Ce manuscrit porte sur l’analyse, les méthodes de conception et la recherche de nouvelles structures de sources de courant, en se focalisant principalement sur les miroirs de courant, source la plus élémentaire. Le dépassement des limites actuelles pour l’optimisation du compromis vitesse-précision-consommation est l’objectif majeur des travaux présentés.La première partie est consacrée à l’étude de l’origine de ces limites et dresse l’état de l'art des structures de miroir de courant CMOS. Sont ensuite étudiées plus en détails, les possibilités offertes par les miroirs à entrée active. Une des premières contributions de nos travaux de recherche a été de proposer un formalisme dédié à l’étude et à l’implémentation de ce type de miroir, suivi de propositions d’amélioration à coût minimum de la topologie classique.Le développement d’une nouvelle approche de conception utilisant un principe de rétroaction non-linéaire en mode courant constitue la contribution majeure de cette thèse. La rétroaction est implémentée grâce à un convoyeur de courant de seconde génération dédié, très faible consommation et conçu pour avoir un comportement volontairement non-linéaire. Couplée avec des techniques classiques de régulation cascode pour une copie en courant de haute-précision, cette topologie constitue une source de courant élémentaire compétitive pour la réalisation de systèmes à haut niveau de performance.L'approche est mise en œuvre puis validée par la conception, en technologie CMOS 180nm, de deux circuits dédiés à la génération des courants dans les puces de stimulation neurale. L’ensemble des résultats obtenus dans ces dernières études démontre, qu’il est possible de dépasser les limites actuelles du compromis vitesse-précision-consommation, en se basant sur la stratégie de conception et les nouvelles topologies de miroirs à entrée active proposées. / The work presented in this manuscript involves analysis, design methods and search for improved structures of current sources, with main focus on the current mirrors, the most elementary current source. The main objective of our research was to outperform the present limitations in terms of speed, power and accuracy that exists in CMOS current mirror design.In the first part of the manuscript, we investigate on the origin of these limitations and present a literature review of popular and recent advanced current mirror structures. Then follow a deeper analysis of active-input current mirror capabilities. The first scientific contributions were, the development of analytical tools dedicated to the implementation of the standard active-input topology, supported by two solutions for dynamic range and stability improvements at minimal costs.The proposition of a novel design approach, relying on a power-efficient speed boosting technique based on current-mode non-linear control loops, constitutes the major contribution of the work presented in this manuscript. The feedback circuit is implemented using a custom low-power current conveyor (CCII), built to be intentionally non-linear. Coupled with classical regulated cascode structures required for high-precision current copy, this enhanced active-input current mirror topology forms a new competitive elementary current source to the design of high-performance systems.The approach is validated and illustrated with the realization of two circuits in 180 nm CMOS technology. Cores of the circuits are two examples of output stages dedicated to neural stimulation chips. Finally, Results of the last studies have demonstrated that, thanks to the design strategy and the new active-input current mirror topologies proposed, it is actually possible to outperform the present limit of the speed-power-accuracy trade-off.

Le tremblement, défini comme un mouvement rythmique involontaire, est un des mouvements anormaux les plus fréquents. Le tremblement n'est pas une pathologie mortelle, mais elle diminue souvent considérablement la qualité de vie de la personne. Les traitements efficaces ne sont pas encore disponibles, puisque les solutions pharmacologiques et chirurgicales souffrent encore de limitations en termes d'efficacité, de risques et de coûts. Une alternative consiste à utiliser des technologies d'assistance, tels que les exosquelettes ou la Stimulation Électrique Fonctionnelle (SEF).Néanmoins, la conception de systèmes actifs de compensation des tremblements présente plusieurs défis. Un tel système doit être capable, par exemple, d'atténuer les tremblements tout en minimisant la fatigue, la douleur et l'inconfort induit. Il doit aussi distinguer entre le tremblement et le mouvement volontaire, afin de réduire les interférences sur les mouvements intentionnels.Cette thèse se concentre donc sur l'évaluation de l'usage de la SEF pour atténuer le tremblement. Une première contribution concerne le développement des modèles neuromusculosquelettiques pour étudier l'influence des boucles réflexes sur la dynamique du tremblement, ainsi que la modulation de l'impédance de l'articulation via la co-contraction induite par la SEF. Un algorithme pour estimer en ligne le tremblement et ses caractéristiques tout en filtrant le mouvement volontaire a été proposé et validé sur patients. Enfin, un système SEF pour atténuer le tremblement basé sur le contrôle d'impédance a été conçu et évalué sur patients, alors qu'une deuxième stratégie en boucle fermée a été testée sur des sujets sains. / Tremor, defined as an involuntary, approximately rhythmic and roughly sinusoidal movement, is one of the most common movement disorders. It is not a life-threatening pathology, but it often decreases significantly the person's quality of life. Today, effective treatments for pathological tremor are not yet available, since current pharmacological and surgical alternatives still present limitations with respect to effectiveness, risks, and costs. A different approach is the use of assistive technologies, such as upper limb exoskeletons or Functional Electrical Stimulation (FES).Nevertheless, the design of active tremor compensation systems based on these technologies presents several challenges. Such a system must be able, for instance, to attenuate tremor while minimizing the induced fatigue, pain, and discomfort. Also, it must be able to distinguish between pathological tremor and voluntary motion, in order to reduce interference on intentional movements.This thesis is focused then in evaluating the use of FES to attenuate the effects of tremor. A first contribution concerns the use of neuromusculoskeletal models to study the effects reflex pathways may produce on tremor dynamics, as well as how FES-induced co-contraction may modulate joint impedance. Also, an online algorithm to estimate tremor and its features while simultaneously filtering voluntary motion has been proposed and validated with tremor patients. Finally, a FES system to attenuate tremor based on impedance control has been designed and evaluated on tremor patients, while a second strategy using closed-loop FES control has been tested on healthy subjects.

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Le clinicien se trouve parfois confronté à des sujets qui présentent une surdité supérieure à 90 dB HL au-delà de 1 kHz avec une audition résiduelle dans les fréquences graves. Pour réhabiliter les hautes fréquences, il existe aujourd’hui différentes technologies : amplification conventionnelle, compression fréquentielle, implant cochléaire et depuis une dizaine d’année la stimulation électro-acoustique EAS qui consiste à stimuler acoustiquement les sons graves et électriquement les sons aigus via un implant cochléaire. La première partie de cette thèse a consisté à identifier les facteurs qui influencent les capacités des patients sourds partiels à traiter l’information basse fréquence de la parole. Nous avons utilisé un test d’audiométrie vocale filtrée passe-bas. Nos résultats indiquent que les scores d’intelligibilité de la parole sont positivement corrélés avec la durée de la surdité. Ceci signifie qu’avec le temps, ces sujets malentendants apprennent à comprendre avec cette audition type filtre passe-bas, à tel point que certains ont des performances supra-normales pour l’utilisation des basses fréquences. Nos résultats montrent également une corrélation négative entre l’âge d’apparition de la surdité et les scores l’intelligibilité. Ce test pourra aider le clinicien à mieux cibler l’appareillage le plus adapté à chaque profil de patient. La seconde partie de cette thèse, consacrée à l’EAS, a consisté à évaluer par des simulations chez le normo-entendant, diverses stratégies de codage du son par l’implant EAS. Actuellement, la stratégie utilisée pour l’EAS est calquée sur celle de l’implant cochléaire et nos résultats suggèrent que cette stratégie peut être optimisée. / Clinicians may face patients who have a deafness superior to 90 dB HL above 1 kHz with good lowfrequency residual hearing. Today, several technologies are available to provide high frequencies: conventional amplification, frequency compression, cochlear implant since about 10 years Electric-Acoustic Stimulation EAS which consists in stimulating acoustically low frequencies while stimulating electrically high frequency sounds via a cochlear implant. The firt part of this dissertation consisted in identifying the factors which may influence abilities of partially deaf subjects to process low-frequency speech information. We used a low-pass filtered speech test. Our results show that speech intelligibility scores are positively correlated to the duration of deafness. This means that these hearing-impaired subjects learn to understand with this lowpass-like hearing, in such a way that some of them exhibit supranormal abilities for the processing of low-frequency sounds. Our results also show a negative correlation between the age at onset of deafness and speech intelligibility scores. This test may help the clinician to better evaluate which device would be best for every patient’s profile. The second part of this dissertation, about EAS, consisted in evaluating through simulations in normal hearing listeners, several coding strategies by the EAS implant. Now the strategy used for EAS duplicates the strategy used by cochlear implants and our results suggest that this strategy could be optimized.

Le clinicien se trouve parfois confronté à des sujets qui présentent une surdité supérieure à 90 dB HL au-delà de 1 kHz avec une audition résiduelle dans les fréquences graves. Pour réhabiliter les hautes fréquences, il existe aujourd'hui différentes technologies : amplification conventionnelle, compression fréquentielle, implant cochléaire et depuis une dizaine d'année la stimulation électro-acoustique EAS qui consiste à stimuler acoustiquement les sons graves et électriquement les sons aigus via un implant cochléaire. La première partie de cette thèse a consisté à identifier les facteurs qui influencent les capacités des patients sourds partiels à traiter l'information basse fréquence de la parole. Nous avons utilisé un test d'audiométrie vocale filtrée passe-bas. Nos résultats indiquent que les scores d'intelligibilité de la parole sont positivement corrélés avec la durée de la surdité. Ceci signifie qu'avec le temps, ces sujets malentendants apprennent à comprendre avec cette audition type filtre passe-bas, à tel point que certains ont des performances supra-normales pour l'utilisation des basses fréquences. Nos résultats montrent également une corrélation négative entre l'âge d'apparition de la surdité et les scores l'intelligibilité. Ce test pourra aider le clinicien à mieux cibler l'appareillage le plus adapté à chaque profil de patient. La seconde partie de cette thèse, consacrée à l'EAS, a consisté à évaluer par des simulations chez le normo-entendant, diverses stratégies de codage du son par l'implant EAS. Actuellement, la stratégie utilisée pour l'EAS est calquée sur celle de l'implant cochléaire et nos résultats suggèrent que cette stratégie peut être optimisée.

Le but de cette thèse était d'étudier l'organisation anatomo-fonctionnelle du système sensorimoteur humain et la façon dont les mouvements volontaires sont produits et contrôlés. Avec le développement de l’imagerie cérébrale, des méthodes de corrélation anatomo-clinique et de stimulation électrique directe cérébrale, de nombreuses avancées scientifiques ont pu être réalisée. Ces trois approches complémentaires ont été utilisé dans cette thèse afin d’améliorer la compréhension de l’organisation sensorimotrice cérébrale. Dans la première étude (soumise à publication), nous avons montré que la chirurgie cérébrale éveillée utilisant la stimulation électrique directe est une procédure sûre et efficace chez les enfants afin de réduire le déficit neurologique postopératoire. L'approche améliore la précision de la détection des zones éloquentes, avec une bonne tolérance neuropsychologique et psychologique. Une évaluation psychologique et neuropsychologique est essentielle. Dans une deuxième série de deux études, nous avons montré que la partie dorso-postérieure dorsal du cortex pariétal (DPPr) est une structure clé dans l'organisation complexe du mouvement manuel fin chez l'homme à travers la mise en oeuvre d'une boucle sensori-parieto-motrice.La première étude (publiée, Current Biology 2018) montre que la stimulation électrique directe d’une region corticale focale dans la partie dorso-postérieure du cortex pariétal entraine l’inhibition de la production du mouvement manuel, c’est-à-dire bloque l'initiation et la réalisation de ce dernier, sans produire de contraction musculaire ni de sensation consciente de mouvement. Dans la seconde étude (en cours de soumission), nous avions pour objectif d'identifier précisément les bases anatomiques du circuit parietal inhibiteur précédemment décrit. Grâce à la tractographie de diffusion (DTI), nous avons réussi à isoler des projections ipsilatérales spécifiques reliant les sites d’inhibition du DPPr, retrouvés dans la première étude, avec la zones dévolues au contrôle distal fin dans les cortex primaires moteur (M1) et sensoriel (S1). Ces données montrent que la boucle pariétale inhibitrice est directe depuis S1 vers DPPr vers M1 (même s'il n'est pas possible d'exclure l'existence d'échanges bidirectionnels entre ces aires). Dans la dernière étude (en cours de soumission), nous nous sommes intéressé à une structure motrice fondamentale, qui supporte 50 % des invasions tumorales chez l'enfant : le cervelet. Il s'agissait de déterminer si les lésions précoces étaient oui ou non prédictives d'une récupération déficitaire à long terme après prise en compte des covariables les plus critiques. Nous avons mesuré la récupération fonctionnelle à long terme chez 3 groupes survivants de lésion de la fosse postérieure. Les 3 groupes étaient comparables en ce qui concerne leurs caractéristiques tumorales mais opérés à différents âges : jeune (≤ 7 ans), moyen (> 7 ans et ≤ 13 ans) et tardif (> 13 ans). La qualité de vie (échelles cliniques : Health-related Quality of Life -hrQol- et Performance Status -PS-), les performances motrices (ataxie -ICARS- et motricité fine -Pegboard-) et cognitif (quotient intellectuel -FSIQ-) furent mesurés. L'âge précoce lors de la chirurgie, une lésion des noyaux profonds cérébelleux et la nécessité d'une radiothérapie postopératoire révélèrent une influence significativement négative et indépendante sur la récupération à long terme des participants. Ces résultats confirment l'existence d'une période critique de développement au cours de laquelle la "machine à apprendre" cérébelleuse revêt une importance cruciale / The aim of the thesis was to investigate the mapping of the anatomofunctional organization of the human sensorimotor system and how volutional movements of human are produced and controlled. Neuroimaging and especially DTI, fine anatomo-functional observation in patient and direct electrical stimulation were considered. This multi-modal approach permitted to improve our understanding of sensorimotor organization in humans. In the first study, we showed that awake brain surgery with the use of direct electrical stimulation is a safe and efficient procedure in children in order to decrease post-operative neurological deficit. It improves the accuracy of detecting eloquent area, with a good tolerance from a neuropsychological and psychological aspect. Age-adapted neuropsychologic preparation may enable offering ABS even to younger children on an individual basis. In a second series of two studies, we showed that the dorso-posterior part of the parietal cortex is a key structure in the complex organization of movement in human with a S1-DPPr-M1 loop. In the first study, direct electrical stimulation of focal cortical site in the dorso-posterior part of the parietal cortex triggered inhibition of movement production and blocked ongoing movement without producing muscle contraction or conscious movement sensation. In the second study, we aimed to find a direct projection from the PRR, defined in the first study (Desmurget et al., 2018), to the primary motor cortex and the primary somatosensory cortex. Thanks to the DTI state-of-the-art tractography, we succeeded in finding such major ipsilateral streamlines projecting in the well-known hand knob region giving new insights of the white matter structures involved in the inhibition of volitional hand movements. These observations confirm clinical per-operative data showing that stimulating the counterpart of PRR in humans can disrupt hand movements ipsilaterally, irrespective of the hemisphere. Moreover, our results shed light on the implication of the PRR for the volitional hand sensorimotor operating behavior. In the last study, we investigate the impact of early cerebellar damage on long-term functional recovery in 3 groups of posterior fossa survivors, comparable with respect to their tumoural characteristics but operated at different ages: young (≤ 7 years), middle (> 7 years and ≤ 13 years) and old (> 13 years). Daily (Health-related Quality of Life -hrQol-, Performance Status -PS-), motor (International Cooperative Ataxia Rating Scale -ICARS-, Pegboard Purdue Test -PegBoard-) and cognitive (Full Scale Intelligence Quotient -FSIQ-) functioning were measured. Early age at surgery, lesion of deep cerebellar nuclei and post-operative radiotherapy had a significant, independent negative influence on long term recovery. These results support the existence of an early critical period of development during which the cerebellar "learning machine" is of critical importance