Cette thèse traite de l’architecture d’un stimulateur électrique multi applications implantable intégrant la mesure d’impédance du système électrode/tissu. Une large part du travail a concerné l’optimisation de la forme des stimuli générés par le circuit pour minimiser la consommation énergétique, garantir la forme d’onde des stimuli vue par les tissus et améliorer les analyses d’expériences fonctionnelles. En effet, l’interfaçage du stimulateur et des électrodes avec le milieu in vivo génère des contraintes sur la délivrance des stimuli électriques. Les stimuli délivrés par le générateur s’ils sont non adaptés à l’impédance du système électrode milieu environnant sont déformés par filtrage ou saturation.Une modélisation numérique du système électrode-milieu environnant a permis de mettre en évidence que ces différentes contraintes sont adressables si l’on utilise les informations données par la spectroscopie d’impédance. Une méthode basée sur une mesure d’impédance,suivie d’une identification sur un circuit électrique équivalent a été proposée ; elle permet d’estimer les contributions de l’interface électrode/milieu et du milieu. Ces fonctions de transfert sont ensuite utilisées pour la génération des stimuli électriques afin de garantir la forme d’onde définie par l’expérimentateur, au niveau des cibles de la stimulation. La preuve de concept de cette méthode a été faite en trois étapes : avec des composants électroniques équivalents, en milieu salin, puis en milieu in-vivo allant jusqu’à des tests fonctionnels permettant de démontrer l’intérêt d’une telle méthode.Ce travail s’est terminé par la proposition, la spécification haut-niveau et la simulation d’une architecture intégrée multi-applications innovante, basée sur le traitement des données d’impédance afin d’adapter la stimulation. / This thesis involves the research, design, developement and assessment of a novelelectrostimulation device capable of taking into account, and compensate for, the distorsion ofthe therapeutic signal due to the presence of the electrode-electrolyte interface, thus ensuringthat the desired signal waveform is in fact transmitted to the targeted tissues. This should resultin more effective and energy-efficient stimulation and also enable fundamental research on theeffects of signal waveforms on excitable tissue stimulation.The modelling of the electrode-tissu system enabled the demonstration that the electricalstimuli distorsion, due to frequential filtering or stimulator saturation, can be avoided by usingdatas extracted from a prior impedance spectroscopy. An equivalent electrical circuit is used tofit those data enabling the separation of electrode-electrolyte interface and tissu components.Based on the equivalent circuit, a transfer function is then defined and used in order to ensurethe delivery of the user defined waveform to the stimulation targets. A proof of concept hasbeen achieved with three steps : first on electronical components representing an in vivoimpedance, then into a saline solution and finally into an actual animal for in vivo validation.Those tests leaded to functionnal experiments prooving the interest of this novel method.The work is concluded by the specification and the simulation of an innovative multiapplicationsintegrated architecture using impedance data in order to adapt stimuli waveforms.

L’agrégation érythrocytaire est le principal facteur responsable des propriétés non newtoniennes sanguines pour des conditions d’écoulement à faible cisaillement. Lorsque les globules rouges s’agrègent, ils forment des rouleaux et des structures tridimensionnelles enchevêtrées qui font passer la viscosité sanguine de quelques mPa.s à une centaine de mPa.s. Cette organisation microstructurale érythrocytaire est maintenue par des liens inter-globulaires de faible énergie, lesquels sont brisés par une augmentation du cisaillement. Ces propriétés macroscopiques sont bien connues. Toutefois, les liens étiologiques entre ces propriétés rhéologiques générales et leurs effets pathophysiologiques demeurent difficiles à évaluer in vivo puisque les propriétés sanguines sont dynamiques et fortement tributaires des conditions d’écoulement. Ainsi, à partir de propriétés rhéologiques mesurées in vitro dans des conditions contrôlées, il devient difficile d’extrapoler leurs valeurs dans un environnement physiologique. Or, les thrombophlébites se développent systématiquement en des loci particuliers du système cardiovasculaire. D’autre part, plusieurs études cliniques ont établi que des conditions hémorhéologiques perturbées constituent des facteurs de risque de thrombose veineuse mais leurs contributions étiologiques demeurent hypothétiques ou corrélatives. En conséquence, un outil de caractérisation hémorhéologique applicable in vivo et in situ devrait permettre de mieux cerner et comprendre ces implications. Les ultrasons, qui se propagent dans les tissus biologiques, sont sensibles à l’agrégation érythrocytaire. De nature non invasive, l’imagerie ultrasonore permet de caractériser in vivo et in situ la microstructure sanguine dans des conditions d’écoulements physiologiques. Les signaux ultrasonores rétrodiffusés portent une information sur la microstructure sanguine reflétant directement les perturbations hémorhéologiques locales. Une cartographie in vivo de l’agrégation érythrocytaire, unique aux ultrasons, devrait permettre d’investiguer les implications étiologiques de l’hémorhéologie dans la maladie thrombotique vasculaire. Cette thèse complète une série de travaux effectués au Laboratoire de Biorhéologie et d’Ultrasonographie Médicale (LBUM) du centre de recherche du Centre hospitalier de l’Université de Montréal portant sur la rétrodiffusion ultrasonore érythrocytaire et menant à une application in vivo de la méthode. Elle se situe à la suite de travaux de modélisation qui ont mis en évidence la pertinence d’un modèle particulaire tenant compte de la densité des globules rouges, de la section de rétrodiffusion unitaire d’un globule et du facteur de structure. Ce modèle permet d’établir le lien entre la microstructure sanguine et le spectre fréquentiel du coefficient de rétrodiffusion ultrasonore. Une approximation au second ordre en fréquence du facteur de structure est proposée dans ces travaux pour décrire la microstructure sanguine. Cette approche est tout d’abord présentée et validée dans un champ d’écoulement cisaillé homogène. Une extension de la méthode en 2D permet ensuite la cartographie des propriétés structurelles sanguines en écoulement tubulaire par des images paramétriques qui mettent en évidence le caractère temporel de l’agrégation et la sensibilité ultrasonore à ces phénomènes. Une extrapolation menant à une relation entre la taille des agrégats érythrocytaires et la viscosité sanguine permet l’établissement de cartes de viscosité locales. Enfin, il est démontré, à l’aide d’un modèle animal, qu’une augmentation subite de l’agrégation érythrocytaire provoque la formation d’un thrombus veineux. Le niveau d’agrégation, la présence du thrombus et les variations du débit ont été caractérisés, dans cette étude, par imagerie ultrasonore. Nos résultats suggèrent que des paramètres hémorhéologiques, préférablement mesurés in vivo et in situ, devraient faire partie du profil de risque thrombotique. / The aggregation of erythrocytes is the main determinant of blood non Newtonian behaviour under low shearing flow conditions. When red blood cells (RBCs) aggregate, they form « rouleaux » and complex tridimensional structures that increase blood viscosity from a few mPa.s to a hundred mPa.s. The reversible RBC aggregation phenomenon is attributed to weak adhesive links between erythrocytes that are readily broken by increasing flow shearing. Blood bulk rheological properties have been comprehensively studied. However, the in vivo physiological impacts of abnormal clustering of RBCs are more difficult to assess. Clinical studies have identified altered hemorheology as a risk factor for thrombosis, but a clear etiological relationship between abnormal aggregation and thrombosis has not yet been established, in part because clinical conclusions were derived from correlative findings. It is to note that cardiovascular diseases such as deep venous thrombosis generally occur at specific locations within the vascular bed, suggesting a hemodynamic contribution to the development of this disease. Consequently, it is postulated that in vivo hemorheological characterization may help shed some light on the role of RBC hyper-aggregation on cardiovascular disorders. Ultrasound imaging, a non-invasive method relying on the propagation of mechanical waves within biological tissues, is sensitive to RBC aggregation. Indeed, the study of backscattered waves allows characterizing blood microstructure in vivo and in situ under physiological flow conditions. The work described in this thesis is based on prior simulation studies, performed at the Laboratory of Biorheology and Medical Ultrasonics of the University of Montreal Hospital Research Center, in which the backscattering of ultrasound from aggregating RBCs was modeled by considering a particle scattering strategy. In this approach, each RBC is a weak ultrasound scatterer (Born assumption) and the backscattering coefficient is modeled as the product of the RBC number density, the RBC backscattering cross section and a structure factor. This model relates variations in the backscattering coefficient to the RBC spatial organisation through the structure factor, which is the only parameter that changes during the aggregation process. A second order expansion in frequency of the structure factor was used to describe blood microstructure in terms of a packing factor W and an ensemble averaged aggregate diameter D. The model was first presented and validated by considering a homogenous shear flow condition using three broadband mono-element transducers. It was then extended in 2D to allow computation of parametric images in tube flow. An extrapolation based on the assumption that viscosity is related to the level of aggregation was used to compute local viscosity maps. Finally, a last contribution was the demonstration that a sudden increase in aggregation tendency directly promoted the formation of venous thrombosis in an experimental animal model. In that study, RBC aggregation, thrombus formation and flow variations were monitored longitudinally for two weeks using ultrasound. The results reported in this thesis suggest that rheological parameters on RBC clustering, ideally assessed in vivo and in situ, should be included in thrombosis risk profiling.

La microspectroscopie Raman confocale apparait comme un outil à fort potentiel pour l'analyse in vivo de la peau, avec des applications innovantes en dermatologie et cosmétologie. Cette technique biophotonique permet d'accéder à des informations moléculaires très spécifiques d'un échantillon ; et ceci de façon totalement non destructive et sans aucun marquage ni préparation particulière. Les travaux référencés ont porté sur la caractérisation des constituants cutanés, l'évaluation du taux d'hydratation, le suivi de la perméation d'actif ou encore le diagnostic des lésions tumorales de la peau. Ces études ont été réalisées avec des configurations instrumentales très diverses. En vue de la conception d'une nouvelle micro-sonde Raman confocale, cette thèse a permis d'établir un cahier des charges précis ; les paramètres instrumentaux ont été définis et leurs effets sur la qualité des enregistrements Raman (fluorescence parasite, rapport signal sur bruit, atténuation du signal en profondeur) ont été évalués. En particulier, l'effet de la longueur d'onde d'excitation, paramètre clé en spectroscopie Raman, a été analysé. Dans nos expérimentations, la répétabilité et la variabilité du signal Raman ont également été prises en compte. Dans le but d'évaluer l'approche Raman pour l'analyse de la perméation cutanée d'actif, la diffusion cutanée de deux molécules (caféine et resvératrol) appliquées en faibles concentrations a été suivie sur un microspectromètre Raman confocal avec des paramètres d'acquisition similaires à ceux définis pour la micro-sonde. Nous avons montré la possibilité d'enregistrer des cinétiques de diffusion, et également mis en évidence des points limitatifs spécifiques de ces études expérimentales. / Confocal Raman microspectroscopy seems to be a tool with strong potential for in vivo skin analyses, and for innovative applications in dermatology and cosmetology fields. This biophotonic technique allows access to very specific molecular information non-destructively and without any particular skin labeling or sample preparation. The referenced work focused on the characterization of the cutaneous constituents, the evaluation of the rate of skin hydration, the monitoring of active ingredient permeation or diagnosis of tumoral skin lesions. These studies were performed with a variety of instrumental configurations. In view of the design of a new confocal Raman micro-probe, this thesis has established a registry of precise specifications; the instrumental parameters were defined, and their effects on the quality of the Raman records (parasite fluorescence, signal to noise ratio, signal attenuation in depth) were evaluated. In particular, the impact of the excitation wavelength, a key parameter in Raman spectroscopy, was analyzed. In our experiments, the reproducibility and the variability of the Raman signal were also considered. In order to evaluate the Raman approach for the analysis of cutaneous permeation of active ingredients, the cutaneous diffusion of two molecules (caffeine and resveratrol) applied in low concentrations were monitored by confocal Raman microspectroscopy using the acquisition parameters defined for the micro-probe. We have demonstrated the possibility of recording diffusion kinetics and at the same time unraveled specific limitations of these experimental studies.

L’agrégation érythrocytaire est le principal facteur responsable des propriétés non newtoniennes sanguines pour des conditions d’écoulement à faible cisaillement. Lorsque les globules rouges s’agrègent, ils forment des rouleaux et des structures tridimensionnelles enchevêtrées qui font passer la viscosité sanguine de quelques mPa.s à une centaine de mPa.s. Cette organisation microstructurale érythrocytaire est maintenue par des liens inter-globulaires de faible énergie, lesquels sont brisés par une augmentation du cisaillement. Ces propriétés macroscopiques sont bien connues. Toutefois, les liens étiologiques entre ces propriétés rhéologiques générales et leurs effets pathophysiologiques demeurent difficiles à évaluer in vivo puisque les propriétés sanguines sont dynamiques et fortement tributaires des conditions d’écoulement. Ainsi, à partir de propriétés rhéologiques mesurées in vitro dans des conditions contrôlées, il devient difficile d’extrapoler leurs valeurs dans un environnement physiologique. Or, les thrombophlébites se développent systématiquement en des loci particuliers du système cardiovasculaire. D’autre part, plusieurs études cliniques ont établi que des conditions hémorhéologiques perturbées constituent des facteurs de risque de thrombose veineuse mais leurs contributions étiologiques demeurent hypothétiques ou corrélatives. En conséquence, un outil de caractérisation hémorhéologique applicable in vivo et in situ devrait permettre de mieux cerner et comprendre ces implications. Les ultrasons, qui se propagent dans les tissus biologiques, sont sensibles à l’agrégation érythrocytaire. De nature non invasive, l’imagerie ultrasonore permet de caractériser in vivo et in situ la microstructure sanguine dans des conditions d’écoulements physiologiques. Les signaux ultrasonores rétrodiffusés portent une information sur la microstructure sanguine reflétant directement les perturbations hémorhéologiques locales. Une cartographie in vivo de l’agrégation érythrocytaire, unique aux ultrasons, devrait permettre d’investiguer les implications étiologiques de l’hémorhéologie dans la maladie thrombotique vasculaire. Cette thèse complète une série de travaux effectués au Laboratoire de Biorhéologie et d’Ultrasonographie Médicale (LBUM) du centre de recherche du Centre hospitalier de l’Université de Montréal portant sur la rétrodiffusion ultrasonore érythrocytaire et menant à une application in vivo de la méthode. Elle se situe à la suite de travaux de modélisation qui ont mis en évidence la pertinence d’un modèle particulaire tenant compte de la densité des globules rouges, de la section de rétrodiffusion unitaire d’un globule et du facteur de structure. Ce modèle permet d’établir le lien entre la microstructure sanguine et le spectre fréquentiel du coefficient de rétrodiffusion ultrasonore. Une approximation au second ordre en fréquence du facteur de structure est proposée dans ces travaux pour décrire la microstructure sanguine. Cette approche est tout d’abord présentée et validée dans un champ d’écoulement cisaillé homogène. Une extension de la méthode en 2D permet ensuite la cartographie des propriétés structurelles sanguines en écoulement tubulaire par des images paramétriques qui mettent en évidence le caractère temporel de l’agrégation et la sensibilité ultrasonore à ces phénomènes. Une extrapolation menant à une relation entre la taille des agrégats érythrocytaires et la viscosité sanguine permet l’établissement de cartes de viscosité locales. Enfin, il est démontré, à l’aide d’un modèle animal, qu’une augmentation subite de l’agrégation érythrocytaire provoque la formation d’un thrombus veineux. Le niveau d’agrégation, la présence du thrombus et les variations du débit ont été caractérisés, dans cette étude, par imagerie ultrasonore. Nos résultats suggèrent que des paramètres hémorhéologiques, préférablement mesurés in vivo et in situ, devraient faire partie du profil de risque thrombotique. / The aggregation of erythrocytes is the main determinant of blood non Newtonian behaviour under low shearing flow conditions. When red blood cells (RBCs) aggregate, they form « rouleaux » and complex tridimensional structures that increase blood viscosity from a few mPa.s to a hundred mPa.s. The reversible RBC aggregation phenomenon is attributed to weak adhesive links between erythrocytes that are readily broken by increasing flow shearing. Blood bulk rheological properties have been comprehensively studied. However, the in vivo physiological impacts of abnormal clustering of RBCs are more difficult to assess. Clinical studies have identified altered hemorheology as a risk factor for thrombosis, but a clear etiological relationship between abnormal aggregation and thrombosis has not yet been established, in part because clinical conclusions were derived from correlative findings. It is to note that cardiovascular diseases such as deep venous thrombosis generally occur at specific locations within the vascular bed, suggesting a hemodynamic contribution to the development of this disease. Consequently, it is postulated that in vivo hemorheological characterization may help shed some light on the role of RBC hyper-aggregation on cardiovascular disorders. Ultrasound imaging, a non-invasive method relying on the propagation of mechanical waves within biological tissues, is sensitive to RBC aggregation. Indeed, the study of backscattered waves allows characterizing blood microstructure in vivo and in situ under physiological flow conditions. The work described in this thesis is based on prior simulation studies, performed at the Laboratory of Biorheology and Medical Ultrasonics of the University of Montreal Hospital Research Center, in which the backscattering of ultrasound from aggregating RBCs was modeled by considering a particle scattering strategy. In this approach, each RBC is a weak ultrasound scatterer (Born assumption) and the backscattering coefficient is modeled as the product of the RBC number density, the RBC backscattering cross section and a structure factor. This model relates variations in the backscattering coefficient to the RBC spatial organisation through the structure factor, which is the only parameter that changes during the aggregation process. A second order expansion in frequency of the structure factor was used to describe blood microstructure in terms of a packing factor W and an ensemble averaged aggregate diameter D. The model was first presented and validated by considering a homogenous shear flow condition using three broadband mono-element transducers. It was then extended in 2D to allow computation of parametric images in tube flow. An extrapolation based on the assumption that viscosity is related to the level of aggregation was used to compute local viscosity maps. Finally, a last contribution was the demonstration that a sudden increase in aggregation tendency directly promoted the formation of venous thrombosis in an experimental animal model. In that study, RBC aggregation, thrombus formation and flow variations were monitored longitudinally for two weeks using ultrasound. The results reported in this thesis suggest that rheological parameters on RBC clustering, ideally assessed in vivo and in situ, should be included in thrombosis risk profiling.