[pt] Nos últimos anos, as vantagens do uso de agentes de contraste de ultrassom (UCA) com distribuição de tamanho monodisperso foram destacadas. Caracterizadas por um coeficiente de variação (CV) inferior a 5 por cento, as microbolhas monodispersas têm o potencial de melhorar a qualidade das imagens de ultrassom (melhorando a relação sinal/ruído e reduzindo os efeitos de sombra). Também facilita o monitoramento da freqüência de ressonância das microbolhas, abrindo possibilidades nas áreas de imagem molecular e medições de pressão não-invasiva. Além disso, as bolhas monodispersas podem otimizar a entrega de drogas, genes e gases terapêuticos (por exemplo, sonotrombólise, sonoporação, abertura da barreira hemato-encefálica). No entanto, até agora, ao contrário das bolhas polidispersas, a liofilização de populações monodispersas de microbolhas, sem deteriorar sua monodispersividade, continuam sendo um desafio. Assim, hoje, as bolhas monodispersas não podem ser armazenadas nem transportadas. Isto representa um gargalo para seu uso em aplicações clínicas. Tentativas feitas para resolver o problema têm usado solventes tóxicos, levantando questões regulatórias O objetivo do presente trabalho foi de desenvolver uma nova técnica de liofilização para microbolhas monodispersas que não degradassem sua distribuição de tamanho, ou suas propriedades acústicas, sem o uso de solventes tóxicos. Como primeira etapa do projeto, foram fabricados dispositivos microfluídicos com focalização de escoamento (flow-focusing) para produzir microbolhas com distribuição de tamanho altamente monodispersa (CV menor que 5 por cento). Durante esta etapa, foi realizada a otimização da formulação das microbolhas e dos materiais crioprotetores. Foi realizada a caracterização geométrica de duas populações de microbolhas com diâmetros médios de 40 micrômetros e 5 micrômetros . Com o uso de uma câmera de alta velocidade acoplada a um microscópio ótico, imagens de todas as etapas do processo de liofilização das microbolhas foram capturadas e analisadas, visando controlar a distribuição de tamanho e a taxa de produção das microbolhas. As etapas do processo de liofilização consistiram na produção, coleta, congelamento, liofilização e ressuspensão. O desenvolvimento de uma nova técnica de recuperação, onde as microbolhas eram armazenadas em monocamadas, resultou em uma redução drástica da interação entre as bolhas durante a liofilização. Desta forma, foi possível preservar a monodispersão durante o processo de liofilização, resultando em um CV menor que 6 por cento para a população de microbolhas ressuspensas. Os ensaios de microscópio eletrônico de varredura ambiental (ESEM) demonstraram uniformidade nas cascas das microbolhas liofilizadas com uma espessura de parede estimada em 70nm. Na segunda etapa do projeto, foi realizada uma caracterização da resposta acústica de retrodifusão das microbolhas liofilizadas em forma de PVA, em comparação com as microbolhas recém produzidas e as microbolhas polidispersa SonovueTM disponíveis comercialmente. Primeiramente, a resposta acústica de retrodifusão das microbolhas foi avaliada em duas configurações diferentes: a célula centimétrica (recipiente grande - 45mmx10mmx30mm), e o milli-canal (sistema confinado no qual o líquido está em repouso - 10 mmx35 mmx1 mm). Usando um transdutor acústico focalizado com frequência de 2,25MHz, as respostas acústicas das microbolhas, na forma de frequência e amplitude de ressonância fundamental, antes e depois do processo de liofilização, foram comparadas para a população de bolhas de 5 micrômetros de diâmetro. Verificou-se que a variação de amplitude e frequência de ressonância fundamental das bolhas estava dentro da faixa de incerteza experimental, sugerindo que suas propriedades acústicas foram preservadas. Observamos também, de acordo com a literatura, que existe uma dependência linear entre a concentração da população de microbolhas (sem liofilização) e a amplitude do coeficiente de retrodifusão. Posteriormente, foi feita uma comparação da resposta de retrodispersão acústica para bolhas monodispersas e polidispersas. Também, de acordo com a literatura, observamos uma amplitude no sinal de resposta das bolhas monodispersas de 8 a 10 vezes maior que a das bolhas polidispersas, para a mesma concentração in vitro. Também foi possível observar a menor incerteza no monitoramento do pico de ressonância fundamental das bolhas e uma menor largura de banda para a população de bolhas monodispersas. Finalmente, utilizando a abordagem de imagens de matriz universal de ultrassom, desenvolvida no Institut Langevin, a resposta acústica de retrodifusão da população monodispersa liofilizada e polidispersa foi avaliada em um tecido artificial com impedância acústica similar ao tecido humano. Os resultados preliminares reforçam os resultados das medições acústicas de retrodifusão na célula centimétrica e no milicanal, nos quais a população monodispersa apresentou uma largura de banda significativamente reduzida em comparação com a ampla largura de banda da população polidispersa. O presente trabalho apresentou com sucesso uma nova técnica desenvolvida para liofilizar as microbolhas monodispersas sem degradar suas propriedades geométricas e acústicas. Assim, propusemos uma nova geração de agentes de contraste ultrassom na forma de um pó liofilizado estável que pode ser transportado e armazenado por meses e ressuspenso para uso em aplicações clínicas. / [en] In recent years, the advantages of using ultrasound contrast agents (UCA) with monodisperse size distribution have been highlighted. Characterized by a coefficient of variation (CV) lower than 5 percent, monodisperse microbubbles have the potential to improve the quality of ultrasound images (improving signal-to-noise ratio and reducing shadowing effects. It also facilitates microbubble resonance frequency monitoring, opening possibilities in the areas of molecular imaging and non-invasive pressure measurements. In addition, monodisperse bubbles can optimize the drugs, genes, and therapeutic gas delivery (e.g. sonotrombolysis, sonoporation, blood-brain barrier opening). However, thus far, contrarily to polydisperse bubbles, freeze-drying monodisperse populations of fresh microbubbles, without deteriorating their monodispersity, remains a challenge. Thereby, today, monodisperse bubbles can neither be stored nor transported. This represents a bottleneck for their use in clinical applications. Attempts made to solve the problem have used toxic solvents, raising regulatory issues The objective of the present work was to develop a new freeze-drying technique for monodisperse microbubbles that did not degrade their size distribution, or their acoustic properties, without the use of toxic solvents. As the first step of the project, flow-focusing microfluidic devices were fabricated to produce microbubbles with highly monodisperse size distribution (CV less than 5 percent). During this step, the optimization of the microbubble formulation and cryoprotectant materials was performed. Geometric characterization of two of microbubbles with mean diameters of 40 Micrometers and 5 Micrometers was performed. With the use of a high-speed camera coupled to an optical microscope, images of all stages of the freeze-drying process of the microbubbles were captured and analyzed, aiming to control the size distribution and production rate of the microbubbles. The steps of the freeze-drying process consisted of production, collection, freezing, lyophilization, and resuspension. The development of a new retrieval technique, where the microbubbles were stored in monolayers, resulted in a drastic reduction of the interaction between the bubbles during lyophilization. In this way, it was possible to preserve the monodispersity during the freeze-drying process, resulting in a CV less than 6 percent for the resuspended microbubble population. Environmental scanning electron microscope (ESEM) assays demonstrated uniformity in the shells of the freeze-dried microbubbles with an estimated wall thickness of 70nm. In the second stage of the project, a characterization of the backscatter acoustic response of the freeze-dried monodisperse PVA-shelled microbubbles, in comparison with freshly produced microbubbles, and commercially available polydisperse microbubbles SonovueTM was conducted. Firstly, the backscatter acoustic response of the microbubbles was evaluated in two different setups: the centimetric cell (large container - 45mmx10mmx30mm), and the milli-channel (confined system in which the liquid is at rest - 10 mmx35 mmx1 mm). Using a focused acoustic transducer with a frequency of 2.25MHz, the acoustic responses of the microbubbles, in the form of the fundamental resonance frequency and amplitude, before and after the freeze-drying process was compared for the bubble population of 5 Micrometers diameter. It was found that the variation of amplitude and fundamental resonance frequency of the bubbles were within the experimental uncertainty range, suggesting that their acoustic properties were preserved. We also observed, in agreement with the literature, that there is a linear dependence between the concentration of the microbubble population (without freeze-drying) and the amplitude of the backscatter coefficient. Subsequently, a comparison of the acoustic backscatter response was performed for monodisperse and polydisperse bubbles. Also, in agreement with the literature, we observed an amplitude in the response signal of the monodispersed bubbles of 8 to 10 times higher than that for the polydispersed ones, for the same in vitro concentration. It was also possible to observe the lower uncertainty in monitoring the fundamental resonance peak of the bubbles and a smaller bandwidth for the monodispersed bubble population. Finally, using the universal ultrasound matrix imaging approach, developed at Institut Langevin, the backscatter acoustic response of the freeze-dried monodisperse and polydisperse population was evaluated in a phantom mimicking tissue. The preliminary results reinforce the findings from the backscatter acoustic measurements in the centimetric cell and the milli-channel, in which the monodisperse population presented a significantly reduced bandwidth in comparison with the wide bandwidth of the polydisperse population. The present work successfully presented a new technique developed to freezedry monodisperse microbubbles without degrading their geometrical and acoustic properties. Thus, we proposed a new generation of ultrasound contrast agents in the form of a stable freeze-dried powder that can be transported and stored for months and resuspended for use in clinical applications. / [fr] Ces dernieres années, les avantages de l utilisation d agents de contraste ultrasonores (ACU) à distribution de taille monodisperse ont été mis en évidence. Caractérisées par un coefficient de variation (CV) de leur diamètre inférieur à 5 Pour cent, les microbulles monodisperses ont le potentiel d améliorer la qualité des images ultrasonores (amélioration du rapport signal/bruit et réduction des effets d ombre). Elles facilitent également le contrôle de la fréquence de résonance des microbulles, ouvrant des possibilités dans les domaines de l imagerie moléculaire et des mesures de pression non invasives. En outre, les bulles monodisperses peuvent optimiser l administration de médicaments, de gènes et de gaz thérapeutiques (par exemple, sonotrombolyse, sonoporation, ouverture de la barrière hémato-encéphalique). Cependant, jusqu à présent, contrairement aux bulles polydisperses, la lyophilisation de populations monodisperses de microbulles fraiches, sans détérioration de leur monodispersité, reste un défi. Ainsi, aujourd hui, les bulles monodisperses ne peuvent être ni stockées ni transportées. Cela représente un goulot d étranglement pour leur utilisation dans des applications cliniques. Les tentatives faites pour résoudre ce problème ont utilisé des solvants toxiques, ce qui soulève des problèmes de réglementation. L objectif du présent travail était de développer une nouvelle technique de lyophilisation des microbulles monodisperses qui ne dégrade pas leur distribution de taille, ni leurs propriétés acoustiques, et ce sans utiliser de solvants toxiques. La première étape du projet a consisté à fabriquer des dispositifs microfluidiques de focalisation du flux pour produire des microbulles avec une distribution de taille hautement monodisperse (CV moins que 5 Pour cent). Au cours de cette étape, l optimisation de la formulation des microbulles et des matériaux cryoprotecteurs a été réalisée. La caractérisation géométrique de deux microbulles avec des diamètres moyens de 40 micrometres et 5 micrometres a été menée. A l aide d une caméra à haute vitesse couplée à un microscope optique, des images de toutes les étapes du processus de lyophilisation des microbulles ont été capturées et analysées, dans le but de contrôler la distribution de taille et le taux de production des microbulles. Les étapes du processus de lyophilisation comprenaient la production, la collecte, la congélation, la lyophilisation et la remise en suspension. Le développement d une nouvelle technique de récupération, ou les microbulles étaient stockées en monocouches, a permis de réduire considérablement l interaction entre les bulles pendant la lyophilisation. De cette maniere, il a été possible de préserver la monodispersité pendant le processus de lyophilisation, ce qui a permis d obtenir un CV moins que 6 Pour cent pour la population de microbulles remise en suspension. Les analyses au microscope électronique à balayage environnemental (ESEM) ont démontré l uniformité des enveloppes des microbulles lyophilisées avec une épaisseur de paroi estimée à 70nm. Dans la deuxième étape du projet, une caractérisation de la réponse acoustique (en rétrodiffusion) des microbulles monodisperses lyophilisées et enveloppées de PVA a été réalisée et comparée avec celles de microbulles fraichement produites et de microbulles polydisperses disponibles dans le commerce (SonovueTM). Tout d abord, la réponse acoustique en rétrodiffusion des microbulles a été évaluée dans deux configurations différentes : la cellule centimétrique (grand récipient - 45mmx10mmx30mm), et le milli-channel (systeme confiné dans lequel le liquide est au repos - 10 mmx35 mmx1 mm). En utilisant un transducteur acoustique focalisé avec une fréquence de 2.25MHz, les réponses acoustiques des microbulles (fréquence de résonance fondamentale et amplitude) avant et après le processus de lyophilisation ont été comparées pour la population de bulles de 5 micrometres de diamètre. Il a été constaté que la variation de l amplitude et de la fréquence de résonance fondamentale des bulles se situait dans la plage d incertitude expérimentale, ce qui suggère que leurs propriétés acoustiques ont été préservées. Nous avons également observé, en accord avec la littérature, qu il existe une dépendance linéaire entre la concentration de la population de microbulles (sans lyophilisation) et l amplitude du coefficient de rétrodiffusion. Par la suite, une comparaison de la réponse acoustique a été effectuée pour des bulles monodisperses et polydisperses. Aussi, en accord avec la littérature, nous avons observé une amplitude du signal de réponse des bulles monodisperses de 8 à 10 fois supérieure à celle des bulles polydisperses, pour une même concentration in vitro. Il a également été possible d observer une plus faible incertitude dans le suivi du pic de résonance des bulles et une plus petite largeur de bande pour la population de bulles monodisperses. Enfin, en utilisant une approche originale dite d imagerie matricielle par ultrasons, développée à l Institut Langevin, la réponse acoustique de la population lyophilisée monodispersée et polydispersée a été évaluée dans un fantôme simulant les tissus. Les résultats préliminaires renforcent les conclusions des mesures acoustiques menées dans la cellule centimétrique et le canal millimétrique, dans lesquelles la population monodisperse présente une largeur de bande significativement réduite par rapport à la grande largeur de bande de la population polydisperse. Le présent travail a permis le développement d une nouvelle technique pour lyophiliser des microbulles monodispersées sans dégrader leurs propriétés géométriques et acoustiques. Ainsi, nous avons proposé une nouvelle génération d agents de contraste ultrasonores se présentant sous la forme d une poudre lyophilisée stable qui peut être transportée et stockée pendant des mois et remise en suspension pour être utilisée dans des applications cliniques.

Des travaux scientifiques récents ont ouvert de nouveaux champs d’application aux traitements mécaniques tels que le grenaillage. Il a été montré que de tels traitements, réalisés avant un traitement de nitruration à la surface d’alliage ferreux, permettaient d’abaisser les températures de traitement et d’augmenter significativement les cinétiques de diffusion. Nous avons entrepris de tester les performances de cette combinaison de traitements mécanique et thermochimique sur des aciers inoxydables et des alliages à base nickel austénitiques. Des essais ont été réalisés à partir d’une technique de grenaillage mécanique appelée « Surface Mechanical Attrition Treatment » (SMAT). Des billes en métal ou en céramique sont introduites dans l’enceinte et mises en mouvement par la sonotrode. Les billes percutent et introduisent donc une déformation plastique à la surface des échantillons. Après cette étape, les échantillons subissent un traitement thermochimique de nitruration assisté plasma. La comparaison des résultats obtenus après nitruration sur des échantillons traités mécaniquement avec ceux n’ayant pas été pré-traités mécaniquement a permis de quantifier les effets des traitements combinés. Les analyses par diffraction des rayons X, les mesures de microdureté, les observations au microscope optique/électronique à balayage/électronique en transmission, les analyses de texture par EBSD (Electron BackScatered Diffraction) et la mesure des profils de concentration en azote par SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) et SDL (Spectroscopie à Décharge Luminescente) ont montré l’importance de la nature de la couche transformée mécaniquement sur la diffusion de l’azote / Recent scientific work has opened new fields of application to mechanical treatments such as shot blasting or peening. Indeed, it has been shown that this treatment, performed before a nitriding treatment on the surface of ferrous alloy, lowers processing temperatures and significantly increases the diffusion kinetics. We undertook to test this combination of mechanical and thermochemical treatments on stainless steels and nickel-based alloys. The mechanical treatments were done by Surface Mechanical Attrition Treatment (SMAT). This method is implemented in a box where metal or ceramic balls were introduced and set in motion by an ultrasound system in order to impact the surface of the pieces. The treated samples were then nitrided at low temperature by using a remote plasma. The comparison of the results obtained after nitriding treatments on mechanically treated samples and those not mechanically treated allows quantifying the effects of the combined treatments. Analyses by X-ray diffraction, microhardness measurement, observations by optical and scanning and transmission electron microscopy, texture analysis by EBSD (Electron Diffraction BackScatered) and measurement of nitrogen concentration profiles by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) show the importance of the nature of the deformed layer

Le contrôle non destructif est devenu nécessaire pour assurer la qualité des matériaux et des composants soit en service ou à l'étape de la production. Ceci nécessite l'utilisation d'une technique d’inspection rapide, robuste et fiable. En tant que technique de contrôle principale, la technologie des ultrasons a des capacités uniques pour évaluer la position, la taille et la forme des discontinuités. Ces informations ont un rôle essentiel dans les critères d'acceptation qui sont fondés sur la sécurité et les exigences de qualité des composants fabriqués. Par conséquent, un usage intensif de la technique des ultrasons apparaît notamment dans l'inspection des composites fabriqués à grande échelle dans l'industrie aérospatiale. D'importants progrès techniques ont contribué à l'optimisation des techniques d'acquisition par ultrasons telles que la technique de "Sampling Phased Array". Cependant, les systèmes d'acquisition doivent être complétés par une procédure d'analyse automatisée de données afin d'éviter l'interprétation manuelle fastidieuse de toutes les données produites. Un tel complément permet d'accélérer le processus d'inspection et d'améliorer sa fiabilité. L'objectif de cette thèse est de proposer une chaîne d’analyse dédiée au traitement automatique des volumes échographiques 3D obtenus en utilisant la technique Sampling Phased Array. Tout d'abord, une étude détaillée du bruit de speckle affectant les données échographiques a été effectuée, puisque ce type de bruit réduit la qualité des données échographiques. Ensuite, une chaîne d’analyse complète a été développée, constituée d'une procédure de segmentation suivie d'un processus de classification. La méthodologie de segmentation proposée est adaptée aux données ultrasonores 3D et a pour objectif de détecter tous les défauts potentiels à l'intérieur du volume d'entrée 3D. La procédure de segmentation étant en priorité dédiée à la détection des défauts qui est vitale, une difficulté principale est le taux élevé de fausses alarmes qui peuvent être détectées également. La classification correcte des fausses alarmes est nécessaire afin de réduire le taux de rejet des pièces saines. Cela doit être fait sans risquer la perte des vrais défauts. Par conséquent, la segmentation doit être suivie d'un processus de classification efficace qui doit distinguer les défauts réels des fausses alarmes. Ceci a été réalisé en utilisant une approche de classification spécifique basée sur une approche de fusion de données. La chaîne complète d'analyse a été testée sur plusieurs mesures ultrasonores volumiques de composites plastiques à renfort fibre de carbone. Les résultats expérimentaux de la chaîne ont révélé une grande précision ainsi qu'une très bonne fiabilité de détection, de caractérisation et de classification des défauts avec un taux très faible de fausses alarmes. / Non-destructive testing has become necessary to ensure the quality of materials and components either in-service or at the production stage. This requires the use of a rapid, robust and reliable testing technique. As a main testing technique, the ultrasound technology has unique abilities to assess the discontinuity location, size and shape. Such information play a vital role in the acceptance criteria which are based on safety and quality requirements of manufactured components. Consequently, an extensive usage of the ultrasound technique is perceived especially in the inspection of large scale composites manufactured in the aerospace industry. Significant technical advances have contributed into optimizing the ultrasound acquisition techniques such as the sampling phased array technique. However, acquisition systems need to be complemented with an automated data analysis procedure to avoid the time consuming manual interpretation of all produced data. Such a complement would accelerate the inspection process and improve its reliability. The objective of this thesis is to propose an analysis chain dedicated to automatically process the 3D ultrasound volumes obtained using the sampling phased array technique. First, a detailed study of the speckle noise affecting the ultrasound data was conducted, as speckle reduces the quality of ultrasound data. Afterward, an analysis chain was developed, composed of a segmentation procedure followed by a classification procedure. The proposed segmentation methodology is adapted for ultrasound 3D data and has the objective to detect all potential defects inside the input volume. While the detection of defects is vital, one main difficulty is the high amount of false alarms which are detected by the segmentation procedure. The correct distinction of false alarms is necessary to reduce the rejection ratio of safe parts. This has to be done without risking missing true defects. Therefore, there is a need for a powerful classifier which can efficiently distinguish true defects from false alarms. This is achieved using a specific classification approach based on data fusion theory. The chain was tested on several ultrasound volumetric measures of Carbon Fiber Reinforced Polymers components. Experimental results of the chain revealed high accuracy, reliability in detecting, characterizing and classifying defects.

La nécessaire représentation en échelle du monde nous amène à expliquer pourquoi la théorie des ondelettes en constitue le formalisme le mieux adapté. Ses performances sont comparées à d'autres outils : la méthode des étendues normalisées (R/S) et la méthode par décomposition empirique modale (EMD).La grande diversité des bases analysantes de la théorie des ondelettes nous conduit à proposer une approche à caractère morphologique de l'analyse. L'exposé est organisé en trois parties.Le premier chapitre est dédié aux éléments constitutifs de la théorie des ondelettes. Un lien surprenant est établi entre la notion de récurrence et l'analyse en échelle (polynômes de Daubechies) via le triangle de Pascal. Une expression analytique générale des coefficients des filtres de Daubechies à partir des racines des polynômes est ensuite proposée.Le deuxième chapitre constitue le premier domaine d'application. Il concerne les plasmas de bord des réacteurs de fusion de type tokamak. Nous exposons comment, pour la première fois sur des signaux expérimentaux, le coefficient de Hurst a pu être mesuré à partir d'un estimateur des moindres carrés à ondelettes. Nous détaillons ensuite, à partir de processus de type mouvement brownien fractionnaire (fBm), la manière dont nous avons établi un modèle (de synthèse) original reproduisant parfaitement la statistique mixte fBm et fGn qui caractérise un plasma de bord. Enfin, nous explicitons les raisons nous ayant amené à constater l'absence de lien existant entre des valeurs élevées du coefficient d'Hurst et de supposées longues corrélations.Le troisième chapitre est relatif au second domaine d'application. Il a été l'occasion de mettre en évidence comment le bien-fondé d'une approche morphologique couplée à une analyse en échelle nous ont permis d'extraire l'information relative à la taille, dans un écho rétrodiffusé d'une cible immergée et insonifiée par une onde ultrasonore / The necessary scale-based representation of the world leads us to explain why the wavelet theory is the best suited formalism. Its performances are compared to other tools: R/S analysis and empirical modal decomposition method (EMD). The great diversity of analyzing bases of wavelet theory leads us to propose a morphological approach of the analysis. The study is organized into three parts. The first chapter is dedicated to the constituent elements of wavelet theory. Then we will show the surprising link existing between recurrence concept and scale analysis (Daubechies polynomials) by using Pascal's triangle. A general analytical expression of Daubechies' filter coefficients is then proposed from the polynomial roots. The second chapter is the first application domain. It involves edge plasmas of tokamak fusion reactors. We will describe how, for the first time on experimental signals, the Hurst coefficient has been measured by a wavelet-based estimator. We will detail from fbm-like processes (fractional Brownian motion), how we have established an original model perfectly reproducing fBm and fGn joint statistics that characterizes magnetized plasmas. Finally, we will point out the reasons that show the lack of link between high values of the Hurst coefficient and possible long correlations. The third chapter is dedicated to the second application domain which is relative to the backscattered echo analysis of an immersed target insonified by an ultrasonic plane wave. We will explain how a morphological approach associated to a scale analysis can extract the diameter information