A travers la conception de robots porte-sonde ultrasonore pour une application médicale de télééchographie mobile, une étude de conception de structures cinématiques à modules sphériques optimisés est proposée. Le geste médical pendant l'examen d'échographie est analysé ; les résultats sont utilisés pour la définition du cahier des charges concernant la structure cinématique du robot. Une étude de synthèse basée sur les groupes de Lie des déplacements d'un corps rigide est effectuée pour établir un ensemble de mécanismes candidats pour le module de positionnement de translation plane et le module sphérique d'orientation constituant ce robot médical. Une optimisation multicritères sous contraintes est proposée pour les structures sphériques et appliquée sur trois structures : série, parallèle et hybride. La performance cinématique, le volume de l'espace de travail ainsi que des indices exprimant la compacité et la légèreté de la structure interviennent dans l'optimisation. La parcourabilité des structures cinématiques optimisées est étudiée. Les structures cinématiques des robots porte-sonde utilisés dans le système « Otelo » sont présentées.

L’élastographie est une technique d’imagerie qui vise à cartographier in vivo les propriétés mécaniques des tissus biologiques dans le but de fournir des informations diagnostiques additionnelles. Depuis son introduction en imagerie ultrasonore dans les années 1990, l’élastographie a trouvé de nombreuses applications. Cette modalité a notamment été utilisée pour l’étude du sein, du foie, de la prostate et des artères par imagerie ultrasonore, par résonance magnétique ou en tomographie par cohérence optique. Dans le contexte des maladies cardiovasculaires, cette modalité a un fort potentiel diagnostique puisque l’athérosclérose modifie la structure des tissus biologiques et leurs propriétés mécaniques bien avant l’apparition de tout symptôme. Quelle que soit la modalité d’imagerie utilisée, l’élastographie repose sur : l’excitation mécanique du tissu (statique ou dynamique), la mesure de déplacements et de déformations induites, et l’inversion qui permet de recouvrir les propriétés mécaniques des tissus sous-jacents. Cette thèse présente un ensemble de travaux d’élastographie dédiés à l’évaluation des tissus de l’appareil cardiovasculaire. Elle est scindée en deux parties. La première partie intitulée « Élastographie vasculaire » s’intéresse aux pathologies affectant les artères périphériques. La seconde, intitulée « Élastographie cardiaque », s’adresse aux pathologies du muscle cardiaque. Dans le contexte vasculaire, l’athérosclérose modifie la physiologie de la paroi artérielle et, de ce fait, ses propriétés biomécaniques. La première partie de cette thèse a pour objectif principal le développement d’un outil de segmentation et de caractérisation mécanique des composantes tissulaires (coeur lipidique, tissus fibreux et inclusions calciques) de la paroi artérielle, en imagerie ultrasonore non invasive, afin de prédire la vulnérabilité des plaques. Dans une première étude (Chapitre 5), nous présentons un nouvel estimateur de déformations, associé à de l’imagerie ultrarapide par ondes planes. Cette nouvelle méthode d’imagerie permet d’augmenter les performances de l’élastographie non invasive. Dans la continuité de cette étude, on propose une nouvelle méthode d’inversion mécanique dédiée à l’identification et à la quantification des propriétés mécaniques des tissus de la paroi (Chapitre 6). Ces deux méthodes sont validées in silico et in vitro sur des fantômes d’artères en polymère. Dans le contexte cardiaque, les ischémies et les infarctus causés par l’athérosclérose altèrent la contractilité du myocarde et, de ce fait, sa capacité à pomper le sang dans le corps (fonction myocardique). En échocardiographie conventionnelle, on évalue généralement la fonction myocardique en analysant la dynamique des mouvements ventriculaires (vitesses et déformations du myocarde). L’abscence de contraintes physiologiques agissant sur le myocarde (contrairement à la pression sanguine qui contraint la paroi vasculaire) ne permet pas de résoudre le problème inverse et de retrouver les propriétés mécaniques du tissu. Le terme d’élastographie fait donc ici référence à l’évaluation de la dynamique des mouvements et des déformations et non à l’évaluation des propriétés mécanique du tissu. La seconde partie de cette thèse a pour principal objectif le développement de nouveaux outils d’imagerie ultrarapide permettant une meilleure évaluation de la dynamique du myocarde. Dans une première étude (Chapitre 7), nous proposons une nouvelle approche d’échocardiographie ultrarapide et de haute résolution, par ondes divergentes, couplée à de l'imagerie Doppler tissulaire. Cette combinaison, validée in vitro et in vivo, permet d’optimiser le contraste des images mode B ainsi que l’estimation des vitesses Doppler tissulaires. Dans la continuité de cette première étude, nous proposons une nouvelle méthode d’imagerie des vecteurs de vitesses tissulaires (Chapitre 8). Cette approche, validée in vitro et in vivo, associe les informations de vitesses Doppler tissulaires et le mode B ultrarapide de l’étude précédente pour estimer l’ensemble du champ des vitesses 2D à l’intérieur du myocarde. / Elastography is an imaging technique that aims to map the in vivo mechanical properties of biological tissues in order to provide additional diagnostic information. Since its introduction in ultrasound imaging in the 1990s, elastography has found many applications. This method has been used for the study of the breast, liver, prostate and arteries by ultrasound imaging, magnetic resonance imaging (MRI) or optical coherence tomography (OCT). In the context of cardiovascular diseases (CVD), this modality has a high diagnostic potential as atherosclerosis, a common pathology causing cardiovascular diseases, changes the structure of biological tissues and their mechanical properties well before any symptoms appear. Whatever the imaging modality, elastography is based on: the mechanical excitation of the tissue (static or dynamic), the measurement of induced displacements and strains, and the inverse problem allowing the quantification of the mechanical properties of underlying tissues. This thesis presents a series of works in elastography for the evaluation of cardiovascular tissues. It is divided into two parts. The first part, entitled « Vascular elastography » focuses on diseases affecting peripheral arteries. The second, entitled « Cardiac elastography » targets heart muscle pathologies. In the vascular context, atherosclerosis changes the physiology of the arterial wall and thereby its biomechanical properties. The main objective of the first part of this thesis is to develop a tool that enables the segmentation and the mechanical characterization of tissues (necrotic core, fibrous tissues and calcium inclusions) in the vascular wall of the peripheral arteries, to predict the vulnerability of plaques. In a first study (Chapter 5), we propose a new strain estimator, associated with ultrafast plane wave imaging. This new imaging technique can increase the performance of the noninvasive elastography. Building on this first study, we propose a new inverse problem method dedicated to the identification and quantification of the mechanical properties of the vascular wall tissues (Chapter 6). These two methods are validated in silico and in vitro on polymer phantom mimicking arteries. In the cardiac context, myocardial infarctions and ischemia caused by atherosclerosis alter myocardial contractility. In conventional echocardiography, the myocardial function is generally evaluated by analyzing the dynamics of ventricular motions (myocardial velocities and deformations). The abscence of physiological stress acting on the myocardium (as opposed to the blood pressure which acts the vascular wall) do not allow the solving the inverse problem and to find the mechanical properties of the fabric. Elastography thus here refers to the assessment of motion dynamics and deformations and not to the evaluation of mechanical properties of the tissue. The main objective of the second part of this thesis is to develop new ultrafast imaging tools for a better evaluation of the myocardial dynamics. In a first study (Chapter 7), we propose a new approach for ultrafast and high-resolution echocardiography using diverging waves and tissue Doppler. This combination, validated in vitro and in vivo, optimize the contrast in B-mode images and the estimation of myocardial velocities with tissue Doppler. Building on this study, we propose a new velocity vector imaging method (Chapter 8). This approach combines tissue Doppler and ultrafast B-mode of the previous study to estimate 2D velocity fields within the myocardium. This original method was validated in vitro and in vivo on six healthy volunteers.

Ce travail de thèse porte sur l’analyse et le traitement des signaux ultrasonores pour la caractérisation de l’os cortical. La première partie est dédiée à l’analyse des signaux acquis par un prototype de sonde de transmission axiale à 1 MHz. Nous montrons qu’une contribution arrivant après le premier signal présente un intérêt pour la caractérisation ultrasonore de l’os cortical. En effet, cette contribution évaluée sur des radius humains in vitro est associée à une onde de flexion propagée dans l’os qui est dépendante de l’épaisseur corticale. L’analyse de cette contribution a nécessité le développement d’une technique de séparation d’ondes. Cette contribution étant plus basse fréquence que le premier signal et associée à un mode de propagation différent, nous montrons ainsi qu’une analyse plus poussée du signal peut permettre une approche multi-modes/multi-fréquences. Dans une seconde partie, nous montrons l’intérêt de l’évaluation de l’atténuation ultrasonore pour la caractérisation de l’os cortical. Lors d’une étude expérimentale in vitro sur des échantillons corticaux bovins, nous montrons la dépendance d’un paramètre d’atténuation aux propriétés osseuses et à la micro-structure. De plus, ce paramètre semble plus sensible aux propriétés osseuses que ne l’est la vitesse de l’onde longitudinale. Ainsi, l’atténuation évaluée en complément de la vitesse pourrait permettre de caractériser de manière plus complète l’os cortical / This work deals with the ultrasonic characterization of cortical bone. In a first part, the signals acquired with a 1-MHz axial transmission device are analyzed. A later contribution occuring after the first arriving signal is studied after the application of a wave separation procedure. This contribution is shown to be of interest for the ultrasonic characterization of cortical bone. Indeed, experiments performed in vitro on human radii show that this contribution is associated with a flexural wave guided which is dependent on the cortical thickness. In addition, this contribution has a lower frequency content than the first arriving signal and is associated with a different propagation mode. Therefore, a more thorough analysis of the ultrasonic signals enables a multi-modal/multi-frequency approach. In a second part, the ultrasonic attenuation is evaluated in an in vitro experimental study on bovine cortical bone samples. Ultrasonic attenuation is shown to be dependent on bone properties and micro-structure. Furthermore, this parameter seems to be more sensitive than the longitudinal wave velocity to bone parameters. Attenuation, in combination with ultrasonic wave velocity, is of interest and may provide a more comprehensive characterization of cortical bone

La pierre monumentale subit au fil du temps des mécanismes de dégradation physiques, chimiques et biologiques qui détruisent l’épiderme des monuments et affectent la structure porteuse et sa stabilité. La compréhension des mécanismes de dégradation est nécessaire pour les gestionnaires d’ouvrages surtout que les études menées jusqu’à présent sont souvent incomplètes. Dans cette problématique, une étude de la dégradation de la pierre calcaire de Blaye est réalisée en collaboration avec le projet européen Medachs et la mairie de Blaye. Cette étude est composée de deux parties principales réalisées sur le site et en laboratoire. L’étude in-situ consiste à appareiller une pierre de façon à avoir la température de l’air et à la surface, à l’extérieur et à l’intérieur du bâtiment, et à 3 profondeurs dans la pierre. Un modèle numérique alimentée par les résultats des mesures expérimentales est élaboré pour estimer la valeur de la conductivité thermique du matériau. La pierre est alors découpée en 3 épaisseurs et la conductivité thermique est calculée pour chaque épaisseur en appliquant une méthode d’optimisation (Powell). La variation de la conductivité est directement liée à celle de la porosité et donc de l’état d’altération du matériau. L’étude au laboratoire est réalisée en deux étapes. En premier temps, des éprouvettes du matériau vierge en provenance de la carrière locale sont utilisées pour caractériser l’état initial du matériau. Pour cela, des paramètres physiques (masse volumique, porosités) et des paramètres mécaniques (vitesse ultrasonore et résistance mécanique) sont mesurés et identifiés. En deuxième temps ,nous réalisons des essais de vieillissement accéléré par action des sels et par action des cycles hygrothermiques. Les essais montrent la fragilité du matériau et mettent en évidence une résistance très faible face à la cristallisation de sels. Le travail réalisé, à la fois en laboratoire et in-situ, met en évidence la nécessité de mieux comprendre les mécanismes de dégradation et de mieux connaitre le matériau en particulier au niveau de l’action des sels. On propose de réaliser des essais qui prennent plus en compte les conditions d’exposition de la pierre (température, nature des sels, etc.). / Monumental stone is exposed to alteration caused by physical, chemical and biological mechanisms of degradation. With time, these mechanisms can destruct the monument epidermis and endanger the structure stability. The complex mechanisms of stone degradation are not fully understood. Our scientific knowledge is incomplete. Within the framework of the maintenance of historical monuments, a study of Blaye limestone alteration is realized with the collaboration of the European project Medachs and the town hall of Blaye. Our study can be divided into two major parts : an in-situ study and a laboratory study. The on site study consists on measuring the temperature evolution at the internal and external surface of a chosen stone in the building as well as the temperature evolution at the air in the inside and the outside of the building and at three depths in the stone. A numerical model is built in order to estimate the thermal conductivity of the stone based on the measurements results. The model consists on considering that the stone is composed of three layers characterized with three different values of the thermal conductivity. These values are estimated by using an optimization algorithm (Powell). The thermal conductivity varies with the porosity and thus can be considered as an indicator of the stone damage On the other hand, the laboratory study is realized in two stages. At first, the physical and the mechanical parameters of the original material are estimated by carrying out different measurements (relative density, porosiy, ultrasonic velocity, and compressive resistance). The samples that were used for the measurements were extracted from the local quarry. Then two types of accelerated ageing tests were realized : salt crystallization and hydro-thermal cycles. The results of the tests showed a low resistance of the material especially to salt crystallization. At the end, the results of the in-situ and the laboratory study show the fragility of the material and highlight the need and the importance of a better understanding of the degradation mechanisms. The effect of the environmental conditions should be included in the studies in order to have a clear image about the variation of the material resistance to salt crystallization with the exposure conditions (temperature, type of salts, etc.).

L'ondulation pli est un défaut majeur qui peut apparaître dans certains matériaux composites tels que le CFRP. Des mesures de vitesse et atténuation ultrasonore permettent la détection, mais pas l'identification, de l'ondulation pli. Dans la présente étude, il est démontré que pour identifier cette ondulation pli, il est important de prendre en compte la déviation du faisceau ultrasonore. Deux méthodes différentes, A²Scan et C²Scan, permettent de détecter et mesurer cette déviation. D'une part, de l'écart produit un comportement asymétrique dans les réponses obtenues à des angles d'incidence oblique. Ce phénomène se manifeste à travers l'étude des domaines d'angles d'incidence, qui peuvent normalement être superposés. D'autre part, la technique de C²Scan permet la mesure de la déviation du champ acoustique transmis. Dans les deux cas, l'étude de la déviation induite révèle sa sensibilité à la présence d'ondulation plis. Ces méthodes ont été validées expérimentalement et leur utilisation potentielle, en fonction de l'épaisseur de la pièce, ainsi que sont industrialisation par ultrasons laser sont discutées. / Ply waviness is a major defect, which can appear in certain composite materials such as CFRP. Attenuation and ultrasound velocity measurements allow the detection, but not the identification, of ply waviness. In the present study it is shown that in order to identify this ply waviness, it is important to take the deviation of the ultrasonic beam into account. Two different methods,A²Scan et C²Scan , allowing such deviations to be detected are proposed. On the one hand, the deviation produces an asymmetrical behaviour in the responses obtained at oblique incidence angles. This phenomenon is revealed through the study of incidence angle ranges, which can normally be superimposed. On the other hand, the double scanning technique allows the deviation of the energy maxima of the transmitted acoustic field to be determined. In both cases, the study of induced deviation reveals that it is sensitive to the presence of ply waviness. These methods have been experimentally validated and their potential use, depending on the thickness of the workpiece and industrialization by laser ultrasonic means are discussed.

L'imagerie médicale ultrasonore est une modalité en perpétuelle évolution et notamment en post-traitement où il s'agit d'améliorer la résolution et le contraste des images. Ces améliorations devraient alors aider le médecin à mieux distinguer les tissus examinés améliorant ainsi le diagnostic médical. Il existe déjà une large palette de techniques "hardware" et "software". Dans ce travail nous nous sommes focalisés sur la mise en oeuvre de techniques dites de "déconvolution aveugle", ces techniques temporelles utilisant l'enveloppe du signal comme information de base. Elles sont capables de reconstruire des images parcimonieuses, c'est-à-dire des images de diffuseurs dépourvues de bruit spéculaire. Les principales étapes de ce type de méthodes consistent en i) l'estimation aveugle de la fonction d'étalement du point (PSF), ii) l'estimation des diffuseurs en supposant l'environnement exploré parcimonieux et iii) la reconstruction d'images par reconvolution avec une PSF "idéale". La méthode proposée a été comparée avec des techniques faisant référence dans le domaine de l'imagerie médicale en utilisant des signaux synthétiques, des séquences ultrasonores réelles (1D) et images ultrasonores (2D) ayant des statistiques différentes. La méthode, qui offre un temps d'exécution très réduit par rapport aux techniques concurrentes, est adaptée pour les images présentant une quantité réduite ou moyenne des diffuseurs. / The ultrasonic imaging knows a continuous advance in the aspect of increasing the resolution for helping physicians to better observe and distinguish the examined tissues. There is already a large range of techniques to get the best results. It can be found also hardware or signal processing techniques. This work was focused on the post-processing techniques of blind deconvolution in ultrasound imaging and it was implemented an algorithm that works in the time domain and uses the envelope signal as input information for it. It is a blind deconvolution technique that is able to reconstruct reflectors and eliminate the diffusive speckle noise. The main steps are: the estimation of the point spread function (PSF) in a blind way, the estimation of reflectors using the assumption of sparsity for the examined environment and the reconstruction of the image by reconvolving the sparse tissue with an ideal PSF. The proposed method was tested in comparison with some classical techniques in medical imaging reconstruction using synthetic signals, real ultrasound sequences (1D) and ultrasound images (2D) and also using two types of statistically different images. The method is suitable for images that represent tissue with a reduced amount or average scatters. Also, the technique offers a lower execution time than direct competitors.

L'échographie est aujourd'hui une technique d'imagerie de diagnostic répandue. Si l'imagerie dite ‘classique' basée sur la réponse linéaire des tissus est couramment utilisée, l'imagerie harmonique, basée sur la réponse non linéaire des tissus, est maintenant aussi utilisée en routine clinique. L'estimation du paramètre de non linéarité d'un milieu par une technique ultrasonore amène de nouvelles perspectives en termes d'imagerie et de diagnostic. Cependant, la méthode de mesure du paramètre de non linéarité est limitée par deux facteurs, la présence du speckle et la concentration de l'énergie à une profondeur donnée (la zone focale). Cette thèse a pour objectifs de répondre aux deux limitations mentionnées précédemment en proposant de nouvelles méthodes de lissage de l'image pour réduire le speckle et d'améliorer l'estimation du paramètre de non linéarité en mode écho par de nouvelles méthodes d'émission. Dans un premier temps, il a été proposé d'utiliser une méthode de filtrage spatiale basée sur des filtres orthogonaux (filtres de Thomson) lors de la formation de voie en réception pour lisser le speckle. Ce filtrage spatiale intervient après la transmission d'ondes planes sous différents angles pour améliorer la résolution spatiale et le contraste tout en accélérant la cadence d'imagerie. Dans un deuxième temps, l'estimation du paramètre de non linéarité est faite avec une méthode comparative. Le champ de pression du second harmonique d'une zone de référence est comparé avec le champ de pression d'une zone dont le paramètre de non linéarité est inconnu. Cependant, dans le cas des images échographiques, le champ de pression du second harmonique n'est pas accessible. Nous faisons l'hypothèse que la pression acoustique locale est liée à l'intensité de l'image échographique si le speckle est réduit et lissé. La transmission d'ondes planes et l'application de filtres orthogonaux permet de mieux délimiter le paramètre de non linéarité par rapport à une transmission focalisée / Nowadays, ultrasound imaging is a common diagnostic tool thanks to its non-invasive behavior and relatively cheap equipment. Classic medical echographic imaging is based on the linear response of the biological tissue. However harmonic imaging, based on the harmonic frequencies generated by the nonlinear properties of the tissue, is more and more used for clinical application. The quantification of nonlinearity is based on the evaluation of the nonlinearity parameter which strongly influences the harmonics generation. The nonlinearity parameter estimation using an echographic approach would bring new modalities for imaging and diagnosis. However the echographic method for nonlinearity estimation is limited by two factors: the presence of speckles in the image and the focalization used during transmission, which concentrates the energy at one particular depth. The objectives of this thesis work are developing novel approaches to reduce the speckle noise using original smoothing techniques and improving the nonlinearity parameter estimation in echo mode using new transmission-reception strategies. Firstly, new speckle noise reduction approaches were investigated. The Thomson’s multitaper approach was proposed, consisting in using several different orthogonal apodizations during beamforming. This method was combined to a coherent plane-wave compounding transmission-reception strategy improving the spatial resolution and the contrast while improving the frame rate. In a second time, the nonlinearity parameter was estimated using a comparative method. The second-harmonic pressure field of a reference area was compared to the pressure field of an area where the nonlinearity parameter is unknown. However in echo-mode, the pressure field of the medium is unknown. It is assumed in this thesis work that the local pressure can be derived from envelope image local amplitude if the speckle noise is smoothed. The nonlinearity parameter estimation has been improved using plane-wave transmission and orthogonal apodizations compared to the use of a single focalization transmission / Oggigiorno, le tecniche di imaging ad ultrasuoni sono un comune strumento di diagnosi, grazie alla loro non invasività e alla relativa economicità dei sistemi. La risposta lineare dei tessuti biologici è la base per le tecniche di imaging ecografico tradizionali. La generazione di frequenze ad armoniche superiori da parte dei tessuti può essere sfruttata per sviluppare tecniche di imaging innovative (i.e., imaging armonico), che sono sempre più utilizzate per applicazioni cliniche. Tali tecniche sono basate sul metodo di valutazione del parametro di non linearità che influenza fortemente la generazione delle armoniche all’interno dei tessuti. I metodi per la stima dei suddetti parametri sfruttano solitamente un approccio ecografico tradizionale. Di conseguenza, gli effetti legati alla focalizzazione impiegata durante la trasmissione, che concentra l’energia ad una particolare profondità, e la presenza di speckle nell’immagine finale, rendono più incerta la stima del parametro di non linearità. In questa tesi sono proposti metodi innovativi finalizzati a due scopi: ridurre, nelle immagini, il rumore dovuto a speckle, tramite l’adozione di nuove tecniche di smoothing; migliorare la stima dei parametri di non linearità, tramite l’impiego di nuove strategie di beamforming in trasmissione e ricezione. Per ridurre il rumore dovuto a speckle, è stato proposto un approccio di filtraggio spaziale basato sull’impiego dei filtri di Thomson. Tale tecnica consiste nell’impiego di numerose apodizzazioni ortogonali fra di loro in fase di beamforming. Il metodo è stato in particolare combinato con la tecnica di imaging coherent plane-wave compounding, con lo scopo di migliorare la risoluzione spaziale e il contrasto e, al contempo, incrementare il frame rate. Il parametro di non linearità è stato misurato tramite un approccio comparativo. Il campo di pressione della seconda armonica in un’area di riferimento dell’immagine è stato confrontato con quello di un’area in cui il parametro di non linearità è ignoto. In questa tesi, grazie alla riduzione del rumore speckle, è stato possibile assumere che il campo di pressione

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

De nos jours, l’étude biomécanique des structures osseuses représentent un enjeu pour différents domaines: accidentologie, prise en charge des pathologies osseuses, confort des personnes âgées, conception de prothèses innovantes, etc. Le but de cette thèse est de fournir des valeurs de référence représentatives de la qualité de l'os enfant en caractérisant des propriétés mécaniques et morphométriques du tissu osseux en croissance à différentes échelles. Les propriétés mécaniques ont été mesurées à 2 échelles différentes – mésoscopique et microscopique – selon 2 modalités expérimentales – spectroscopie à résonance ultrasonore et microindentation. Un autre volet de cette thèse concerne le développement d’une procédure d’analyse morphométrique adaptée au tissu osseux pour le traitement d’images obtenues par micro-tomographie (RX). Mieux connaître le tissu osseux juvénile est indispensable pour développer des modèles dédiés et ainsi mieux comprendre les mécanismes pathologiques caractéristiques de l'os en croissance (fracture en bois vert) pour améliorer le diagnostic et adapter les choix thérapeutiques pour les jeunes patients. / Nowadays, the biomechanical study of bone structures is a challenge for different fields: accidentology, management of bone pathologies, comfort for the elderly, design of innovative prostheses, etc. The aim of this thesis is to provide reference values representative of the quality of child bone by characterizing the mechanical and morphometric properties of growing bone tissue at different scales. Mechanical properties were measured at 2 different scales - mesoscopic and microscopic - in 2 experimental modalities – resonant ultrasound spectroscopy and microindentation. Another part of this thesis concerns the development of a morphometric analysis procedure adapted to bone tissue for the treatment of images obtained by micro-tomography (RX). A better knowledge of juvenile bone tissue is essential to develop dedicated models and thus better understand the pathological mechanisms characteristic of growing bone (greenstick fracture) to improve diagnosis and adapt therapeutic choices for young patients.

Ce travail rentre dans le cadre de la caractérisation des couches minces, de revêtements et de surfaces fonctionnelles (épaisseur, constantes élastiques,…). Parmi les méthodes de caractérisation potentielles, les méthodes ultrasonores employant des ondes de surface sont particulièrement intéressantes. Pour ce faire, nous avons choisi d’exploiter la dispersion des ondes de surface de type Rayleigh. En effet, les ondes acoustiques de surface (SAW) de type Rayleigh se propagent à la surface d’un matériau et l’énergie véhiculée par ces ondes est confinée sous la surface dans une couche d’épaisseur de l’ordre d’une longueur d’onde. Afin de caractériser ces revêtements, il est nécessaire de travailler sur une large gamme de fréquences. D’autre part, ces couches peuvent être fragiles et transparentes, c’est pourquoi, des transducteurs interdigités (IDT) sont envisagés. Pour optimiser ce type de capteurs, et en particulier leur bande passante, il est nécessaire d’étudier différentes configurations sachant qu’il est notamment possible de faire varier le nombre d’électrodes, les dimensions des électrodes, leurs formes et leurs espacements. Enfin, pour exciter ces ondes de surface dans une large gamme de fréquence avec des niveaux de déplacement suffisants pour la caractérisation des couches minces et revêtements, la technique à double Chirp spatio-temporel basée sur des transducteurs SAW-IDT a été privilégiée. Nous avons montré les potentialités de cette approche en caractérisant premièrement des structures à couche mince métalliques d’épaisseurs de 100 nm et plus, et deuxièmement des revêtements transparents de type sol-gel. / This work is within the scope of characterization of thin layers, coatings and functional surfaces (thickness, elastic constants,…). Among the characterization methods, the ultrasonic methods using surface acoustic waves are particularly interesting. In order to do this, we chose to make use the dispersion phenomenon of Rayleigh-like surface acoustic waves. Indeed, the propagation of these waves is close to the surface of material and the energy is concentrated within a layer under the surface of about one wavelength thick. In order to characterize these coatings and structures, it is necessary to perform measurements in high frequencies. On the other hand, these coatings can be fragile and transparent, this is why in this study, SAW-IDT sensors are achieved for surface acoustic wave generation. For optimization of these SAW-IDT sensors, particularly their band-width, it is necessary to study various IDT configurations by varying the number of electrodes, dimensions of the electrodes, their shapes and spacings. Finally, to generate the surface acoustic waves over a wide frequency range with sufficient displacement amplitude for the characterization of thin films and coatings, a time-space chirp technique with SAW-IDT sensors was selected. We have shown the potential of this approach by characterizing firstly thin metallic layers, and secondly transparent coatings obtained by the sol-gel process.