Le décollement de la couche limite sur un volet est responsable de pertes de performances importantes, telles qu'une chute de la portance et une augmentation de la traînée, lors des phases de décollage et d'atterrissage d'un avion. Les aéronefs modernes sont équipés de volets dont le déploiement laisse apparaître une fente qui permet d'augmenter la portance aux faibles vitesses. Les mécanismes de déploiement associés sont lourds et complexes. Dans le but de les simplifier, l'idée consiste à supprimer la fente entre le volet et l'aile, et à la remplacer par un dispositif de contrôle du décollement de type " soufflage pulsé ". Les travaux de thèse proposent l'adaptation temps-réel en boucle fermée des paramètres du soufflage, c'est-à-dire la quantité de mouvement injectée dans l'écoulement et la fréquence de forçage. Les algorithmes de contrôle développés durant l'étude ont permis de répondre à deux objectifs, le premier étant de maintenir l'écoulement attaché lors d'un braquage progressif du volet, et le second de garantir une portance maximale malgré le décollement qui survient inévitablement aux forts angles de braquage lorsque l'apport de quantité de mouvement du contrôle est trop faible. Ces deux objectifs se classent respectivement dans le cadre du contrôle direct du décollement (flow separation control) et le cadre du contrôle des écoulements décollés (separated-flow control). / Boundary layer separation from flaps is responsible for large performance losses during take-off and landing phases of an aeroplane flight, including loss of lift and drag increase. On modern aircraft, a slot located between the wing and the flap enables to increase lift at low speed. To manage this slot, flap deployment systems are very complex and heavy. It would be of interest to simplify them and replace the slot by separation control devices whose parameters such as injected momentum and forcing frequency can be adapted in closed-loop and real-time. The present study aims at developing algorithms to control those parameters in order to fulfill two objectives, the first one is to maintain the flow attached when the flap is progressively deflected, the second one is to provide maximum lift despite of massive separation at high flap deflection angles, when the momentum injected into the flow is no more sufficient to reach full reattachment. In the literature, the first objective is related to the framework of flow separation control, and the second one to the framework of separated-flow control

Le contrôle d'écoulement en utilisant des capteurs optiques est étudié dans un contexte expérimental. Le calcul de champs de vitesses en temps réel en utilisant une caméra pour l'acquisition et une carte graphique pour le calcul est détaillé. La validité de l'approche en terme de rapidité et de précision est étudiée. Un guide complet pour l'optimisation logicielle et matérielle est donné. Nous démontrons que le calcul dynamique de champs de vitesse est non seulement possible mais plus facile à gérer que l'utilisation d'un appareillage (PIV) classique. Un canal hydrodynamique est utilisé pour toutes les expériences. Celui-ci comporte une marche descendante pour le contrôle d' écoulements décollés. Les actionneurs sont des jets. Dans le cas de la marche descendante une étude paramétrique approfondie est faite pour qualifier les effets d'une injection en amont des jets, celle-ci étant traditionnellement effectuée à l'arrête de la marche.Plusieurs méthodes de contrôle sont étudiées. Un algorithme de contrôle basique de type PID est mis en place pour démontrer la viabilité du contrôle d'écoulement en boucle fermée par capteurs optiques. La zone de recirculation située derrière la marche est calculée en temps réel dans un plan vertical et horizontal. La taille de cette région est manipulée avec succès. Une approche basée sur des observations de la dynamique de l'écoulement est présentée.Des résultats précédents dans la littérature montrent que la recirculation peut être réduite avec succès en agissant sur l'écoulement à la fréquence naturelle de lâchés tourbillonnaires liés à l'instabilité de Kelvin-Helmholtz de la couche cisaillée crée par la marche. Une éthode basée de détection de vortex est introduite pour calculer cette fréquence, qui est ensuite utilisée dans une boucle de contrôle qui assure que l'écoulement est toujours pulsé à la bonne fréquence. Ainsi en utilisant des capteurs optiques la recirculation est réduite de façon simple.Ensuite nous implémentons un contrôle de type feed-forward dont l'efficacité a préalablement été démontrée en simulation. Cette approche vise à prévenir l'amplification de perturbations amont par la couche cisaillée. Nous montrons comment une telle méthode peut être implémentée avec succès dans un contexte expérimental. Enfin, nous implémentons également une approche radicalement différente basée sur un algorithme génétique. Des lois de contrôle aléatoires sont testées et évaluées. Les meilleurs sont répliquées, mutées et croisées. Ce processus se poursuit itérativement jusqu'à ce que le coût soit minimisé. Bien que lente à converger cette approche donne des résultats encourageants à travers une loi de commande originale. / Flow control using optical sensors is experimentally investigated. Real-time computation of flow velocity fields is implemented. This novel approach featuring a camera for acquisition and a graphic processor unit (GPU) for processing is presented and detailed. Its validity with regards to speed and precision is investigated. A comprehensive guide to software and hardware optimization is given. We demonstrate that online computation of velocity fields is not only achievable but offers advantages over traditional particle image velocimetry (PIV) setups. It shows great promise not only for flow control but for parametric studies and prototyping also.A hydrodynamic channel is used in all experiments, featuring a backward facing step for separated flow control. Jets are used to provide actuation. A comprehensive parametric study is effected to determine the effects of upstream jet injection. It is shown upstream injection can be very effective at reducing recirculation, corroborating results from the literature.Both open and closed loop control methods are investigated using this setup. Basic control is introduced to ascertain the effectiveness of this optical setup. The recirculation region created in the backward-facing step flow is computed in the vertical symmetry plane and the horizontal plane. We show that the size of this region can be successfully manipulated through set-point adaptive control and gradient based methods.A physically driven control approach is introduced. Previous works have shown successful reduction recirculation reduction can be achieved by periodic actuation at the natural Kelvin-Helmholtz frequency of the shear layer.A method based on vortex detection is introduced to determine this frequency, which is used in a closed loop to ensure the flow is always adequately actuated. Thus showing how recirculation reduction can be achieved through simple and elegant means using optical sensors. Next a feed-forward approach based on ARMAX models is implemented. It was successfully used in simulations to prevent amplification of upstream disturbances by the backward-facing step shear layer. We show how such an approach can be successful in an experimental setting.Higher Reynolds number flows exhibit non-linear behavior which can be difficult to model in a satisfactory manner thus a new approach was attempted dubbed machine learning control and based on genetic programming. A number of random control laws are implemented and rated according to a given cost function. The laws that perform best are bred, mutated or copied to yield a second generation. The process carries on iteratively until cost is minimized. This approach can give surprising insights into effective control laws.

Le système MIMO coopératif est une solution attrayante dans un environnement où les trajets multiples signalent s'avérer être une étape stimulante pour le lien paire communication émetteur-récepteur. En effet, la diversité spatiale fournis par les émetteurs et recievers peut être exploitée pour améliorer la qualité du signal. Cette thèse étudie l'application de la boucle fermée précodeur MIMO pour réduire encore plus l'énergie de transmission dans un tel environnement. La contribution de cette thèse est de proposer des approches globales qui conduisent à l'optimisation globale des transmissions dans le système MIMO coopératif. Tout d'abord, on exploite la diversité spatiale des noeuds, et proposons une technique de sélection de noeud pour réduire l'énergie de transmission. Les noeuds sont sélectionnées en utilisant le linéaire boucle fermée MIMO précodeur max-dmin qui optimise la distance minimale (dmin) de critère pour réduire le BER de la constellation reçue, ce qui abaisse le rapport requis signal sur bruit (SNR). Deuxièmement, nous sommes motivés par une obligation de rendre les paramètres d'évaluation des performances MIMO disponibles aux couches supérieures du protocole. Ainsi, nous proposons une méthode théorique pour obtenir la fonction de distribution de probabilité (pdf) de dmin pour le précodeur max-dmin, nous utilisons le résultat de rapprocher le BER et de la capacité ergodique pour un système MIMO et une valeur de M en utilisant deux sous-canaux dans d'une manière rapide. Nous présentons un scénario qui exige que l'information pertinente soit détectée à partir d'une variété de sources situées à l'intérieur de la haute tension (HT) environnement du poste de réseau intelligent (SG) des applications. Notre contribution comprend le développement d'un outil de simulation basé sur la technique de sélection de noeuds pour le max-dmin distribué MIMO précodage. Pour tenir compte des interactions entre les couches multiples de communication, nous proposons de concevoir un système de communication MIMO coopératif complet basé sur un protocole d'échange de base qui est liée à notre scénario de transmission supposé. On construit en outre toutes les trames de sous-couche MAC, qui sont transmis dans ce système limité par le coût de l'énergie et de la synchronisation. / Cooperative MIMO system worked from the spatial diversity provided by the transmitters and receivers locations to improve the quality of service in the communication exchange. In our work, we explored the application of closed-loop MIMO precoder to further limit the energy of transmission in such environment. Our contribution is to propose approaches that lead to global optimization of transmissions in cooperative MIMO system. Firstly, we exploit spatial diversity of nodes, and then a node selection technique to reduce the energy of transmission. The nodes are selected using the max-dmin linear closed-loop MIMO precoder which, optimizes the minimum distance (dmin) criterion to reduce the Bit Error Rate of the received constellation, thereby lowering the required signal-to-noise ratio. Secondly, we are motivated by a requirement to make the MIMO performance evaluation parameters available to higher protocol layers. Thus, we propose a theoretical method to derive the probability distribution function of dmin for the max-dmin precoder, then we use the result to approximate the Bit Error Rate and ergodic capacity for any MIMO system and any value of modulation size M using 2 subchannels in a rapid manner. To achieve our objective, we present a realistic scenario from an existing application case where data must be collected from a variety of sources located inside a high voltage substation environment (smart grid applications). Our contribution involves the development of a simulation tool based on node selection technique for the max-dmin distributed MIMO precoding. Finally, inside this transmission scenario, we propose a complete communication system based on a basic exchange protocol. We further construct all the MAC sub layer frames that are transmitted in this system constrained by energy and synchronization cost.

La maladie de Parkinson (MP) est la seconde maladie neurodégénérative la plus répandue. Les symptômes moteurs répondent initialement bien aux médicaments dopaminergiques. Toutefois, des complications motrices de ces médicaments finissent par survenir. Certains patients se voient alors proposer un traitement neurochirurgical par stimulation cérébrale profonde (SCP) et chronique du Noyau Subthalamique (NST). Plusieurs études suggèrent que la modulation du faisceau cortico-subthalamique moteur explique au moins en partie l’efficacité de la SCP du NST. Approfondir la compréhension du mécanisme d’action de la SCP du NST pour le traitement de la MP devrait permettre d’optimiser le rapport innocuité/efficacité de cette procédure qui s’adresse à des dizaines de milliers de patients dans le monde. L’objectif primaire de cette thèse est de caractériser le faisceau cortico-subthalamique moteur sur les plans anatomique et fonctionnel chez le primate non humain. Les objectifs secondaires sont : Permettre la visualisation directe et en conditions stéréotaxiques du NST chez le primate non humain et le patient parkinsonien - Mettre au point une méthodologie permettant de caractériser sur les plans anatomique et fonctionnel tout faisceau de fibres entre deux régions cérébrales anatomiquement distinctes, chez le primate non humain - Elaborer une loi de commande pour la stimulation du NST par optogénétique et en boucle fermée, afin de détruire sélectivement les oscillations béta et tester l’hypothèse de leur rôle dans l’émergence des symptômes moteurs de la MP... / Parkinson’s Disease (PD) is the second most widespread neurodegenerative disease. Motor symptoms initially respond well to dopaminergic medecines ; however, motor complications will eventually occur. Some patients are then proposed a neurosurgical treatment by chronical electrical deep brain stimulation (DBS) of the subthalamic nucleus (STN). Several studies suggested that the modulation of the motor cortico-subthalamic bundle might explain the efficacy of STN DBS, at least to a certain extent. A better understanding of the mechanism of action of DBS of the STN in order to treat PD should help to optimize the safety/efficacy of this surgical procedure from which tens of thousands of patients could benefit all over the world.The main purpose of the present thesis is to characterize, both anatomically and functionally, the motor cortico-subthalamic bundle in non-human primates. Secundary objectives are : (1) to allow the direct visualization, under stereotactic conditions, of the STN of non-human primates and of patients with PD ; (2) to develop a methodology enabling to characterize, both anatomically and functionally, any fiber bundle between two anatomically distinct cerebral areas, in non-human primates ; (3) to establish a command law for closed-loop stimulation of STN by optogenetics, in order to selectively destroy beta-oscillations and assess the hypothesis of their role in the occurrence of motor symptoms in PD...

Les structures du système nerveux responsables des modalités de la prise de décision forment un circuit constitué par les ganglions de la base, le cortex, le thalamus et leurs nombreuses interconnexions. Ce circuit peut être décrit comme un ensemble de boucles fonctionnant en parallèle et interagissant en différents points. Des interactions entre ces boucles et de la plasticité de leurs connexions émergent les choix et donc les actions d’un individu. Ces comportements émergents et les phénomènes d’apprentissage qui en découlent sont abordés à travers une approche en boucle fermée dans laquelle le modèle théorique est en interaction constante avec l’environnement où se déroule la tâche comportementale étudiée. A cette fin, des outils de modélisation neuronale et d’analyse dédiés ont été développés dans le laboratoire d’accueil. Nous explorons donc ici la dynamique des flux d’information au sein de ce circuit à travers un modèle computationnel décrit à l’échelle du neurone et de la synapse. A partir d’observations expérimentales préalables réalisées sur le primate et de modèles computationnels antérieurs, nous avons développé de manière incrémentale un réseau capable d’apprendre à réaliser les tâches comportementales dans plusieurs protocoles et conditions. Le résultat obtenu ici est un modèle computationnel d’apprentissage et de prise de décision dans les ganglions de la base qui permet de tester des hypothèses expérimentales et d’effectuer des investigations physiopathologiques ou pharmacologiques in silico à l’échelle cellulaire. Le développement de ce modèle computationnel a été mené en parallèle avec l’étude expérimentale d’un protocole de prise de décision et la mise au point d’un modèle de maladie de Parkinson chez la salamandre (Pleurodeles waltlii). / The nervous system structures involved in decision making constitute a circuit formed by the basal ganglia, the cortex, the thalamus and their numerous interconnections. This circuit can be described as a set of loops operating in parallel and interacting at different points. The decisions and therefore the actions of an individual emerge from the interactions between these loops and the plasticity of their connections. These emerging behaviors and arising learning processes are addressed through a closed-loop approach in which the theoretical model is in constant interaction with the environment of the task. To this end, neural modeling and dedicated analysis software tools were developed in the laboratory. We explore here the dynamics of information flows within this circuit through a computational model described at the neuron and synapse level. Taking into account previous experimental observations from primates and earlier computational models, we incrementally developed a network capable of learning to perform behavioral tasks under several protocols and conditions. The result here is a computational model of learning and decision making in the basal ganglia that allows for the testing of experimental hypotheses and also to conduct in silico pathophysiological or pharmacological investigations at the cellular level. The development of this computational model was conducted in parallel with the development of an experimental protocol of decision making and with the adjustment of a model of Parkinson disease in the salamander (Pleurodeles waltlii).

Les écoulements impactants auto-oscillants sont sources de bruit intenses dans diverses applications. La cavité représente une configuration privilégiée pour les étudier. L’objectif de la thèse est de fournir une solution concrète aux problèmes d’oscillation de la couche cisaillée de l’écoulement de cavité, en exploitant des outils issus de la communauté des automaticiens. Un rappel des travaux menés ces dernières années est présenté ainsi que les difficultés rencontrées pour le contrôle d’un tel dispositif. La principale source de complexité est les équations de Navier- Stockes qui régissent sont fonctionnement. Il est actuellement impossible d’exploiter directement ce type d’équations dans la synthèse de correcteur. Outre cette difficulté, les oscillations de la couche limite sont qualitativement induites par une instabilité non-linéaire soumise à saturation. Par conséquent, l’identification empirique basée sur la réponse fréquentielle ne peut être appliquée, sauf si un correcteur stabilisant le point fixe est trouvé, de manière à préserver le principe de superposition lors de l’identification. Ainsi, comme première solution, une commande empirique en boucle fermée est obtenue à partir de la pression retardée. Un travail sur un choix optimal des paramètres est réalisé permettant ainsi l’élimination des oscillations de la couche cisaillée. De plus, ce contrôle se montre robuste face aux changements de configuration de cavité. Une variante de cette loi de commande aboutit à un signal de contrôle évanescent, induisant ainsi un gain considérable en terme de consommation énergétique. Malheureusement, une telle loi commande ne permet pas d’identifier, ni d’expliquer les phénomènes dynamiques associés à un tel bouclage. Par conséquent, une approche linéaire est utilisée pour identifier les dynamiques de l’écoulement de cavité. La méthode d’identification ERA (Eigensystem Realization Algorithm) en boucle fermée est utilisée pour extraire cette dynamique. Les modèles identifiés nous informent sur les modes responsables de l’apparition des oscillations de la couche cisaillée. En outre, nous avons une information précise sur le phénomène de commutation de mode observé dans plusieurs régimes d’écoulement. Le modèle permet d’extraire les modes instables de la dynamique linéaire de la cavité et les associer aux oscillations du régime saturé. Pour valider la procédure linéaire, un correcteur optimal a été synthétisé à partir du modèle identifié. Cette commande se révèle robuste aux variations paramétriques du modèle. / The cavity flow represents a preferred configuration to study the self-oscillating impingement flows, which constitute an intense noise source in various applications (rail, aviation, etc.). Several studies have been conducted in order to mitigate these oscillations by open or closed-loop control strategies. A reminder of undertaken studies in recent years is presented as well as the encountered difficulties to control of such a device. The main difficulty to control such flows is that their state results from the nonlinear saturation of instabilities by developing on the steady base flow (stable limit cycle against unstable fixed point). The identification of a model is not easy in such a situation. Indeed, the empirical identification based on the frequency response can't be applied, unless a controller stabilizing the unstable fixed point is previously given, in order to preserve the superposition principle during the identification.Our study is mainly based on a closed-loop control because it brings a better energetic gain. We show that a simple time-delayed feedback control is able to stabilize the base flow and robust to changes in cavity configuration. To extract the responsible dynamics of the oscillations appearance in the shear layer, ERA (Eigensystem Realization Algorithm) identification technique is used in closed-loop. The model identifies the unstable modes of the linear dynamics of the cavity as those actually responsible for the oscillation frequencies of the saturated regime. An optimal controller was synthesized from this dynamics. This controller reveals robust to parametric variations of the model.

Des recherches récentes démontrent que les normes nord-américaines de construction et de dimensionnement des ponts sous-estiment les efforts engendrés lors de collisions de camions ou de barges avec un pont. La majorité des recherches sont menées par modélisations, puisque l’étude d’une collision pleine échelle est très coûteuse. Afin de mener des recherches au sujet des charges d’impact pour l’étude des mécanismes d’endommagement ainsi que des méthodes de réhabilitation, il serait intéressant qu’une méthode d’essai en laboratoire soit développée. Une façon innovatrice de reproduire ces charges serait de procéder par des tests hybrides en temps réel avec un vérin hydraulique dynamique pour l’application des charges. Or, les charges d’impact sont caractérisées en force et le contrôle en force des vérins hydrauliques dynamiques en boucle fermée cause problème. La problématique est due à une faible stabilité de contrôle en boucle fermée ainsi qu’une faible précision des charges appliquées. Ces problèmes peuvent être évités par l’ajout d’un mécanisme flexible entre le vérin et la structure à tester. La déflexion du mécanisme est utilisé comme rétroaction pour contrôler le vérin. En connaissant la rigidité du mécanisme et en contrôlant sa déflexion, un contrôle indirect en force peut être accompli selon la loi de Hooke. Le projet présenté dans ce mémoire consiste à développer et à optimiser un tel mécanisme d’une capacité de [plus ou moins] 50 kN. Son effet sur la stabilité et la performance de la boucle de contrôle est étudié par modélisation et par essais en laboratoire, sa conception et ses principes de fonctionnement sont décrits, son comportement sous sollicitation statique et dynamique est analysé et discuté. Les résultats obtenus montrent l’excellent comportement du prototype sous chargement statique et dynamique ainsi que l’amélioration des performances de contrôle en force avec un vérin hydraulique.

Cette thèse présente un système bioélectronique prometteur, l'Hynet. Ce Réseau Hybride (vivant-artificiel) est conçu pour l'étude du comportement à long terme des cellules électrogénératrices, comme les neurones et les cellules betas, en deux aspects : l'individuel et en réseau. Il est basé sur une boucle fermée et sur la communication en temps réel entre la culture cellulaire et une unité artificielle (Matériel, Logiciel). Le premier Hynet utilise des Matrices d'électrodes (MEA) commerciales qui limitent les performances spatiotemporelles du Hynet. Une nouvelle Matrice d'électrodes intelligente (iMEA) est développée. Ce nouveau circuit intégré, analogique et mixte, fournit une interface à forte densité, à forte échelle et adaptative avec la culture. Le nouveau système améliore le traitement des données en temps réel et une acquisition faible bruit du signal extracellulaire.

En salle d’opération, les tâches de l’anesthésiste sont nombreuses. Alors que l’utilisation de nouveaux outils technologiques l’informe plus fidèlement sur ce qui se passe pour son patient, ces outils font que ses tâches deviennent plus exigeantes. En vue de diminuer cette charge de travail, nous avons considérer l’administration automatique d’agents anesthésiques en se servant de contrôle en boucle fermée. À cette fin, nous avons développé un système d’administration d’un agent anesthésique (le propofol) visant à maintenir à un niveau optimal la perte de conscience du patient pendant toute la durée d’une chirurgie. Le système comprend un ordinateur, un moniteur d’anesthésie et une pompe de perfusion. L’ordinateur est doté d’un algorithme de contrôle qui, à partir d’un indice (Bispectral IndexTM ou BIS) fournit par le moniteur d’anesthésie détermine le taux d’infusion de l’agent anesthésiant. Au départ, l’anesthésiste choisit une valeur cible pour la variable de contrôle BIS et l’algorithme, basé sur système expert, calcule les doses de perfusion de propofol de sorte que la valeur mesurée de BIS se rapproche le plus possible de la valeur cible établie. Comme interface-utilisateur pour un nouveau moniteur d’anesthésie, quatre sortes d’affichage ont été considérés: purement numérique, purement graphique, un mélange entre graphique et numérique et un affichage graphique intégré (soit bidimensionnel). À partir de 20 scenarios différents où des paramètres normaux et anormaux en anesthésie étaient présentés à des anesthésistes et des résidents, l’étude des temps de réaction, de l’exactitude des réponses et de la convivialité (évaluée par le NASA-TLX) a montré qu’un affichage qui combine des éléments graphiques et numériques était le meilleur choix comme interface du système. Une étude clinique a été réalisée pour comparer le comportement du système d’administration de propofol en boucle fermée comparativement à une anesthésie contrôlée de façon manuelle et conventionnelle où le BIS était aussi utilisé. Suite à l’approbation du comité d’éthique et le consentement de personnes ayant à subir des chirurgies générales et orthopédiques, 40 patients ont été distribués également et aléatoirement soit dans le Groupe contrôle, soit dans le Groupe boucle fermée. Après l’induction manuelle de propofol (1.5 mg/kg), le contrôle en boucle fermée a été déclenché pour maintenir l’anesthésie à une cible de BIS fixée à 45. Dans l’autre groupe, le propofol a été administré à l’aide d’une pompe de perfusion et l’anesthésiste avait aussi à garder manuellement l’indice BIS le plus proche possible de 45. En fonction du BIS mesuré, la performance du contrôle exercé a été définie comme excellente pendant les moments où la valeur du BIS mesurée se situait à ±10% de la valeur cible, bonne si comprise de ±10% à ±20%, faible si comprise de ±20% à ±30% ou inadéquate lorsque >±30%. Dans le Groupe boucle fermée, le système a montré un contrôle excellent durant 55% du temps total de l’intervention, un bon contrôle durant 29% du temps et faible que pendant 9% du temps. Le temps depuis l’arrêt de la perfusion jusqu’à l’extubation est de 9 ± 3.7 min. Dans le Groupe contrôle, un contrôle excellent, bon, et faible a été enregistré durant 33%, 33% et 15% du temps respectivement et les doses ont été changées manuellement par l’anesthésiste en moyenne 9.5±4 fois par h. L’extubation a été accomplie après 11.9 ± 3.3 min de l’arrêt de la perfusion. Dans le Groupe boucle fermée, un contrôle excellent a été obtenu plus longtemps au cours des interventions (P<0.0001) et un contrôle inadéquat moins longtemps (P=0.001) que dans le Groupe contrôle. Le système en boucle fermée d’administration de propofol permet donc de maintenir plus facilement l’anesthésie au voisinage d’une cible choisie que l’administration manuelle. / In the operating room, the anaesthetist performs numerous tasks. New technological tools better inform him about the state of the patient but render his task more demanding. To alleviate the anaesthetist workload, we have considered the automatic administration of anesthetic drugs using closed-loop control. In this respect, we have developed a system for the administration of an anesthetic agent (propofol) in order to maintain loss of consciousness at an optimal level throughout a surgery. The system comprises a computer, an anaesthesia monitor and an infusion pump. A control algorithm installed on the computer determines the infusion rate of the hypnotic drug based on the Bispectral IndexTM (BIS) provided by the monitor. At first, the anaesthetist chooses a target value for the control variable BIS and the algorithm, which consists of an expert system, calculates the infusion doses of propofol in order to steer the measured BIS value closer to the target value. For the user-interface of a novel anaesthesia monitor, four display types were considered: purely numeric, purely graphical, a mixed graphical and numerical and a bi-dimensional integrated graphical display. Based on 20 different scenarios where normal and abnormal anaesthesia parameters were presented to anaesthetists and residents, the study of the reaction time, response accuracy and user-friendliness (assessed by the NASA-TLX) showed that a mixed graphical and numerical display is the best preferred for the interface of the system. A clinical study was conducted in order to compare the behaviour of the system of administering propofol in closed-loop to manually controlled anaesthesia guided by BIS. After Institutional Review Board approval and written consent, 40 patients undergoing orthopaedic or general surgery were randomly assigned to 2 groups of equal size. After manual propofol induction (1.5 mg/kg), closed loop control was used to maintain anesthesia at a target BIS of 45 (Closed-loop group); in the other group, propofol was administered manually using a syringe pump by an experienced anaesthesiologist in order to maintain a target BIS of 45 as closely as possible (Control group). The performance of the system was defined as excellent, good, poor or inadequate, when the BIS was within 10%, between 10 and 20%, between 20 and 30% or outside 30% of the target BIS, respectively. In the Closed-loop group, the system showed excellent control during 55% of the total anaesthesia time, good control during 29% of the time and poor control during 9% of the time. The time from the end of infusion to extubation was 9 ± 3.7 min. In the Control group, excellent, good and poor control were noted during 33%, 33% and 15% of the time, respectively and doses were changed 9.5 ± 4 times per h. Extubation was achieved after 11.9 ± 3.3 min from the end of infusion. In the Closed-loop group, excellent control of anesthesia occurred significantly more often (P<0.0001) and inadequate control less often than in the Control group (P=0.001). The present system of administering propofol in closed-loop maintains the anesthesia level closer to a given target than manual administration.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.