Les expériences de spectroscopie ont été réalisées en collaboration avec Jean-François Allard du groupe de Denis Morris de l'Université de Sherbrooke. / Le présent projet de maîtrise a pour but d’étudier les interactions optiques des films de nanotubes de carbone (FNTCs) avec les ondes THz. Des expériences d’absorption térahertz faites par spectroscopie THz dans le domaine temporel ont été entreprises sur les films dont l’épaisseur varie. Les films d’épaisseurs allant de 14 à 145 nm, sont des couches minces de nanotubes de carbone (NTCs) empilés les uns sur les autres et sont déposés sur substrats (GaAs et silicium). Une caractérisation comparative des épaisseurs des films est entreprise dans un premier temps par AFM et par ellipsométrie spectroscopique. À cause de la rugosité de la surface et de porosité des films qui compliquent les interactions de la lumière avec les films, les épaisseurs déterminées par AFM sont gardées au détriment de celles d’ellipsométrie. La relation entre les épaisseurs mesurées par AFM en fonction des épaisseurs nominales s’est révélée linéaire. Les couleurs des FNTC sont aussi caractérisées en fonction de leurs épaisseurs. L’expérience d’absorption THz sur les films consiste à enregistrer la transmission d’une impulsion THz à large bande à travers les échantillons. Sur les spectres, on détecte aussi l’impulsion de réflexion, l’écho de réflexion de l’impulsion principale THz à l’intérieur du substrat séparé par un délai temporel. La diminution du pic de l’impulsion principale THz en fonction de l’épaisseur est non linéaire et atteint une saturation pour les films les plus épais. Ce résultat est en lien direct avec les mesures quatre pointes de conductivité dc des films où l’inverse de la résistivité de feuille sature à partir des mêmes épaisseurs de film. L’écho de réflexion de l’impulsion principale à l’intérieur du substrat perd de l’amplitude plus rapidement en fonction de l’épaisseur à cause de près de deux passages supplémentaires de l’impulsion dans le film au moment de la réflexion. Finalement, une disparition de l’impulsion de réflexion à une épaisseur particulière de film (100 nm pour le GaAs et 60 nm pour le Si) démontre les propriétés antiréfléchissantes des FNTCs. / In the present masters project, the goal is to study the optical interactions of carbon nanotube films (CNTFs) with terahertz (THz) waves. The THz absorption experiments made by time domain THz spectroscopy have been undertaken on thickness-variable films. CNTFs, which have their thicknesses range from 14 to 145 nm, are thin CNT layers that are piled one on another are deposited on a substrate (GaAs or silicon). First, a comparative characterization of film thicknesses is undertaken with AFM and with spectroscopic ellipsometry. Because of surface rugosity and film porosity which has the effect of complexifying the interaction of light with the films, AFM thicknesses are held for the rest of the analysis instead of those determined with ellipsometry. AFM measured thicknesses scale linearly with respect to nominal thicknesses that are proportional to the CNT density. CNTFs’ colors reveal to be correlated with their thicknesses. THz absorption experiments consist of taking the transmission spectrum of a broad band THz pulse through the samples. On the spectra, we also detect the reflection pulse, which is the echo of the main THz pulse inside the substrate separated by a time delay. The decrease of the main THz pulse with respect to the film thickness is non linear and reaches a saturation plateau for the thickest films. This finding is in direct relationship with four-point probe sheet conductivity measurements made on the films where a saturation is also observed from the same thicknesses. The reflection pulse loses amplitude more rapidly as the film thickness increases because of two additional wave passages in the film during reflection. Lastly, a quenching of the reflection pulse which is observed at a particular film thickness (100 nm for GaAs and 60 nm for silicon) demonstrates antireflection properties for the CNTFs.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) représentent la plus grande famille de cibles thérapeutiques pour le traitement d’une panoplie de pathologies humaines. Bien que plusieurs décennies de recherche aient permis de façonner nos connaissances sur ces protéines membranaires, notre compréhension des déterminants moléculaires de leur activité signalétique reste encore limitée. De ces domaines de recherche, une avancée récente a mis à jour un nouveau phénomène, appelé sélectivité fonctionnelle des ligands, qui a bouleversé les paradigmes décrivant leu fonctionnement de ces récepteurs. Ce concept émane d’observations montrant que l’activité pharmacologique de certains ligands n’est pas nécessairement conservée sur tout le répertoire signalétiques connu du récepteur et peu se restreindre à l'activation sélective d’un sous-groupe de voies de signalisation.Ce nouveau modèle pharmacologique de l'activation des RCPG ouvre de nouvelles possibilités pour la découverte de médicaments plus efficace et sûr, ciblant les RCPGs. En effet, il permet la conception de molécules modulant spécifiquement les voies signalétiques d’intérêt thérapeutique, sans engager les autres voies qui pourraient mener à des effets secondaires indésirables ou de la tolérance. Cette thèse décrit l'utilisation d'une nouvelle approche sans marquage, basée sur la mesure du changement l'impédance cellulaire. Par la mesure des changements cellulaires, comme la morphologie, l’adhésion et/ou la redistribution des macromolécules, cette approche permet de mesurer de façon simultanée l'activité de plusieurs voies de signalisation impliqués dans ces réponses. Utilisant le récepteur β2-adrénergique (β2AR) comme modèle, nous avons démontré que les variations dans l’impédance cellulaire étaient directement liées à l’activation de multiples voies de signalisation suite à la stimulation du récepteur par son ligand. L’agoniste type du β2AR, l’isoprotérénol, s’est avéré induire une réponse d’impédance dose-dépendante constituée, dans le temps, de plusieurs caractéristiques distinctes pouvant être bloquées de façon compétitive par l’antagoniste ICI118,551 Par l’utilisation d’inhibiteurs sélectifs, nous avons été en mesure de déterminer la contribution de plusieurs voies signalétiques canoniques, comme les voies dépendantes de Gs et Gi, la production d’AMPc et l’activation de ERK1/2, sur ces changements. De plus, la dissection de la réponse d’impédance a permis d’identifier une nouvelle voie de mobilisation du Ca2+ contribuant à la réponse globale des changements initiés par la stimulation du β2AR. Dans une autre étude, nous avons rapporté que la réponse calcique induite par le β2AR serait attribuable à une transactivation Gs-dépendant du récepteur purinergique P2Y11, lui-même couplé à la protéine Gq. La mesure d’impédance permettant de distinguer et de décrire une pléiade d’activités signalétiques, nous avons émis l’hypothèse que des ligands arborant des profils signalétiques différents généreraient des réponses d’impédance distinctes. Le criblage d’une librairie de ligands spécifiques au β2AR a révélé une grande variété de signatures d’impédance. Grâce au développement d’une approche computationnelle innovatrice, nous avons été en mesure de regrouper ces signatures en cinq classes de composés, un regroupement qui s’est avéré hautement corrélé avec le profil signalétique des différents ligands. Nous avons ensuite combiné le criblage de composés par impédance avec l’utilisation d’inhibiteurs sélectifs de voies signalétiques afin d’augmenter la résolution du regroupement. En évaluant l’impact d’une voie signalétique donnée sur la signature d’impédance, nous avons été en mesure de révéler une plus grande variété de textures parmi les ligands. De plus, cette méthode s’est avérée efficace pour prédire le profil signalétique d’une librairie de composés non caractérisés, ciblant le β2AR. Ces travaux ont mené à l’élaboration d’une méthode permettant d’exprimer visuellement la sélectivité fonctionnelle de ligands et ont révélé de nouvelles classes de composés pour ce récepteur. Ces nouvelles classes de composés ont ensuite été testées sur des cardiomyocytes humains, confirmant que les composés regroupés dans différentes classes produisent des effets distincts sur la contractilité de ces cellules. Globalement, ces travaux démontrent la pertinence de l’utilisation de l’impédance cellulaire pour une évaluation précise des différences fonctionnelles parmi les composés ciblant les RCPGs. En fournissant une représentation pluridimensionnelle de la signalisation émanant des RCPGs à l’aide d’un seul essai ne requérant pas de marquage, les signatures d’impédance représentent une stratégie simple et innovante pour l’évaluation de la fonctionnalité sélective des ligands. Cette méthode pourrait être d’une grande utilité dans le processus de découverte de nouveaux médicaments. / G protein-coupled receptors (GPCRs) represent the largest family of therapeutic targets for the treatment of a wide variety of human pathologies. Decades of research have provided an extensive base of knowledge about these fascinating membrane proteins, yet significant advancements in the understanding of the structural and functional details of these important drug targets continue to accumulate to this day. One such area of research in particular that has caused a paradigm shift in the way we conceptualize receptor function is a recently identified phenomenon known as ligand functional selectivity. This concept refers to the numerous observations that the pharmacological activity of a ligand at a given receptor is not always conserved over all possible signalling events engaged by the receptor, often resulting in the selectivity of a ligand to modulate only a subset of the receptor’s signalling repertoire. This model of receptor activity reveals exciting new possibilities for the discovery of safer and more efficacious drugs targeting GPCRs; through the design of drugs specifically targeting the pathway of therapeutic interest without modulating other, uninvolved pathways which could lead to tolerance or adverse effects. This thesis will describe the use of a novel, label-free technique based on cellular impedance to further characterize ligand functional selectivity at GPCRs. By measuring changes in higher-order cellular responses, such as changes in morphology, adhesion and redistribution of macromolecules, this approach provides a means to simultaneously measure the activity of multiple signalling pathways converging on these responses. Using the β2-adrenergic receptor (β2AR) as a model system, we have demonstrated that changes in cellular impedance reflect the activity of multiple signalling events elicited following ligand stimulation of the receptor. Isoproterenol, the prototypical agonist of the β2AR, was found to elicit a dose-dependent impedance response consisting of multiple, discrete features over time, which could be blocked in a competitive manner by the antagonist ICI118,551. Using pathway-selective inhibitors, we were able to dissect the contribution of many of the canonical pathways activated by the β2AR, including Gs- and Gi-dependent signalling, as well as cAMP production and ERK1/2 activation. Furthermore, through the pharmacological dissection of this impedance response, we identified a novel Ca2+ mobilization pathway that contributes to the overall cellular response to β2AR stimulation. In a separate study of the mechanism generating this β2AR-promoted Ca2+ response, we revealed a Gs-dependent transactivation mechanism of the Gq-coupled P2Y11 purinergic receptor. Given the ability of impedance measurements to capture this pleiotropic signalling activity, we then reasoned that ligands exhibiting different signalling profiles should generate distinct impedance signatures. In screening a library of functionally selective compounds targeting the β2AR, we obtained a wide variety of impedance signatures. Through the development of a novel computational approach, we were able to cluster these signatures into five distinct compounds classes, which were highly correlated with signalling profiles of the ligands. In an extension of this approach, we then combined impedance screening with the use of pathway-selective inhibitors to determine if this would provide greater resolution in distinguishing among functionally distinct compounds. By assessing if and how a given signalling pathway contributes to a ligand’s impedance signature, we were able to reveal even more texture among ligands targeting the β2AR. Furthermore, this approach was found to be predictive of the signalling profiles of a library of uncharacterized compounds for the β2AR. This work led to the development of a visualization method to express ligand functional selectivity and revealed potentially novel classes of compounds for the receptor. These compound classes were then validated in human cardiomyocytes, confirming that compounds clustering into different classes produced distinct effects on cardiomyocyte contractility. Altogether, this work demonstrates the ability of cellular impedance to accurately measure functional differences among compounds targeting GPCRs. In providing a representation of the pluridimensionality of GPCR signalling using a single, label-free assay, impedance profiling represents an innovative strategy to assess ligand functional selectivity and may be a valuable addition to future drug discovery campaigns.

Le syndrome de détresse respiratoire aiguë (SDRA) est caractérisé par des lésions alvéolairesdiffuses qui résultent d’une lésion de la membrane alvéolo-capillaire entrainant entre autresune réaction inflammatoire intense et une perte massive et hétérogène du volume pulmonaireaéré. La tomographie par émission de positons (TEP) et la tomographie par impédanceélectrique (TIE) sont deux techniques d’imagerie fonctionnelle permettant l’étude noninvasive, quantitative et régionale du poumon.Ce travail présente le résultat d’études expérimentales conduites dans le SDRA. Tout d’abord,nous avons comparé positivement la TIE à la TEP pour la mesure de la ventilation pulmonaireet du volume aéré. Nous avons ensuite décrit et validé une technique robuste d’obtention duvolume aéré et de la ventilation spécifique en TEP sans prélèvement invasif. Enfin, nousavons étudié en TEP l’influence de la pression expiratoire positive (PEP) et du décubitusventral (DV) sur la répartition de la ventilation, de la perfusion et de l’inflammationpulmonaires. Les poumons agressés par l’acide chlorhydrique inhalé ont une inflammationsignificativement plus élevée que le groupe contrôle. Aucune différence significatived’inflammation n’a été trouvée entre les groupes expérimentaux malgré des modificationsimportantes de la répartition de la ventilation et de la perfusion régionales lors de la mise enDV. Ces études donc ont permis le développement d’un modèle porcin stable d’agressionpulmonaire aiguë et la validation de techniques d’imagerie permettant l’étude non invasive deparamètres physiologiques importants pouvant aider au réglage de la ventilation mécanique aucours du SDRA. / Acute respiratory distress syndrome (ARDS) is characterized by diffuse alveolar damage andresulting from an increased permeability of the alveolar-capillary membrane. Of notice, thereis an intense lung inflammation. Positron emission tomography (PET) and electricalimpedance tomography (EIT) allow noninvasive assessment of pulmonary ventilation,perfusion and inflammation. We use these techniques to decipher the impairments ofventilation and inflammation throughout the lungs in an experimental model of acute lunginjury by hydrochloric acid inhalation in pigs.In a first study, we compared EIT to PET in quantifying pulmonary aerated volume andventilation, using PET as a gold standard. We found that lung ventilation and volume wereaccurately measured with EIT over a wide range of lung volume and minute ventilation. Wehave then described and validated a new model to obtain lung aerated volume and ventilationwith PET, without the requirement of gas sampling in the respiratory circuit. Finally, weconducted a controlled study with PET to evaluate the effects of positive end-expiratorypressure and body position on regional lung inflammation, ventilation and perfusion.Inflammation was significantly higher in injured groups than in control. However, there wasno significant change in inflammation across ALI groups despite significant differencebetween ventilation and perfusion repartition.We have developed in this work a stable experimental model of acute lung injury andvalidated noninvasive imaging tools allowing studying of important physiologic parametersthat could help setting up mechanical ventilation.

Les matériaux absorbants acoustiques, qui sont d’un intérêt stratégique en aéronautique pour la diminution passive du bruit des réacteurs d’avion, conduisent à une physique complexe où l’écoulement turbulent, des ondes acoustiques, et l’absorbant interagissent. Cette thèse porte sur la simulation de cette interaction dans le problème modèle d’un écoulement de canal turbulent avec des parois impédantes, par le biais de simulations numériques aux grandes échelles implicites, dans un contexte de calcul haute performance.Une étude est d’abord faite des grandes échelles dans un canal turbulent avec des parois rigides, en s’intéressant plus particulièrement à l’effet d’une faible compressibilité (Mach <3) sur les caractéristiques de ces échelles.Un canal turbulent avec une paroi de type impédance est ensuite simulé, avec une condition habituelle de périodicité dans le sens de l’écoulement. On observe que pour des faibles valeurs de la résistance et des fréquences de résonance basses, l’écoulement est instable, ce qui engendre une onde le long de l’absorbant, qui modifie la turbulence et augmente la trainée.Enfin, on se tourne vers une simulation de canal spatial en levant la condition de périodicité dans la direction de l’écoulement, ce qui permet d’introduire une onde acoustique en entrée de domaine. L’atténuation de l’onde dans l’écoulement turbulent est étudiée avec des parois rigides, puis un absorbant acoustique est introduit. Dans cette configuration plus réaliste, il est confirmé que l’écoulement peut devenir instable au bord amont de l’absorbant, ce qui empêche l’atténuation de l’onde acoustique incidente. / Acoustic liners are a key technology in aeronautics for the passive reduction of the noise generated by aircraft engines. They are employed in a complex flow scenario in which the acoustic waves, the turbulent flow, and the acoustic liner are interacting.During this thesis, in a context of high performance computing, a compressible Navier-Stokes solver has been developed to perform implicit large eddy simulations of a model problem of this interaction: a turbulent plane channel flow with one wall modeled as an impedance condition.As a preliminary step the wall-turbulence in rigid channel flows and associated large-scale motions are investigated. A straightforward algorithm to detect these flow features is developed and the effect of compressibility on the flow structures and their contribution to the drag are studied. Then, the interaction between the acoustic liner and turbulent flow is investigated assuming periodicity in the streamwise direction. It is shown that low resistance and low resonance frequency tend to trigger flow instability, which modifies the conventional wall-turbulence and also results in drag increase.Finally, the simulation of a spatial channel flow was addressed. In this case no periodicity is assumed and an acoustic wave can be injected at the inlet of the domain. The effect of turbulence on sound attenuation is studied without liner, before a liner is introduced on a part of the channel bottom wall. In this more realistic case, it is confirmed that low resistance acoustic liners trigger an instability at the leading edge of the liner, resulting in drag increase and excess noise generation.

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.

Ce travail de thèse présente la formalisation du problème de couplage d'une plaque en vibration de flexion avec le sol. La notion d'impédance intermodale de rayonnement vibratoire est définie de façon analogue à son équivalent acoustique. A partir de cette définition, la notion de masse, raideur et amortissement modal ajoutée sur la structure par le sol est introduite. L'effet sur le niveau vibratoire de la structure est présenté, notamment l'effet très amortissant du sol sur la structure. Une comparaison avec le modèle équivalent acoustique est présentée avec une attention particulière portée sur les différences entre les impédances intermodales. L'influence de la stratification sur le niveau vibratoire de la structure fait apparaitre des phénomènes nouveaux sur la partie imaginaire de l'impédance intermodale. Une comparaison théorie-expérience a été effectuée dans le cas d'une dalle de tramway couplée au sol. On présente également une comparaison avec un code numérique, MEFISSTO développé par P. Jean au sein du CSTB. On présente également une extension du modèle d'une plaque couplée au sol au cas de couplage de deux plaques avec le sol. On montre notamment que l'écriture du problème reste très similaire au problème d'une plaque couplée au sol. Les impédances intermodales peuvent encore être définies avec la prise en compte du couplage des modes d'une plaque sur les modes de l'autre plaque. On présentera trois applications de ce modèle. La première concerne l'utilisation d'une Barrière Vibratoire Horizontale à la surface du sol pour atténuer les vibrations issues d'une première plaque modélisant la dalle de tramway. Finalement une ouverture du problème de couplage d'une plaque avec le sol par l'utilisation de ce modèle dans des problématiques inverses est présentée. On montre qu'il est possible par un problème inverse de remonter aux efforts injectés sur une dalle de tramway au passage de celui-ci. / This thesis is concerned with the coupling between a fexural vibrating plate and a stratifed ground. A semi-analytical solution is introduced similar to the equivalent acoustical problem. The ground cross modal impedance is defined in a similar way as the equivalent acoustical impedance. From this definition, the ground added mass, stiffness and damping to the plate are presented. Similarities and discrepancies between the acoustical and the ground cross modal impedance are introduced. Influence of the ground stratification on the plate vibration shows new phenomena especially on the imaginary part of the ground cross modal impedance. A comparison between the model developed in this thesis and an experiment made on a tramway slab has been done as well as a comparison with a numerical model, MEFISSTO developed by P. jean at CSTB. One introduces an extension of the modeling developed and is concerned with modeling two flexural plates to the ground. It can be pointed out that problem formulation is still close to the problem formulation of one plate coupled to the ground. Three different fields of application of such modeling is presented. The first field of application is concerned with ground mitigation due to the passing tramway on. The first plate is the excited plate by the tramway and the second plate, called Horizontal Wave Barrier, is acting at the top surface as a ground attenuator. The second field of application is concerned with the modeling of building foundation. It is shown that the vibration received by the foundation of a building can be an input data for modeling an entire building vibration. The third field of application is concerned with different cases of tramway slab for reduction of ground vibration. Finally one presents an introduction of the use of this ground structure modeling in the case of inverse problem. It is shown that it is possible to identify injected force to the plate by the tramway. Furthermore the ground allows a regularization of the problem in the inversion which is not the case in the acoustical case.

La thèse se base sur la recherche des possibilités de caractérisation du son aérien de sources sonores arbitraires. A cette fin, une approche particulière est étudiée à l’endroit où la caractérisation de la source est faite via une surface d’interface qui enveloppe totalement ou partiellement la source physique. Deux descripteurs qui dépendent de la fréquence sont definis au travers d’une telle surface: la pression sonore bloquée et l’impédance de la source. Le précédent représente la pression sonore créée par le système d’exploitation source qui agit sur la surface enveloppante quand elle est rendue immobile. Cette dernière représente le rapport des amplitudes de réponse de pression et les amplitudes de vitesse d’excitation normales au travers de la surface. La surface enveloppante définit un volume d’air qui contient la source physique appelée l’espace source. Les deux descripteurs définis sur l’espace source, la pression bloquée et l’impédance de la source sont montrés comme étant intrinsèques à la source, c’est-à-dire indépendants de l’espace acoustique environnant. Une fois définis, ces descripteurs permettent de trouver la pression sonore et la vitesse particulaire normale à la surface de l’interface quand l’espace source est couplé à un espace récepteur arbitraire, c’est-à-dire une pièce. Cela permet alors la prédiction du son dans l’espace récepteur. Les conditions de couplage nécessitent que l’espace récepteur soit caractérisé en utilisant la même surface enveloppante telle que l’espace source. En acceptant de garder à l’esprit la simplicité de la mesure, la surface enveloppante a été conçue vu qu’elle comporte une ou plusieurs surfaces rectangulaires planes. Le défi de la recherche était alors d’obtenir une impédance significative de la surface au travers de la surface plane rectangulaire (continue) ainsi que celle de la pression bloquée compatible avec la formulation de l’impédance. Cela a conduit à une décomposition dans l’espace de la pression sonore et de la vitesse des particules au sein du nombre fini des composants, chacun défini par une amplitude complexe et une distribution dans l’espace particulière. De cette façon, la pression bloquée se réduit à un vecteur d’amplitude de pression complexe, tandis que l’impédance devient une matrice de pression et des rapports d’amplitudes complexes de la vitesse de défauts de de décompositions ont été recherchés dans le détail: la méthode harmonique de surface et la méthode du patch. Le premier se rapproche de la pression de surface et de la vitesse normale par des combinaisons de fonctions de surface trigonométriques en 2D tandis que ce dernier partage la surface en petites parcelles et intervient sur chaque parcelle de façon discrète en utilisant les valeurs moyennes du patch. / The thesis investigates possibilities of air-borne sound characterisation of arbitrary sound sources. To this end a particular approach is studied where the source characterisation is done via an interface surface which fully or partially envelopes the physical source. Two frequency dependent descriptors are defined across such a surface: the blocked sound pressure and the source impedance. The former represents the sound pressure created by the operating source which acts on the enveloping surface when this is made immobile. The latter represents the ratio of pressure response amplitudes and normal velocity excitation amplitudes across the surface. The enveloping surface defines an air volume containing the physical source, called the source space. The two source descriptors defined on the source space, the blocked pressure and the source impedance, are shown to be intrinsic to the source, i.e. independent of the surrounding acoustical space. Once defined, these descriptors allow one to find the sound pressure and normal particle velocity at the interface surface when the source space is coupled to an arbitrary receiver space, i.e. a room. This in turn allows for sound prediction in the receiver space. The coupling conditions require that the receiver space is characterised using the same enveloping surface as the source space. Bearing the measurement simplicity in mind, the enveloping surface has been conceived as consisting of one or several rectangular plane surfaces. The research challenge was then to obtain meaningful surface impedance across a (continuous) rectangular plane surface as well as the blocked pressure compatible with impedance formulation. This has led to a spatial decomposition of sound pressure and particle velocity into finite number of components, each defined by a complex amplitude and a particular spatial distribution. In this way the blocked pressure reduces to a vector of complex pressure amplitudes while the impedance becomes a matrix of pressure and velocity complex amplitude ratios. Two decomposition methods have been investigated in detail: the surface harmonic method and the patch method. The former approximates the surface pressure and normal velocity by combinations of 2D trigonometric surface functions while the latter splits the surface into small patches and treats each patch in a discrete way, using patch-averaged values.

Les problèmes neurologiques dus aux AVC et aux lésions de la moelle épinière ainsi que la faiblesse des muscles squelettiques peuvent considérablement affecter les capacités motrices des personnes infirmes ou âgées. Les solutions traditionnellement utilisées pour l’assistance et le traitement de ces personnes dépendantes, sont relativement coûteuses; en termes de prise charge, elles impliquent, pour les aidants et les services de santé, des efforts humains et des moyens financiers importants. Dans ce cadre, la robotique apparaît comme une solution bien adaptée et prometteuse pour développer des systèmes d’assistance permettant d’améliorer l’autonomie des personnes dépendantes. Les exosquelettes des membres inférieurs sont des robots portables, destinés à être utilisés en tant que dispositifs d’aide à la mobilité pour augmenter les capacités motrices des sujets porteurs, ou comme auxiliaires de rééducation neuromusculaire. Ce domaine de recherche a fait l’objet, ces dernières années, d’un intérêt grandissant au sein de la communauté robotique. Du fait qu’un exosquelette est caractérisé par une interaction physique et cognitive directe avec son porteur, sa fonction principale est de fournir une assistance adaptée aux capacités sensorimotrices du sujet porteur. Il est, par conséquent, nécessaire de développer des stratégies de commande basées sur l’intention de mouvement du porteur. Du point de vue de l’exosquelette, les contacts physiques avec le sujet porteur ou l’environnement sont considérés comme des perturbations affectant la bonne réalisation des mouvements désirés du porteur. Ces perturbations doivent être également être prises en compte lors de la conception des stratégies de commande.Dans cette thèse, nous proposons trois stratégies de commandes assistives pour les exosquelettes des membres inférieurs. Deux modes d’assistance sont étudiés ici: le mode passif où le sujet dispose de capacités motrices très limitées et ne développe quasiment aucun effort, et le mode actif-aidé où le sujet possède certaines capacités motrices mais qui sont insuffisantes pour réaliser de manière autonome un mouvement désiré. Dans la première stratégie de commande, le sujet est supposé être en mode passif. Une commande robuste par modes glissants, basée sur un observateur non-linéaire de perturbations (Nonlinear Disturbance Observer (NDO)), est développée pour garantir un suivi précis des mouvements désirés de l’articulation du genou. Dans la deuxième stratégie de commande, nous proposons une structure de commande en impédance active non-linéaire où le sujet est supposé être en mode actif-aidé. Cette stratégie de commande assistive est utilisée pour assister le porteur dans la réalisation d’activités physiques mono-tâche. L’évaluation des performances de la structure proposée sont étudiées dans le cadre de deux activités: la flexion/extension du genou et le transfert assis-debout. Enfin, la troisième stratégie de commande proposée est une commande contextualisée pour assister le porteur dans ses activités de marche. Nous proposons une approche permettant de détecter le mode de marche dès le début d’un nouveau pas, en utilisant les caractéristiques cinématiques du porteur, à savoir la position et la vitesse des pieds lors de la marche. L’approche de détection du mode de marche rend possible la sélection des modèles cinématique et cinétique appropriés pour chaque mode. Différentes stratégies d’assistance sont développées: compensation partielle de la gravité, assistance basée impédance de type ressort/amortisseur virtuel et assistance de type impédance nulle. Ces stratégies sont combinées différemment selon le mode de marche estimé. Pour évaluer les performances des stratégies de commande proposées, deux prototypes d’exosquelettes des membres inférieurs ont été développés: l’exosquelette de l’articulation du genou EICOSI, et l’exosquelette des membres inférieurs E-ROWA / Neurological problems caused by stroke and spinal cord injury as well as the weakness of skeletal muscles may considerably affect the motor ability of the elderly and infirm. Traditional solutions of assistance and treatment for these dependent people are relatively costly; they generally need significant human efforts and financial resources from caregivers and national healthcare centers. In this context, robotics appears as a convenient and promising solution to develop assistive systems for improving the autonomy of dependent people. Lower limb exoskeletons are wearable robots that can be used as assistive devices for augmenting the wearer’s motor ability and/or improving the effectiveness of neuromuscular rehabilitation. Recently, they have attracted increasing interest in the robotics community. As lower limb exoskeletons exhibit close cognitive and physical interactions with the wearer, a fundamental function is to provide appropriate power assistance by taking into account the wearer’s sensor-motor ability. Consequently, it is of great importance to develop human intention based control strategies. Meanwhile, from the exoskeleton’s viewpoint, the physical contacts with the wearer and the environment are both considered disturbances affecting the accomplishment of the wearer’s desired movements. These disturbances should also be taken into account during the design of control strategies.In this thesis, we develop three assistive control strategies for lower limb exoskeletons. In the meantime, two modes of assistance are studied: the passive mode in which the wearer has very limited motor ability as well as the active-assisted mode in which the wearer has certain motor ability but that is insufficient to perform autonomously a desired physical movement. In the first control strategy, the wearer is assumed to be in passive mode. A robust sliding mode control approach is developed based on the use of a nonlinear disturbance observer, in order to guarantee accurate tracking performance of desired knee joint movements. In the second control strategy, we propose a human intention based nonlinear active impedance control structure, in which the wearer is in an active-assisted mode. This assistive strategy is used to assist the wearer in single-task physical activities, for instance, the knee joint flexion/ extension movement. We investigate the performance of the proposed control structure based on two case studies: knee-joint flexion/extension movements and sit-to-stand movements. Finally, the third control strategy is developed to assist the wearer during walking activities. We propose a new approach that is able to detect the gait mode at the early beginning of a new step using the kinematic features namely velocity and position of the wearer’s feet during walking. The proposed gait mode detection approach makes it possible to select appropriate kinematic and kinetic models for each gait mode. Different assistive strategies are developed: partial gravity compensation, virtual-spring/damper based impedance assistance and zero impedance assistance. These strategies are combined differently according to the estimated wearer’s gait mode. To evaluate the proposed control strategies, two lower limb exoskeleton prototypes are developed: a knee joint lower limb exoskeleton, called EICOSI, and a full lower limb exoskeleton, called E-ROWA

A partir de paramètres électriques comme le courant de court-circuit, la tension transépithéliale et la conductance, il est possible d'étudier des phénomènes de transports électrogéniques à travers un tissu biologique. Ces mesures peuvent contribuer à l'étude d'une molécule en fonction de sa traversée et de son action sur les propriétés de l'épithélium, de son mécanisme de transport, de sa relation concentration-passage ou encore de ses effets comparés à des molécules de référence. Le travail réalisé porte sur la conception d'un système automatisé permettant de mesurer ces trois paramètres électriques. Le principe de base utilisé est celui de la chambre d'Ussing. Il consiste à monter un tissu biologique entre deux demi-chambres pour isoler ses cotés muqueux et séreux et à mesurer ses paramètres électriques par l'intermédiaire d'électrodes de courant et de référence. L'étude a abouti à la réalisation d'une chambre d'Ussing modifiée pour optimiser la circulation de la solution physiologique et homogénéiser la densité de courant électrique traversant le tissu biologique. Des électrodes en acier inoxydable ont également été étudiées pour démontrer leur utilisation possible dans la chambre. Le principe de mesure retenu est fondé sur un correcteur défini d'après une fonction de transfert simplifiée du système. Une modélisation plus précise des interfaces et de différents tissus a été réalisée par impédancemétrie et a été utilisée pour la simulation et la calibration du correcteur. Les résultats obtenus ont été confrontés à un système de référence et permettent d'envisager par la méthode proposée une utilisation améliorée des chambres d'Ussing.

Ce travail de Thèse traite des problèmes directs et inverses de la magnétoencéphalographie (MEG) et de l'électroencéphalographie (EEG). Trois thématiques y sont abordées. Le problème direct est traité à l'aide des méthodes d'éléments frontière. Une nouvelle formulation, dite formulation symétrique, est proposée. Cette nouvelle formulation est ensuite appliquée au problème de la tomographie par impédance électrique pour lequel deux algorithmes d'estimation de conductivité sont proposés. Le problème inverse est traité dans le cadre des méthodes image. Des techniques de régularisation d'image par processus de diffusion sont transposées au problème inverse pour contraindre la reconstruction de sources distribuées. Plusieurs algorithmes sont proposés dont un calculant la solution inverse de variation totale minimale.