Ce travail de thèse consiste en une étude théorique et expérimentale d'un système detransmission à application universelle. Un système de capteurs ou multi-capteurs sans filsdédié à des différentes applications ayant comme point commun, une basse amplitude. Ils'inspire donc des plates forme des réseaux sans fils existant dans le monde technologique.Nous présentons dans ce mémoire les différentes raisons qui expliquent l'intérêt majeursuscité par un tel système, nous aborderons plus profondément une des applications dusystème, à savoir le domaine neurophysiologique. A partir des choix d'architecture et dessimulations expérimentales correspondantes nous relayons étape par étape les différentesphases qui nous ont mené à réaliser les prototypes en tenant en compte les résultats desuns et des autres, pour finir ensuite par une étude comparative des différents prototypesréalisés et des perspectives envisagées. / This thesis work is a theoretical and experimental study of a universal applicationtransmission system. A wireless sensor or multi-sensor system dedicated to different low-magnitudeapplications. It is inspired from wireless networks platforms of the moderntechnological world.In this dissertation, the different reasons for the interest aroused by such a system, arepresented, we will more deeply study one of the applications of this system, namely theneurophysiological area. From the choice of the architecture and corresponding experimentalsimulations we will explain, step by step, the different phases which led us to realize theprototypes taking into account the results of each phase, then finally a comparative studyof different prototypes realized and the prospects envisaged.

With the increasing amount of information needed for diagnosis and therapeutic decision-making, and new trends such as “personalized medicine”, pathologists are expressing an increasing demand for automated tools that perform their most recurrent tasks in their daily practice, as well as an increase in the complexity of the analyses requested in their research activities. With current advances in histopathology, oncology, and biology, the current questions require the analysis of protein expression - evidenced using immunohistochemical (IHC) staining - within specific histological structures or tissue components, or the analysis of the co-expression of several proteins in a large number of tissue samples. In this Ph.D. thesis, we developed innovative solutions to make these analyses available for pathologists. To achieve this objective, we have used recent “machine learning” and, in particular, “deep learning” methodologies. We addressed different problems such as image normalization, to solve the important problem of inter-batch variability of IHC staining, and the automatic segmentation of histological structures, to compartmentalize protein expression quantification. Finally, we adapted image registration techniques to Tissue MicroArray (TMA) slide images to enable large-scale analyses of IHC staining colocalization. While imagenormalization will improve study reproducibility, the tools developed for automated segmentation will drastically reduce time and expert resources required for some studies as well as errors and imprecision due to the human factor. Finally, the work on image registration can provide answers to complex questions that require studying the potential interaction between several proteins on numerous histological samples. / Avec la quantité croissante d’informations nécessaires au diagnostic et à la prise de décision thérapeutique, et le développement de la “médecine personnalisée”, les pathologistes ont un besoin croissant d’outils automatisés pour exécuter leurs tâches les plus récurrentes. Ces outils se doivent également de réaliser des tâches de plus en plus complexes. En effet, avec les progrès récents en histopathologie, oncologie et biologie, les questions actuelles demandent, par exemple, l’analyse de l’expression de protéines révélées par marquages immunohistochimiques (IHC) au sein de structures ou compartiments histologiques spécifiques, ou encore l’analyse de la co-expression de plusieurs protéines dans un grand nombre d’échantillons. Dans cette thèse de doctorat, nous avons développé des solutions innovantes pour mettre ce type d’analyse à la disposition des pathologistes. Pour atteindre cet objectif, nous avons notamment fait appel à des méthodologies récentes de “machine learning” et, particulièrement, de “deep learning”. Nous avons ainsi abordé différentes questions telles que la normalisation d’images, pour résoudre l’important problème de la variabilité des marquages IHC, et la segmentation automatique de structures histologiques, pour permettre une quantification compartimentée de l’expression de protéines. Enfin, nous avons adapté des techniques dites de “recalage” aux images de lames de Tissue MicroArrays (TMA) pour permettre des analyses de colocalisation de marquages IHC à grande échelle. Alors que la normalisation des images améliore la reproductibilité des évaluations de marquages IHC, les outils développés pour la segmentation automatisée permettent de réduire significativement le temps et les ressources expertes nécessaires, ainsi que les erreurs et imprécisions dues au facteur humain. Enfin, les travaux sur le recalages d’images permettent d’apporter des éléments de réponse à des questions complexes qui nécessitent d’étudier l’interaction potentielle entre plusieurs protéines sur de nombreux échantillons histologiques. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Lors de la diffusion d’une onde électromagnétique sur une surface de rugosité aléatoire ou dans un volume, un champ de speckle, dont les caractéristiques dépendent du diffuseur considéré, se forme. Les diffusions au sein de matériaux impactent l’état de polarisation d’une lumière incidente. Ainsi, la polarisation est un paramètre sensible pour la caractérisation et l’étude de matériaux. Une technique de polarimétrie résolue spatialement, permettant une mesure de précision en champs de speckle, est proposée. Cette technique est utilisée pour étudier l’impact de différents paramètres d’imagerie sur la mesure polarimétrique, notamment les phénomènes de dépolarisation des champs dus au mode d’observation. Un modèle de simulation de champs de speckle polarisés, validé par comparaison avec l'expérimentation pour différents régimes de diffusions, est développé. Par ailleurs, les propriétés dynamiques de l’échantillon peuvent être mesurées par une analyse de contraste du speckle qu’il diffuse. Un dispositif d’imagerie de micro-vascularisation par mesure de contraste de speckle dynamique polarisé est optimisé, puis appliqué à l’étude in-vivo de l’angiogenèse tumorale du mélanome murin, ainsi que l’évolution de la vascularisation après traitement des tumeurs par électrochimiothérapie. Le potentiel de la technique pour la détection et l'étude du mélanome murin, sans contact ni marqueur, est démontré, avec comme perspective la détection et l'étude du mélanome humain, dont l'efficacité reste à être caractérisée pour une utilisation en imagerie biomédicale. / When an electromagnetic wave is scattered by a rough surface or in a volume, a speckle field is observed, with characterlstlcs depending on the consldered scatterer. Multiple scattering in samples immpact the State of polarizatlon of an incident light. Thus, polarization Is a sensitive parameter for material characterization and study. A spatially resolved polarlmetry method, allowing accurate measurements in speckle fields is proposed. That method is used to study the Impact of various parameters on polarimétrie measurements, especially the depolarization phenomenon due to the observation setup. A polarlzed speskle simulation model is proposed, validated by comparison with expérimentation for various scattering régime. Besides, dynamlc properties of samples can be measured by an analysis of the scattered speckle contrast. A method allowing microvascularization imaging based on dynamic polarized light scattering imaging is optlmlzed, then applied to in-vivo study of the tumor angiogenesis occuring on murine melanoma, as well as the vascularization évolution after a treatment called electrochemotherapy. Potentlal of the method for non invasive détection and study of the murine melanoma is demonstrated, its efflciency on human melanoma for biomédical applications remaning to be characterized.

Après un rappel du contexte dans lequel ce travail de recherche a été conduit, le 1er chapitre présente les caractéristiques communes aux convertisseurs analogiques numériques (ADC) avec leurs figures de mérites. Un état de l’art exhaustif sur les ADC réalisés et plus particulièrement avec le nœud technologique CMOS 1 180 nm y est présenté. Ce travail préliminaire permet de donner un aperçu du défi relevé. Les architectures multi-étapes à échantillonnage analogique ont été éliminées de l’étude du fait des limitations de la technologie pour les contraintes de performances de l’ADC. Le chapitre 2 présente plus en détail les différentes implémentations possibles d’une famille d’ADC à échantillonnage numérique, les flash. Le portage de l’architecture TIQ est détaillé dans ce chapitre. Le chapitre 3 détaille l’étude et le portage en CMOS 180 nm des ADC à échantillonnage numérique à repliement de signal. Cette première partie conclut par le choix de l’architecture flash. La conception des briques de bases de l’ADC flash est détaillée dans les chapitres constituant la partie II du document. Le chapitre 4 est dédié à l’étude et au portage en CMOS 180 nm des étages de comparateurs latchés responsables de l’échantillonnage à 2 GHz de l’ADC flash. La non linéarité ramenée en entrée de l’architecture retenue ayant défini les contraintes sur l’étage de pré-amplification, celui ci est présenté dans le chapitre 5. Le chapitre 5, présente les différentes charges actives étudiées pour l’étage de pré-amplification. Le passage en différentiel passif avec le comparateur full différentiel et l’architecture retenue y sont détaillés. La technique du QV et son portage sur l’architecture de préamplificateur retenu sont présentés. Le décodeur thermométrique 2 binaire est présenté dans le chapitre 6. Deux implémentations de cette logique de décodage sont étudiées et portées. L’une est réalisée à partir d’un code de description matériel (VHDL) et la synthèse de cellules numériques en logique CMOS pull-up pull-down 3 . L’autre est réalisé à partir de multiplexeurs 1 bit et des flip flop à verrou en logique Pass gates complémentaire. Le chapitre 7 présente les limitations et l’implémentation de l’interpolation avec l’emploi des pré-amplificateurs et du comparateur latché retenus. L’étude de l’insertion de paires de suiveurs en drain commun, nécessaire à la polarisation des étages de pré-amplification y est présentée. Enfin, les analyses de tirage de Monte Carlo en mismatch 4 des résistances comme échelle de références sont comparées pour différents dimensionnements et topologies. Le synoptique global de l’ADC est présenté avec les cellules et techniques retenues. L’approche bottom-up incontournable pour la conception de circuits analogiques ou full custom présentée dans cette deuxième partie conclut sur le choix de concevoir un ASIC de preuve de concept. Ce dernier contient ainsi les briques de bases ayant une valeur ajoutée et potentiellement critiques pour la conversion de signaux. L’approche Top-down pour la conception est ainsi détaillée dans la 3e partie en partant du synoptique global de l’ASIC de preuve de concept envoyé en fonderie de circuit multi projet BuBlC1. contenant les cellules critiques à tester. La conception front-end de l’ASIC BuBlC1 avec notamment l’arbre d’horloge et les pads d’entrées sorties est présentée dans le chapitre 8. La phase de back-end avec les layouts des cellules retenues dans la partie II ainsi que leur intégration dans des ensembles (clusters) est présentée dans le chapitre 9 avec le padring et l’intégration finale des macro-ensembles (Cores analogiques et numériques). / After a a brief recall of the context this research work have been carried, the 1st chapter present the common analog to digital converters (ADC) characteristics with their figures of merit (FoM). A relevant state of the art on realized ADC architectures is presented. A particular emphasis has been done on 180 nm CMOS process node. This preliminary work gives a pertinent overview of the faced challenge. Multi step analog sampling architectures have been avoided from the study because of the transistors limited frequency performances. Chapter 2 presents the different implementations of the Flash digital sampling ADC family architecture. The TIQ architecture embedding in the 180 nm CMOS process are detailed in this chapter. Chapter 3 details the study and the design of an other digital sampling ADC family architecture on 180 nm CMOS process i.e. the signal folding architecture. This 1st part of the document conclude with the choice of the Flash ADC architecture. The building bloc design for this ADC are detailed in the following chapters constituting the part II. Chapter 4 is dedicated to the study and the design on 180 nm CMOS process of the latch comparator responsible of the 2 GHz sampling constraint of the overall ADC. As the retained comparator architecture input refereed non linearity defined the gain constraints of the preamplifier stage, the preamplifier is presented in the next chapter. Chapter 5 present the different characteristics and techniques of the quantifier stage. The comparator preamplifier stage with its different actives loads, its passive full differential transposition and the retained architecture are detailed. The QV technique and its embedding in the retained preamplifier architecture are presented. The thermometric 1 to binary encoder tree is presented in chapter 6. Two implementations of this encoding are studied and design on the Front-End (FE) level. The 1st one is a pipelined Wallace tree realized with a register transfer level (RTL) code on VHDL hardware description language. The synthesis flow on CMOS pull-up pull-down 2 combinatorial logic and rising edge flip flops are used for this architecture. The other architecture is designed using 1 bits multiplexers combinatorial pipelined with pass gated D latches with a full custom schematic implementation. Chapter 7 presents the limitations and the embedding of the interpolation with the retained preamplifier and comparator latch. The study of common drain source follower (CDSF) pairs insertion, mandatory for the biasing of the preamplifier input stage to reach the 8 bits resolution is studied with details. Finally, Monte Carlo sampling mismatch 3 analysis on the resistor references are studied by comparing different topologies and sizing. The overall ADC synoptic is presented with the retained cells and techniques. The bottom-up design approach, mandatory for analog and full-custom design, exposed in this 2nd part conclude on the choice to design a proof of concept ASIC (BuBlC1) including all the critical piece of circuits of the overall ADC with added value and potentially critical for signal conversion. The top-down approach for this ASIC design is detailed in the IIIrd part with the overall ASIC synoptic of the BuBlC1 ASIC sent to multi project wafer (MPW) foundry run integrating all the critical cells.The FE design of this ASIC with its clock tree and its input/output PAD are presented in chapter 8. The Back-End design with the retained cells layout in part II with the cells integration in clusters are presented in chapter 9 with the pad-ring and final integration in digital and analog macro-cells cores.

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse ont pour but de développer un système de réalité virtuelle d'aide à la réalisation et à l'évaluation d'exercices physiques. La notion d'exercice physique étant très large, nous avons pris le parti de cibler des exercices réalisés dans le cadre médical de traitements de rééducation fonctionnelle. Dans un premier temps, nous avons mis au point un socle technologique et algorithmique basé sur du matériel standard, peu coûteux, simple à installer et à utiliser. Il met en place les fondations nécessaires pour le développement d'applications de réalité virtuelle destinées à supporter et à superviser des exercices de rééducation, qu'ils soient réalisés dans un centre de rééducation, dans le cabinet d'un kinésithérapeute, ou à domicile. Sur base de ce socle, nous avons ensuite développé deux applications de rééducation ciblant des pathologies différentes. La première application est destinée aux patients atteints de douleurs neuropathiques telles que les douleurs fantômes (DF) chez les amputés ou le Syndrome Douloureux Régional Complexe (SDRC). Grâce à la réalité virtuelle, nous donnons l'illusion au patient qu'il peut à nouveau bouger son membre amputé ou pathologique, réduisant ainsi l'intensité des douleurs. La seconde application a pour but d'offrir au thérapeute et au patient un outil de quantification des mouvements réalisés dans le cadre d'exercices de rééducation motrice. Les mesures ainsi obtenues vont permettre d'aider le médecin à identifier et à objectiver le diagnostic d'une pathologie du mouvement, et, par la suite, vont permettre au kinésithérapeute d'en suivre l'évolution tout au long du traitement de rééducation. Pour chacune de ces applications, un algorithme spécifique de suivi de mouvements, basé sur le socle commun, est au cœur de la solution mise en œuvre. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

<p align="justify">L'Imagerie fonctionnelle par Résonance Magnétique (IRMf) a connu un développement important depuis sa découverte au début des années 1990. Basée le plus souvent sur l'effet BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent), cette technique permet d'obtenir de façon totalement non-invasive des cartes d'activation cérébrale, avec de meilleures résolutions spatiale et temporelle que les méthodes préexistantes telles que la tomographie par émission de positrons (TEP). Facilement praticable au moyen des imageurs par RMN disponible dans les hôpitaux, elle a mené à de nombreuses applications dans le domaine des neurosciences et de l'étude des pathologies cérébrales.</p><p><p align="justify">Il est maintenant bien établi que l'effet BOLD est dû à une augmentation de l'oxygénation du sang veineux dans les régions du cerveau où se produit l'activation neuronale, impliquant une diminution de la différence de susceptibilité magnétique entre le sang et les tissus environnants (la déoxyhémoglobine étant paramagnétique et l'oxyhémoglobine diamagnétique), et par conséquent un augmentation du signal si la méthode d'acquisition est sensible aux inhomogénéités de champ magnétique. Cependant, il reste encore de nombreuses inconnues quant aux mécanismes liant les variations d'oxygénation, de flux et de volume sanguin à l'augmentation de signal observée, et la dépendance du phénomène en des paramètres tels que l'intensité du champ, la résolution spatiale, et le type de séquence de RMN utilisée. La première partie de la thèse est donc consacrée à l'étude de l'effet BOLD, dans le cas particulier des contributions dues aux veines de drainage dans les séquences de type écho de gradient rendues sensibles au mouvement par l'ajout de gradients de champ. Le modèle développé montre que, contrairement au comportement suggéré par de précédentes publications, l'effet de ces gradients n'est pas une diminution monotone de la différence de signal lorsque l'intensité des gradients augmente. D'importantes oscillations sont produites par l'effet de phase dû au déplacement des spins du sang dans les gradients additionnels, et par la variation de cette phase suite à l'augmentation du flux sanguin. La validation expérimentale du modèle est réalisée au moyen de la séquence PRESTO (Principles of Echo-Shifting combined with a Train of Observations), c'est-à-dire une séquence en écho de gradient où des gradients supplémentaires permettent d'augmenter la sensibilité aux inhomogénéités de champ, et donc à l'effet BOLD. Un accord qualitatif avec la théorie est établi en montrant que la variation de signal observée peut augmenter lorsqu'on intensifie les gradients additionnels.</p><p><p align="justify">Un autre source de débat continuel dans le domaine de l'IRMf réside dans l'optimalisation des méthodes d'acquisition, au point de vue notamment de leur sensibilité à l'effet BOLD, leurs résolutions spatiale et temporelle, leur sensibilité à divers artefacts tels que la perte de signal dans les zones présentant des inhomogénéités de champ à grande échelle, et la contamination des cartes d'activation par les contributions des grosses veines, qui peuvent être distantes du lieu d'activation réel. Les séquences en écho de spin sont connues pour être moins sensibles à ces deux derniers problèmes, c'est pourquoi la deuxième partie de la thèse est consacrée à une nouvelle technique permettant de donner une pondération T2 plutôt que T2* aux images. Le principe de base de la méthode n'est pas neuf, puisqu'il s'agit de la « Préparation T2 » (T2prep), qui consiste à atténuer l'aimantation longitudinale différemment selon la valeur du temps de relaxation T2, mais il n’avait jamais été appliqué à l’IRMf. Ses avantages par rapport à d’autres méthodes hybrides T2 et T2* sont principalement le gain en résolution temporelle et en dissipation d’énergie électromagnétique dans les tissus. Le contraste généré par ces séquences est étudié au moyen de solutions stationnaires des équations de Bloch. Des prédictions sont faites quant au contraste BOLD, sur base de ces solutions stationnaires et d’une description simplifiée de l’effet BOLD en termes de variations de T2 et T2*. Une méthode est proposée pour rendre le signal constant au travers du train d’impulsions en faisant varier l’angle de bascule d’une impulsion à l’autre, ce qui permet de diminuer le flou dans les images. Des expériences in vitro montrent un accord quantitatif excellent avec les prédictions théoriques quant à l’intensité des signaux mesurés, aussi bien dans le cas de l’angle constant que pour la série d’angles variables. Des expériences d’activation du cortex visuel démontrent la faisabilité de l’IRMf au moyen de séquences T2prep, et confirment les prédictions théoriques quant à la variation de signal causée par l’activation.</p><p><p align="justify"> La troisième partie de la thèse constitue la suite logique des deux premières, puisqu’elle est consacrée à une extension du principe de déplacement d’écho (echo-shifting) aux séquences en écho de spin à l’état stationnaire, ce qui permet d’obtenir une pondération T2 et T2* importante tout en maintenant un temps de répétition court, et donc une bonne résolution temporelle. Une analyse théorique approfondie de la formation du signal dans de telles séquences est présentée. Elle est basée en partie sur la technique de résolution des équations de Bloch utilisée dans la deuxième partie, qui consiste à calculer l’aimantation d’état stationnaire en fonction des angles de précession dans le plan transverse, puis à intégrer sur les isochromats pour obtenir le signal résultant d’un voxel (volume element). Le problème est aussi envisagé sous l’angle des « trajectoires de cohérence », c’est-à-dire la subdivision du signal en composantes plus ou moins déphasées, par l’effet combiné des impulsions RF, des gradients appliqués et des inhomogénéités du champ magnétique principal. Cette approche permet d’interpréter l’intensité du signal dans les séquences à écho déplacé comme le résultat d’interférences destructives entre diverses composantes physiquement interprétables. Elle permet de comprendre comment la variation de la phase de l’impulsion d’excitation (RF-spoiling) élimine ces interférences. Des expériences in vitro montrent un accord quantitatif excellent avec les calculs théoriques, et la faisabilité de la méthode in vivo est établie. Il n’est pas encore possible de conclure quant à l’applicabilité de la nouvelle méthode dans le cadre de l’IRMf, mais l’approche théorique proposée a en tout cas permis de revoir en profondeur les mécanismes de formation du signal pour l’ensemble des méthodes à écho déplacé, puisque le cas de l’écho de gradient s’avère complètement similaire au cas de l’écho de spin.</p><p><p align="justify">La thèse évolue donc progressivement de la modélisation de l’effet BOLD vers la conception de séquences, permettant ainsi d’aborder deux aspects fondamentaux de la physique de l’IRMf.</p><p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

<p align="justify">Cette thèse traite de l'étude numérique et expérimentale du transport et de la déposition d'aérosols dans les poumons. La partie numérique du travail porte sur des simulations uni-, bi- et tridimensionnelles du comportement des aérosols dans la structure pulmonaire. Les simulations unidimensionnelles (1D) sont effectuées dans des modèles trompettes et multibranche similaires à ceux utilisés dans les études de transport et de mélange gazeux dans les poumons. Le dépôt total, le profil des dépôts le long des différentes générations de l'arbre bronchique ainsi que la dispersion de boli d'aérosols sont calculés en fonction de la taille des particules et du protocole respiratoire. Un bolus consiste en un faible volume d'aérosols inhalé sous la forme d'un pic de concentration au cours d'une inspiration d'air pur. Les résultats montrent les limitations intrinsèques liées aux modèles 1D quant à la description du transport des aérosols dans les poumons et suggèrent l'utilisation d'équations multidimensionnelles pour décrire le transport de particules. Des simulations bidimensionnelles (2D) sont alors développées pour décrire le comportement des aérosols dans un modèle représentatif de la zone alvéolaire du poumon humain. Les simulations montrent que les particules ne se déposent pas uniformément sur les parois alvéolaires des conduits mais qu'elles sont principalement localisées près de l'entrée des alvéoles et ceci principalement dans le cas de petites particules (diamètre inférieure à 0.5 mm). De plus, les résultats montrent que le traditionnel coefficient de dispersion utilisé dans l'approche unidimensionnelle ne peut pas être extrapolé dans la zone alvéolaire du poumon.</p><p><p align="justify">Finalement, des simulations tridimensionnelles (3D) sont réalisées dans un modèle d'un conduit pulmonaire entouré d'alvéoles et confirment la déposition largement hétérogène des aérosols calculée dans l'étude bidimensionnelle suggérant que les concentrations locales et moyennes en aérosols peuvent être substantiellement différentes.</p><p><p align="justify">Parallèlement, des données expérimentales de déposition totale et de dispersion de boli d'aérosols sont obtenues et comparées aux résultats numériques. Des indices tels que la dispersion du bolus expiré, la déposition totale ou le déplacement du mode entre les courbes de concentration des boli inspiré et expiré mesurés au niveau de la bouche ont été évalués. Des simulations numériques similaire aux tests expérimentaux sont également effectuées. Bien qu'une approche relativement simplifiée soit utilisée, il apparaît que les simulations décrivent raisonnablement bien les résultats expérimentaux.</p><p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les caillots sanguins sont responsables de nombreuses pathologies, telles que les thromboses veineuses profondes (TVP), les embolies pulmonaires (EP) ou les accidents vasculaires cérébraux (AVC). La thromboembolie veineuse, regroupant les thromboses veineuses profondes et les embolies pulmonaires, ainsi que les accidents vasculaires cérébraux sont parmi les principales causes de décès. La formation d’un caillot sanguin survient suite à une lésion de la paroi endothéliale, d’un changement hémodynamique de l’écoulement sanguin ou de conditions d’hypercoagulation du sang. Lors de situations pathologiques, le caillot ne se dissout pas naturellement et des anticoagulants sont prescrits. Leur but est d’empêcher l’évolution du caillot et de prévenir des risques de récidives. Dans le cas d’un accident vasculaire cérébral ou de certaines embolies pulmonaires, de l'activateur tissulaire du plasminogène recombinant (rt-PA) peut être prescrit pour dissoudre directement le caillot. Ces traitements comportent des risques d’hémorragie interne, et une incertitude persiste encore sur leur durée d’administration. La caractérisation des caillots sanguins vise à mieux comprendre leur développement pour pouvoir adapter les traitements et potentiellement à confirmer leur effet. Un moyen de caractériser les tissus est d’utiliser des méthodes ultrasonores. L’élastographie, une de ces méthodes, permet de calculer la rigidité d’un tissu, caractérisé par son module d’Young. On appelle élastographie dynamique les méthodes d’élastographie basées sur la propagation d’ondes de cisaillement dans le tissu pour calculer son module d’Young (relié à la vitesse de l’onde). Plusieurs études ont montré que le module d’Young de caillots sanguins augmentait avec le temps et que des caillots plus vieux et plus denses étaient plus résistants à la dissolution. La dispersion de l’onde de cisaillement reliée à la contribution visqueuse du tissu est un paramètre nouvellement disponible sur certains échographes cliniques qui est peu étudié dans le cadre des caillots sanguins. L’atténuation de l’onde de cisaillement est également un paramètre acoustique, non explorée dans le cas des caillots sanguins. L’utilisation de l’atténuation de l’onde de cisaillement a montré des résultats encourageant en simulations et sur fantômes. Cependant, avec les méthodes actuelles, le calcul de l’atténuation d’onde de cisaillement suppose un milieu homogène ne favorisant pas la présence de résonances acoustiques, ce qui n’est pas le cas pour des caillots cylindriques dans des vaisseaux sanguins. L’enveloppe ultrasonore peut également être étudiée de manière statistique et les paramètres issus de ces statistiques reflètent la microstructure des tissus imagés. L’objectif général de cette thèse est de caractériser les caillots sanguins pendant leur évolution à l’aide des différents paramètres découlant des ultrasons. Cette caractérisation vise à permettre aux soignants d’adapter l’administration du traitement. Un autre objectif consiste à évaluer l’effet du traitement sur les différents paramètres ultrasonores afin d’attester son efficacité. Pour réaliser ces objectifs l’étude se sépare en trois parties. La première partie est une étude in vivo en partenariat avec le centre hospitalier universitaire de Grenoble qui vise à étudier le module d’Young et les paramètres d’ultrasons statistiques au cours du temps chez des patients présentant des thromboses veineuses profondes. Les patients étaient sous anticoagulants ; le module d’Young n’a pas montré de changement significatif entre les mesures aux jours 0, 7 et 30. Les paramètres statistiques (étudiés suivant la distribution statistique homodyne K) ont montré une augmentation de l’intensité des rétrodiffuseurs (probablement liée à une augmentation du nombre de brins de fibrine et/ou du nombre de globules rouges) et une désorganisation des rétrodiffuseurs. Une des conclusions est que les paramètres statistiques pourraient permettre d’améliorer la caractérisation de caillots sanguins même quand le module d’Young ne varie pas significativement. La deuxième partie se concentre sur l’analyse du phénomène de résonance acoustique présent lors du passage d’ondes de cisaillement dans le caillot. Le but était de trouver une région d’intérêt où le calcul de l’atténuation de l’onde de cisaillement présente le moins de variation associée à ce phénomène. Les paramètres liés à la résonance, le module d’Young, la dispersion et l’atténuation de l’onde de cisaillement ont pu être reportés dans des fantômes de différents diamètres ainsi que dans des caillots in vitro pendant leur coagulation. Une région d’intérêt minimisant la résonance lors du calcul de l’atténuation de l’onde de cisaillement a pu être trouvée. La troisième étude porte sur l’effet de traitement avec du rt-PA sur le module d’Young, la dispersion de l’onde de cisaillement, l’atténuation de l’onde de cisaillement et les paramètres d’ultrasons statistiques. Du sang de porc a été collecté et 3 caillots par échantillon ont été préparés, chacun subissant une condition différente de traitement (pas de traitement, traitement à 20 minutes après le début de la coagulation et traitement à 60 minutes après cette phase initiale). Les résultats montrent que le module d’Young diminue significativement avec l’ajout du traitement, la dispersion de l’onde de cisaillement augmente pour les caillots traités à 60 minutes comparés à ceux non traités, l’atténuation de l’onde de cisaillement augmente pour les caillots traités à 20 minutes comparés à ceux non traités et l’intensité des rétrodiffuseurs diminue significativement dans les deux conditions de traitement. Ces paramètres pourraient aider à confirmer l’effet du traitement et déceler si des patients y sont résistants ou non. Cette thèse a permis une meilleure compréhension des propriétés mécaniques et acoustiques des caillots sanguins au cours de la coagulation et en fonction de traitements. Tout ceci constitue autant de propriétés qui pourraient être utilisées afin d’adapter la dose et la durée d’un traitement afin de réduire les effets secondaires lors de la prise en charge des patients. / Blood clots are the cause of numerous pathologies, including deep vein thrombosis (DVT), pulmonary embolism (PE) and stroke. Venous thromboembolism, which includes deep vein thrombosis and pulmonary embolism, and stroke are among the leading causes of death. Blood clots form as a result of damage to the endothelial lining, hemodynamic changes in blood flow or hypercoagulable blood conditions. In pathological situations, the clot does not dissolve naturally, and anticoagulants are prescribed. Their purpose is to prevent the clot from progressing and to reduce the risk of recurrence. In the case of stroke or certain pulmonary embolisms, recombinant tissue plasminogen activator (rt-PA) may be prescribed to dissolve the clot. While these treatments can be effective, they do pose a risk of causing internal bleeding, and there is currently uncertainty regarding the optimal duration for administering them. Blood clot characterization aims to better understand how blood clots develop, so as to be able to adapt treatments and potentially confirm their effect. One way of characterizing tissues is to use ultrasound methods. Elastography, one such method, calculates the stiffness of a tissue characterized by its Young's modulus. Elastography methods based on shear wave propagation in a tissue to calculate the Young's modulus (related to the wave velocity) are known as dynamic elastography approaches. Several studies have shown that the Young's modulus of blood clots increases with time, and that older and denser clots are more resistant to dissolution. Shear wave dispersion related to the viscous contribution of a tissue is a newly available parameter on some clinical ultrasound scanners. However, little is known in the context of blood clots. Shear wave attenuation is also an acoustic parameter related to tissue viscosity and it is unexplored in the case of blood clots. The use of shear wave attenuation has shown encouraging results in simulations and on phantoms. However, with current methods, the calculation of the shear wave attenuation assumes a resonance-free homogeneous medium, which is not the case for cylindrical clots in blood vessels. The ultrasound envelope can also be studied statistically, and the parameters derived from these statistics reflect the microstructure of the tissues imaged. The general aim of this thesis is to characterize blood clots as they evolve, using various parameters derived from ultrasound. This characterization is intended to enable caregivers to adapt treatment administration. Another objective is to evaluate the effect of treatment on the various ultrasound parameters, in order to attest its effectiveness. To achieve these objectives, the study is divided into three parts. The first part is an in vivo study in partnership with Grenoble University Hospital to investigate the Young's modulus and statistical ultrasound parameters over time in patients with deep vein thrombosis. The patients were on anticoagulants, and the Young's modulus showed no significant changes between measurements on days 0, 7 and 30. Statistical parameters (studied according to the homodyne K statistical distribution) showed an increase in the intensity of scatterers (probably linked to an increase in the number of fibrin strands and/or number of red blood cells) and a disorganization of scatterers. One conclusion is that statistical parameters might be used to improve the characterization of blood clots even when the Young's modulus does not vary significantly. The second part focuses on the analysis of the resonance phenomenon present when shear waves pass through the clot. The aim was to find a region of interest where the calculation of the shear wave attenuation shows the least possible variation due to this behavior. Parameters related to resonance, the Young's modulus, shear wave dispersion and shear wave attenuation were plotted in phantoms of different diameters and in in vitro blood clots during coagulation. A region of interest was found, which minimized resonances when calculating shear wave attenuation. The third study investigates the effect of in vitro treatments with rt-PA on the Young's modulus, shear wave dispersion, shear wave attenuation and statistical ultrasound parameters. Porcine blood was collected and 3 clots per sample were prepared, each undergoing a different treatment condition (no treatment, treatment at 20 minutes after the beginning of coagulation and treatment at 60 minutes after the onset of coagulation). The Young's modulus decreased significantly with treatment, the shear wave dispersion increased for clots treated at 60 minutes compared to those untreated, the shear wave attenuation increased for clots treated at 20 minutes compared to those untreated, and the backscatter intensity decreased significantly in both treatment conditions. These parameters might help confirm the effect of a treatment and detect whether or not patients are resistant to it. This thesis has led to a better understanding of the mechanical and acoustic properties of blood clots during coagulation and as a function of a treatment. These properties can be used to adapt the dose and duration of treatment to reduce side effects in the management of patients.

Les maladies cardiovasculaires sont une des causes de mortalités les plus élevées mondialement. Parmi celles-ci, on retrouve l’infarctus du myocarde, qui n’a pour traitement que la transplantation cardiaque. Or, dû à la faible quantité de donneur, une solution alternative est recherchée. De ce fait, l’ingénierie tissulaire permet le développement de tissus et d’implants thérapeutiques tels les patchs cardiaques, qui peuvent être bioimprimés. Or, une des limitations actuelles de l’utilisation d’une telle stratégie est la vascularisation de tissu bioimprimés. Dans cette étude, la bioimpression 3D a été utilisée afin de bioimprimer des patchs perfusables de gélatine méthacrylate (GelMA) à utiliser potentiellement pour le tissu cardiaque. Il a été possible de développer une bioencre pouvant être utilisée pour une application dans le tissu cardiaque, d’évaluer l’imprimabilité de l’encre et de bioimprimer de patchs standards et perfusables. Pour ce faire, GelMA a été synthétisé et les propriétés mécaniques ont été évaluées pour finalement sélectionner une encre de 10 % GelMA, ayant un module de Young approprié pour le tissu cardiaque, de 23,7±5,1 kPa. Par la suite, les processus d’impression, standard et coaxial, de patchs standards et perfusables ont pu être optimisés. Finalement, des patchs perfusables de GelMA 10% et gélatine 2% ont pu être imprimés avec une viabilité cellulaire élevée, jusqu’à 79,7±8,7 % et 83,5±5,7 % obtenue aux jours 1 et 7 de culture respectivement, avec des fibroblastes 3T3. La présence de canaux vides et la perfusabilité des patchs démontrent le potentiel de cette méthode pour éventuellement bioimprimer des patchs cardiaques vascularisés épais. / Cardiovascular diseases are a leading cause of death worldwide. Myocardial infarction captures a significant segment of this population, and the end-stage myocardial infarction can only be treated by heart transplantation. However, due to the scarcity donors, tissue engineering has been considered as an alternative solution. Tissue engineering allows the development of tissues and therapeutic implants such as cardiac patches. However, one of the main hurdles in the use of such a strategy is the vascularization of bioprinted tissue. In this study, 3D bioprinting was used to bioprint perfusable gelatin methacrylate (GelMA) patches for a potential use in cardiac tissue. This work consists in the development of a bioink that can be used for the cardiac tissue, the evaluation of the printability of the ink, and the final bioprinting of standard and perfusable patches. For this purpose, GelMA was synthesized and a final concentration of 10 % was selected as it showed an appropriate Young's modulus for cardiac tissue, of 23.7±5.1 kPa, while maintaining high biocompatibility. Subsequently, the printing process of standard and perfusable patches could be optimized with the use of GelMA and gelatin inks. Finally, 10% GelMA and 2% gelatin vascularized patches could be printed with high cell viability, of up to 79,7±8,7 % and 83,5±5,7 % on days 1 and 7 of culture respectively for 3T3 fibroblasts. Additionally, the presence of hollow channels of the perfusable patches demonstrates the potential of this method to be eventually applied to the bioprinting of thick vascularized cardiac patches.

Ce document présente les grandes lignes des travaux de recherche que j'ai menés dans divers laboratoires depuis ma thèse.