Dans cette thèse nous proposons de développer un système d'imagerie ultrasonore innovante de micro- défauts basé sur l'utilisation conjointe de techniques d'acoustique non linéaire et du concept de "transducteur à cavité chaotique". Ce transducteur correspond à la combinaison d'une céramique piézoélectrique collée sur une cavité de forme chaotique et du principe de retournement temporel. La faisabilité et les performances de ce nouveau système sont explorées par des simulations numériques. Des paramètres optimaux d'utilisation pour une implémentation expérimentale sont proposés. Une grande partie des travaux menés dans le cadre de cette thèse se concentre sur le développement d'outils numériques permettant l'amélioration de telles techniques d'imagerie. Un schéma d'éléments finis de type Galerkin Discontinu (GD) est étendu à l'élastodynamique non linéaire. Un type de zone absorbante parfaitement adaptée, appelée "Nearly Perfectly Matched Layer" (NPML) a aussi été développé. Dans le cas de matériaux orthotropes, comme des problèmes de stabilité apparaissent, un mélange de NPML et de zone atténuante, dont on contrôle la proportion respective, est introduit afin de stabiliser les NPML. Une validation expérimentale du concept de "transducteur à cavité chaotique" pour la focalisation dans un milieu solide, réverbérant ou non, en utilisant une seule source est réalisée. Les méthodes de retournement temporel et de filtre inverse sont présentées et comparées. La démonstration expérimentale qu'un "transducteur à cavité chaotique" peut être utilisé conjointement avec les méthodes d'inversion d'impulsion afin de réaliser une image de non linéarités localisées est présentée

Nous reportons ici le comportement rhéologique de suspensions concentrées - ou pâte - de particules granulaires ou colloïdales de ciment ou de silice sphérique et monodisperse. Le système modèle de particules de silice est utilisé pour pouvoir contrôler les propriétés physicochimiques de la suspension. Notre projet de recherche se centre sur deux points qui s'intéressent aux propriétés du coulis frais : (i) le premier est l'étude du processus de structuration par coagulation au repos et sa relation avec la prise. Nous avons utilisé des outils (ultrason, confocal) adaptés pour suivre et interpréter la coagulation et la prise du ciment.(ii). Le second est l'étude d'un phénomène de structuration dynamique, sous écoulement, typique des suspensions très concentrées et appelé " jamming ". Nous montrons que l'apparition de ce régime d'encombrement va de pair avec des fluctuations géantes de contraintes, avec une statistique caractéristique des événements critiques auto-organisés. L'état de surface des grains et du frottement intergranulaire est un paramètre important dans le blocage sous cisaillement. La simultanéité des fluctuations des efforts normaux et des efforts tangentiels aussi que des visualisations microscopiques suggère fortement que la formation de chaînes de contacts frottants est à l'origine du phénomène.

Le but du travail est l'investigation de la propagation dans les milieux mobiles des ondes conjuguées en phase paramétriquement et la démonstration de leurs applications possibles à la vélocimétrie des écoulements liquides. Une investigation des effets non-linéaires qui accompagnent la propagation et l'interaction des ondes conjuguées en phase est réalisée avec par exemple la génération des harmoniques supérieures et la diffusion Brillouin. La possibilité d'application de ces effets pour l'amélioration de la précision des systèmes conventionnels acoustiques de vélocimétrie des écoulements est considérée. Il est montré que le principe de synchronisation des phases des harmoniques supérieures générées successivement par l'onde conjuguée en milieu hétérogène reste valide pour les milieux mobiles, ce qui permet d'augmenter la sensibilité de mesure proportionnellement à l'ordre de l'harmonique utilisée. Il est également montré que le décalage de phase de la composante Stokes de fréquence différentielle générée dans le milieu mobile pendant la diffusion Brillouin de l'onde conjuguée par celle de référence correspond à celui de l'onde conjuguée en phase. Les effets de génération des harmoniques supérieures et de la composante Stokes de fréquence différentielle peuvent être utilisés conjointement pour l'amélioration de la sensibilité et de la précision des mesures de vitesse de l'écoulement. Les applications possibles de l'effet de conjugaison de phase paramétrique à la vélocimétrie des écoulements sont présentées. Une méthode de mesure simultanée des concentrations relatives de mélange et de la vitesse des écoulements en temps réel est élaborée.

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation ultrasonore de la qualité osseuse de l'os cortical in vitro.<br />La première partie compare plusieurs techniques d'évaluation ultrasonore de l'os cortical par transmission axiale. Les propriétés ultrasonores mesurées à différentes fréquences au radius in vitro sont comparées à celles mesurées par tomographie quantitative (pQCT) ainsi qu'aux propriétés mécaniques des échantillons. Il en ressort que si les paramètres ultrasonores sont indiscutablement capables de prédire les propriétés mécaniques, leur apport sur les paramètres pQCT (actuellement mesurés en clinique) n'est envisageable que dans le cas d'une approche multi-fréquences et multi-paramètres.<br />La seconde partie porte sur l'étude du micro endommagement, impliqué dans la fragilisation de l'os. Nous avons fait appel à des paramètres ultrasonores nonlinéaires, qui ont fait leurs preuves dans d'autre domaines pour la mesure de l'endommagement des matériaux. Nous avons montré, en utilisant la technique de Spectroscopie Nonlinéaire Ultrasonore en Résonance, la sensibilité du paramètre ultrasonore nonlinéaire a l'endommagement progressivement accumulé dans l'os in vitro. Une relation exponentielle entre le paramètre ultrasonore nonlinéaire et l'âge des donneurs a été mise en évidence. Ceci a permis de montrer le potentiel de l'acoustique non linéaire pour la détection du micro endommagement osseux, même si des efforts doivent encore être fournis pour l'application in vivo de la méthode.<br />De façon plus générale, il ressort de ces travaux que le potentiel des ultrasons pour l'évaluation de la qualité osseuse réside probablement dans une approche multi-fréquences, multi-paramètres.

En 1969, il a été suggéré que des lacunes atomiques pourraient former un condensat de Bose dans l'hélium-4 solide, ce qui lui conférerait des propriétés de superfluidité. Ce scénario n'a toujours pas pu être observé, car il semblerait que l'énergie d'activation des lacunes soit trop importante. Toutefois, cette énergie diminue lorsque le volume molaire du solide augmente, mais cette diminution est limitée par la fusion du solide. Le travail présenté dans cette thèse, vise à produire un état d'hélium solide métastable par rapport à la fusion, pour prolonger la diminution de l'énergie d'activation et tendre vers la réalisation du scénario. Pour cela nous avons développé une technique permettant de focaliser une onde ultrasonore dans un monocristal d'hélium pourtant anisotrope. Les oscillations de pression provoquées par l'onde portent transitoirement l'hélium sous sa pression de fusion, qui est d'environ 25 bar. Une mesure interférométrique du champ acoustique émis, faite à travers les accès optiques du cryostat, nous permet de déterminer la pression de l'échantillon métastable produit. Les résultats obtenus montrent qu'il est possible d'obtenir des états métastables décomprimés jusqu'à 21 bar, soit 4,5 bar sous la pression de fusion. Au-delà de cette limite, le cristal subit une instabilité inattendue, bien avant la limite spinodale prédite théoriquement. L'analyse de cette instabilité montre que le phénomène pourrait correspondre à la nucléation de la phase liquide, bien que sa pression d'apparition soit incompatible avec le modèle actuel.

Cette thèse expérimentale porte sur les ondes ultrasonores se propageant dans un milieu granulaire sec, sous contrainte. Dans une première partie, on s'intéresse à la propagation des ondes cohérentes de grande longueur d'onde. La mesure des vitesses de ces ondes en fonction de la contrainte et de la fréquence, montre que les propriétés élastiques du milieu résultent du contact de type Hertz-Mindlin, et que le milieu est non dispersif. La mesure d'atténuation indique un mécanisme dominant du type diffraction de Rayleigh. La propagation d'une onde de Biot à travers l'air dans un empilement sous gravité a été aussi mise en évidence. Dans une seconde partie, on s'est intéressé à la diffusion multiple d'onde acoustique. Nous avons déduit le coefficient de diffusion et le temps inélastique d'absorption en fonction de la contrainte et de la fréquence d'excitation. Le libre parcours moyen de transport a été déterminé en fonction du rapport de la longueur d'onde sur la taille de grains, montrant deux régimes distincts à basse et à haute fréquence. La dernière partie, porte sur le comportement non linéaire hystérétique d'un milieu granulaire, par méthode de résonance. Les modes fondamentaux d'ondes cohérentes ont été étudiés en fonction de l'amplitude d'excitation et de la contrainte de confinement. Un ramollissement élastique de 10%, pour l'onde longitudinale, et de 20%, pour l'onde transversale, sont observés, en bon accord avec un modèle de milieu effectif basé sur la théorie de Mindlin. Les effets d'interaction irréversible son-matière ont été examinés, tels que la compaction intermittente et le processus de cicatrisation. Enfin, on observe que l'atténuation de l'onde transversale dépend conjointement de l'amplitude d'excitation et de la fréquence

La gestion de l'infection endodontique est la clé de la réussite de tout traitement endodontique. La reproduction in vitro du biofilm endocanalaire sauvage, qui se compose d'environ 500 espèces bactériennes différentes est à ce jour impossible. Cependant, tester un protocole de désinfection dans des conditions de laboratoire et ce avant toute application clinique reste indispensable. Il ressort que le développement d'un modèle qui ressemblerait structurellement à son type homologue sauvage se montre crucial. Dans le laboratoire MICORALIS (EA 7354) nous nous sommes intéressés à la conception et à la réalisation d'un biofilm polybactérien artificiel. La recherche bibliographique a permis de sélectionner S. salivarius, E. faecalis, F. nucleatum et P. gingivalis qui sont des représentants de différents groupes colonisateurs de l’espace endodontique et qui coexistent. Après une série d'analyse au MEB puis des examens à l'aide de la technique FISH-confocale (sondes ARNr 16S), nous avons pu démontrer que ces bactéries sont présentes dans la composition d’un biofilm mature après 21 jours sur la dentine péricanalaire. Ces investigations nous ont permis de géo-localiser des bactéries dans les tubuli dentinaires jusqu’à 500µm et parmi elles, P. gingivalis était statistiquement prédominante. Afin de répondre aux exigences des objectifs de notre étude, six groupes de 12 échantillons contaminés par le biofilm expérimental ont servi à tester 6 techniques de décontamination endodontique / Management of infection is the key to a successful root canal treatment and development of a study model of endodontic biofilm which resemble structurally to its wild type counterpart seems crucial before any clinical application of different protocols. However, the in vitro reproduction of the root canal biofilm which consists of about 500 different bacterial species is very difficult. In laboratory MICORALIS (EA 7354) we were interested in conception of an artificial polybacterial. The bibliographical research allowed to choose S. salivarius, E. faecalis, F. nucleatum and P. gingivalis which are representatives of different groups of root canal biofilm colonizers. Following a series of periodic Scanning Electron Microscopies of samples and furthermore by help of FISH-Confocal imaging of 16S rRNA, we could prove the presence of these bacteria inside the biofilm structure and illustrate their distribution over the root canal system. In addition, it was possible also to confirm the maturation time needed to obtain the biofilm model, which is resistant enough to be used in vitro for endodontic disinfection investigation. After being characterized, we treated the model biofilm with different endodontic decontamination protocols

Dans le contexte d’une population vieillissante il est primordial de développer des outils de diagnostic cliniques précis, fiables, peu coûteux et faciles à mettre en place. Durant cette thèse j’ai en particulier cherché à réaliser une cartographie dynamique des vaisseaux sanguins dans le but de permettre de détecter à la fois des cancers et des maladies cardiovasculaires, deux des maladies les plus mortelles. Pour avoir un diagnostic efficace on se doit d’imager en profondeur avec une résolution spatiale et temporelle la meilleure possible. Dans le chapitre 0 j’explique les enjeux de l’imagerie médicale sur la micro-vascularisation en analysant les avantages et inconvénients de plusieurs types d’imageries médicales. Dans le chapitre 1 je développe en détail l’imagerie photo-acoustique, qui s’est avérée être la plus appropriée à notre application. Elle a l’avantage d’avoir un contraste optique et une résolution acoustique. J’utilise en particulier la photo-acoustique fréquentielle qui est peu onéreuse et peu encombrante, donc facilement intégrable dans le monde hospitalier par rapport à une imagerie photo-acoustique « classique ». Je valide cette partie sur des résultats expérimentaux in-vivo sur des oreilles de souris. Dans le chapitre 2 j’ai cherché à détecter le signal photo-acoustique de façon optique qui a pour avantage d’être sans contact donc sans souci d’encombrement entre « excitation optique » et « détection acoustique ». Je développe le traitement du signal nécessaire pour détecter une onde acoustique, i.e. des vibrations, à l’aide d’un interféromètre. Puis je présente dans le chapitre 3 un interféromètre particulier développé au laboratoire : le Laser Optical Feedback Imaging (LOFI). Il permet de s’affranchir du bruit du détecteur donc il permet de détecter des vibrations de petites amplitudes même sur des surfaces peu réfléchissantes comme la peau et cela même à faible puissance par respect des normes médicales. Dans le chapitre 4 je valide la détection du signal photo-acoustique avec notre détection optique. Enfin dans le chapitre 5 je montre à travers des simulations une technique d’imagerie innovante plein champ qui permettrait de détecter plus rapidement un signal photo-acoustique riche spectralement. / In the context of an aging population, it is essential to develop clinical diagnostic tools that are accurate, reliable, inexpensive and easy to implement. During this thesis I particularly sought to perform a dynamic mapping of blood vessels in order to detect both cancers and cardiovascular diseases, two of the most deadly diseases. In order to have an effective diagnosis, it is necessary to image in depth with the best possible spatial and temporal resolution. In chapter 0 I explain the challenges of medical imaging on micro-vascularization by analyzing the advantages and disadvantages of several types of medical imaging. In chapter 1 I develop in detail the photo-acoustic imaging, which proved to be the most appropriate for our application. It has the advantage of optical contrast and acoustic resolution. In particular, I use frequency photo-acoustics, which is inexpensive and space-saving, and can therefore be easily integrated in the hospital world compared to "traditional" photo-acoustic imaging. I validate this part on in-vivo experimental results on mouse ears. In chapter 2 I tried to detect the photo-acoustic signal in an optical way which has the advantage of being contactless and therefore without any problem of clutter between "optical excitation" and "acoustic detection". I develop the signal processing necessary to detect an acoustic wave, i.e. vibrations, using an interferometer. Then I present in chapter 3 a particular interferometer developed in the laboratory: the Laser Optical Feedback Imaging (LOFI). This interferometer allows to be limited to photon noise even with a low intensity thus it makes it possible to detect vibrations of small amplitudes even on surfaces with a low reflecting index like the skin in accordance with medical standards. In chapter 4 I validate the detection of the photo-acoustic signal with our optical detection. Finally in chapter 5 I show with simulations an innovative full field imaging technique that would allow faster detection of a spectrally rich photo-acoustic signal.

Les cMUT sont des microsystèmes principalement utilisés pour de l’imagerie médicale. Afin de développer de nouvelles architectures de sondes, intégrer l’électronique de commande devient impératif. Pour y parvenir, la température du procédé de réalisation ne doit pas excéder 400°C. Cela nécessite donc de revoir les procédés et matériaux utilisés. Pour répondre à cette problématique, nous avons utilisé une électrode originale en siliciure de nickel obtenu à 400°C, une couche sacrificielle en nickel et une membrane en nitrure de silicium déposée à 200°C. Des cMUT ont été fabriqués sur un substrat silicium. Ils présentent les caractéristiques souhaitées à savoir une forte fréquence de résonance (16,4MHz), une tension de collapse maitrisée (65V) et un coefficient de couplage électromécanique satisfaisant (0,6). De plus, le procédé développé peut être étendu à d’autres types de substrats. / CMUTs are innovating microsystems for ultrasonic medical imaging. To develop new array architectures, monolithic integration of integrated circuits is required. In this context, microsystems must be achieved using process temperature limited to 400°C. The main objective of this PhD thesis is the development of alternative processes and materials to replace usual ones done at high temperature. We have developed a nickel silicide bottom electrode at 400°C, a metallic sacrificial layer and a silicon nitride membrane deposited at 200°C. The devices, fabricated on silicon substrates, are functional with a high resonance frequency (16.4MHz), a mastered collapse voltage (65V) and an efficient electromechanical coupling coefficient (0.6). Moreover, this low temperature process was successfully applied on other substrates such as glass.

L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est le développement d'un système d'imagerie ultrasonore fonctionnant dans l'air pour la mesure sans contact des mouvements vibratoires en surface du corps humain. L'étude des vibrations en surface de la peau ouvre plusieurs champs d'application. L'observation de la vitesse d'une onde de surface sur la peau à partir du film de propagation permet de caractériser l'élasticité de la couche superficielle ainsi que ses hétérogénéités. A partir de cette analyse, il est possible de détecter des objets cachés sur ou sous la peau, dans un objectif de sécurité. Une seconde application est l'observation des vibrations de surface engendrées par le battement cardiaque, la respiration et l'onde de pouls. La réalisation d'un premier dispositif monovoie a permis la mesure locale de vibrations de l'ordre de la dizaine de microns. A partir de ces premiers travaux, nous avons construit un imageur ultrasonore 2D dans l'air à haute cadence d'imagerie. Il est constitué d'un réseau carré de 256 microphones et de 12 émetteurs. La principale nouveauté de notre approche repose sur l'imagerie d'une surface spéculaire. En effet, la rugosité de la peau est négligeable comparée aux longueurs d'onde de travail, de l'ordre du centimètre pour limiter l'atténuation dans l'air. Pour répondre à cette contrainte, l'imagerie est réalisée à partir de la formation de voies émission/réception par synthèse d'ouverture en utilisant une émission séquentielle d'ondes sphériques. Après caractérisation du système, nous avons imagé la propagation d'une onde de surface sur un fantôme mimant le corps humain et l'interférence de cette onde avec un objet étranger. Une seconde version de l'imageur 2D, constituée de 36 émetteurs, a permis la mesure de la déformation du thorax lors du battement cardiaque ainsi que la propagation de l'onde de pouls au niveau de la carotide. / The aim of the work presented in this dissertation is to develop an airborne ultrasonic system for the contactless measurement of vibrations on the human body surface. The vibration study of the skin surface opens several application fields. The visualization of the surface wave velocity on the skin from the propagation movie allows to characterize the superficial layer elasticity as well as its heterogeneities. From this analysis, objects hidden on or under the skin can be detected for a security purpose. A second application is the observation of the surface vibrations generated by the heartbeat, respiration and pulse wave.The implementation of a first single-channel device allowed the local measurement of vibrations about ten microns order. From this initial work, we developed a 2D airborne ultrasonic imager with high frame rate. It is composed by a 256 microphones square array and by 12 piezoelectric transducers. The main innovation of our approach is the specular surface imaging. Indeed, the skin roughness is negligible compared to the working wavelength, of the centimeter order to limit the air attenuation. To resolve this issue, the imaging process is carried out with an emission/reception beamforming using synthetic aperture and achieved by a sequential emission of spherical waves.After the system characterization, we imaged the surface wave propagation on a phantom mimicking the human body and the interference between this wave and a foreign object. A second version of the 2D imager, composed by 36 emitters, was applied to measure the deformation of the thorax during the heartbeat as well as the pulse wave propagation in the carotid artery.