[ES] El tratamiento de enfermedades neurológicas está muy limitado por la ineficiente penetración de los fármacos en el tejido cerebral dañado debido a la barrera hematoencefálica (BHE), lo que imposibilita mejorar la salud del paciente. La BHE es un mecanismo de protección natural para evitar la difusión de agentes potencialmente peligrosas para el sistema nervioso central. No obstante, la BHE se puede inhibir mediante ultrasonidos focalizados e inyección de microburbujas de forma segura, localizada y transitoria, una tecnología empleada mundialmente. La principal ventaja es su carácter no invasivo, siendo así muy atractiva y cómoda para el paciente. Normalmente, la zona cerebral enferma se trata en su parte central empleando un único foco. Sin embargo, enfermedades como el Alzheimer o el Parkinson requieren un tratamiento sobre estructuras de geometría compleja y tamaño elevado, situadas en ambos hemisferios cerebrales. Por tanto, la tecnología actual está muy limitada al no cumplir dichos requisitos. Esta tesis doctoral tiene como objetivo el desarrollo de una técnica novedosa, basada en hologramas acústicos, para resolver las limitaciones presentes en los tratamientos neurológicos empleando ultrasonidos. Se estudian las lentes acústicas holográficas impresas en 3D, que acopladas a un transductor mono-elemento, permiten el control preciso del frente de onda ultrasónico tanto para (1) compensar las distorsiones que sufre el haz hasta alcanzar el cerebro, como (2) focalizarlo simultáneamente en regiones múltiples y de geometría compleja o formando de vórtices acústicos, proporcionando así efectividad en tiempo y coste. Por ello, la investigación desarrollada en esta tesis abre un camino prometedor en el campo de la biomedicina que permitirá mejorar los tratamientos neurológicos, además de aplicaciones en neuroestimulación o ablación térmica del tejido. / [CA] El tractament de malalties neurològiques està molt limitat per la ineficient penetració del fàrmac en el teixit cerebral danyat a causa de la barrera hematoencefàlica (BHE), i així no és possible una millora de salut del pacient. La BHE és un mecanisme de protecció natural per a evitar la difusió d'agents potencialment perillosos per al Sistema Nervios Central. No obstant això, aquesta barrera es pot inhibir mitjancant una tecnologia emprada mundialment basada en ultrasons focalitzats i injeccio de microbombolles. El principal avantatge és el seu caràcter no invasiu, sent així molt atractiva i còmoda per al pacient, i permet obrir la BHE de manera segura, localitzada i transitòria. Normalment, la zona cerebral malalta es tracta en la seua part central, emprant un unic focus. No obstant això, malalties com l'Alzheimer o el Parkinson requereixen un tractament al llarg d'estructures de geometria complexa i grandària elevada, situades en tots dos hemisferis cerebrals. Per tant, la tecnologia actual està fortament limitada al no complir amb aquests requeriments. Aquesta tesi doctoral està enfocada a investigar i desenvolupar una tècnica nova, basada en hologrames acústics, per a solucionar les limitacions presents en els tractaments neurològics. Una lent acústica holograca de baix cost impresa en 3D acoblada a un transductor d'element simple permet el control precs del front d'ona ultrasònic punt per a (1) compensar les distorsions que pateix el feix en el seu camí cap al cervell, i (2) focalització simultània del feix en regions multiples i de geometria complexa, proporcionant aix un tractament efectiu en temps i cost. Per això, la investigació desenvolupada en aquesta tesi demostra la possibilitat de realitzar qualsevol tractament neurològic, a més d'aplicacions en la neuroestimulació o l'ablació tèrmica dins del camp biomèdic. / [EN] Treatments for neurological diseases are strongly limited by the inefficient penetration of therapeutic drugs into the diseased brain due to the blood-brain barrier (BBB), and therefore no health improvement can be achieved. In fact, the BBB is a protection mechanism of the human body to avoid the diffusion of potentially dangerous agents into the central nervous system. Nevertheless, this barrier can be successfully inhibited by using a worldwide spread technology based on microbubble-enhanced focused ultrasound. Its main advantage is its non-invasive nature, thus defining a patient-friendly clinical procedure that allows to disrupt the BBB in a safe, local and transient manner. Conventionally, the diseased brain structure has been targeted in its center, with a single focus. However, Alzheimer's or Parkinson's Diseases do require that ultrasound is delivered to entire, complex-geometry and large-volume structures located at both hemispheres of the brain. Therefore, current technology presents several limitations as it does not fulfill these requirements. This doctoral thesis aims to develop a novel technique based on using focused ultrasound acoustic holograms to solve the existing limitations to treat neurological diseases. In this dissertation, we study 3D-printed holographic acoustic lenses coupled to a single-element transducer that allow to accurately control the acoustic wavefront to both (1) compensate distortions suffered by the beam in its path to the brain, and (2) simultaneous focusing in multiple and complex-geometry structures or acoustic vortex generation, providing a time- and cost- efficient procedure. Therefore, the research carried out throughout this thesis opens a promising path in the biomedical field to improve the treatment for neurological diseases, neurostimulation or tissue ablation applications. / Acknowledgments to the Spanish institution Generalitat Valenciana, which funding grant allowed me to develop this doctoral thesis, and as well funded my research stay at Columbia University. The development of the entire thesis was supported through grant Nª. ACIF/2017/045. Particularly, the research carried out in Chapter 3 and Chapter 4 was possible thanks to and supported through grant BEFPI/2019/075. Action co-financied by the Agència Valenciana de la Innovació through grant INNVAL10/19/016 and by the European Union through the Programa Operativo del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) of the Comunitat Valenciana 2014-2020 (IDIFEDER/2018/022). / Jiménez Gambín, S. (2021). Transcranial Ultrasound Holograms for the Blood-Brain Barrier Opening [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171373

Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση ενός βιοϊατρικού συστήματος που είναι κατάλληλο για την ανίχνευση εμβοών σε ασθενείς. Το σύστημα αυτό αποτελείται από ένα αναλογικό τμήμα το οποίο περιλαμβάνει τους εξαγωγείς ενέργειας ζώνης συχνοτήτων για τα alpha, gamma και theta waves του εγκεφάλου που τροφοδοτούν τα αντίστοιχα κανάλια του συστήματος. Επίσης, το σύστημα περιλαμβάνει και ένα ψηφιακό τμήμα αποτελούμενο από συγκριτές ρεύματος και μια πύλη AND και το οποίο θα χρησιμεύσει για την λήψη της απόφασης σχετικά με το αν πάσχει ή όχι ο ασθενής. Η έξοδος του συστήματος θα οδηγεί ένα σύστημα ανάδρασης, ο οποίος θα προσαρμόζει τα επίπεδα έντασης των αντίστοιχων σημάτων που δέχεται ο ασθενής για την αποφυγή της εμφάνισης του φαινομένου της εμβοής. Η υλοποίηση του συστήματος γίνεται με χρήση MOS transistors τα οποία λειτουργούν στην περιοχή υποκατωφλίου. Η χρήση μικρών ρευμάτων πόλωσης δίνει τη δυνατότητα για σχεδίαση συστημάτων με χαμηλή κατανάλωση ισχύος και ταυτόχρονα επιτρέπει την υλοποίηση μεγάλων τιμών αντιστάσεων, οι οποίες είναι απαραίτητες για την πραγματοποίηση μεγάλων σταθερών χρόνου που απαιτούνται για τη διαχείριση των χαμηλής συχνότητας βιοϊατρικών σημάτων. Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη πρωτότυπης τοπολογίας για το αναλογικό τμήμα του συστήματος. Αυτό επιτεύχθηκε με την ανάπτυξη νέων δομών φίλτρων τα οποία λειτουργούν στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Οι κύριοι λόγοι υιοθέτησης αυτής της τεχνικής είναι ότι προσφέρει ταυτόχρονα τα παρακάτω: (α) δυνατότητα επεξεργασίας σημάτων τα οποία είναι μεγαλύτερα από το ρεύμα πόλωσης, λόγω της ενσωματωμένης λειτουργίας σε τάξη-ΑΒ, (β) δυνατότητα λειτουργίας με καλή γραμμικότητα σε πολύ χαμηλή τάση τροφοδοσίας, (γ) ηλεκτρονική ρύθμιση των συχνοτικών χαρακτηριστικών τους από το ρεύμα πόλωσης, (δ) υλοποίηση φίλτρων χωρίς αντιστάτες, (ε) υλοποίηση φίλτρων με χρήση μόνο γειωμένων πυκνωτών. Η σχεδίαση των κυκλωμάτων, τόσο σε επίπεδο σχηματικού, όσο και σε επίπεδο μασκών, έγινε με τη χρήση του λογισμικού Cadence και με το Design Kit που παρέχεται από την τεχνολογία AMS CMOS C35 0.35μm. Συγκρινόμενη με την αντίστοιχη ήδη προταθείσα δομή ανιχνευτή εμβοών, η προτεινόμενη τοπολογία προσφέρει τα παρακάτω ελκυστικά χαρακτηριστικά: (α) μειωμένη κατανάλωση ισχύος και (β) λειτουργία του αναλογικού τμήματος σε μικρότερη τάση τροφοδοσίας (0.5V). / Subject of this M. Sc.Τhesis is the design of a biomedical system that is suitable for detecting tinnitus in patients. This system consists of an analog subsystem comprising band energy extractors for alpha, gamma and theta waves of the EEG that feed the channels of the system. The system also includes a digital section composed of current comparator and AND gate, which will serve as a decision on whether or not the suffering patient. The output of the system will drive a feedback system, which will adjust the intensity levels of the respective signals received by the patient to prevent the occurrence of the phenomenon of tinnitus. The system implementation is done using MOS transistors operating in the subthreshold region. The use of low-level bias currents allows for system design with low power consumption and, simultaneously, enables the implementation of large values of resistors that are necessary for the realization of large time constants required for the handling of low frequency biomedical signals. The aim of this thesis is to develop novel topology for the analog subsystem. Tjhis was achieved through the development ddevelopment of novel structures of filters using the concept of filtering in the Sinh-Domain. The main reasons for using this technique is that it simultaneously offers the following attractive characteristics: (a) capability for processing signals which are larger than the bias current, due to the inherent class-AB operation, (b) ability to achieve a relative high linearity at very low power supply voltage, (c) electronic adjustment of frequency characteristics through the bias current, (d) implementation of filters without resistors, and (e) implementation of filters using only grounded capacitors. The design of circuits, both at schematic and post-layout levels was performed using the Cadence software and the Design Kit provided by the AMS CMOS C35 0.35μm technology. Compared with the corresponding already proposed structure tinnitus detector, the proposed topology to offer the following attractive features: (a) reduced power consumption, and (b) operation of the analog section in lower supply voltage (0.5V).

Η παρούσα Διπλωματική Εργασία εστίασε το ενδιαφέρον της στην διερεύνηση των μοντέλων για νευρώνες (neuron models) ικανών να μιμηθούν την φυσική λειτουργία των βιολογικών νευρώνων. Συγκεκριμένα, έγινε μελέτη κάποιων μοντέλων για νευρώνες που παρουσιαστήκαν τα τελευταία χρόνια και στην συνέχεια, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα από τα μοντέλα αυτά κάνοντας χρήση κυκλωμάτων χαμηλής τάσης τροφοδοσίας στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Η γρήγορη ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής στην υλοποίηση συστημάτων υψηλής αξιοπιστίας και απόδοσης μικρού βάρους και όγκου όπως φορητών ηλεκτρονικών πολυμέσων, επικοινωνιών, βιοϊατρικών συσκευών, ωθεί στην σχεδίαση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που τα απαρτίζουν με μειωμένη κατανάλωση ισχύος και κατ’ επέκταση χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Αρχικά, γίνεται μια εισαγωγή για τη σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για λειτουργία σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Ακολούθως, δίνεται η περιγραφή της δομής και της λειτουργίας ενός βιολογικού νευρώνα και στην συνέχεια η περιγραφή των δύο βασικών μοντέλων νευρώνα (neuron models) που μελετήθηκαν στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας. Επίσης, παρουσιάζεται μία πρόσφατη υλοποίηση του βασικού μοντέλου νευρώνα των Mihalas και Niebur που ερευνάται στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, στο πεδίο του λογαρίθμου καθώς και τα μοτίβα αιχμών τα οποία είναι ικανό να παράγει το συγκεκριμένο μοντέλο στο πεδίο του λογαρίθμου. Τον πυρήνα στην σχεδίαση των συγκεκριμένων μοντέλων για νευρώνες που μελετώνται, αποτελεί η τοπολογία του Tau-Cell. Η συγκεκριμένη βαθμίδα χρησιμοποιείται για την συστηματική σχεδίαση φίλτρων στο πεδίο του λογαρίθμου (Log-Domain filters). Έπειτα, αναλύεται η μέθοδος σχεδίασης κυκλωμάτων, και συγκεκριμένα φίλτρων, χαμηλής τάσης τροφοδοσίας στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Παρουσιάζονται οι βασικούς τελεστές καθώς και τα βασικά cells, για την σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain). Στην συνέχεια, περιγράφεται η σχεδίαση της τοπολογίας του Tau-Cell η οποία όπως αναφέραμε, αποτελεί τον πυρήνα στην υλοποίηση μοντέλων για νευρώνες, στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου και επιβεβαιώνεται η ορθή λειτουργία της συγκεκριμένης βαθμίδας, με την σχεδίαση και εξομοίωση φίλτρων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, με βασικό στοιχείο το Tau-Cell στο Analog Design Environment του λογισμικού της Cadence σε τεχνολογία της AMS CMOS 0.35μm. Αφότου έχει ολοκληρωθεί η σχεδίαση του Tau-Cell στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, περιγράφεται στην συνέχεια η υλοποίηση του μοντέλου νευρώνα των Mihalas και Niebur στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Κάνοντας χρήση της βαθμίδας του Tau-Cell στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, γίνεται η υλοποίηση και στην συνέχεια η εξομοίωση, δύο βασικών κυκλωμάτων του μοντέλου, με βάση την ήδη υπάρχουσα υλοποίηση τους στο πεδίο του λογαρίθμου, ικανών να παράγουν διάφορα μοτίβα αιχμών (spiking patterns) με βάση το συγκεκριμένο μοντέλο του νευρώνα. Η ορθή λειτουργία των δύο αυτών κυκλωμάτων του μοντέλου με βάση τα μοτίβα αιχμών (spiking patterns) που είναι ικανά να παράγουν, επιβεβαιώνεται από τις εξομοιώσεις στο περιβάλλον του Analog Design Environment του λογισμικού της Cadence σε τεχνολογία της AMS CMOS 0.35μm. Τέλος, παρουσιάζεται η φυσική σχεδίαση (layout) των δύο βασικών κυκλωμάτων του μοντέλου νευρώνα καθώς και τα αποτελέσματα από την post-layout εξομοίωση του μοντέλου. Η φυσική σχεδίαση πραγματοποιήθηκε μέσω του λογισμικού Cadence το οποίο και περιέχει το περιβάλλον φυσικής σχεδίασης αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων Virtuoso Layout Editor. Η τεχνολογία που χρησιμοποιήθηκε αναφέρεται ως AMS C35D4 CMOS διαστάσεων 0.35μm. / This present M.Sc. Thesis is focused its interest in the study of neuron models that emulate the physical behavior of biological neurons. More specifically, we present a study of some neuron models that have been presented the last years and we proceed with the design and the implementation one of them using low voltage circuits in the Sinh-Domain. Τhe radical technological developments of microelectronics in the systems implementation with high reliability and performance, such as portable electronic devices for multimedia, communications and biomedical systems, demand the design of integrated circuits with reduced power consumption and thus low voltage supply. Initially, an introduction for the design of integrated circuits in low voltage environment is given and, also, the description of the structure and behavior of a biological neuron. Next, an analysis of two recently introduced neuron models realized in the Log-Domain, from which the Mihalas and Niebur neuron model constitutes the basic model studied in the context of this work and, also, the basic spiking patterns, that this implementation of the Mihalas-Niebur neuron model is capable of producing. The core in the implementation of this neuron models, is the topology of Tau-Cell. The topology of Tau-Cell is used for the systematic design of filters in the Log-Domain. Thereafter, is given an analysis of the method of designing low voltage circuits and more specifically filters, in the Sinh-Domain. The basic operators and the principal cells, for designing circuits in the Sinh-Domain are presented. Then, the design and implementation of the Tau-Cell topology which as mentioned is the core for the implementation of neuron models, is realized in the Sinh-Domain. The proper operation of this topology is confirmed through the design and simulation of filters in the Sinh-Domain, in the Analog Design Environment of Cadence using the AMS CMOS 0.35μm technology. After the design of the Tau-Cell in the Sinh-Domain, we continue with the implementation of the Mihalas-Niebur neuron model. Using the topology of Tau-Cell in the Sinh-Domain, we proceed with the implementation and the simulation of the basic two topologies of the neuron model based on the existing implementation in the Log-Domain. The implemented topologies of the neuron are capable of producing spiking patterns based to the Mihalas-Niebur neuron model. The proper operation of these topologies based on the spiking patterns that are capable of producing, is confirmed through the design and simulation in the Sinh-Domain, in the Analog Design Environment of Cadence using the AMS CMOS 0.35μm technology. Finally, is presented the layout design of the main two topologies of the neuron model and also the results of the post-layout simulations. The layout was conducted via the Cadence software through Virtuoso Layout Editor. The technology used is referred as AMS C35D4 CMOS in 0.35μm dimensions.

Macromolecular biomaterials often require covalent crosslinking to achieve adequate stability and mechanical strength for their given application. However, the use of auxiliary chemicals may be associated with long-term toxicity in the body. Oppositely-charged polyelectrolytes (PEs) have the advantage that they can self-crosslink electrostatically and those derived from marine organisms are an inexpensive alternative to glycosaminoglycans present in the extracellular matrix of human tissues. A range of different combinations of PEs and preparation conditions have been reported in the literature. However, although there has been some work on complex formation between chitosan (CS) and carrageenan (CRG), much of the work undertaken has ignored the effect of pH on the consequent physicochemical properties of self-crosslinked polyelectrolyte complex (PEC) gels, films and scaffolds. Chitosan is a positively-charged polysaccharide with NH3+ side groups derived from shrimp shells and, carrageenan is a negatively-charged polysaccharide with OSO3- side groups derived from red seaweed. These abundant polysaccharides possess advantageous properties such as biodegradability and low toxicity. However, at present, there is no clear consensus on the cell binding properties of CS and CRG or CS-CRG PEC materials. The aim of this study was to explore the properties of crosslinker-free PEC gels, solvent-cast PEC films and freeze-dried PEC scaffolds based on CS and CRG precursors for medical applications. The objective was to characterise the effect of pH of the production conditions on the physicochemical and biological properties of CS-CRG PECs. Experimental work focused on the interaction between PEs, the composition of PECs, the rheological properties of PEC gels and the mechanical properties of PEC films and scaffolds. In addition, cell and protein attachment to the PEC films was assessed to determine their interactions in a biological environment. For biomedical applications, these materials should ideally be stable when produced such that they can be processed to form either a film or a scaffold and have mechanical properties comparable to those of collagenous soft tissues. FTIR was used to confirm PEC formation. Zeta potential measurements indicated that the PECs produced at pH 2-6 had a high strength of electrostatic interaction with the highest occurring at pH 4-5. This resulted in stronger intra-crosslinking in the PEC gels which led to the formation of higher yield, solid content, viscosity and fibre content in PEC gels. The weaker interaction at pH 7-12 resulted in higher levels of CS incorporated into the complex and the formation of inter-crosslinking through entanglements between PEC units. This resulted in the production of strong and stiff PEC films and scaffolds appropriate for soft tissue implants. The PECs prepared at pH 7.4 and 9 also exhibited low swelling and mass loss, which was thought to be due to the high CS content and entanglements. From the range of samples tested, the PECs produced at pH 7.4 appeared to show the optimum combination of yield, stability and homogeneity for soft tissue implants. Biological studies were performed on CS, CRG and PECs prepared at pH 3, 5, 7.4 and 9. All of the PE and PEC films were found to be non-cytotoxic. When the response of three different cell types and a high binding affinity protein (tropoelastin) was evaluated; it was found that the CS-CRG PEC films displayed anti-adhesive properties. Based on these experimental observations and previous studies, a mechanistic model of the anti-adhesive behaviour of PEC surfaces was proposed. It was therefore concluded that the CS-CRG PECs produced might be suitable for non-biofouling applications.

Η παρούσα Διπλωματική Εργασία εστίασε το ενδιαφέρον της στην ανίχνευση του QRS συμπλέγματος στα ηλεκτροκαρδιογραφήματα με σκοπό τον εντοπισμό χρόνιων ή μη παθήσεων της ανθρώπινης καρδιάς. Το σύστημα αυτό αποτελείται από ένα ζωνοπερατό φίλτρο 2ης-τάξης, ένα διαφοριστή, έναν τετραγωνιστή και ένα βαθυπερατό φίλτρο 1ης-τάξης. Η υλοποίηση του συστήματος γίνεται με χρήση MOS transistor τα οποία λειτουργούν στην περιοχή υποκατωφλίου. Η χρήση μικρών ρευμάτων πόλωσης επιτρέπει τη σχεδίαση συστημάτων με χαμηλή κατανάλωση ισχύος και ταυτόχρονα την υλοποίηση μεγάλων τιμών αντιστάσεων, οι οποίες είναι απαραίτητες για την πραγματοποίηση μεγάλων σταθερών χρόνου, που απαιτούνται για τη διαχείριση των χαμηλής συχνότητας βιοϊατρικών σημάτων. Στόχος της Διπλωματικής Εργασίας είναι η ανάπτυξη τοπολογίας για το αναλογικό τμήμα του συστήματος. Για το σκοπό αυτό προτείνεται η συστηματική σχεδίαση φίλτρων υψηλής τάξης στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, με χρήση ήδη υπαρχόντων μη-γραμμικών διαγωγών υπερβολικού ημιτόνου, συνημίτονου. Η συμπίεση-αποσυμπίεση του προς επεξεργασία σήματος επιτυγχάνεται με την κατάλληλη τοποθέτηση συμπληρωματικών τελεστών ενώ ταυτόχρονα διατηρείται γραμμική η συνολική συμπεριφορά των διατάξεων. Η εφαρμογή της μεθόδου του κατωφλίου, ωστόσο, αλλά και η επαλήθευση της λειτουργίας του αναλογικού μέρους, πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του λογισμικού Matlab. Η σχεδίαση των κυκλωμάτων σε όλα τα επίπεδα ιεραρχίας πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του λογισμικού Cadence και με το Design Kit που παρέχεται από την τεχνολογία AMS CMOS C35 0.35μm. / This M.Sc. Thesis focused on proper detection of QRS complex on electrocardiograms to identify chronic or non-chronic diseases of human heart. This system consists of a 2nd-order bandpass filter, a differentiator, a squarer and a 1st-order low-pass filter. The system implementation is using MOS transistors operating in the subthreshold region. The use of low-level bias currents allows the design of systems with low power consumption and simultaneously implementing large resistance values , which are necessary for the realization of large time constants required for the management of low frequency biomedical signals. The aim of this thesis is to develop topology for the analog subsystem. For this purpose a systematic design of high order filters in the field of Sinh-Domain , using existing trims nonlinear hyperbolic sine and cosine. The compression - expansion of the signal to be processed is achieved by proper placement of additional constants while maintaining the total linear behavior of the devices. The application of the threshold, however, but also to verify the operation of the analog part , performed using the software Matlab. The design of circuits at all levels of hierarchy was performed using the software Cadence and the Design Kit provided by technology AMS CMOS C35 0.35μm.

Color theory was first formalized in the seventeenth century by Isaac Newton just a couple of decades after the first microscope was built. But it was not until the twentieth century that technological advances led to the integration of color theory, optical spectroscopy and light microscopy through spectral image processing. However, while the focus of image processing often concerns modeling of how images are perceived by humans, the goal of image processing in natural sciences and medicine is the objective analysis. This thesis is focused on color theory that promotes quantitative analysis rather than modeling how images are perceived by humans. Color and fluorescent dyes are routinely added to biological specimens visualizing features of interest. By applying spectral image processing to histopathology, subjectivity in diagnosis can be minimized, leading to a more objective basis for a course of treatment planning. Also, mathematical models for spectral image processing can be used in biotechnology research increasing accuracy and throughput, and decreasing bias. This thesis presents a model for spectral image formation that applies to both fluorescence and transmission light microscopy. The inverse model provides estimates of the relative concentration of each individual component in the observed mixture of dyes. Parameter estimation for the model is based on decoupling light intensity and spectral information. This novel spectral decomposition method consists of three steps: (1) photon and semiconductor noise modeling providing smoothing parameters, (2) image data transformation to a chromaticity plane removing  intensity variation while maintaining chromaticity differences, and (3) a piecewise linear decomposition combining advantages of spectral angle mapping and linear decomposition yielding relative dye concentrations. The methods described herein were used for evaluation of molecular biology techniques as well as for quantification and interpretation of image-based measurements. Examples of successful applications comprise quantification of colocalization, autofluorescence removal, classification of multicolor rolling circle products, and color decomposition of histological images.

Το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής αφορά στη σχεδίαση αναλογικών ολοκληρωμένων φίλτρων χαμηλής τάσης τροφοδοσίας με χρήση καθρεπτών ρεύματος. Οι εφαρμογές της σύγχρονης τεχνολογίας επιτάσσουν τη χρήση συσκευών με όσο το δυνατόν μικρότερες διαστάσεις, χαμηλή τάση τροφοδοσίας, χαμηλή κατανάλωση ισχύος και ταυτόχρονα υψηλές επιδόσεις. Η μείωση της τάσης τροφοδοσίας θέτει αρκετές προκλήσεις στη σχεδίαση αναλογικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, καθώς οδηγεί σε μειωμένη απόδοση όσον αφορά το εύρος συχνοτήτων λειτουργίας αλλά και το επιτρεπόμενο πλάτος σημάτων που μπορούν να διαχειριστούν. Προς αυτήν την κατεύθυνση, μελετώνται και σχεδιάζονται δομές αναλογικών φίλτρων χρησιμοποιώντας καθρέπτες ρεύματος χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, οι οποίοι μπορούν να διαχειριστούν σήματα με σχετικά μεγάλη διακύμανση. Όλες οι δομές έχουν τη δυνατότητα ηλεκτρονικής ρύθμισης της συχνοτικής τους απόκρισης, μεταβάλλοντας το ρεύμα πόλωσης των καθρεπτών ρεύματος. Με αυτό τον τρόπο αντισταθμίζονται οι επιπτώσεις από τις μεταβολές των παραμέτρων κατασκευής, της τάσης τροφοδοσίας και της θερμοκρασίας. Αρχικά, προτείνονται διάφορες τοπολογίες γενικευμένων φίλτρων 2ης τάξης (universal biquads) με δυνατότητα ανεξάρτητης μεταβολής της συχνότητας και του συντελεστή ποιότητας των πόλων τους. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης ερευνητικής εργασίας κατασκευάστηκε ένα ολοκληρωμένο με την τεχνολογία AMS CMOS 0.35μm, το οποίο περιέχει δύο από τις προτεινόμενες τοπολογίες γενικευμένων φίλτρων 2ης τάξης. Τα αποτελέσματα από την πειραματική μέτρηση του ολοκληρωμένου παρουσιάζουν πολύ μικρή απόκλιση από τις προσομοιώσεις. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται μια συστηματική μέθοδος σχεδίασης ενεργών κυματικών φίλτρων με κυματικούς προσαρμογείς θύρας. Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόζεται για τη σχεδίαση ενός ελλειπτικού βαθυπερατού φίλτρου 3ης τάξης με συχνότητα αποκοπής 2MHz και κυμάτωση στη ζώνη διέλευσης 0.1dB. Ακόμη, προτείνονται δύο μιγαδικά φίλτρα Butterworth 12ης τάξης για εφαρμογή σε ασύρματους δέκτες χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, τα οποία σχεδιάστηκαν με την μέθοδο Leapfrog και την τοπολογική εξομοίωση LC κλιμακωτών φίλτρων. Στα πλαίσια της παρούσας ερευνητικής εργασίας πραγματοποιήθηκε η κατασκευή ενός ακόμη ολοκληρωμένου με την τεχνολογία AMS CMOS 0.35μm, το οποίο περιέχει τις δύο προτεινόμενες τοπολογίες μιγαδικών φίλτρων. Τα αποτελέσματα από την πειραματική μέτρηση του ολοκληρωμένου έχουν πολύ μικρή απόκλιση από τις προσομοιώσεις, επιβεβαιώνοντας την ορθή λειτουργία των μιγαδικών φίλτρων και καθιστώντας τις εν λόγω τοπολογίες αξιόπιστες για χρήση σε ασύρματους δέκτες που λειτουργούν με βάση τα πρότυπα Bluetooth/ZigBee. Μια άλλη κατηγορία φίλτρων που μελετάται, είναι αναλογικά φίλτρα τα οποία υλοποιούν συναρτήσεις κυματιδίου (wavelet filters), κατάλληλα για την επεξεργασία καρδιακών σημάτων. Οι καθρέπτες ρεύματος που χρησιμοποιούνται λειτουργούν στην περιοχή υποκατωφλίου, παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα χρήσης της πολύ χαμηλής τάσης τροφοδοσίας 0.5V. Ταυτόχρονα, λόγω των μικρών ρευμάτων πόλωσης, τα φίλτρα που προκύπτουν παρουσιάζουν εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Τα αποτελέσματα από τις προσομοιώσεις καταδεικνύουν τη χρησιμότητα τους σε σύγχρονες βιοϊατρικές εφαρμογές. Τέλος, προτείνεται μια νέα τοπολογία καθρέπτη ρεύματος χαμηλής τάσης τροφοδοσίας με μεταβλητό κέρδος το οποίο ελέγχεται ηλεκτρονικά, μεταβάλλοντας τα ρεύματα πόλωσης της βαθμίδας. Η συγκεκριμένη τοπολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σχεδίαση ηλεκτρονικά ρυθμιζόμενων φίλτρων. Η ορθή λειτουργία της προτεινόμενης βαθμίδας επαληθεύεται από την πειραματική μέτρηση του αντίστοιχου ολοκληρωμένου κυκλώματος που κατασκευάστηκε με την τεχνολογία AMS CMOS 0.35μm. / This Ph.D. dissertation deals with the design of low-voltage analog integrated circuits. The technological evolution and market requirements have led to an increasing demand of low-power portable devices, featuring the reduced size and high efficiency. The supply voltage scaling sets new challenges in analog circuit design as this leads to a degraded circuit performance in terms of available bandwidth and smaller available signal swings. In this direction, novel analog filters using low-voltage high swing current mirrors are introduced. The resonant frequency of the proposed filters can be electronically controlled by modifying appropriate dc currents. Thus, any effect from process, voltage and temperature variations can be eliminated. At first, novel universal biquad filters are introduced offering the feature of orthogonal adjustment between the resonant frequency and quality factor. As part of this research work, a chip prototype containing two of the proposed universal biquad filter topologies has been fabricated using AMS 0.35μm CMOS process. The experimental results from the fabricated chip are very close to those theoretically predicted. Continuing, a new systematic method for designing high-order wave active filters employing the wave port adaptors is proposed. Attractive characteristics of the derived filters are the repeated structures and the low sensitivity in passive and active mismatches. In order to demonstrate the validity of the proposed method, a 3rd order elliptic lowpass filter with cutoff frequency at 2MHz and pass band ripple 0.1dB is designed. Furthermore, the design of two 12th Butterworth complex filters using current mirrors for low-IF receivers is discussed. The proposed topologies derived according to the Leapfrog and topological emulation techniques. As part of this work, a second prototype chip containing the two complex filters has been fabricated using AMS 0.35μm CMOS process. The experimental results from the fabricated chip demonstrate the high efficiency of the proposed topologies; thus, they can be considered as very promising counterparts for realizing filters in modern wireless systems. Moreover, novel analog wavelet filters suitable for cardiac signal analysis are introduced. The employed current mirrors are operating in subthreshold region, thus combining the operation under the low supply voltage of 0.5V and the low biasing currents. The simulation results evince their usefulness in nowadays biomedical applications. Finally, a novel scheme of a low-voltage current mirror with electronically adjustable current gain is introduced. The proposed building block is suitable for electronically controllable filters or performing signal scaling. The behavior of the proposed topology is experimentally verified through a fabricated chip.

Les dispositifs plasma à la pression atmosphérique (PA) produisent de nombreuses espèces actives physiques (photons, particules chargées, champ électriques etc.) et chimiques (radicaux libres, espèces réactives de l'oxygène, espèces réactives de l'azote etc.). Ces espèces connues pour leurs effets biologiques directs ou indirects font de l'utilisation des jets de plasmas froids à la PA pour des traitements biomédicaux un sujet de recherche en plein développement. La recrudescence des cas de radiorésistance et chimiorésistance chez les micro-organismes et les cellules cancéreuses impose la recherche de nouveaux modes de traitements innovants. C'est dans ce contexte général que s'inscrit les travaux présentés ici dont l'enjeu majeur est la compréhension des mécanismes d'actions des plasmas froids à la PA sur le cancer colorectal (deuxième cause de mortalité par cancer en France). Le travail de thèse présenté concerne l'utilisation d'un modèle biologique in-vitro (sphéroïde tumoraux multicellulaire du cancer du côlon HCT116) en 3 dimensions qui permet de prendre en compte des paramètres déterminants dans la prolifération tumorale. Ce modèle permet ainsi une meilleure prédiction des résultats in vivo dans l'objectif d'une étude clinique ultérieure. De plus les cinétiques de créations des espèces actives ont été étudiées dans leur globalité depuis le dispositif plasma jusqu'aux interactions intracellulaires à partir d'analyses physiques, biologiques et chimiques. Le traitement indirect par utilisation de liquides activés par jet de plasma d'hélium a été privilégié pour élaborer un traitement endoscopique du cancer colorectal. L'ensemble des travaux menés sur l'observation des interactions des liquides activés par plasma sur les sphéroïdes tumoraux multicellulaires a permis de révéler deux modes d'actions distincts. Le premier étant une génotoxicité du liquide activé induite par la présence de peroxyde d'hydrogène dont l'action induit une cassure double brin de l'ADN intracellulaire conduisant les cellules à la mort par apoptose. Une interaction directe des radicaux libres produits dans le milieu avec les composants de ce dernier (acides aminés, glucose, etc.) ainsi que la présence de nitrites et nitrates induisent également un effet antiprolifératif à long terme du milieu activé par plasma sur les tumeurs HCT116. Différentes méthodes comme la résonance paramagnétique électronique et la spectroscopie d'émission optique ont permis de révéler des voies de création possibles conduisant à la formation de ces espèces actives. Des campagnes d'essais thérapeutiques ont permis d'évaluer la capacité des liquides activés par plasma à cibler davantage les cellules cancéreuses plutôt que les cellules saines ce qui en fait une méthode de traitement sélectif particulièrement prometteuse. Le développement et la caractérisation d'un second jet de plasma d'argon a été réalisé avec l'objectif d'optimiser l'effet antiprolifératif des plasmas sur les tumeurs tout en tenant compte des contraintes imposées par l'utilisation d'un tel dispositif pour le traitement du cancer colorectal. / Plasma devices at atmospheric pressure (AP) generate many physical active species (photons, charged particles, electric field, etc.) and chemical (free radicals, reactive oxygen species, reactive nitrogen species, etc...). This species are well known for their direct or indirect biological effects thus biomedical treatment by low temperature plasma jets at AP is currently a hot research topic. The upsurge of radioresistance and chemoresistance of microorganisms and cancer cells requires the development of new biomedical treatment. In this general context, the present work is a step towards the understanding of the effect induced by low temperature plasma jets at atmospheric pressure on colorectal cancer (second leading cause of death by cancer in France). This thesis focuses on the implementation of an in vitro biological model (multicellular tumor spheroid of colorectal cancer HCT116) in 3 dimensions which allows to take into account key parameters in tumor proliferation. This model is also well suited for the prediction of in vivo results in the aim of a subsequent clinical study. Further research about kinetic reactions of active species has been studied from the plasma device up to intracellular interactions through physical, biological and chemical analyses. Indirect treatment of tumors was carried out through helium plasma jet activated liquids. This solution was chosen for its relevance for endoscopic treatment of colorectal cancer. Interaction between plasma activated liquid and multicellular tumor spheroids has shown two distinct pathways. The first one is the genotoxicity of activated medium induced by the occurrence of hydrogen peroxide which induced DNA damages once penetrated in intracellular medium and leading to cell death by apoptosis. A direct interaction between free radicals generated in liquid medium and the latter components (amino acids, glucose, etc.) associated with the occurrence of nitrites and nitrates induces a long-term antiproliferative effect of plasma activated liquid. Chemical pathways of the formation of these active species were identified by using different analysis techniques such as electron paramagnetic resonance and optical emission spectroscopy. Therapeutic analysis have also demonstrated that plasma activated liquid damage preferentially colon cancer cells rather than healthy cells making it a particularly promising selective treatment method. The design and the characterization of a second plasma jet using argon as a carrier gas was carried out with the aim to improve the antiproliferative effect of plasmas on tumors while taking into account the requirement for the use of such device for colorectal cancer treatment.

Efficient and accurate sensing of various parameters is needed for numerous applications. In this regard, different categories of sensors play a significant role and different applications require diverse sensing mechanisms owing to the operating conditions and field constraints. Among the several sensor methodologies available, optical fiber sensors have found significant attention, because of their advantages such as negligible foot print, small mass, immunity to Electromagnetic Interference, etc. In the category of optical fiber sensors, Fiber Bragg Grating (FBG) sensors have found importance in many fields such as health monitoring of civil structures, environmental monitoring involving gas & humidity sensing, monitoring parameters like pressure, tilt, displacement, etc. In the recent times, FBGs have found applications in biomedical, biomechanical and biosensing fields. A FBG is a periodic change of the refractive index of the core of a single mode optical fiber along its longitudinal axis. The periodic modulation in the index of refraction is obtained by exposing a photosensitive germanium-doped silica fiber to an intense UV laser beam. FBGs, in the basic form, can sense strain and temperature. However, in recent years, several newer sensing applications of FBGs have been demonstrated. Some of the main features of the FBG sensor which qualify them for diverse sensing applications are high sensitivity, large operational bandwidth, multiplexing & multi modal sensing capability, etc. In this thesis work, FBG sensor based devices have been developed for newer applications in bio-medical fields for the measurement of force, flow and temperature. Particularly, novel transduction methodologies have been proposed, in order to convert the measurand parameter into a secondary parameter that can be sensed by the FBG sensor. The evaluation of the force required for a spinal needle to penetrate various tissue layers from skin to the epidural space is vital. In this work, a novel technique for dynamic monitoring of force experienced by a spinal needle during lumbar puncture using Fiber Bragg Grating (FBG) sensor has been developed. The Fiber Bragg Grating Force Device (FBGFD) developed, measures the force on the spinal needle due to varied resistance offered by different tissue layers during its traversal. The effect of gauge of the spinal needle used for the lumbar puncture procedure affects the force required for its insertion into the tissue. The FBGFD developed, has been further utilized for a comparative study of the force required for lumbar puncture of various tissue layers with spinal needle of different gauges. The results obtained may serve as a guideline for selection of suitable gauge spinal needle during lumbar puncture minimizing post puncture side effects on patients. The pulmonary function test carried out using a spirometer, provides vital information about the functional status of the respiratory system of the subject. A Fiber Bragg Grating Spirometer (FBGS) has been developed which has the ability to convert the rate of air flow into a shift in wavelength that can be acquired by the FBG sensor. The FBGS can dynamically acquire the complete breathing sequence comprising of the inhalation phase, pause phase and exhalation phase in terms of the air flow rate along with the time duration of each phase. Methods are adopted to analyse and determine important pulmonary parameters using FBGS and compare these parameters with those obtained with a commercially available hospital grade pneumotachograph spirometer. Thermal imaging is one of the emerging non-invasive neuro-imaging techniques which can potentially indicate the boundaries of a brain tumor. The variation in tissue surface temperature is indicative of a tumor existence. In this work a FBG temperature sensor (FBGTS) has been developed for thermography of a simulated tissue using Agar material. The temperature of the embedded heater which mimics a brain tumor along with the surface temperature of the tissue model, is acquired using FBGTSs simultaneously. Further, the surface temperatures are studied for varying heater temperatures as well as varying positions of the heater in the simulated tissue model. To conclude, FBG based devices have been developed in this work, for applications in biomedical domain, with appropriate transduction methodologies for sensing different parameters such as force, flow and temperature.

Ce travail de thèse porte sur l’élaboration de matériaux siliciques mésostructurés par des agents structurants originaux : les micelles complexes de polyions ou micelles PICs, qui présentent la particularité de s’assembler de façon réversible dans l’eau. Les micelles PICs sont des assemblages formés par interactions électrostatiques entre un copolymère à blocs double-hydrophiles (DHBC) neutre-ionisable et un agent de micellisation de charge opposée au DHBC. Le DHBC utilisé est un poly(oxyde d’éthylène)-b-poly(acide acrylique) POE-b-PAA synthétisé par polymérisation radicalaire contrôlée par transfert d’atome (ATRP) et les agents de micellisation sont commerciaux (oligochitosane OC, antibiotiques aminoglycosides). Tout d’abord, l’influence de divers paramètres (pH, température, concentration) sur les propriétés d’association des micelles PIC a été étudiée en solution aqueuse. Puis, l’influence de ces mêmes paramètres sur la structuration de la silice en présence de complexes de polyions POE-b-PAA/OC a été recherchée, et a permis de mieux appréhender les mécanismes de formation des matériaux hybrides. Il a ainsi été montré qu’en jouant sur les interactions entre les divers constituants, il était possible de contrôler la mésostructure des matériaux (hexagonale, lamellaire, vermiculaire) et leur morphologie (nanoparticules, microparticules). Enfin, la versatilité de l’utilisation de micelles PIC en tant qu’agents structurants de la silice a été mise en évidence avec des systèmes POE-b-PAA/aminoglycosides, qui ont permis d’obtenir directement des matériaux structurés ordonnés chargés en principes actifs. Par ailleurs, les possibilités offertes par l’utilisation des micelles PIC notamment en termes de fonctionnalité et de réversibilité de la micellisation, ont été exploitées et ont permis d’obtenir facilement des matériaux mésoporeux fonctionnalisés par les chaînes ionisables du DHBC, suite à l’extraction sélective de l’agent de micellisation. Il a été montré que de tels matériaux fonctionnels sont capables de complexer des espèces de charges opposées et notamment des principes actifs, qui peuvent par la suite être relargués de façon pH-dépendante. / Mesostructured hybrid materials were prepared by using original silica-structuring agents, which are polyion complex (PIC) micelles. A great advantage of PIC micelles is that they can be reversibly assembled in aqueous solution by varying physico-chemical parameters. PIC micelles are formed by electrostatic complexation between a neutral-anionic double-hydrophilic block copolymer (DHBC) and an oppositely charged agent of micellization; here a poly(ethylene oxide)-b-poly(acrylic acid) PEO-b-PAA (synthesized by controlled radical polymerization by atom transfer ATRP) and commercial polyamines (oligochitosan OC or aminoglycoside antibiotics) were respectively used. First, the influence of various parameters (pH, temperature, concentration) on PIC micelle association properties was investigated in aqueous solution. Then, the effect of these parameters on the silica mesostructuring process was studied, it provides a better understanding of the formation mechanisms. It was shown that varying interactions between constituents allows to control the mesostructure (hexagonal, lamellar, wormlike) and the material morphology (nanoparticle, microparticle). Finally, the versatility of the approach has been demonstrated with PEO-b-PAA/aminoglycoside systems. Drug-loaded ordered mesostructured materials were prepared following a one-pot route. Moreover, taking advantage of the high degree of functionality of DHBC polymers and of the reversibility of the micellization, polyacid-functionalized mesoporous materials were directly prepared by selectively extracting the micellization agent. PAA-functionalized silica materials were then used to complex diverse active entities such as drugs, whose delivery could be pH-controlled.