De plus en plus d'objets électroniques nomades incorporent à la fois des capacités de traitement, de contrôle et un ou plusieurs émetteur-récepteur radios. Les objets, lorsqu'ils communiquent entre eux, forment des réseaux de capteurs sans l (WSN). Leur point commun est qu'ils doivent fonctionner aussi longtemps que possible sans avoir à remplacer ou recharger les batteries. Par conséquent, la consommation d'énergie est la principale contrainte à prendre en considération dans l'élaboration de ces articles. Les recherches sur l'optimisation de l'énergie sont nombreuses, et sont appliquées à tous les niveaux de la conception. Dans cette thèse, nous proposons des techniques d'optimisation au niveau algorithmique visant une réduction de l'énergie consommée. Dans ce contexte, tout d'abord, nous avons proposé un modèle énergétique hybride pragmatique et précis pour les WSN. Ce modèle prend en compte les différents scénarios qui se produisent pendant la communication et évalue leur consommation d'énergie en distinguant composantes logicielles et matérielles. Le modèle présenté est une combinaison d'approche analytique et de mesures en temps réel. La validation du modèle montre que l'erreur relative est de 1 à 8 pour cent. Dans la deuxième partie de la thèse nous nous sommes concentrés sur le contrôle d'accès au medium (MAC). La couche MAC joue un rôle essentiel dans la gestion de l'énergie dans les réseaux de capteurs, car l'activité de l'émetteur-récepteur radio (composante la plus gourmande en énergie) est contrôlée par la couche MAC. Par ailleurs, l'état d'écoute " idle " se trouve être l'état dans lequel s'opère un gaspillage énorme d'énergie dans la plupart des protocoles MAC. À ce sujet, nous proposons un nouveau protocole MAC dynamique (TAD-MAC) efficace en énergie avec une connaissance à priori du trafic courant. Le protocole repose sur l'adaptation dynamique des intervalles de réveil basée sur une estimation du trafic. Une approche heuristique est utilisée pour modéliser le système en caractérisant chacun des paramètres de l'algorithme adaptatif. Une analyse détaillée de la convergence et des métriques de performance pour atteindre un état d'équilibre est présentée et évaluée. En outre, TAD-MAC est appliqué dans le contexte des réseaux corporels de capteurs sans fil pour des taux de trafics fixes et variables. TAD-MAC surpasse les autres protocoles MAC à faible consommation énergétique en termes de latence ainsi que de consommation d'énergie et donc permet d'augmenter la durée de vie de trois à six fois. Dans la dernière partie de la thèse une technique adaptative d'optimisation de la puissance d'émission est appliquée avec une variation dynamique des canaux de transmission afi n de réduire l'énergie par bit transmis avec succès au niveau de la couche physique. La puissance d'émission est réglée de manière adaptative sur un critère de type " link-to-link" . Chaque nœud adapte localement sa puissance en fonction des variations du rapport signal-sur-bruit (SNR) (pour tous les nœuds voisins). Différents profils d'émetteurs-récepteurs radio sont utilisés pour montrer le gain par rapport à l'utilisation d'une puissance d'émission fixe. Il se trouve que par l'adaptation dynamique de la puissance d'émission, la consommation d'énergie peut être réduite d'un facteur 2.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre des travaux de recherche qui visent la détermination de la fréquence fondamentale du signal de parole. La première contribution est relative au développement d'algorithmes de détection du pitch en temps réel à partir d'une autocorrélation circulaire du signal d'excitation glottique. Parmi tous les algorithmes de détection du pitch, décrits dans la littérature, rares sont ceux qui peuvent résoudre correctement tous les problèmes li'es au suivi du contour du pitch. Pour cette raison, nous avons élargi notre champ d'investigation et avons proposé de nouveaux algorithmes fondés sur la transformation en ondelettes. Pour évaluer les performances des algorithmes proposés, nous avons utilisé deux bases de données : Bagshaw et Keele. Les résultats que nous avons obtenus montrent clairement que nos algorithmes surclassent les meilleurs algorithmes de référence décrits dans la littérature. La deuxième contribution de cette thèse concerne la réalisation d'un système de conversion de voix dans le but d'améliorer la voix pathologique. Nous parlons dans ce cas d'un système de correction de voix. Notre principal apport, concernant la conversion vocale, consiste en la prédiction des coefficients cepstraux de Fourier relatifs au signal d'excitation glottique. Grâce à ce nouveau type de prédiction, nous avons pu réaliser des systèmes de conversion de voix dont les résultats, qu'ils soient objectifs ou subjectifs, valident l'approche proposée.

Les nouveaux services de télécommunication accessibles en mobilité entraînent une demande croissante de débit et amènent aux limites de capacités des réseaux actuels. Pour répondre à cette demande, les opérateurs cellulaires déploient de nouvelles technologies et densifient leurs réseaux en ajoutant des petites cellules, où les stations de base sont plus proches des utilisateurs. Compte tenu de la visibilité directe et de la faible hauteur des antennes, le canal de propagation des petites cellules est différent de celui des macro-cellules et les modèles stochastiques de canal existants ne sont plus adaptés. C'est dans ce contexte que se situe cette thèse, qui explore les problématiques de dynamique dans le canal de propagation et dans l'utilisation des ressources radio. Nous proposons dans une première partie de caractériser les dynamiques dans le canal de propagation de petite cellule en milieu extérieur. Cette caractérisation se base sur des prédictions déterministes, où une partie de l'environnement est généré de manière aléatoire afin de procéder à des études statistiques. Pour cela, nous mettons en place une plateforme de simulation, capable de générer des objets statiques, de les déplacer et de les prendre en compte dans des outils de prédiction de propagation adaptés aux petites cellules. Une phase de mesures de l'impact du trafic de véhicules sur la puissance du signal permet de valider les outils de propagation développés dans la plateforme. L'objectif de la deuxième partie de la thèse est d'évaluer l'impact de ces nouvelles topologies sur les performances des réseaux hétérogènes. Nous présentons un modèle hybride de propagation qui prend en compte les variations de signal dues au trafic de véhicules en combinant les approches déterministes et statistiques, pour avoir les avantages de résultats précis et d'un temps de calcul rapide. Ce modèle hybride est utilisé par la suite dans un processus de simulation de réseau cellulaire 3G LTE au niveau système, où nous évaluons l'impact du trafic de véhicules sur le débit maximal, la consommation d'énergie et le respect de la qualité de service.

La disponibilité et la persistance à l'échelle locale des métaux lourds pourraient être critiques notamment pour l'usage futur des zones agricoles ou urbaines, au droit desquelles de nombreux sites industriels se sont installés dans le passé. La gestion de ces situations environnementales complexes nécessitent le développement de nouvelles méthodes d'analyse peu invasives (capteurs environnementaux), comme celles utilisant des biosenseurs bactériens, afin d'identifier et d'évaluer directement l'effet biologique et la disponibilité chimique des métaux. Ainsi dans ce travail de thèse, nous avons cherché à identifier, à l'aide d'outils mathématiques de l'algèbre multi-linéaire, les réponses de senseurs bactériens fluorescents dans des conditions environnementales variées, qu'il s'agisse d'un stress engendré par la présence à forte dose d'un métal ou d'une carence nutritive engendrée par son absence. Cette identification est fondée sur l'analyse quantitative à l'échelle d'une population bactérienne de signaux multidimensionnels. Elle repose en particulier sur (i) l'acquisition de données spectrales (fluorescence) multivariées sur des suspensions de biosenseurs multicolores interagissant avec des métaux et sur (ii) le développement d'algorithme de décomposition tensoriels. Les méthodes proposées, développées et utilisées dans ce travail s'efforcent d'identifier " sans \textsl{a priori} " (\textsl{a minima}), la réponse fonctionnelle de biosenseurs sous différentes conditions environnementales, par des méthodes de décomposition de tenseurs sous \hyphenation{con-train-tes} des signaux spectraux observables. Elles tirent parti de la variabilité des réponses systémiques et permettent de déterminer les " sources " élémentaires identifiant le système et leur comportement en fonction des paramètres extérieurs. Elles sont inspirées des méthodes CP et PARALIND . L'avantage de ce type d'approche, par rapport aux approches classiques, est l'identification unique des réponses des biosenseurs sous de faibles contraintes. Le travail a consisté à développer des algorithmes efficaces de séparations de sources pour les signaux fluorescents émis par des senseurs bactériens, garantissant la séparabilité des sources fluorescentes et l'unicité de la décomposition. Le point original de la thèse est la prise en compte des contraintes liées à la physique des phénomènes analysés telles que (i) la parcimonie des coefficients de mélange ou la positivité des signaux "source", afin de réduire au maximum l'usage d'a priori ou (ii) la détermination non empirique de l'ordre de la décomposition (nombre de sources). Cette posture a permis aussi d'améliorer l'identification en optimisant les mesures physiques par l'utilisation de spectres synchrones ou en apportant une diversité suffisante aux plans d'expériences. L'usage des spectres synchrones s'est avéré déterminant à la fois pour améliorer la séparation des sources de fluorescence, mais aussi pour augmenter le rapport signal sur bruit des biosenseurs les plus faibles. Cette méthode d'analyse spectrale originale permet d'élargir fortement la gamme chromatique des biosenseurs fluorescents multicolores utilisables simultanément. Enfin, une nouvelle méthode d'estimation de la concentration de polluants métalliques présents dans un échantillon à partir de la réponse spectrale d'un mélange de biosenseurs non-spécifiques a été développée.

Cette thèse a pour but d'évaluer la performance théorique des approches coopératives pour la fiabilisation des transmissions dans les réseaux autour du corps humain. Ces réseaux sont formés d'un nombre limité de capteurs communiquants disposés sur et dans le corps. Les techniques de coopération dans les réseaux de cette taille sont extrêmement dépendantes de l'information disponible quant à la qualité des canaux de communication au moment de la transmission. Sous une hypothèse de connaissance de la valeur moyenne à moyen et long terme de l'affaiblissement de ces canaux, nous dérivons une approximation du taux d'erreur paquet de bout en bout pour des techniques de relayage. Nous présentons également, pour certains de ces modèles, une allocation de puissance asymptotiquement optimale, fournissant néanmoins un gain en performance sur une large plage de puissances d'émission. En supposant ensuite que les noeuds ont une connaissance parfaite de l'état du réseau, nous étudions la capacité de Shannon sur des canaux à relais et des canaux comprenant deux émetteurs coopérant entre eux. Pour ces deux modèles, nous montrons que lorsque l'on cherche à optimiser la répartition de la puissance totale disponible à l'émission, l'étude se réduit à celle d'un modèle de canal équivalent, simplifiant grandement l'analyse de la région de capacité. Nous dérivons ensuite l'allocation de ressources optimale ou de bonnes approximations pour des protocoles de coopération adaptés à ces deux modèles. Nous présentons enfin une plate-forme de mesures pour les réseaux autour du corps humain nous permettant de relever de manière quasi-simultanée l'intégralité des affaiblissements des liens entre les noeuds du réseau. Cette plate-forme nous permet de traiter de la stabilité de la qualité des liens et de la validité de l'hypothèse de réciprocité de chaque lien. De plus, nous évaluons aussi la corrélation spatiale de l'affaiblissement des liens, et nous montrons en particulier que celle-ci varie fortement au cours du mouvement, mais de manière suffisament lente pour être estimée au fil de l'eau.

L'objectif de cette thèse est d'améliorer le traitement curatif du cancer du poumon par radiothérapie conformationnelle et hadronthérapie. Il s'agit de simuler, dans un cas concret, le mouvement et les déformations des poumons d'un patient. Issu de plusieurs colaborations médicales, nous avons défini des conditions initiales et des conditions limites pour obtenir un modèle biomécanique suivant les lois de la mécanique des milieux continus et personnalisé à un patient. Le calcul mécanique est réalisé sur un poumon fixé au niveau du médiastin et soumis à une dépression homogène tout autour avec prise en compte les grandes déformations. Une contrainte supplémentaire de gestion du contact de la surface du poumon autorisant le glissement est ajoutée pour reproduire le comportement réel des organes et plus spécialement celui de l'enveloppe des poumon : la plèvre. Une étude a par ailleurs été menée sur la conversion des données prédites du modèle en scanner 4D afin de préparer la dosimétrie.

Dans cette thèse, nous abordons les problemes longtemps etudiés de la séparation et de la localisation binaurale (deux microphones) de sources sonores par l'apprentissage supervisé. Dans ce but, nous développons un nouveau paradigme dénommé projection d'espaces acoustiques, à la croisée des chemins de la perception binaurale, de l'écoute robotisée, du traitement du signal audio, et de l'apprentissage automatise. L'approche proposée consiste à apprendre un lien entre les indices auditifs perçus par le système et la position de la source sonore dans une autre modalité du système, comme l'espace visuel ou l'espace moteur. Nous proposons de nouveaux protocoles expérimentaux permettant d'acquérir automatiquement de grands ensembles d'entraînement qui associent de telles données. Les jeux de données obtenus sont ensuite utilisés pour révéler certaines propriétés intrinsèques des espaces acoustiques, et conduisent au développement d'une famille générale de modèles probabilistes permettant la projection localement linéaire d'un espace de haute dimension vers un espace de basse dimension. Nous montrons que ces modèles unifient plusieurs méthodes de régression et de réduction de dimension existantes, tout en incluant un grand nombre de nouveaux modèles qui généralisent les précédents. Les popriétés et l'inférence de ces modèles sont d'etaillées en profondeur, et le net avantage des méthodes proposées par rapport à des techniques de l'etat de l'art est établit sur différentes applications de projection d'espace, au delà du champs de l'analyse de scènes auditives. Nous montrons ensuite comment les méthodes proposées peuvent être étendues probabilistiquement pour s'attaquer au fameux problème de la soirée cocktail, c'est à dire, localiser une ou plusieurs sources sonores émettant simultanément dans un environnement réel, et reséparer les signaux mélangés. Nous montrons que les techniques qui en découlent accomplissent cette tâche avec une précision inégalée. Ceci démontre le rôle important de l'apprentissage et met en avant le paradigme de la projection d'espaces acoustiques comme un outil prometteur pour aborder de façon robuste les problèmes les plus difficiles de l'audition binaurale computationnelle.

The work of this Thesis is focused on image guided focal therapy of prostate cancer by High Intensity Focused Ultrasound (HIFU). Currently MRI is the only imaging technique that can locate the tumor in prostate. In contrast, the tumor is not visible in the ultrasound image which is used to guide the HIFU planning and therapy. The aim of the Thesis is to provide registration techniques of T2 MRI to ultrasound. Two approaches were explored: 1) Region-based registration. More particularly, we studied an ultrasound texture descriptors based on moments invariant to rotation and scaling. These descriptors are sensitive to speckle distribution regardless of the scale or the orientation. As we expected, some of these descriptors can be used to characterize regions sharing a similar speckle spatial distribution. But, we also found that some other descriptors were sensitive to the contours of these regions. This property seems very useful to adapt the classical boundary-based or mixed region/boundary-based segmentation methods (active contours, graph cut, etc.) to process US images. 2) Surface-based registration approach.. We adapted the Optimal Definition Surface (OSD) method to the segmentation of the prostate in T2 MRI, Furthermore, we proposed the multiple-objects OSD which is a concurrent segmentation of the prostate, bladder and rectum. Finally we used the prostate surface extracted from the ultrasound volume and from T2 MRI in a surface-to-surface elastic registration scheme. This registration allowed us to merge the preoperative MR information in the peroperative US volume.

This thesis presents three main contributions in the context of modeling and simulation of physiological systems. The first one is a formalization of the methodology involved in multi-formalism and multi-resolution modeling. The second one is the presentation and improvement of a modeling and simulation framework integrating a range of tools that help the definition, analysis, usage and sharing of complex mathematical models. The third contribution is the application of this modeling framework to improve diagnostic and therapeutic strategies for clinical applications involving the cardiovascular system: hypertension-based heart failure (HF) and coronary artery disease (CAD). A prospective application in cardiac resynchronization therapy (CRT) is also presented, which also includes a model of the therapy. Finally, a final application is presented for the study of the baroreflex responses in the newborn lamb. These case studies include the integration of a pulsatile heart into a global cardiovascular model that captures the short and long term regulation of the cardiovascular system with the representation of heart failure, the analysis of coronary hemodynamics and collateral circulation of patients with triple-vessel disease enduring a coronary artery bypass graft surgery, the construction of a coupled electrical and mechanical cardiac model for the optimization of atrio ventricular and intraventricular delays of a biventricular pacemaker, and a model-based estimation of sympathetic and vagal responses of premature newborn lambs.

Plasma is the 4th state of matter with complex permittivity that can be exploited to give advantages in communication system. Its negative permittivity has been studied in many research papers and it was proven to have similar characteristics as metal material in terms of electrical conductivity. While keeping permeability in the positive region, plasma will respond to electromagnetic waves in the similar manner as metal. Therefore, this thesis aimed to use plasma as an alternative to metal in the construction of reconfigurable antennas. The first part of this thesis is dedicated to characterize a plasma model based on the commercially available plasma source. Since there are many type of plasma source in terms of their electrical properties and physical shapes, it is important to characterize a particular plasma source so that it can be modeled in simulations to construct other types of plasma antennas. The second part presents the realization of plasma reflector antennas. Two types of plasma reflector antennas have been simulated, fabricated and measured at 2.4 GHz. The first one is are round reflector antenna (RRA) and the second one is corner reflector antenna (CRA). The performances of RRA have been validated and it was proven to provide beam shaping and beam scanning capability. The measured radiation patterns are in a good agreement with simulation ones. The capability of RRA is exceptional since it can steer its main beam from 0° up to 360°. Moreover, the scanning gain remains the same as the main beam is being moved from one direction to another. The CRA that has been introduced in this thesis is a novel design since it integrates two corner-reflector antennas on a single ground plane. The CRA offers three beam shapes which are electrically switchable from one shape to another. The CRA was simulated, fabricated and finally its performances were validated throughout a series of agile measurements. The measured reflected radiation patterns are in good agreements with the simulation ones. The measured gains of the RRA and CRA are 5 dB higher than the gain of classical monopole antenna with an identical size of finite ground plane. The fourth part deals with plasma as radio waves radiator. Two plasma antennas using commercially available U-shaped compact fluorescent lamp (CFL) have been fabricated and measured and it was proven that these antennas can be to radiate radio signal. The last part discusses about radar cross section performance of the plasma reflector antennas. The two plasma reflector antennas (RRA and CRA) were tested and measured for their RCS performance.