscopic level.

Afin d’apporter les soins adéquats aux victimes d'arrêt cardiaque extrahospitalier, l'évaluation de leur état hémodynamique est primordiale. La prise de pouls manuelle ne permet pas une identification fiable de l'arrêt cardiaque par les profanes ou une discrimination des rythmes organisés par les premiers intervenants. Dans ce contexte, l'entreprise Schiller Médical a cherché à intégrer dans sa gamme de défibrillateurs un module de détection de l'hémodynamique systémique par analyse de l'électrocardiogramme et des variations d'impédance transthoracique recueillis via les électrodes de défibrillation. Ce travail de recherche mené en partenariat entre l'entreprise Schiller Médical et l'Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien de l’Université de Strasbourg a consisté dans un premier temps a recherché, lors d'arrêt cardiaque induit électriquement chez l'homme, des descripteurs des variations d'impédance transthoracique marqueurs de l’hémodynamique systémique. L’identification des descripteurs les plus pertinents a par la suite permis de construire des modèles prédictifs des défaillances circulatoires. Nous avons mis en lumière des limites à l’utilisation des variations d’impédance transthoracique. Elles sont prises en considération pour la documentation des interventions extrahospitalières destinée à l’apprentissage des algorithmes de classification des rythmes perfusants et rythmes sans pouls. / Providing suitable emergency care during out of hospital cardiac arrest requires the diagnostic of the circulatory status. Manual pulse check does not provide a reliable way for laypersons to identify cardiac arrest or for first responders to discriminate organized rhythms. Thus, Schiller Medical sought to embed an hemodynamic sensor in its external defibrillators by analyzing the electrocardiogram and transthoracic impedance recorded via the defibrillation pads. This thesis work stemmed from a partnership between Schiller Medical and the Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien of the Université de Strasbourg. We first identified transthoracic impedance featureslinked with the circulatory status by studying clinically induced cardiac arrest. The most relevant features were later selected to form predictive models of hemodynamic collapse. We uncovered restrictions to the use of transthoracic impedance. We took them into account for the annotation of out of hospital cardiac arrests aimed at training algorithms for the classification of pulseless electrical activity and pulsatile rhythms.

Les systèmes neuromusculaire et musculosquelettique sont des systèmes de systèmes complexes qui interagissent parfaitement entre eux afin de produire le mouvement. En y regardant de plus près, ce mouvement est la résultante d'une force musculaire créée à partir d'une activation du muscle par le système nerveux central. En parallèle de cette activité mécanique, le muscle produit aussi une activité électrique elle aussi contrôlée par la même activation. Cette activité électrique peut être mesurée à la surface de la peau à l'aide d'électrode, ce signal enregistré par l'électrode se nomme le signal Électromyogramme de surface (sEMG). Comprendre comment ces résultats de l'activation du muscle sont générés est primordial en biomécanique ou pour des applications cliniques. Évaluer et quantifier ces interactions intervenant durant la contraction musculaire est difficile et complexe à étudier dans des conditions expérimentales. Par conséquent, il est nécessaire de développer un moyen pour pouvoir décrire et estimer ces interactions. Dans la littérature de la bioingénierie, plusieurs modèles de génération de signaux sEMG et de force ont été publiés. Ces modèles sont principalement utilisés pour décrire une partie des résultats de la contraction musculaire. Ces modèles souffrent de plusieurs limites telles que le manque de réalisme physiologique, la personnalisation des paramètres, ou la représentativité lorsqu'un muscle complet est considéré. Dans ce travail de thèse, nous nous proposons de développer un modèle biofidèle, personnalisable et rapide décrivant l'activité électrique et mécanique du muscle en contraction isométrique. Pour se faire, nous proposons d'abord un modèle décrivant l'activité électrique du muscle à la surface de la peau. Cette activité électrique sera commandé par une commande volontaire venant du système nerveux périphérique, qui va activer les fibres musculaires qui vont alors dépolariser leur membrane. Cette dépolarisation sera alors filtrée par le volume conducteur afin d'obtenir l'activité électrique à la surface de la peau. Une fois cette activité obtenue, le système d'enregistrement décrivant une grille d'électrode à haute densité (HD-sEMG) est modélisée à la surface de la peau afin d'obtenir les signaux sEMG à partir d'une intégration surfacique sous le domaine de l'électrode. Dans ce modèle de génération de l'activité électrique, le membre est considéré cylindrique et multi couches avec la considération des tissus musculaire, adipeux et la peau. Par la suite, nous proposons un modèle mécanique du muscle décrit à l'échelle de l'Unité Motrice (UM). L'ensemble des résultats mécaniques de la contraction musculaire (force, raideur et déformation) sont déterminées à partir de la même commande excitatrice du système nerveux périphérique. Ce modèle est basé sur le modèle de coulissement des filaments d'actine-myosine proposé par Huxley que l'on modélise à l'échelle UM en utilisant la théorie des moments utilisée par Zahalak. Ce modèle mécanique est validé avec un profil de force enregistré sur un sujet paraplégique avec un implant de stimulation neurale. Finalement, nous proposons aussi trois applications des modèles proposés afin d'illustrer leurs fiabilités ainsi que leurs utilité. Tout d'abord une analyse de sensibilité globale des paramètres de la grille HDsEMG est présentée. Puis, nous présenterons un travail fait en collaboration avec une autre doctorante une nouvelle étude plus précise sur la modélisation de la relation HDsEMG/force en personnalisant les paramètres afin de mimer au mieux le comportement du Biceps Brachii. Pour conclure, nous proposons un dernier modèle quasi­ dynamique décrivant l'activité électro-mécanique du muscle en contraction isométrique. Ce modèle déformable va actualiser l'anatomie cylindrique du membre sous une hypothèse isovolumique du muscle. / The neuromuscular and musculoskeletal systems are complex System of Systems (SoS) that perfectly interact to provide motion. From this interaction, muscular force is generated from the muscle activation commanded by the Central Nervous System (CNS) that pilots joint motion. In parallel an electrical activity of the muscle is generated driven by the same command of the CNS. This electrical activity can be measured at the skin surface using electrodes, namely the surface electromyogram (sEMG). The knowledge of how these muscle out comes are generated is highly important in biomechanical and clinical applications. Evaluating and quantifying the interactions arising during the muscle activation are hard and complex to investigate in experimental conditions. Therefore, it is necessary to develop a way to describe and estimate it. In the bioengineering literature, several models of the sEMG and the force generation are provided. They are principally used to describe subparts of themuscular outcomes. These models suffer from several important limitations such lacks of physiological realism, personalization, and representability when a complete muscle is considered. In this work, we propose to construct bioreliable, personalized and fast models describing electrical and mechanical activities of the muscle during contraction. For this purpose, we first propose a model describing the electrical activity at the skin surface of the muscle where this electrical activity is determined from a voluntary command of the Peripheral Nervous System (PNS), activating the muscle fibers that generate a depolarization of their membrane that is filtered by the limbvolume. Once this electrical activity is computed, the recording system, i.e. the High Density sEMG (HD-sEMG) grid is define over the skin where the sEMG signal is determined as a numerical integration of the electrical activity under the electrode area. In this model, the limb is considered as a multilayered cylinder where muscle, adipose and skin tissues are described. Therefore, we propose a mechanical model described at the Motor Unit (MU) scale. The mechanical outcomes (muscle force, stiffness and deformation) are determined from the same voluntary command of the PNS, and is based on the Huxley sliding filaments model upscale at the MU scale using the distribution-moment theory proposed by Zahalak. This model is validated with force profile recorded from a subject implanted with an electrical stimulation device. Finally, we proposed three applications of the proposed models to illustrate their reliability and usefulness. A global sensitivity analysis of the statistics computed over the sEMG signals according to variation of the HD-sEMG electrode grid is performed. Then, we proposed in collaboration a new HDsEMG/force relationship, using personalized simulated data of the Biceps Brachii from the electrical model and a Twitch based model to estimate a specific force profile corresponding to a specific sEMG sensor network and muscle configuration. To conclude, a deformableelectro-mechanicalmodelcouplingthetwoproposedmodelsisproposed. This deformable model updates the limb cylinder anatomy considering isovolumic assumption and respecting incompressible property of the muscle.