La richesse de la physique sous-jacente au déplacement de parois magnétiques suscite actuellement un fort intérêt, réhaussé par les possibilités d'applications dans les mémoires magnétiques.Les nanobandes fabriquées par lithographie constituent la quasi-totalité des systèmes dans lesquels les parois sont étudiées.Une géométrie cylindrique implique cependant des structures et dynamiques de parois qui se démarqueraient de celles observées dans les nanobandes et résoudraient notamment les limitations des vitesses de propagation observées.Leur procédé d'élaboration, fabrication d'une membrane nanoporeuse et remplissage électrolytique des pores, permet d'obtenir des fils auto-organisés en réseau, de grand rapport d'aspect et de faible distribution en diamètre.Malgré leur intérêt indéniable, peu d'études ont été consacrées aux parois dans ces systèmes cylindriques.Cette thèse se propose donc de contribuer au sujet.Une partie de cette thèse a été consacrée à la mise en place et au développement de certaines étapes du procédé de fabrication : réduction de la porosité des membranes, modulation du diamètre des pores, dépôt électrolytique d'un alliage magnétique.Ces ajustements de la géométrie et de la structure des fils ont permis d'étudier plusieurs aspects des parois dans les nanofils.Dans un premier temps, une méthode expérimentale a été proposée pour réduire les interactions magnétostatiques qui gêneraient la propagation des parois dans les réseaux denses de fils.Son efficacité a été démontrée sur le mécanisme de nucléation des parois qui intervient en bout de fil lors du renversement de l'aimantation, en mesurant les cycles d'hystérésis des réseaux de fils.D'autres mécanismes de piégeage ont ensuite été mis en évidence par l'analyse de courbes de première aimantation mesurées suite à la nucléation contrôlée de parois.Les champs de propagation de l'ordre de quelques milliteslas, mesurés par microscopie à force magnétique sur des fils individuels, ouvrent cependant la voie aux études dynamiques dans ces systèmes.Enfin, l'observation de la structure interne des parois par dichroïsme circulaire magnétique de rayons X en microscopie de photoémission d'électrons (PEEM-XMCD) a permis de mettre en évidence les deux types de parois prédits par la théorie et les simulations, pour lesquels des mobilités très différentes sont attendues. / The underlying physics of magnetic domain wall motion is currently arousing a strong interest, enhanced by the possibilities of applications into magnetic memories.Domain walls are mostly studied in nanostripes made by lithography.Nevertheless, a cylindrical geometry would involve domain walls with different structures and dynamical behaviors that could resolve issues, such as the speed limitation observed in nanostripes.Their elaboration process, via the fabrication of nanoporous template followed by the electrolytic filling of the pores, leads to self-organized nanowires with high aspect ratio and weak distribution in diameter.In spite of their undeniable interest, for now only very few domain walls studies have been conducted on such cylindrical systems.This thesis hence intends to contribute to the subject.Part of the thesis have been devoted to the setting and development of some steps of the fabrication process : reduction of membrane porosity, modulation of the pore diameter, electrodeposition of a magnetic alloy.These geometrical and structural adjustments of the nanowires have been used to study several facets of domain walls in nanowires.In the first place, an experimental way to reduce the magnetostatic interactions that could disturb domain wall propagation in dense arrays of nanowires have been proposed.Its efficency have been demonstrated through array hysteresis cycles, on the domain wall nucleation that occurs at nanowires extremities during magnetization reversal.Others pinning mechanisms have then been evidenced by analyzing initial magnetization curves measured after a controlled nucleation of domain walls.However, the observation of propagation fields of a few milliteslas by magnetic force microscopy (MFM) on individual nanowires opens the way to dynamical studies on such systems.At last, the observation of domain wall internal structure by X-ray magnetic circular dichroism in photoemission electron microscopy (XMCD-PEEM) evidenced the two types of domain walls theoretically and numerically predicted, for which very different mobilities are expected.

La réfrigération magnétique est une alternative pertinente dans un contexte où les gaz réfrigérants sont soumis à des restrictions environnementales. Ces restrictions nécessitent l'évolution de la technologie actuelle ou bien l'émergence d'une nouvelle, d'où l'opportunité pour la réfrigération magnétique de prouver son potentiel. En effet, elle pourrait s'avérer énergiquement plus efficace et avec des densités de puissance supérieure. Ces travaux de thèse apportent des réponses sur le potentiel de la réfrigération magnétique. Dans cette logique, la thermodynamique et le magnétisme, outils indispensables à notre étude, sont développés dans le cas des matériaux à effet magnétocalorique. Puis, nous verrons que les caractérisations de ces derniers sont en mesure de fournir des modèles matériaux cohérents et réalistes, si des précautions sont prises. L'effet magnétocalorique étant limité en termes de variation de température, nous allons étudier différentes structures de réfrigération. Enfin, des modèles numériques sont développés pour permettre d'optimiser les structures à régénérations actives, qui sont les plus utilisées. Ces modèles doivent permettre de dimensionner des systèmes proches de leurs optimums. / Magnetic refrigeration is a relevant alternative in consideration of environmental restrictions of refrigerants gases. These restrictions require to improve the current technology or to pave the way for a new one, hence the opportunity for magnetic refrigeration to demonstrate its potential. Indeed, it could be energetically efficient and with higher power densities. This work aims to estimate the potential of magnetic refrigeration. Magnetism and thermodynamic, essential tools for our study, are developed in a case of magnetocaloric effect. With some care, we show that material characterizations are able to give consistence and relevant model. Magnetocaloric effect suffers of small temperature variations; therefore structures that increase the temperature span and give competitive system are studied. Finally numerical models are developed to optimize active magnetic regenerators, which are currently the most used. These models are used to calculate and design systems close to their optimum.

Les travaux effectués lors de cette thèse portent sur l'optimisation de la configuration magnétique des propulseurs à effet Hall. Ceci regroupe deux objectifs: d'une part la réalisation d'un propulseur à effet Hall dont la topologie magnétique est entièrement paramétrable, ce qui constituera un outil précieux pour l'étude de l'impact du champ magnétique sur le fonctionnement du propulseur et d'autre part, l'étude de moyen de conception rationalisée de circuits magnétiques pour ces mêmes propulseurs. Le premier sujet a conduit à la réalisation du PPS-Flex, un propulseur proposant une structure de circuit magnétique innovante offrant un grand nombre de degrés de liberté en termes de réglage du champ magnétique produit. La deuxième thématique a quant à elle été abordée en s'appuyant sur des méthodes d'optimisation (paramétrique et topologique) permettant d'aboutir à un circuit magnétique optimal pour un ou plusieurs critères de conception (fidélité du champ magnétique généré, minimisation de la masse, du volume total, etc.)

Les tumeurs endocrines sont habituellement diagnostiquées grâce à l'emploi d'une technique d'imagerie utilisant un peptide radio-marqué (somatostatine ou Osteoscan) dont le récepteur est présent dans 80% des tumeurs. Le récepteur à sept domaines transmembranaires RCCK2 est également sur-exprimé avec une forte incidence dans les tumeurs endocrines. De plus, notre équipe a montré que la gastrine et la CCK, les deux ligands agonistes naturels du RCCK2, induit une internalisation massive du RCCK2 ; le récepteur est ensuite orienté majoritairement avec ses ligands vers les lysosomes pour y être dégradé. Notre équipe a alors formulé l'hypothèse que la surexpression de RCCK2 dans les tumeurs endocrines comparativement aux tissus sains et sa capacité d'internalisation massive pouvaient être avantageusement utilisées pour développer une nouvelle approche diagnostique et thérapeutique. Mon projet de thèse présentaient plusieurs objectifs : 1°) optimiser une nanoplateforme magnétique permettant le ciblage efficace de cellules tumorales surexprimant le RCCK2 ; 2°) valider la stratégie de nanothérapie ciblée par hyperthermie magnétique afin d'éradiquer spécifiquement des cellules tumorales surexprimant le RCCK2, puis étudier les mécanismes cellulaires impliqués dans la signalisation de mort ; 3°) élaborer des stratégies permettant d'augmenter l'efficacité thérapeutique anti-tumorale. Dans un premier temps, j'ai développé une nano-plateforme constituée d'une nanoparticule magnétique (NPM) d'oxyde de fer de type SPION (superparamagnetic iron oxide nanoparticles). J'ai élaboré différents lots de NPM présentant différentes densités en ligand à leur surface et analysé leur capacité de liaison, d'internalisation et d'accumulation dans les lysosomes. Les nanoparticules vectorisées s'accumulent dans les cellules de façon dépendante du récepteur (2.2pg de fer/cellule). J'ai ensuite cherché à valider la stratégie de nanothérapie ciblée par hyperthermie magnétique. Pour cela, j'ai appliqué un champ magnétique alternatif à haute fréquence (275 kHz, 40 mT) sur des cellules ayant ou non internalisé des NPM. L'application du champ magnétique, induit la mort de 30% des cellules tumorales ayant internalisé des NPM, sans élévation détectable de température du milieu extracellulaire, suggérant que l'hyperthermie magnétique serait probablement induite très localement à l'échelle du lysosome. Nous avons appelé ce phénomène : hyperthermie magnétique intra-lysosomale. Ensuite, j'ai cherché à préciser les mécanismes cellulaires pouvant être impliqué dans l'induction de la mort des cellules. Mes résultats montrent que l'application du champ magnétique sur des cellules ayant accumulé des NPM dans leur lysosome induit une production de radicaux libres oxygénés (ROS) responsables de la perméabilisation de la membrane lysosomale et conduisant à la fuite des cystéines protéases lysosomales dans le cytosol, impliqués ainsi dans le mécanisme de mort par hyperthermie magnétique intra-lysosomale. Enfin, dans le but d'augmenter l'efficacité thérapeutique, j'ai combiné ce traitement d'hyperthermie magnétique intra-lysosomale à un traitement chimiothérapeutique, la doxorubicine. Les résultats montrent un effet additif des traitements hyperthermique et chimiothérapeutique. Une telle stratégie de combinaison d'approches thérapeutiques présente l'avantage d'utiliser des doses faibles d'agent chimiothérapeutique, afin de limiter les effets secondaires vis-à-vis des cellules saines. / Endocrine tumors are usually diagnosed through the use of an imaging technique using a radiolabeled peptide (somatostatin or Osteoscan) whose receptor is present in 80% of tumors. The CCK2R which belongs to the seven transmembrane domains receptor family is also overexpressed with a high incidence in endocrine tumors. In addition, our team has shown that gastrin and cholecystokinin (CCK), both natural agonists of the CCK2R, induce a massive CCK2R internalization; then the receptor is directed with the ligand to lysosomes to be degraded. Our team hypothesized that CCK2R overexpression in endocrine tumors compared to healthy tissue and its ability to internalize could advantageously be used to develop a new diagnostic and therapeutic approach. My thesis project had several objectives: 1) To optimize a magnetic nano-platform for an effective targeting of tumor cells overexpressing the CCK2R; 2) To validate the targeted nanotherapy strategy by magnetic hyperthermia to specifically eradicate tumor cells overexpressing the CCK2R, and study the mechanisms involved in cell death; 3) To develop strategies in order to increase the anti-tumor therapeutic efficiency. Firstly, I have developed a nano-platform composed of a SPION (superparamagnetic iron oxide nanoparticles) type magnetic nanoparticle (MNP). I developed different batches of MNP with different ligand densities at their surface and analyzed their binding capacity, internalization and lysosomal accumulation. Targeted nanoparticles uptake is receptor dependent, reaching a rate of 2.2 pg iron/cell, after 24 hours of incubation. Thus, I validated the strategy of targeted nanotherapy by magnetic hyperthermia. For this, I applied a high frequency alternating magnetic field (275 kHz, 40 mT) on cells with or without internalized MNPs. The application of the magnetic field induces the death of 30% of tumoral cells having internalized MNPs, without any perceptible temperature rise in the incubation medium, suggesting that the magnetic hyperthermia would probably be induces very locally at the scale of the nanoparticules or the lysosome. We called this phenomenon intra-lysosomal magnetic hyperthermia. Then, I studied the cellular mechanisms involved in the induction of cell death by intra-lysosomal magnetic hyperthermia. My results showed that the application of a magnetic field increased the production of reactive oxygen species (ROS), leading to lysosomal membrane permeabilization and to the leakage of lysosomal enzymes in the cytosol of cells having internalized MNPs, indicating that ROS production and lysosomal cysteine proteases are involved in the mechanisms of cell death. Finally, in order to increase the therapeutic efficacy, I combined this intra-lysosomal magnetic hyperthermia treatment to a chemotherapeutic treatment, the doxorubicin. The results showed an additive effect of hyperthermia and chemotherapy treatments. This combining therapeutic strategy presents the advantage of using low doses of chemotherapeutic agent, in order to decrease the side effects towards healthy cells.

Dans un effort de combiner le bénéfice des propriétés magnétiques et électroniques, les semi-Conducteurs magnétiques dilués sont projetés pour être à la base de composants reliant dans leur fonctionnement, à la fois la charge et le spin des électrons. Par l'utilisation d'une technique de magnétométrie à effet Hall, on a fait la caractérisation de ces matériaux par la détermination de l'orientation magnétique à basse température. Nous nous sommes aussi intéressés aux matériaux moléculaires à transition de spin (SCO). La technologie des capteurs magnétiques offre une voie vers la vulgarisation des techniques de détection par l'utilisation de systèmes rapides et sensibles. La détection de la transition de spin des nanoparticules est réalisée par un capteur à effet Hall planaire, fabriqué à base de multicouches magnétiques. Le travail effectué est pionnier dans le domaine de la détection nano magnétique, il ouvre la voie à de nouvelles perspectives dans la recherche fondamentale et dans le développement technologique des capteurs magnétiques. Des améliorations du dispositif ont été réalisées et d'autres sont en stage de développement pour l'amélioration de la sensibilité et la réduction du bruit. L'optimisation devrait fournir un dispositif original de détection de transition de spin des nanoparticules à température ambiante. / In an effort to combine the benefits of magnetic and electronic properties, diluted magnetic semiconductors are projected to be the basis for devices combining in their operation, both the charge and spin of electrons. Using Hall Effect magnetometer, a characterization of these materials is done by determining the magnetic orientation at low temperatures. We were also interested in molecular materials spin crossover. The magnetic sensor technology provides a path to the extension of detection techniques through the use of rapid and sensitive systems. The detection of the spin crossover nanoparticles is achieved by a planar Hall Effect sensor, made from magnetic multilayers. The work is a pioneer in the field of nano magnetic detection; it opens up new perspectives in basic research and the technological development of magnetic sensors. Improvements of the device have been completed and others are under development in order to improve sensitivity and reduce noise. The optimization should provide a novel system for detecting spin transition nanoparticles at room temperature.

Le travail présenté porte sur la définition et le développement d’un circuit magnétique pour moteurs à haut rendement de faible et moyenne puissances. Il est réalisé avec des tôles à Grains Orientés (GO) non-segmentées. Des expérimentations réalisées en champ unidirectionnel, destinées à comparer les caractéristiques globales de la structure GO à celles obtenues sur un assemblage classique composé de tôles à grains Non-Orientés (NO), permettent de conclure quant à l’efficacité de l’association proposée en termes de pertes fer. Des investigations au niveau local, accompagnées d’une modélisation numérique, conduisent à une analyse de la répartition interne du flux magnétique dans la structure, permettant de l’optimiser. Cette technique d’assemblage est ensuite testée en champ tournant sur des moteurs statiques. Les performances obtenues, sont de nouveau comparées à celles relevées sur une maquette NO. L’étape finale consiste à tester le principe développé sur des moteurs à induction réalisés avec la configuration GO. Diverses caractéristiques sont relevées ou estimées (norme CEI) et comparées à celles de la machine NO d’origine. L’efficacité de la structure GOse traduit par une réduction notable des pertes fer, notamment statiques, conduisant à accroître sensiblement le rendement global de la machine. / The work presented is focused on the design and development of a magnetic circuit for high efficiency motors of medium and small powers. It is built with non-segmented laminations of Grain Oriented (GO) steel. Experimentations on magnetic circuits excited under unidirectional magnetic field are performed. Such tests aim the comparison of the GO structure global characteristics with those of a classic one composed of Non-Oriented (NO) steel, allowing seeing the superiority of the GO structure in terms of iron losses. Local experimentations, followed by a numerical model, allow the analysis of the local distribution of the magnetic flux within the structure, leading to its optimisation. Such technique of assembly is then tested under rotational magnetic field. In that context, several experimentations are performed and its performance is compared with the one of a NO prototype. The final stage consists in testing the developed structure in induction motors built withthis GO assembly. Several characteristics are measured or estimated (IEC standard) and compared with those obtained on the initial NO motor. The GO structure efficiency leads to a remarkable reduction of the static losses, allowing the increase of the global efficiency of the motor.

L’objectif de cette recherche est de développer un algorithme de segmentation du cartilage du genou à partir des images IRM en façon automatique et robuste. Cette recherche est réalisée en collaboration avec Laboratoire BodyCad. Le but final de cette étude est de permettre à l’entreprise de générer des prothèses du genou personnalisées. L’algorithme développé dans cette étude sera utilisé pour planification des chirurgies médicales de genou, donc la précision et la fiabilité de l’algorithme sont des points critiques. Afin de mieux comprendre les algorithmes existants de segmentation médicale, nous avons fait une évaluation de la littérature de ce domaine. Nous présentons une revue brève des recherches touchant le domaine de la segmentation des images médicales. L’algorithme proposé dans cette étude est implémenté en deux versions : la version primaire et la version étendue. Dans la version primaire, la segmentation est effectuée basée sur les informations extraites à partir d’une image IRM, tandis que la version étendue de notre algorithme extrait les informations de deux images IRM simultanément. Les résultats obtenus en utilisant trois ensembles distincts d’images IRM se présentent et se comparent dans la section de conclusion. La comparaison montre que l’algorithme a la capacité de produire les résultats de grande qualité. / The objective of this research is to develop a robust automatic algorithm for segmentation of the knee cartilage from MRI images. This research is carried out in collaboration with BodyCad Laboratories. The ultimate goal of this study is to allow the company to generate personalized knee prostheses. The algorithm developed in this study will be used in medical knee surgery planning, so the precision and reliability of the algorithm are of crucial importance. In order to achieve a better understanding of the existing algorithms in the field of medical segmentations, we performed a profound review of the literature in this field. We present a brief review of these studies in the literature review section. The algorithm proposed in this study is implemented in two versions: the primary version and the extended version. In the primary version, segmentation is performed based on information extracted from an MRI image, while the extended version of our algorithm extracts information from two MRI images simultaneously. The results obtained using three distinct sets of MRI images are presented in the results section and a comparison is drawn in the conclusion section of this document. This comparison shows that the algorithm has the ability to produce high quality results.

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une modalité d'imagerie médicale reposant sur l'utilisation de champs électromagnétiques pour acquérir des images tomodensitométriques du corps humain. Bien qu'appartenant à la catégorie des rayonnements non-ionisants (RNI), des effets transitoires peuvent être ressentis par les personnels travaillant à proximité d'une IRM. Ces travailleurs sont dits exposés aux champs électromagnétiques, même si les différents comités d’experts s’accordent pour dire qu’aucun effet d’accumulation de dose ou d’effet à long terme n’a été trouvé. Ces effets à court terme, allant d’un goût métallique au niveau de la bouche à la stimulation nerveuse et à l'échauffement, sont connus et identifiés. Ils peuvent néanmoins provoquer une gêne, voire un danger, pour le travailleur. Ces préoccupations concernent spécifiquement le champ magnétique permanent (de 1,5 T à 7 T) utilisé par l'IRM. Un groupement d'experts mandatés par l'Organisation Mondiale de la Santé (OMS) a ainsi déterminé l'évaluation de l'exposition des travailleurs au champ magnétique statique comme une priorité importante. Les travaux de cette thèse ont permis de répondre à cette demande en définissant et en implémentant un dispositif de mesure autonome et léger permettant la mesure de cette exposition ainsi que la caractérisation des mouvements du travailleur. La justesse de la mesure d'induction magnétique réalisée par le dispositif est garantie par une méthode de correction numérique prenant en compte les défauts de linéarité et d'orthogonalité du capteur. Basée sur les données du capteur, une méthode d'ajustement de la mesure d'induction magnétique a ensuite été définie. Cette méthode permet, à partir d'une mesure réalisée au niveau du torse du travailleur, d'extrapoler la valeur d'induction magnétique au niveau de la tête de celui-ci. Enfin, une validation pratique du dispositif de mesure a été effectuée à travers un suivi de l'exposition des travailleurs IRM de trois centres d'imagerie médicale : imagerie clinique, imagerie interventionnelle et IRM ultra hauts champs (7~T). Des méthodes d'extraction de métriques permettant l'analyse précise et la comparaison de l'exposition des travailleurs au champ magnétique statique ont été proposées. Les travaux présentés dans cette thèse ont ouvert des perspectives intéressantes, permettant de réaliser le suivi à long terme de l'exposition des travailleurs au champ magnétique statique de façon quasi autonome. De plus, une industrialisation des outils et méthodes définis a pu être réalisée et est actuellement en cours de validation / The Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a medical imaging modality using electromagnetic fields (EMF) in order to perform human body tomodensitometric images. Even if these fields are Non-Ionizing Radiations (NIR), some transitory effects can be felt by the staff working in the vicinity of the MRI. Such workers are qualified as “exposed” to EMF, even if all expert comities agree to say that no accumulative or long term effects have been identified yet. Short term effects are known and identified, from metallic taste in the mouth, nerve and muscle stimulation, to biologic tissue heating, which can be troublesome or dangerous. The main exposure concern comes from the MRI permanent static magnetic field (ranging from 1.5 T to 7 T). An expert comity, mandated by the World Health Organization (WHO), has therefore defined the evaluation of the exposure of the MRI workers to the static magnetic field as a priority. This was the focus of this PhD thesis. A light and autonomous static magnetic field monitor (called "exposimeter") has been developed. It allows the recording of the three-dimensional magnetic fields as well as workers’ movements. Its magnetic induction measurement accuracy has been ensured by a specific calibration, which takes into account non-linearity and non-orthogonality of the magnetic sensors. Based on exposimeter data, a magnetic induction extrapolation method has then been developed. This method allows the estimation of the EMF exposure at the head with sensors placed on the torso. Finally, a practical validation of the device has been performed in multiple MRI clinical and research centers, included clinical MRIs (1.5 T and 3 T), an interventional MRI (1.5 T) and an ultra-high field MRI (7 T). Metrics have been defined in order to precisely analyze and compare workers exposure. All the works presented in this PhD thesis open new perspectives such as long term static magnetic field exposure follow-up. Moreover, industrial transfer of the device has been performed and is currently being validated

Cette thèse concerne l'étude d'un nouvel outil expérimental d'investigation de la dynamique de l'aimantation, adapté à la mesure de nanostructures magnétiques. Cette technique, la Microscopie par Résonance Ferromagnétique (f-MRFM), s'inspire des microscopies à sonde locale pour réaliser une détection mécanique de la Résonance Ferromagnétique (RFM). Un dispositif original a été mis au point. Ses performances sont caractérisées par l'étude d'un disque de grenat magnétique de 160 microm. de diamètre. Les résultats démontrent une sensibilité et une résolution spectrale adaptées à la mesure d'échantillons microscopiques individuels, et permettent de conclure quant à la configuration la plus judicieuse en terme d'intensité du signal ou de résolution spatiale pour l'imagerie des excitations magnétiques. Cette technique permet en outre de remonter à une information quantitative sur la RFM, capacité qui est utilisée pour obtenir une mesure directe du temps de relaxation longitudinal T1.

Lors de la réalimentation des auxiliaires d'une tranche nucléaire, l'étape la plus à risque est la remise sous tension brusque du transformateur à cause des surtensions. Dans un soucis perpétuel d'amélioration de la modélisation de ces transitoires, les modèles et techniques doivent évoluer. Le but de ces travaux de thèse est de proposer de nouvelles méthodologies permettant d'évaluer les paramètres mal connus de la modélisation. Lors des mises sous tension des lignes électriques, une méthodologie s'appuyant sur l'identification (optimisation ou techniques issues du traitement du signal) permet de déterminer les paramètres variables de la modélisation. Cependant, un des paramètres influents pour les surtensions est le flux rémanent. Face aux problèmes actuels rencontrés pour l'estimer (méthode non directe, dérive, ...), une nouvelle méthode basée sur la mesure des flux de fuites du circuit magnétique est proposée. Des mesures réelles utilisant des capteurs de technologie " fluxgate " sont réalisées et permettent d'estimer le flux rémanent.