L’implant cochléaire (IC) est une prothèse auditive implantée dans l’oreille interne qui a pour fonction de restaurer le sens de l’audition aux personnes atteintes de surdité sévère à profonde lorsque les aides auditives classiques ne leur permettent plus une audition suffisante. Pour pouvoir transmettre les indices provenant des sons extérieurs, l’IC contourne une grande partie du système auditif défaillant et stimule directement les fibres du nerf auditif du patient. En pratique, les électrodes de l’implant émettent des trains d’impulsions électriques modulées en amplitude. Ces trains d’impulsions ont une fréquence de répétition (cadence) constante. Un problème limitant est que nous ne connaissons pas entièrement les effets physiologiques et perceptifs liés à l’augmentation de la cadence de stimulation. Le projet de recherche lié à la présente thèse s’inscrit dans l’optique d’améliorer le codage temporel des futurs ICs. Cette thèse a pour but de mieux comprendre l’influence de la cadence de la stimulation électrique sur la perception des sons avec, comme objectif fondamental, de caractériser les mécanismes physiologiques sollicités lors d’une stimulation électrique. La cadence de la stimulation affecte au moins trois dimensions perceptives distinctes qui sont la hauteur, la durée et la sonie. Les expériences s’intéressent à résoudre des problèmes précis concernant chacune de ces dimensions. Lorsque nous le pouvions, les expériences réalisées chez le sujet IC ont également été réalisées chez des sujets normo-entendants en utilisant des simulations acoustiques d’ICs. / Cochlear implants (CIs) are auditory prostheses directly inserted in the inner ear to partly restore the sense of audition to people suffering from severe to profound deafness. In order to convey environmental sounds, CIs bypass the peripheral auditory system and produce amplitude-modulated electrical pulses that stimulate auditory nerve fibres. In general, pulses are delivered with a constant frequency of occurrence (i.e. rate). Even if CI users reach good performances to understand speech, it roughly diminishes when they are placed more complex audiological environment.A potential problem is that stimulation rates are not the same among subjects while our knowledge concerning the physiological mechanisms provided by rate variations, is limited. This thesis aims to improve temporal coding of CIs by studying the perceptual influence of stimulation rate, and quantify the physiological mechanisms sought by an electrical stimulation. At least, stimulation rate acts on three perceptual dimensions which are pitch, sound duration and loudness. The present experiment solves specific problems concerning each dimension cited previously. In addition to electrical stimulations, acoustical simulations of a CI were conducted to compare normal hearing with hearing-impaired performances.

Cette thèse présente un ensemble de travaux qui s'inscrivent dans le domaine du génie biomédical pour des applications cliniques. L'objectif principal de ce travail est de fournir aux cliniciens un mode d'imagerie ultrasonore pour extraire simultanément la vitesse du flux et le mouvement de la paroi à des cadences d'imagerie élevées dans les artères. Les pathologies cardiovasculaires sont une cause majeure de décès et d'invalidité dans le monde. Bien que l'origine de ces maladies ne soit pas encore entièrement comprise, il semble que certains marqueurs pathologiques de la paroi et du flux pourraient permettre une détection plus précoce. Parce que les tissus artériels sont sujets à des phénomènes rapides et complexes, une modalité d'imagerie à haute cadence semble très pertinente pour étudier les pathologies du système cardiovasculaire. Malheureusement, aucune technique n'est actuellement utilisée cliniquement ni même approuvée pour l'extraction de marqueurs pathologiques du sang et de la paroi à des cadences d'imagerie élevées. C'est pourquoi, dans cette thèse, je propose de concevoir une séquence et un algorithme ultrasonore permettant d'extraire ces deux aspects, à des cadences d'imagerie élevées sur les artères, pour une application clinique potentielle. Trois contributions scientifiques principales sont présentées cette thèse : i) la conception de la séquence ultrasonore avec un estimateur de mouvement 2D, ii) une nouvelle approche adaptative de filtrage de paroi, et iii) un essai clinique. La séquence d'imagerie ultrasonore est basée sur la transmission d'ondes planes permettant d'obtenir des cadences d'imagerie allant jusqu'à 10 000 Hz sur la carotide. La méthode d'estimation de mouvement est basée sur une approche introduisant une oscillation latérale virtuelle dans les images qui, couplée à un estimateur de phase 2D basé sur des travaux antérieurs de la littérature, permet d'extraire des champs vectoriels de vitesses. Les validations pour l'estimation des vitesses du flux et du mouvement des parois ont été effectuées à l'aide d'un fantôme d'écoulement Doppler commercial et d'un fantôme de carotide réaliste conçu pour les expériences. Une technique de filtrage adaptatif de paroi a été développée et validée sur des volontaires à l'aide des estimations de vitesses tissulaires, ce qui permet d'éliminer précisément le signal du tissu des signaux du sang. Enfin, l'essai clinique a été réalisé à l'hôpital avec un groupe de volontaires et un groupe de patients. La séquence ultrasonore, l'algorithme d'estimation de mouvement et les approches adaptatives de filtrage de paroi ont été validés dans la thèse. La méthode permet d'extraire les vitesses du flux et de la paroi à haute cadence d'imagerie, avec de faibles erreurs et écarts-types. L'approche adaptative du filtrage de paroi permet de mieux extraire le flux par rapport à d'autres approches standard. Cette amélioration est particulièrement perceptible à proximité de la paroi, ce qui permettrait des mesures précises de l'écoulement et des contraintes le long des parois artérielles où les plaques peuvent se former et se développer. Pour conclure, l'essai clinique a démontré la faisabilité de notre approche dans un environnement clinique avec l'extraction des mouvements tissulaires, du flux et de paramètres artériels qui ont montré des différences entre et au sein des groupes. Cette thèse est donc un pas en avant vers l'utilisation clinique de l'imagerie ultrasonore à haute cadence pour la quantification du mouvement tissulaire et du flux pour la détection et le diagnostic des maladies cardiovasculaires / This thesis is focused on biomedical engineering for clinical applications. The main goal of this work is to provide to clinicians an ultrasound mode to simultaneously extract wall motion and flow at high frame rates in arteries. Cardiovascular pathologies are a major cause of death and disability worldwide. Although the formation of such diseases is still not fully understood, it appears that some pathological markers from both wall and flow could allow an earlier detection. Because tissues are subject to fast and complex phenomena in the arteries, a high frame rate imaging modality seems highly relevant to extract as much information as possible on the condition of the cardiovascular system. Unfortunately, no technique is currently clinically used or even approved for the extraction of both flow and wall pathological markers at high frame rates. Therefore, in this thesis, I propose to design an ultrasound sequence and algorithm permitting to extract both aspects, at high frame rates on arteries, for a potential clinical application. There are three main scientific contributions in this thesis: i) the design of the ultrasound sequence with a 2D motion estimator, ii) a new adaptive clutter filtering approach, and iii) a clinical trial. The ultrasound sequence is based on plane wave acquisition permitting to yield frame rates up to 10 000 Hz in the carotid. The pipeline used an approach introducing a virtual lateral oscillation in ultrasound images which, coupled with a 2D phase-based estimator based on previous works from the literature, allows to extract vectorial velocity fields. Validations for both flow and wall motion estimation were performed on a commercial Doppler flow phantom and an in-house realistic carotid phantom was designed for the experiments. An adaptive clutter filtering technique was also developed and validated on volunteers based on tissue estimates, which permit to precisely remove tissue clutter from flow signals. Finally, the clinical trial was performed at the hospital with a group of volunteers and a group of patients. The ultrasound sequence, motion estimation algorithm, and adaptive clutter filtering approaches were well validated in the thesis. The method can provide both wall motion and flow estimates at high frame rates, with low errors and standard deviations. The adaptive clutter filtering approach permits to better extract the flow compared to other standard approaches. This improvement is especially noticeable close to the wall, which would allow accurate flow and stress measurements along arterial walls where plaques can form and develop. To conclude, the clinical trial has demonstrated the feasibility in a clinical environment with the extraction of wall motion, flow, and arterial parameters that showed differences between and within groups. This thesis is then a step toward clinical use of high frame rate ultrasound imaging for quantification of both wall motion and flow for pathological detection of cardiovascular diseases

Les nouvelles générations de radars sont confrontées à des cibles de plus en plus menaçantes. Ces radars doivent effectuer plusieurs tâches en parallèle, dont la veille et la poursuite. Pour cela, ils peuvent être équipés de panneaux fixes, pour éviter les contraintes liées à la rotation de l'antenne. Le pistage du radar doit donc être renouvelé pour répondre à la double difficulté posée par le pistage des cibles très manoeuvrantes et la gestion des ressources. Dans ce contexte, cette thèse étudie de nouvelles méthodes de pistage pour les cibles hyper-manoeuvrantes. Un nouveau modèle de cible, en coordonnées intrinsèques, est proposé. Ce modèle est exprimé directement dans le repère de la cible, afin de décrire au mieux des manoeuvres fortes avec des accélérations normales bien supérieures à la gravité terrestre. Un algorithme de filtrage utilisant la formulation intrinsèque du modèle est développé. Cet algorithme ayant la même structure qu'une filtre de Kalman étendu, il a été testé sur de vraies données. La comparaison avec d'autres algorithmes de filtrage a montré de réelles améliorations sur un ensemble important de trajectoires. Une nouvelle méthode d'estimation, reposant sur la formulation en termes de moindres carrés de l'approche de lissage, et permettant de tenir compte de sauts dans la trajectoire est également proposée, et les bénéfices sur des méthodes plus classiques de sauts entre modèles sont montrés. Indépendamment, le problème de cadence adaptative est également traité. Un algorithme très général permettant d'optimiser la cadence de mesure pour ménager le budget temps du radar pour la surveillance est présenté. / The new generation of radars is facing increasingly threatening targets. These radars are asked to perform several tasks in parallel, including surveillance and tracking. To this aim, they can be equipped with staring antennas, so they overcome the constraints induced by the rotation of the antenna. The tracking function of the radar has thus to be upgraded to respond to the double issue of tracking highly manoeuvring targets and managing the resources to balance time between tasks. In this context, this thesis investigates new means of tracking highly manoeuvring targets. A new target model based on intrinsic coordinates to perform target tracking is proposed. This new target model is expressed in the frame of the target itself, and uses the Frenet-Serret frame, which is well suited to the description of highly dynamic manoeuvres involving normal accelerations that are much larger than earth gravity. A filtering algorithm using the special intrinsic formulation of the target model is developed. This filtering algorithm is very similar in terms of implementation to an Extended Kalman filter, and was implemented using real data. The comparison with standard target models and filtering algorithms show improvements over simple models and algorithms on a large set of trajectories. A new estimation method, relying on the least squares formulation of the smoothing approach, and taking into account kinematic jumps in the trajectory is also developed. This method also shows improvements over a set of common algorithms based on standard manoeuvre detection. And independently, we investigate the issue of update rate adaptation for radar measurements. A very general update rate adaptation algorithm is derived to optimise the time of revisit of each target, allowing to preserve the radar time budget for other tasks simultaneously performed, such as surveillance.

The ACSM Metabolic Equation is a widely recognized equation for predicting metabolic intensity from walking speed. However, an equation that uses an observable metric (i.e., cadence [steps/min]), accounts for individual characteristics, and is validated across walking conditions may enable more accessible and accurate predictions of walking intensity. PURPOSE: To develop metabolic equations that predict metabolic intensity (oxygen consumption; mL/kg/min) from cadence using a large treadmill walking dataset (Study One) and cross-validate these equations during overground unconstrained and cadence-constrained walking conditions (Study Two). METHODS: In Study One, 193 adults (21-81 years) completed treadmill walking bouts while oxygen consumption was measured with indirect calorimetry (converted to metabolic equivalents [METs]; 1 MET=3.5 mL/kg/min=1 kcal/kg/min). Directly-observed step counts divided by bout duration produced cadence. The least squares regression of the cadence-intensity relationship produced a simple equation and a full equation was developed using best subsets regression (additional possible predictors of leg length, body mass, BMI, percent body fat, sex, and age). Predictive accuracy and bias of each cadence-based metabolic equation and the ACSM Metabolic Equation was evaluated through k-fold cross-validation. In Study Two, these three metabolic equations were applied to data collected from 20 young adults during overground walking at self-selected paces (unconstrained) and with foot-strikes entrained to music tempos (cadence-constrained). RESULTS: In Study One, the simple equation predicted walking intensity within 0.5 METs, on average, and approximately no bias (CONCLUSIONS: The simple equation performed comparably to the full equation (which accounted for individual characteristics) and appreciably better than the ACSM Metabolic Equation. The simple cadence-based metabolic equation is an improved, user-friendly tool for predicting and prescribing walking intensity with reasonable accuracy (within ~0.5 METs; 45 kcals/hr for the average American).

Tato diplomová práce se zabývá návrhem 12 bitového řetězového A/D převodníku. Součástí návrhu bylo vytvořit referenční model převodníku v prostředí Matlab a determinovat faktory, které negativně ovlivňují výsledek konverze. S využitím nabytých poznatků navrhnout řetězový převodník na transistorové úrovni v prostředí Cadence. V teoretické části jsou shrnuty základy A/D převodu a dále jsou představeny nejčastěji používané architektury A/D převodníků. V dalších částech je popsán a diskutován vliv neidealit na vlastnosti řetězových převodníků. Praktická část se již věnuje popisu základních charakteristik řetězových převodníků a dokazuje funkci modelu. Z výsledků modelové struktury byly stanoveny reálné parametry, které byly dále využity v procesu tvorby návrhu v CMOS technologii TSMC 0,18m s nízkým napájecím napětím.

Les mécanismes d’évolution spatio-temporelle des structures turbulentes instationnaires tridimensionnelles, et en particulier ceux rencontrés aux plus grandes échelles, sont à l’origine de phénomènes d’instabilité qui conduisent très souvent à une diminution de la performance des systèmes énergétiques. C’est le cas des variations cycle-à-cycle dans le moteur à combustion interne. Malgré les progrès substantiels réalisés par la simulation numérique en mécanique des fluides, les approches expérimentales demeurent essentielles pour l’analyse et la compréhension des phénomènes physiques ayant lieu. Dans ce travail de thèse, deux types de vélocimétrie par image de particules (PIV) ont été appliqués et adaptés au banc moteur optique du laboratoire Coria pour étudier l’écoulement en fonction de six conditions de fonctionnement du moteur. La PIV Haute Cadence 2D2C a permis d’abord d’obtenir un suivi temporel de l’écoulement dans le cylindre durant un même cycle moteur ainsi qu’identifier ces variations cycliques. La PIV Tomographique 3D3C a permis ensuite d’étendre les données mesurées vers l’espace tridimensionnel. La Tomo-PIV fait intervenir 4 caméras en position angulaire visualisant un environnement de géométrie complexe, confinée, ayant un accès optique restreint et introduisant des déformations optiques importantes. Cela a nécessité une attention particulière vis-à-vis du processus de calibration 3D des modèles de caméras. Des analyses conditionnées 2D et 3D de l’écoulement sont effectuées en se basant principalement sur la décomposition propre orthogonale (POD) permettant de séparer les différentes échelles de structure et le critère Γ permettant l’identification des centres des tourbillons. / The unsteady evolution of three-dimensional large scale flow structures can often lead to a decrease in the performance of energetic systems. This is the case of cycle-to-cycle variations occurring in the internal combustion engine. Despite the substantial advancement made by numerical simulations in fluid mechanics, experimental measurements remain a requirement to validate any numerical model of a physical process. In this thesis, two types of particle image velocimetry (PIV) were applied and adapted to the optical engine test bench of the Coria laboratory in order to study the in-cylinder flow with respect to six operating conditions. First, the Time-Resolved PIV (2D2C) allowed obtaining a temporal tracking of the in-cylinder flow and identifying cyclic variabilities. Then tomographic PIV (3D3C) allowed extending the measured data to the three-dimensional domain. The Tomo-PIV setup consisted of 4 cameras in angular positioning, visualizing a confined environment with restricted optical access and important optical deformations. This required a particular attention regarding the 3D calibration process of camera models. 2D and 3D conditional analyses of the flow were performed using the proper orthogonal decomposition (POD) allowing to separate the different scales of flow structures and the Γ criterion allowing the identification of vortices centres.

L’étude expérimentale des processus physico-chimiques de la combustion nécessite de disposer de diagnostics non-intrusifs. Le présent manuscrit reporte le développement du diagnostic laser de mesure de température DRASC (Diffusion Raman anti-Stokes Cohérente) en régime d’impulsions laser femtoseconde pour lequel la configuration à sonde à dérive de fréquence (CPP) a permis d’effectuer des mesures instantanées de température à 1kHz. Un travail à la fois théorique, numérique et expérimental a permis d’extraire la température des spectres DRASC instantanés acquis dans des mélanges air/argon (300-600K) et en flamme prémélangée CH4/Air avec une précision de l’ordre de 1% à 2100 K. La validité de ces résultats est obtenues par des confrontations numérique/expérimental pour différentes grandeurs d’influence. Cette étude permettra dans un proche futur d’appliquer le diagnostic DRASC fs CPP dans des flammes turbulentes représentatives d’écoulements réels observés en combustion aéronautique. / The experimental study of the physico-chemical processes of combustion requires the use of non-intrusive diagnostics. This manuscript reports the development of the CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering)) laser diagnostic in the femtosecond pulse regime for which the Chirped Pulse Probe (CPP) configuration enabled instantaneous measurements of temperature at 1kHz. A theoretical, numerical and experimental study allowed highlighting the possibility to measure temperature from the data processing of instantaneous DRASC spectra acquired in air/argon mixtures (300-600K) and in premixed flame CH4/Air with an accuracy of 1% at 2100 K. Validity of these results was obtained from numerical/experimental confrontations for different scalar parameters configurations. This study would enable in the near future the application of the CPP fs CARS diagnostic in turbulent flames representative of real flows observed in aeronautical combustion.

La combustion diphasique implique de nombreux phénomènes physiques complexes, comprenant l'atomisation, la dispersion, l'évaporation et la combustion. Bien que la simulation numérique soit un outil performant pour aborder ces différentes interactions entre les phases liquides et gazeuses, la méthode doit être validée par des études expérimentales fiables. Par conséquent, des données expérimentales précises sur la structure de la flamme et sur les propriétés de la phase liquide et gazeuse le long des étapes d'évaporation et de combustion sont nécessaires. La complexité des configurations aéronautiques réelles implique d'étudier l'effet des propriétés locales sur la dynamique des flammes pour une configuration canonique. Ce travail, réalisé dans le cadre du projet ANR TIMBER, a pour objectif d'améliorer la compréhension de la combustion en flux diphasique, ainsi que de produire une base de données efficace et originale pour la validation des modèles utilisés dans les LES. / Liquid fuels are the primary energy source in a wide range of applications including industrial and residential furnaces, internal combustion engines and propulsion systems. Pollutant emission reduction is currently one of the major constraints for the design of the next generation combustion chamber. Spray combustion involves many complex physical phenomena including atomization, dispersion, evaporation and combustion, which generally take place simultaneously or within very small regions in the combustion chambers. Although numerical simulation is a valuable tool to tackle these different interactions between liquid and gas phases, the method needs to be validated through reliable experimental studies. Therefore, accurate experimental data on flame structure and on liquid and gas properties along the evaporation and combustion steps are needed and are still challenging. A joint effort between numerical and experimental teams is necessary to meet tomorrow's energy challenges and opportunities. The complexity of the real aeronautical configurations implies to study the effect of local properties in flame dynamics on a canonical configuration, which presents the essential feature of very well defined boundary conditions. This work, carried out within the framework of the ANR TIMBER project, aims to improve the understanding of two-phase flow combustion, as well as to produce an efficient and original database for the validation of the models used in LES.

Depuis une vingtaine d’années, la physique attoseconde, via le phénomène de génération d’harmoniques d’ordres élevés (HHG), a permis de nombreuses avancées dans la compréhension des phénomènes de dynamique ultra-rapide. Les lasers femtoseconde émettant des impulsions de fortes énergies et de durées de quelques cycles optiques sont les outils indispensables à cette physique. De plus, la phase entre la porteuse et l’enveloppe (CEP) des impulsions doit être contrôlée. Récemment les lasers basés sur les fibres dopées ytterbium ont permis de transposer les expériences d’HHG à haute cadence. La stabilisation de la CEP pour ce type de systèmes constitue la brique manquante au développement de sources à haute cadence pleinement compatibles avec ces applications. Cette thèse a été consacrée à la stabilisation CEP d’un laser à fibre dopée ytterbium pour une application à la génération de rayonnement cohérent dans l’XUV à fort flux de photon. Dans la première partie nous présentons l’architecture d’une source à un taux de répétition de 100 kHz stable en CEP émettant des impulsions de 30 microjoules et 96 fs. Ce système constitue une preuve de principe pour les futures sources haute énergie. La stabilisation de CEP est assurée par une architecture hybride composée d’un injecteur stabilisé passivement suivi d’un amplificateur de puissance stabilisé activement. Un bruit résiduel de CEP inférieur à 400 mrad est obtenu dans différentes configurations, de la mesure courte durée (1 s) tir à tir jusqu’à la mesure sur une heure de fonctionnement. Dans la seconde partie nous présentons la mise au point d’une ligne HHG XUV optimisée à 13 nm sur les paramètres d’un laser à fibre, pour des applications à l’imagerie par diffraction cohérente. / In the last two decades, attosecond physics, based on the high harmonic generation (HHG) phenomenon, has allowed a better understanding of ultrafast dynamics in the microcosm. High-energy few-cycles carrier-envelope phase (CEP) stabilized sources are the main enabling tools for this physics. Recently, temporally compressed Ytterbium-doped fiber amplifiers have been successfully used as high XUV photon flux HHG drivers. CEP stabilization of these sources would ensure their full compatibility with attoscience. The thesis is devoted to the CEP stabilization of a high repetition rate Yb-doped fiber femtosecond source, for high XUV photon flux beamline applications. In the first part, we present the architecture of such a source at 100 kHz repetition rate delivering 30 microjoules 96 fs CEP-stable pulses. It constitutes a test bench for future energy-scaled few-cycle sources. The CEP stabilization is ensured in a hybrid architecture including a passively stabilized frontend followed by an actively stabilized power amplifier. A residual CEP noise <400 mrad is measured using various setups, including a shot-to-shot measurement over 1 s and a long-term stability over 1 h. In the second part, we discuss the design of a high flux HHG beamline optimized for a future generation of fiber-based driver at 13 nm for applications to coherent diffraction imaging.

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