Les produits de contraste ultrasonore ont considérablement fait évoluer la pratique de l’imagerie échographique. Composés de microbulles de gaz, capables de circuler dans le sang, ils ont facilité la visualisation de la perfusion tissulaire et le diagnostic de tumeurs cancéreuses. L’efficacité d’un agent de contraste se définit par sa capacité à rehausser le signal ultrasonore. La lecture de ce signal a nécessité la mise en place de séquences d’imagerie spécifiques, lesquelles exploitent les composantes non linéaires émises par les microbulles, et plus particulièrement le second harmonique. Néanmoins, l’exploitation du second harmonique pâtit de la propagation non linéaire des ultrasons dans les tissus, réduisant ainsi la discrimination entre les tissus et les zones pathologiques. Depuis quelques années, différents groupes de recherche tentent d’isoler d’autres harmoniques. La composante sous-harmonique apparaît comme une alternative intéressante et offrent de nombreux avantages : parmi ceux-ci, notons tout particulièrement la moindre atténuation du signal et l’absence de génération de composantes sous-harmoniques par propagation non linéaire. / No summary available.

Depuis leur introduction, les agents de contraste ont révolutionné l'imagerie échographique. Ils sont composés de microbulles gazeuses, qui injectés par voie intraveineuse dans le sang, ils améliorent l'image échographique. Une autre application pour laquelle les caractéristiques physiques des agents de contraste sont exploitées est l'imagerie ciblée. Une approche basée sur l'utilisation de ligands intégrés à la paroi des microbulles, celles-ci adhérent aux facteurs de surfaces moléculaires surexprimés par les cellules endothéliales qui tapissent la paroi interne des vaisseaux sanguins. Pour pouvoir distinguer ces microbulles de celles qui circulent librement, elles doivent réfléchir un signal acoustique suffisamment intense. Cependant, le faible taux d'adhérence des microbulles engendre une réduction du signal acoustique. Pour résoudre ce problème, il est important de déterminer l'effet des parois sur leurs dynamiques acoustiques. Dans cette thèse, nous avons étudié l’effet des parois élastiques sur le comportement dynamique des microbulles constituant les agents de contraste. Dans un premier temps, un modèle théorique représentant une paroi avec une épaisseur finie a été développé. Il a été démontré que l’amplitude de l’écho rétrodiffusé par une microbulle proche d’une paroi avec une épaisseur finie est inférieure à celui d’une microbulle se trouvant dans un fluide infini. D'autres parts, pour représenter la paroi d’un vaisseau sanguin, les propriétés mécaniques de la paroi élastique ont été intégrées au modèle. Il a été observé que la fréquence de résonance d’une microbulle proche d’une paroi est supérieure à celle dans un fluide infini. Par la suite, nous avons étudié l’effet de trois types de parois sur le comportement d’une microbulle parmi lesquelles la paroi d'OptiCell communément utilisée en expérimentations ultrasonores. Les résultats ont montré que la microbulle proche de la paroi d’OptiCell diffuse un écho supérieur à celui de la microbulle éloignée de la paroi, lorsque la fréquence d’excitation est au-dessus de sa fréquence de résonance. Nous avons constaté aussi que les petites bulles sont plus sensibles à la proximité de la paroi. Par la suite, nous avons développé un modèle décrivant une microbulle attachée à une paroi élastique. Nous avons montré que le contact direct de la bulle avec la paroi induit une diminution de l'écho par rapport à la même bulle dans un liquide infini. Le contact direct de la bulle avec la paroi engendre une augmentation de la fréquence de résonance part rapport à une bulle sans contact direct. Enfin, une étude expérimentale a montré l'avantage de l'imagerie sous-harmonique pour différencier les microbulles attachées des microbulles libres. / Since they were introducted, contrast agents have revolutionized the ultrasound imaging. They are composed of tiny gaseous microbubbles and when injected intravenously into the blood, they improve the ultrasound image. Targeted imaging is another application based on the physical characteristics of contrast agents. This approach is based on the ligands incorporation into the microbubbles shell. The microbubble attach to the molecular factors overexpressed by endothelial cells, covering the inner wall of blood vessels. To distinguish these microbubbles from those freely circulating, attached microbubble have to produce an acoustic signal that is sufficiently strong. However, the low microbubbles adhesion induces a decrease of the acoustic signal. To make it possible, it is important to determine the effect of the elastic wall on their acoustic response. This thesis aimed to study the effect of elastic walls on the ultrasonic behavior of targeted microbubbles. First, a theoretical model describing a wall with finite thickness was developed. It has been shown that the scattered echo amplitude by a microbubble near a wall with finite thickness is small in comparison to the echo from a microbubble located in an infinite fluid. Furthermore, and in order to account for the effect of blood vessel wall, the mechanical properties of the wall have been incorporated into the model. The results showed that the resonane frequency of a microbubble near the wall is higher than the resonanace of the same microbubble in an infinite medium. Subsequently, we studied the effect of three types of walls on the microbubble behavior including the wall of OptiCell chamber which is commonly used in ultrasonic experiments. We have shown that microbubbles near the OptiCell wall diffuses a higher echo than those far from the wall when the excitation frequency is above the microbubble resonance frequency. On the other side, we observed that small microbubbles to the presence of the wall. Afterward, we developed a model describing a microbubble attached to the wall. We have shown that the microbubble in direct contact with the wall induces a decrease of the echo amplitude compared to the same bubble in infinite liquid. Moreover, the direct contact of the bubble with the wall generates an increase of the resonance frequency relative to a bubble without direct contact. Finally, an experimental study has shown the advantage of the subharmonic imaging to differentiate attached microbubbles from the free ones.

Dans l’objectif de limiter les effets destructeurs de l’implosion de bulles de cavitation ultrasonore, un régime d’oscillations stables de bulles doit potentiellement être visé pour des applications thérapeutiques sensibles comme l’ouverture de la barrière hémato-encéphalique. Cependant, garantir une activité d’oscillations stables est difficile de par le caractère stochastique de la cavitation ultrasonore, et de la coexistence de bulles oscillantes (cavitation stable) et implosantes (cavitation inertielle) au sein d’un nuage de bulles. Il est donc nécessaire de contrôler spatialement et temporellement le phénomène de cavitation en discriminant les régimes de cavitation stable ou inertielle, au cours de la durée d’un tir ultrasonore, et ce en régime pulsé. Dans une première étude, la dynamique d’un nuage de bulles monodisperses et uniformément réparties dans l’espace met en évidence l’effet de l’interaction entre bulles sur le seuil de cavitation stable : il s’abaisse en pression et la fréquence de résonance des bulles se décale en fonction de la densité de bulle. Il est ainsi montré qu’il existe une densité de bulle optimale pour l’émission de la composante sous-harmonique. Ensuite, une stratégie de contrôle est développée, basée sur une boucle de rétroaction régulant la signature acoustique d’un régime donné de cavitation. L’utilisation de la stratégie d’asservissement permet de discriminer les régimes de cavitation stable et inertielle au cours du temps, mais aussi de garantir une activité de cavitation plus stable temporellement, plus reproductible, et ce pour des énergies acoustiques moyennes délivrées inférieures. Enfin, le processus de contrôle est utilisé expérimentalement pour des applications in-vitro de sonoporation cellulaire. Tout d’abord, une étude de sonoporation en cavitation inertielle régulée met en évidence l’amélioration de la reproductibilité des taux de sonoporation obtenus, et la possibilité de s’affranchir de l’utilisation d’agents de contraste comme agents de nucléation. Ensuite, une étude en cavitation stable régulée met en évidence la possibilité de sonoporer des cellules en limitant les activités de cavitation inertielle, et donc potentiellement en limitant la lyse cellulaire / In the aim of limiting the destructive behavior of collapsing cavitation bubbles, an exclusively stable cavitation state is targeted for sensitive therapeutics applications like blood-brain barrier opening. Ensuring a stable cavitation regime is complex because of (i) the coexistence of stably oscillating bubbles and collapsing bubbles in the same bubble cloud, and (ii) the stochastic behavior of the phenomenon during time. Therefore, it is necessary to control spatially and temporally the cavitation activity, by discriminating the stable from the inertial regime. Firstly, the theoretical study of the dynamics of a monodisperse and homogeneous cloud shows a modification of the stable cavitation threshold as a function of the bubble density: the subharmonics emission threshold is lowered and the resonance frequency is shifted. The study leads also to the expression of a particular microbubbles density leading to optimized subharmonics emission. Secondly, a real-time control strategy based on a feedback loop process on subharmonics emission is designed. The use of this strategy allows discriminating the two cavitation states during time, and ensures a better reproducibility, time-stability and an acoustic energy gain. The control device is used for cells sonoporation in-vitro. In a first study, the sonoporation by inertial cavitation control is performed in a stationary ultrasonic field configuration. This leads to high sonoporation efficiency coupled to the possibility of counterbalancing the use of supplementary nuclei (encapsulated microbubbles). In a second one, the stable cavitation control applied in a focused ultrasound configuration field pinpoints the possibility of sonoporating cells without inertial cavitation, and then to limit cell lysis

Les ondes gravito-inertielles jouent un rôle majeur dans les échanges d'énergie globaux sur la planète. Si la génération des ondes est bien connue dans l'atmosphère et l'océan, le devenir de ces ondes au cours de leur propagation n'est pas complètement défini aujourd'hui. Ces ondes peuvent interagir de façon non-linéaire avec elles-mêmes et créer des structures de plus petite échelle qui vont se dissiper plus facilement. Ainsi, le phénomène d'instabilité paramétrique sous-harmonique (PSI), a été étudié de façon expérimentale. Nous avons effectué la première mise en évidence expérimentale de l'interaction de trois ondes planes inertielles bi-dimensionnelles, sous la forme d'une triade résonnante. Cette étude améliore en outre la compréhension de la turbulence en rotation. Les ondes internes peuvent aussi créer, ou interagir avec des écoulements lents de grande échellequi peuvent modifier la biodiversité au fond des océans. Nous avons mis en évidence une situation expérimentale à l'origine d'un tel écoulement moyen induit par les ondes et, à l'aide d'un modèle théorique simplifié, nous avons expliqué la formation de ces écoulements. Enfin, on étudie également des tourbillons en fluide stratifié pour permettre de futures études sur l'interaction d'ondes gravito-inertielles avec des tourbillons.

Cette thèse concerne la récupération d'énergie vibratoire dans le but de proposer une alternative aux batteries conventionnelles pour l’alimentation de systèmes autonomes sans fil. Ceci permettrait d’améliorer leur compacité (moins d’énergie stockée), leur tenue dans des environnements sévères (forte température) et de réduire leur besoin d'entretien. Cette étude se concentre plus particulièrement sur les générateurs oscillants bistables, intéressants pour leur grande plage de fréquences utile comparée à celle offerte par les générateurs linéaires (limitée à la zone de résonance). Cette thèse se divise en quatre grandes parties. La première présente la construction du modèle mathématique permettant de prédire les différents comportements du générateur bistable (ces derniers pouvant coexister sur certaines plages de fréquences) incluant l'étude de la stabilité aux petites perturbations. Ce modèle met en évidence des comportements du générateur encore peu exploités pour la récupération d'énergie : les comportements sous-harmoniques dont la plage de fréquences permet d'agrandir la bande passante globale du générateur. Afin d’améliorer la précision du modèle, celui-ci est ensuite complété dans la deuxième partie par un critère semi-analytique : le critère de robustesse de stabilité qui caractérise la sensibilité du générateur aux perturbations extérieures (plus un comportement est robuste plus il sera facile à maintenir dans le temps). Le modèle ainsi obtenu ainsi que le système expérimentale montrent une grande plage de fréquences sur laquelle coexistent des comportements intéressants pour la récupération d’énergie (les orbites hautes) et des comportements non désirables (les orbites basses). La troisième partie de cette thèse présente donc différentes stratégies permettant de sauter des orbites basses vers les orbites hautes en jouant directement sur les paramètres du générateur. Enfin, la quatrième et dernière partie s’attarde sur l’influence du circuit d'interface AC-DC entre le générateur bistable et la charge en vue de son intégration future. / This thesis concerns vibratory energy harvesting in order to propose an alternative to conventional batteries for the power supply of autonomous wireless systems. This would improve their compactness (less stored energy), their resistance to harsh environments (high temperature) and reduce their need for maintenance. This study focuses in particular on bistable oscillating generators, which are interesting for their large useful frequency range compared to that offered by linear generators (limited to the resonance zone). This thesis is divided into four main parts. The first presents the construction of the mathematical model to predict the different behaviors of the bistable generator (these behaviors can coexist over certain frequency ranges) including the study of stability to small disturbances. This model highlights original behaviors for energy recovery: subharmonic behaviors whose frequency range allows increasing the overall generator bandwidth. In order to improve the accuracy of the model, a semi-analytical criterion is then added: the stability robustness criterion which characterizes the sensitivity of the different behaviors to external disturbances (the more robust a behavior, the easier to maintain over time). The model obtained and the experimental prototype show a wide frequency range on which the interesting behaviors (high orbits) and the undesirable behaviors (low orbits) coexist. The third part of this thesis therefore presents different strategies for jumping from low to high orbits by playing directly on the generator parameters. Finally, the fourth and last part focuses on the influence of the AC-DC interface circuit between the bistable generator and the load for future integration.

L'amélioration du contraste des images échographiques occupe une place importante en imagerie ultrasonore médicale puisque la qualité des images impacte directement le diagnostic médical. Les imageries de contraste sous et ultra-harmoniques sont deux techniques permettant de produire des images à fort contraste. Le développement de techniques de filtrage, permettant de mieux extraire les composantes sous et ultra-harmoniques présentes dans les signaux renvoyés par les produits de contraste ultrasonore, a pour conséquence d'améliorer encore plus le contraste des images. Les modèles non linéaires dits " boîtes noires " du type Volterra, Hammerstein, Wiener, sont souvent utilisés pour identifier et modéliser les systèmes non linéaires tels que les produits de contraste ultrasonore. Ces modèles, bien que très bien adaptés pour modéliser les composantes harmoniques entières, ne le sont plus en présence de sous et ultra-harmoniques. Dans les années 2000, une méthode permettant la modélisation de sous et ultra-harmoniques en utilisant un modèle de Volterra à plusieurs entrées (Muliple Input Single Output : MISO) a été développée. Pourtant, bien que cette méthode soit complètement originale dans le domaine considéré, les points clés qui la sous-tendent ne sont pas clairement identifiés. C'est en identifiant clairement les points clés de la méthode existante que nous pouvons la généraliser et proposer plusieurs nouveaux paradigmes pour la modélisation et l'extraction de sous et ultra-harmoniques. Nous proposons alors des alternatives beaucoup plus simples du type mono-entrée mono-sortie (Single Input Single Output: SISO). En modulant en fréquence l'entrée du système, nous avons pu ainsi identifier les réponses impulsionnelles des différents canaux du modèle de Hammerstein généralisé. À partir de ce cadre général, nous avons aussi proposé de nouvelles approches pour réduire la complexité du modèle de Volterra.

Les ondes gravito-inertielles jouent un rôle majeur dans les échanges d'énergie globaux sur la planète. Si la génération des ondes est bien connue dans l'atmosphère et l'océan, le devenir de ces ondes au cours de leur propagation n'est pas complètement défini aujourd'hui. Ces ondes peuvent interagir de façon non-linéaire avec elles-mêmes et créer des structures de plus petite échelle qui vont se dissiper plus facilement. Ainsi, le phénomène d'instabilité paramétrique sous-harmonique (PSI), a été étudié de façon expérimentale. Nous avons effectué la première mise en évidence expérimentale de l'interaction de trois ondes planes inertielles bi-dimensionnelles, sous la forme d'une triade résonnante. Cette étude améliore en outre la compréhension de la turbulence en rotation. Les ondes internes peuvent aussi créer, ou interagir avec des écoulements lents de grande échellequi peuvent modifier la biodiversité au fond des océans. Nous avons mis en évidence une situation expérimentale à l'origine d’un tel écoulement moyen induit par les ondes et, à l'aide d'un modèle théorique simplifié, nous avons expliqué la formation de ces écoulements. Enfin, on étudie également des tourbillons en fluide stratifié pour permettre de futures études sur l'interaction d'ondes gravito-inertielles avec des tourbillons. / Inertia-gravity waves play a major role in the global transfer of energy on Earth. Even if wave generation is well understood in the atmosphere and in the ocean, their subsequent evolution is not completely understood. These waves can interact nonlinearly with themselves and create small-scales structures that dissipate more rapidly. Motivated by this, the phenomenon of parametric subharmonic instability (PSI), was studied experimentally. We conducted the first laboratory demonstration of the interaction of three two-dimensional inertial plane waves, as a resonant triad. Inertia-gravity waves can also interact with, and create, mean flows of large scale that can modify the transport of energy, chemical and biological compounds, and thereby have an impact on biodiversity in the ocean. We therefore also demonstrated an experimental situation that gives rise to such a flow field and using a simplified theoretical model, we explained the formation of this flow. Finally, we performed some studies of vortices in stratified fluid, to assist future studies of the interaction of inertia-gravity waves with vortices.

L’amélioration du contraste des images échographiques occupe une place importante en imagerie ultrasonore médicale puisque la qualité des images impacte directement le diagnostic médical. Les imageries de contraste sous et ultra-harmoniques sont deux techniques permettant de produire des images à fort contraste. Le développement de techniques de filtrage, permettant de mieux extraire les composantes sous et ultra-harmoniques présentes dans les signaux renvoyés par les produits de contraste ultrasonore, a pour conséquence d’améliorer encore plus le contraste des images. Les modèles non linéaires dits « boîtes noires » du type Volterra, Hammerstein, et Wiener, sont souvent utilisés pour identifier et modéliser les systèmes non linéaires tels que les produits de contraste ultrasonore. Ces modèles, bien que très bien adaptés pour modéliser les composantes harmoniques entières, ne le sont plus en présence de sous et ultra-harmoniques. Dans les années 2000, une méthode permettant la modélisation de sous et ultra-harmoniques en utilisant un modèle de Volterra à plusieurs entrées (Multiple Input Single Output : MISO) a été développée. Pourtant, bien que cette méthode soit complètement originale dans le domaine considéré, les points clés qui la sous-tendent ne sont pas clairement identifiés. C’est en identifiant clairement les points clés de la méthode existante que nous pouvons la généraliser et proposer plusieurs nouveaux paradigmes pour la modélisation et l’extraction de sous et ultra-harmoniques. Nous proposons alors des alternatives beaucoup plus simples du type mono-entrée mono-sortie (Single Input Single Output : SISO). En modulant en fréquence l’entrée du système, nous avons pu ainsi identifier les réponses impulsionnelles des différents canaux du modèle de Hammerstein généralisé. À partir de ce cadre général, nous avons aussi proposé de nouvelles approches pour réduire la complexité du modèle de Volterra. / Contrast enhancement of echographic images occupies an important place in medical ultrasound imaging, since the quality of images has a direct impact on medical diagnosis. Sub and ultraharmonic contrast imaging are two imaging techniques that provide high contrast images. Developing filtering techniques, that allow better extraction of sub and ultra-harmonic components present in the echo backscattered by the ultrasound contrast agents, results in additional improvement of the contrast. Non linear models known as “black box” models, like Volterra model, Hammerstein model, and Wiener model are usually used to identify and model non linear systems such ultrasound contrast agents. Although these models are well suited to model integer harmonic components, they are not suitable in the presence of sub and ultra-harmonic components. In the 2000s, A method that allows the modeling of sub and ultra-harmonic components, using a multi inputs single output Volterra model (MISO) has been developed. Although this method was original in the considered domain, the key points underlying this method are not clearly identified. By clearly identifying the key points of the existing method, we can generalize it and propose new paradigms for modeling and extraction of sub and ultra-harmonics. We propose much simpler alternatives based on single input single output (SISO) models. By modulating the input frequency of the system, we can also identify the different impulse responses of the different channels of the generalized Hammerstein model. From this general framework, we also propose new approaches to reduce the complexity of Volterra model.