Les pratiques d’agriculture et de production alimentaire évoluent de façon profonde afin de proposer une offre alimentaire permettant de répondre aux enjeux de la croissance démographique, et de satisfaire des critères de santé et de durabilité. Cependant, le succès des produits alimentaires qui découlent de ces mutations repose avant tout sur leur appréciation sensorielle par le consommateur. En particulier, les perceptions de texture jouent un rôle majeur dans les choix et préférences des consommateurs.Ces travaux de thèse s’insèrent dans la problématique générale de la compréhension des mécanismes de perception de texture qui découlent des interactions mécaniques entre la langue, l’aliment et le palais durant le processus oral. L’objectif de la thèse réside dans le développement d’une méthode nouvelle et originale, basée sur les ultrasons quantitatifs, pour l’évaluation non-destructive, non-invasive et en temps réel des propriétés mécaniques du système langue-aliment-palais.Un montage bio-mimétique a été développé au laboratoire afin de reproduire en conditions contrôlées, in vitro, le comportement du système langue-palais durant la compression d’un aliment. Ce système a permis de progressivement prendre en compte la complexité de l’environnement physiologique, en intégrant notamment les caractéristiques liées à la rugosité, à la lubrification et à la déformabilité de la langue. Un ensemble de gels modèles d’agar et de gélatine a été développé, permettant d’obtenir une gamme de produits alimentaires avec des caractéristiques physiques et sensorielles contrastées. Un dispositif expérimental à ultrasons quantitatifs a ensuite été conçu afin de mesurer la réponse échographique du système langue-aliment-palais au cours de compressions uni-axiales imposées par le système biomimétique sur les aliments modèles. Des techniques de traitement du signal et des outils de simulation de propagation d’ondes ont permis de développer des indicateurs quantitatifs fournissant des informations sur les mécanismes physiques observés aux interfaces du système langue-aliment-palais. Deux paramètres ultrasonores ont alors été identifiés : i) la réflectivité de l’interface entre la langue et l’aliment, qui permet de caractériser le contact intime entre l’aliment et les aspérités de la surface de la langue, et ii) le temps de vol des ondes ultrasonores dans l’aliment, qui traduit l’état de déformation subi par ce dernier. Ces propriétés issues des signaux ultrasonores ont été confrontées à des données d’analyse sensorielle évaluées grâce à un panel de juges entraînés sur les aliments modèles sélectionnés. Les attributs sensoriels « humide » et « glissant » ont par exemple pu être mis en relation avec les mesures de réflectivité ultrasonore à l’interface langue-aliment, elles-mêmes liées à l’état de lubrification de l’interface.Ces travaux de thèse ont ainsi permis de montrer le potentiel des méthodes ultrasonores pour mieux comprendre et caractériser, en conditions in vitro contrôlées, des phénomènes physiques qui peuvent jouer un rôle important dans les mécanismes de perception de texture de l’aliment. Ils permettront d’ouvrir la voie aux perspectives de transfert de la technologie en conditions in vivo, directement sur le consommateur. / Agriculture and agri-food industry practices evolve in a deep way to supply a new food offer allowing to address population growth issues, and to meet health and sustainability criteria. However, the success of commercial products emerging from these transformations highly depends on sensory appreciation by the consumer. In particular, texture perceptions have been shown to play a major role in the choices and preferences of consumers.This thesis work fits within the general issue of understanding the mechanisms of texture perception resulting from the mechanical interactions between tongue, food and palate during oral processing. The aim of this thesis lies in the development of a new and original method, based on quantitative ultrasounds, for the non-destructive, non-invasive and real time evaluation of the mechanical properties of the tongue-food-palate system.A bio-mimicking system was developed in the laboratory to reproduce in controlled in vitro conditions, the behavior of tongue-palate system during the compression of a food sample. This system allowed to consider gradually the complexity of the physiological environment, by integrating characteristics related to tongue roughness, lubrication and deformability. A set of model gels of agar and gelatin was developed to obtain a range of food products with contrasting physical and sensory characteristics. Then, a quantitative ultrasound device was designed to measure the ultrasound pulse-echo response of the tongue-food-palate system throughout a uniaxial compression achieved by the bio-mimicking apparatus on the products. Signal processing methods and wave propagation simulation tools were used to develop quantitative indicators related to physical mechanisms occurring in tongue-food system interfaces. Two ultrasonic parameters were then identified: i) the reflectivity of tongue-food interface, which makes it possible to characterize the intimate contact between food and the asperities of tongue surface, and ii) the time of flight of ultrasonic waves through the food sample, which is related to the level of deformation undergone by the sample. Finally, the properties stemming from ultrasonic signals were compared with sensory data estimated on the set of food samples, thanks to a panel of trained judges. “Moist” and “slippery” sensory attributes were for instance shown to correlate with ultrasound reflectivity measurements, which are themselves related to lubrication conditions at tongue-food interface.This thesis work allowed to show the potential of ultrasonic methods to better understand and characterize, in controlled in vitro conditions, physical phenomena which may play an important role in the mechanisms of food texture perception. This work must pave the way for future investigations on the transfer of the technology to in vivo conditions, directly on the consumer.

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

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement d'une sonde ultrasonore afin d'obtenir des nouveaux biomarqueurs de l'os cortical et améliorer la prédiction du risque de fracture. Notre approche se base sur la mesure des ondes guidées ultrasonores dans l'os cortical. La technique de transmission axiale bidirectionelle a été utilisée pour mesurer les modes guidées se propageant dans l'enveloppe corticale des os longs (i.e., le radius). Les propriétés matérielles et structurelles liées à la résistance osseuse ont été obtenues à partir des courbes de dispersion en utilisant un schéma d'inversion. Ainsi, un problème inverse totalement automatique, basé sur une optimisation par algorithmes génétiques et un modèle 2D de plaque libre transverse isotrope, a été développé. Cette procédure d'inversion a d'abord été testée sur des matériaux contrôlés avec des propriétés connues. Puis, la faisabilité d'obtenir des propriétés corticales sur des radii ex vivo a été montrée. Ces estimations ont été validées par comparaison avec des valeurs de référence obtenues avec des techniques indépendantes telles que la micro-tomodensitométrie par rayons X (épaisseur, porosité) et la spectroscopie par résonance ultrasonore (élasticité). Un bon accord a été trouvé entre les valeurs de référence et les estimations d'épaisseur, de porosité et d'élasticité. Enfin, la méthode a été étendue à des mesures in vivo. La validité du modèle en présence de tissus mous a d'abord été démontrée. Puis, les propriétés osseuses ont été obtenues sur des sujets sains. Un bon accord a été trouvé entre l'épaisseur estimée et les valeurs de référence obtenues par tomodensitométrie périphérique haute résolution. / We aimed at developing new ultrasound-based biomarkers of cortical bone to enhance fracture risk prediction in osteoporosis. Our approach was based on the original concept of measuring ultrasonic guided waves in cortical bone. The bi-directional axial transmission technique was used to measure the guided modes propagating in the cortical envelope of long bones (i.e., the radius). Strength-related structural and material properties of bone were recovered from the dispersion curves through an inversion scheme. To this goal, a fully automatic inverse problem based on genetic algorithms optimization, using a 2-D transverse isotropic free plate waveguide model was developed. The proposed inverse procedure was first tested on laboratory-controlled measurements performed on academic samples with known properties. Then, the feasibility of estimating cortical properties of ex vivo radius specimens was assessed. The inferred bone properties were validated by face-to-face comparison with reference values determined by a set of independent state-of-the art technologies, including X-ray micro-computed tomography (thickness, porosity) and resonance ultrasound spectroscopy (stiffness). A good agreement was found between reference values and estimates of thickness, porosity and stiffness. Lastly, the method was extended to in vivo measurements, first, by ensuring the validity of the waveguide model in presence of soft tissues to demonstrate the feasibility of measuring experimental dispersion curves in vivo and infer from them bone properties. Estimated cortical thickness values were consistent with actual values derived from high resolution peripheral computed tomography.

Afin d'accélérer et automatiser l'analyse par ultrasons quantitatifs de ganglions lymphatiques de patients atteints d'un cancer, plusieurs segmentations automatiques des trois milieux rencontrés (le parenchyme du ganglion, la graisse périnodale et le sérum physiologique) sont étudiées. Une analyse statistique du signal d'enveloppe a permis d'identifier la distribution gamma comme le meilleur compromis en termes de qualité de la modélisation, simplicité du modèle et rapidité de l'estimation des paramètres. Deux nouvelles méthodes de segmentation basées sur l'approche par ensemble de niveaux et la distribution gamma sont décrites. Des statistiques locales du signal d'enveloppe permettent de tenir compte des inhomogénéités du signal dues à l'atténuation et la focalisation des ultrasons. La méthode appelée LRGDF modélise les statistiques du speckle dans des régions dont la taille est contrôlable par une fonction lisse à support compact. La seconde, appelée STS-LS, considère des coupes transverses, perpendiculaires au faisceau, pour gagner en efficacité. Une troisième méthode basée sur la classification par forêt aléatoire a été conçue pour initialiser et accélérer les deux précédentes. Ces méthodes automatiques sont comparées à une segmentation manuelle effectuée par un expert. Elles fournissent des résultats satisfaisants aussi bien sur des données simulées que sur des données acquises sur des ganglions lymphatiques de patients atteints d'un cancer colorectal ou du sein. Les paramètres ultrasonores quantitatifs estimés après segmentation automatique ou après segmentation manuelle par un expert sont comparables. / This work investigates approaches to obtain automatic segmentation of three media (i.e., lymph node parenchyma, perinodal fat and normal saline) in lymph node (LN) envelope data to expedite quantitative ultrasound (QUS) in dissected LNs from cancer patients. A statistical modeling study identified a two-parameter gamma distribution as the best model for data from the three media based on its high fitting accuracy, its analytically less-complex probability density function (PDF), and closed-form expressions for its parameter estimation. Two novel level-set segmentation methods that made use of localized statistics of envelope data to handle data inhomogeneities caused by attenuation and focusing effects were developed. The first, local region-based gamma distribution fitting (LRGDF), employed the gamma PDFs to model speckle statistics of envelope data in local regions at a controllable scale using a smooth function with a compact support. The second, statistical transverse-slice-based level-set (STS-LS), used gamma PDFs to locally model speckle statistics in consecutive transverse slices. A novel method was then designed and evaluated to automatically initialize the LRGDF and STS-LS methods using random forest classification with new proposed features. Methods developed in this research provided accurate, automatic and efficient segmentation results on simulated envelope data and data acquired for LNs from colorectal- and breast-cancer patients as compared with manual expert segmentation. Results also demonstrated that accurate QUS estimates are maintained when automatic segmentation is applied to evaluate excised LN data.

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

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La qualité osseuse est un paramètre important à prendre en compte lors des différents types de chirurgie mis en œuvre pour les interventions sur le rachis. Cependant, ce paramètre reste difficile à estimer in vivo du fait notamment de la difficulté à accéder à ce site anatomique. Ce travail porte sur le développement d'une technique ultrasonore permettant d'estimer la qualité osseuse en utilisant la réponse échographique d'une tige métallique insérée dans l'os et utilisée dans le cadre de la chirurgie du rachis. Des travaux expérimentaux montrent la faisabilité de notre approche in vitro. Une tige métallique similaire à celle utilisée en clinique est insérée dans des échantillons d'os trabéculaire perpendiculairement à l'axe du traducteur. Les réponses échographiques de la tige immergée dans l'eau et insérée dans l'os sont comparées, ce qui permet de déterminer la vitesse de propagation dans l'os (SOS, Speed of Sound), ainsi que la pente du coefficient d'atténuation en fonction de la fréquence (BUA, Broadband Ultrasonic Attenuation). Les résultats obtenus pour les 21 échantillons montrent i) une corrélation significative entre SOS et la fraction volumique d'os (BV/TV, R² = 0.6 et p < 0.001); et ii) une non-linéarité de la variation du BUA et BV/TV (R² = 0.22 et p<0.001). Des simulations numériques utilisant des éléments finis spectraux en 2D permettent de mieux comprendre la propagation ultrasonore et d'estimer la sensibilité des mesures à des erreurs de positionnement de la tige et du capteur. De plus, des simulations numériques par différences finies dans le domaine temporel en 3D permettent de mieux comprendre l'interaction entre une onde ultrasonore et le tissu osseux en comparant les résultats expérimentaux et numériques. Ce travail prouve la faisabilité de cette approche de caractérisation ultrasonore pour estimer la qualité osseuse, ce qui ouvre la voie à de possibles études cliniques dans le futur. / Bone quality is an important parameter which should be taken into account during the different types of surgical procedures used in spine surgery. However, this parameter remains difficult to be determined in vivo, mostly due to difficulties of positioning different sensors around this anatomical site. The aim of this work is to develop an ultrasonic technique allowing to assess bone quality using the echographic response of a metallic rod inserted in bone tissue and used in spine surgery. Experimental works show the feasibility of the technique in vitro. A metallic rod similar to the one used in the operating room is inserted in trabecular bone samples perpendicularly to the transducer axis. The echographic responses of the rod immersed in water and in bone tissue are compared, which allows to determine the wave velocity in bone tissue, as well as the slope of the attenuation coefficient as a function of frequency (BUA, broadband ultrasonic attenuation). The results obtained for the 21 samples show i) a significant correlation between SOS and bone volume fraction (BV/TV, R² = 0.6, p < 0.001); and ii) a non linear variation of BUA as a function of BV/TV (R² = 0.22, p<0.001).Numerical simulation using 2D spectral finite element simulation allows to better understand wave propagation and to estimate the sensitivity of the measurements to positioning errors of the rod and of the sensor. Moreover, 3-D finite difference time domain simulation allows to better understand the interaction between an ultrasonic wave and bone tissue by comparing the experimental and numerical results. This work proves the feasibility of this ultrasonic characterization approach to estimate bone quality, which opens the way to future clinical studies.