Les implants cochléaires sont des appareils destinés à la réhabilitationdes surdités profondes et totales. Ils assurent la stimulation du nerf auditif en plaçant des électrodes dans la cochlée. Différentes études ont été établis afin d’améliorer l’intelligibilité de la parole dans le bruit chez le patientporteur de cet appareil. Les techniques bilatérales et binaurales permettent dereproduire une audition binaurale, car les deux oreilles sont simulées (commepour les personnes normo-entendantes). Ainsi la localisation et la perceptiondes sons environnants sont améliorées par rapport à une implantationmonaurale. Toutefois, les capacit´es de reconnaissances des mots sont trèsvite limitées en pr´esence de bruits. Nous avons d´evelopp´es des techniquesde r´eduction de bruit afin d’augmenter les performances de reconnaissance.Des améliorations de 10% à 15% suivant les conditions ont été observées. Néanmoins, si la perception est améliorée par les algorithmes, ils focalisent sur une direction, et ainsi, la localisation est alors réduite à l’angle delocalisation. Une seconde étude a alors été effectuée pour mesurer l’effetdes algorithmes sur la localisation. Ainsi, le beamformer donne les meilleurs résultats de compréhension mais la moins bonne localisation. La ré-injectiond’un pourcentage du signal d’entrée sur la sortie a permis de compenser laperte de la localisation sans détériorer l’intelligibilité. Le résultat de ces deux expériences montre qu’il faut un compromis entre laperception et la localisation des sons pour obtenir les meilleures performances. / Cochlear implants are to sail for the rehabilitation of deep and totaldeafness. They provide stimulation of the auditory nerve by placing electrodesin the cochlea. Various studies have been established to improve thespeech intelligibility in noise in the patient of this device. Bilateral andbinaural techniques allow reproducing a binaural hearing, since both earsare simulated (as for normal hearing people). Thus localization and theperception of the surrounding sounds are improved from a monauralimplantation. However, the recognition of the words capabilities are limitedvery quickly in the presence of noise.We developed noise reduction techniquesto increase the performance of recognition. Improvements of 10% to 15%depending on the conditions were observed. Nevertheless, if the perception isenhanced by algorithms, they focus on a direction, and thus the location isthen reduced at the corner of localization. Then, a second study was madeto measure the effect of localization algorithms. Thus, the beamformer givesthe best results of understanding but the less good location. The re-injectionof a percentage of the input to the output signal helped offset the loss of thelocation without damaging the intelligibility.The result of these two experiments shows that it takes a compromisebetween perception and sound localization for best performance.

L'implant cochléaire représente le dispositif de référence pour réhabiliter l'audition des patients atteints de surdités sévère à profonde. Les indications se sont récemment étendues vers les patients avec une audition résiduelle avec de bons résultats. Il persiste cependant une grande hétérogénéité des résultats auditifs. Plusieurs facteurs ont été identifiés comme influençant les performances auditives: durée de la surdité, intelligibilité préopératoire et stratégie de codage. Dans cette thèse, l'anatomie de la cochlée et la position postopératoire du porte-électrodes ont été étudiés afin d'identifier les facteurs de variabilité de la discrimination vocale inter- et intra-individuelle. Les résultats de cette thèse ont montré un lien entre la position de l'électrode et les performances auditives à court terme, alors que la plasticité neuronale pourrait jouer un rôle important dans l'adaptation de l'implant cochléaire aux structures neurales à long terme. De plus, la préservation des structures cochléaires est maintenant recommandée pour tous les candidats à l'implantation, quelle que soit leur audition préopératoire. Une étude radio-histologique sur rochers avec une insertion motorisée du porte-électrodes a été réalisée afin d'identifier les paramètres des forces d'insertion qui pourraient prédire le traumatisme de l'oreille interne lié à l'insertion. Une corrélation entre les valeurs de forces d'insertion et le traumatisme cochléaire a été trouvée dans les os temporaux. Ces valeurs, serviront au développement d'outils d'insertion " intelligents " pour réduire les lésions liées à l'insertion et ainsi conduire à des conditions de rééducation auditive optimale. / The cochlear implantation represents the standard technique to restore the hearing in totallydeafened persons, and the indications during the last years are widening also to patients withresidual hearing or presenting single sided deafness. Despite the overall good to very goodresults after cochlear implantation reported in literature a wide heterogeneity of the hearingoutcomes emerges in the single studies and poor results both in unilateral and bilateralcochlear implantation are still reported. Several patients’ specific factors have been identifiedas affecting postimplant speech perception score, including duration of deafness, residualpreoperative speech recognition, and different speech coding strategy. In this thesis theanatomy of the cochlea and the position of the electrode array in implanted patients have beenstudied with the attempt to identify the affecting factors that contribute to the variability of theinter- and intra-individual speech discrimination scores both in bilaterally and unilaterallyimplanted patients. Moreover, following the expanding indication for cochlear implantation,the preservation of inner ear structures is becoming recommended for all cochlear implantcandidates, regardless of their preoperative hearing. A radio-histological temporal bone studywith a motorized insertion of the array was performed in order to identify the insertion forcesparameters that could predict the possible traumatism involving the inner ear. The results ofthis thesis showed a relationship between the intracochlear electrode position and hearingperformance in the short term follow up, whereas the neural plasticity would play animportant role in the adaptation of the cochlear implant to the neural structures in the longterm. A correlation between insertion forces and inner ear traumatism was found in temporalbones. Two different force profiles for traumatic and atraumatic insertion were obtained; thesevalues, if confirmed by further studies, could be useful for the development of future forcefeedback automated cochlear implant insertion tool in order to reduce the risk of insertionrelated damage and provide the best chance for an optimal hearing rehabilitation in cochlearimplanted candidates.

Cette thèse porte sur la perception visuelle, auditive et audiovisuelle des voyelles nasales [ɑ̃] (« lent »),[ɔ̃] (« long ») et [ɛ̃] (« lin ») par des adultes devenus sourds, implantés cochléaires et implantés dutronc cérébral. L’étude sur la perception visuelle des voyelles, auprès de 22 adultes devenus sourds,redéfinit les sosies labiaux des voyelles nasales et propose une mise à jour de la classification desvisèmes. Trois études sur l’identification auditive des voyelles nasales auprès de 82, 15 et 10 adultesimplantés cochléaires mettent en évidence leur difficulté à reconnaitre les trois voyelles nasales, qu’ilsperçoivent comme des voyelles orales. Les analyses acoustiques et perceptives suggèrent que lesadultes implantés cochléaires s’appuient sur les informations fréquentielles des deux premiers picsspectraux mais négligent les informations d’intensité relative de ces pics. D’après l’étude menéeauprès de 13 adultes implantés du tronc cérébral, des informations acoustiques linguistiques sonttransmises par l’implant du tronc cérébral mais la fusion entre les informations auditives et visuellespourrait être optimisée pour l’identification des voyelles. Enfin, une enquête auprès de 179orthophonistes pointe le besoin d’une information sur la définition phonétique articulatoire actualiséedes voyelles [ɑ̃] et [ɛ̃]. / This thesis focuses on the visual, auditory and auditory-visual perception of french nasal vowels [ɑ̃](« lent »), [ɔ̃] (« long ») and [ɛ̃] (« lin ») by Cochlear Implant (CI) and Auditory Brainstem Implant(ABI) adults users. The study on visual perception of vowels, with 22 deafened adults, redefines thelip configuration of french nasal vowels and provides an update of the classification of vocalic visualphonemes. Three studies on auditory identification of nasal vowels with 82, 15 and 10 CI usershighlight their difficulty in recognizing the three nasal vowels, which they perceive as oral vowels.Acoustic and perceptual analyzes suggest that adults with CI rely on frequency informations of thefirst two spectral peaks but miss the informations of relative intensity of these peaks. The study with13 ABI users show that some linguistic acoustic cues are transmitted by the ABI but the fusion ofauditory and visual features could be optimized for the identification of vowels. Finally, a survey of179 Speech Language and Hearing Therapists show the need of an update on the phonetic articulationof french nasal vowels [ɑ̃] and [ɛ̃].

De nombreux modèles numériques ont été proposés pour mieux comprendre comment le courant électrique est répartit lors d’une stimulation électrique par implant cochléaire. Ceci permet à terme d’optimiser la géométrie des électrodes et les stratégies de stimulation. Les modèles précédemment proposés modélisent les modèles d'interface électrochimique de façon très basique, et ne prennent généralement compte que de l'intensité du courant sur les électrodes. Par conséquent, il leur est difficile de simuler la dynamique temporelle de la stimulation ou de modéliser la répartition du courant en fonction de différents modes de stimulation contrôlés en tension, tels que le mode de de retour commun (Common Ground), ou de retour multiple (Multi-Mode Grounding). Dans cette thèse, nous avons développé un nouveau modèle surfacique de la cochlée. Le modèle géométrique dépend d'un ensemble de paramètres permettant d'ajuster la forme de la cochlée, en utilisant par exemple des données histologiques, des scans CT, ou encore des maillages de surface. Un modèle paramétrique nous a permis de comparer les courants générés par les modèles d'électrodes actuellement disponibles et par un nouveau type d'électrode - faisceau transmodiolaire. Le modèle peut prendre en compte des courants ou des tensions en entrée à chaque électrode, ce qui permet de simuler le mode de retour commun ou multiple. Afin de valider les résultats de simulation et calibrer les paramètres du modèle, nous avons créé un système permettant d'acquérir des mesures in-situ et in-vitro. Les données enregistrées ont permis de valider le modèle combinant le modèle d'interface électrochimique et le modèle tridimensionnel de cochlée. / Computational models have been widely used to improve the knowledge of the current distribution behavior in cochlear implant stimulations, optimizing electrode designs and stimulation strategies. The existing models employed no or simple electrochemical interface models and took current intensity on the electrodes as input. Therefore they have difficulties in making time domain simulations and simulating the stimulation modes that have voltage constraints, such as the Common Ground and the Multi-Mode Grounding modes. In this PhD work, a new parametric surface mesh model of the cochlea has been developed. The shape of the model is controlled by a set of input parameters which can be tuned to fit the cochlear shape acquired from histological images, CT scans or existing cochlear mesh models. The symmetric boundary element method, which was implemented in OpenMEEG, has been applied on the model to simulate the current distribution of the cochlear implant stimulation. Using the parametric model, comparisons on the current field has been made between the existing electrode layouts and a new transmodiolar electrodes. The new model can take either current or voltage as input for each electrode to simulate the common ground and multi-mode grounding modes. By coupling the surface model with lumped capacitor and constant phase element models, time domain simulation of the stimulation waveform has also been achieved. To validate the simulation results and calibrate the parameters of the model, in-situ and in-vitro measurements have been carried out with self-made devices. The recorded data proved the effectiveness of combining lumped components with the surface model.

La ségrégation séquentielle n'a été que très peu étudiée avec des signaux de parole et il est donc difficile d'évaluer l'implication de ce mécanisme dans la séparation de voix concurrentes. Il est aussi difficile d'identifier les indices qui sont pertinents pour la séparation de signaux de parole, ces indices ayant surtout été étudiés isolément à l'aide de signaux très simples. L'objet de cette thèse est d'étudier les indices perceptifs impliqués dans la ségrégation séquentielle de voyelles différant par leur hauteur fondamentale. Les investigations menées montrent que les indices spectraux de hauteur jouent un rôle dans ce phénomène. En revanche, la périodicité de l'enveloppe temporelle ne semble pas constituer un indice de hauteur exploitable dans le cas de la parole. Enfin, il semble que la capacité des sujets à percevoir ces deux types d'indices ne permette pas d'expliquer l'ensemble des variations de performances des sujets dans une tâche de ségrégation séquentielle de voyelles.

L’implant cochléaire devient une ressource importante pour contrer la surdité alors qu’il a été démontré qu’une privation auditive précoce ou tardive affecte le développement des systèmes auditif et visuel. Le but des études présentées dans cette thèse est d’évaluer l’impact développemental d’une privation auditive sur les systèmes auditif et visuel. En premier lieu, l’étude du développement chez une population entendante a montré que les systèmes auditif et visuel se développent à des rythmes distincts et qu’ils atteignent leur maturité respective à des âges différents. Ces conclusions suggèrent que les mécanismes qui sous-tendent ces deux systèmes sont différents et que leur développement respectif est indépendant. Aussi, tel qu’observé par une mesure comportementale et électrophysiologique, la discrimination fréquentielle auditive chez les personnes porteuses d’un implant cochléaire est altérée et corrélée aux performances de perception de la parole. Ces deux études suggèrent que suite à une privation auditive, le traitement auditif diffère d’une personne malentendante à une autre, et que ces différences touchent les processus de bas-niveaux, tel que suggéré par la disparité présente dans les performances de discrimination fréquentielle. La dernière étude observe qu’une privation auditive affecte aussi le développement de la modalité visuelle, tel qu’indiqué par une diminution des capacités de discrimination visuelle observée chez des malentendants. Cette indication appuie l’hypothèse qu’un développement normal de chacun des sens est requis pour un développement optimal des autres sens. Globalement, les résultats présentés dans cette thèse suggèrent que les systèmes auditif et visuel se développent de façon distincte, mais demeurent toutefois interreliés. En effet, une privation auditive affecte non seulement le développement des habiletés auditives, mais aussi celui des habiletés visuelles, suggérant une interdépendance entre les deux systèmes. / The cochlear implant is an important resource for deaf people, as it is known that an auditory deprivation alters the auditory and the visual systems. We aimed to study the impact of deafness on the development of the auditory and visual systems. First, the study of these systems in a hearing population has shown that both systems develop at different rates and reach adult-like levels at different ages. These conclusions suggest that the mechanisms underlying these treatments are different and that their developments are independent. Moreover, as shown with the behavioral and the electrophysiological study, auditory frequency discrimination in cochlear implant users is altered and correlated with the speech perception performance. These two studies suggest that following deafness, the auditory discrimination is different from one individual to another, and also that these differences affect lower processing, as shown by differences found in auditory discrimination. Finally, a hearing deprivation also modifies the visual system, as shown by a reduction in the visual frequency discrimination. This last study suggests that normal development in one modality is required for the efficient development of the other modalities. Globally, the results shown in this thesis suggest that the auditory and visual systems have a distinct development, but are however linked and suggest the interdependence of the two systems.

L’ambition de la thèse est de contribuer à une meilleure compréhension des difficultés cognitives rencontrées par les enfants sourds munis d’un implant cochléaire (IC). Elle présente une recension de travaux et une étude originale concernant la mémoire à court-terme/mémoire de travail.Est évalué l’apport recommandé de la lecture labiale et des clés de la LPC (Langue Parlée Complétée) sur le rappel.Une série d’épreuves originales de rappel immédiat a été conçue sur support informatique. Elle comprend des tâches contrastées du point de vue de la nature de l’information à mémoriser (spatiale vs verbale) et des modalités de présentation de l’information. Les épreuves ont été validées auprès d’une population d’enfants normo-entendants (NE)(âgés de 6 à 8 ans, N=42). Les réponses d’enfants IC(N=14) ont été comparées à celles d’enfants NE, sur la base de la constitution de deux groupes appareillés selon les critères d’âge, de sexe et d’aptitude intellectuelle.Pour les deux groupes, le rappel immédiat est meilleur pour les informations visuo-spatiales. Les informations verbales sont moins bien retenues par les enfants IC. Contrairement aux attentes, l’apport de la LPC, spécifiquement dans la modalité verbale, ne conduit pas à une augmentation des performances des enfants sourds. L’analyse de l’ordre de rappel des items ne fait pas apparaître de difficultés spécifiques. En revanche, la longueur des listes est préjudiciable en verbal. L’analyse des erreurs atteste de leurs difficultés au plan des connaissances langagières. Une analyse fine des performances individuelles montre des profils différenciés attestant de la singularité des modes d’adaptation des enfants sourds IC. / The aim of the thesis is to contribute to a better understanding of cognitive difficulties in deaf children with a cochlear implant (CI). Firstly, this thesis presents a comparative analysis of previous research work. Secondly, it presents an original study addressing short-term memory (STM)/working memory (WM) issues, in which the contribution of cued speech (CS) is assessed on memorization performances. To do so, a novel STM/WM task series was developed and used to investigate whether the use of verbal stimuli versus spatial stimuli differentially affects immediate memory processes and to examine whether the presentation of items in an enriched context has a benefit on the immediate memory capacity. The developed tasks were validated on normal-hearing (NH) children (6- and 8-year-old, N=42) and the capacities of CI deaf children(N=14) were compared to those of their NH peers matched for age, sex and reasoning ability. For both groups, the immediate recall proves to be better for visuo-spatial information. Also, CI deaf children appear as memorizing less verbal information. Surprisingly, CS, appears to be ineffective to improve the CI deaf children performances, especially in the verbal modality case; if the analysis of the order of recall of items does not reveal any specific difficulty, the length of the items lists is harmful in the verbal modality. The analysis of the recall errors confirms difficulties in linguistic knowledge. Individual performances of CI deaf children show diverse patterns.

L’implant cochléaire devient une ressource importante pour contrer la surdité alors qu’il a été démontré qu’une privation auditive précoce ou tardive affecte le développement des systèmes auditif et visuel. Le but des études présentées dans cette thèse est d’évaluer l’impact développemental d’une privation auditive sur les systèmes auditif et visuel. En premier lieu, l’étude du développement chez une population entendante a montré que les systèmes auditif et visuel se développent à des rythmes distincts et qu’ils atteignent leur maturité respective à des âges différents. Ces conclusions suggèrent que les mécanismes qui sous-tendent ces deux systèmes sont différents et que leur développement respectif est indépendant. Aussi, tel qu’observé par une mesure comportementale et électrophysiologique, la discrimination fréquentielle auditive chez les personnes porteuses d’un implant cochléaire est altérée et corrélée aux performances de perception de la parole. Ces deux études suggèrent que suite à une privation auditive, le traitement auditif diffère d’une personne malentendante à une autre, et que ces différences touchent les processus de bas-niveaux, tel que suggéré par la disparité présente dans les performances de discrimination fréquentielle. La dernière étude observe qu’une privation auditive affecte aussi le développement de la modalité visuelle, tel qu’indiqué par une diminution des capacités de discrimination visuelle observée chez des malentendants. Cette indication appuie l’hypothèse qu’un développement normal de chacun des sens est requis pour un développement optimal des autres sens. Globalement, les résultats présentés dans cette thèse suggèrent que les systèmes auditif et visuel se développent de façon distincte, mais demeurent toutefois interreliés. En effet, une privation auditive affecte non seulement le développement des habiletés auditives, mais aussi celui des habiletés visuelles, suggérant une interdépendance entre les deux systèmes. / The cochlear implant is an important resource for deaf people, as it is known that an auditory deprivation alters the auditory and the visual systems. We aimed to study the impact of deafness on the development of the auditory and visual systems. First, the study of these systems in a hearing population has shown that both systems develop at different rates and reach adult-like levels at different ages. These conclusions suggest that the mechanisms underlying these treatments are different and that their developments are independent. Moreover, as shown with the behavioral and the electrophysiological study, auditory frequency discrimination in cochlear implant users is altered and correlated with the speech perception performance. These two studies suggest that following deafness, the auditory discrimination is different from one individual to another, and also that these differences affect lower processing, as shown by differences found in auditory discrimination. Finally, a hearing deprivation also modifies the visual system, as shown by a reduction in the visual frequency discrimination. This last study suggests that normal development in one modality is required for the efficient development of the other modalities. Globally, the results shown in this thesis suggest that the auditory and visual systems have a distinct development, but are however linked and suggest the interdependence of the two systems.

Cette thèse propose une analyse comparative acoustique et perceptive de la voix d’un effectif statistiquement fiable d’enfants sourds appareillés et implantés cochléaires. Peu de paramètres diffèrent de manière significative entre le groupe d’enfants sourds ayant été appareillés et implantés avant l’âge de trois ans, et le groupe d’enfants entendants. L’ensemble de résultats indiquent que la voix des enfants de notre étude ne présente pas les caractéristiques traditionnellement retenues pour déterminer la voix pathologique. Par ailleurs, les caractéristiques de la voix des enfants implantés cochléaires sont sensiblement comparables à celles des enfants entendants. Fort de ces résultats expérimentaux, nous avons proposé un modèle « vibro-acoustique » de la régulation de la voix des enfants sourds « oralisés », et développé un simulateur numérique de la boucle audio-phonatoire. / This dissertation presents an acoustic and perceptive comparative analysis of the voice in a reliable size group of fitted and cochlear implanted deaf children. There are very few significantly different parameters between fitted and implanted children before three years old and normal children. Results do not confirm that hearing-impaired children’s voices of our study are pathological. Furthermore, characteristics of cochlear implanted voices are nearly comparable to normal children’s voices. As a consequence of these results, we propose a « vibro-acoustic model » and a software of voice control mechanism in deaf children.

L'implant cochléaire est une prothèse neurale implantée visant à restituer une sensation auditive chez des personnes souffrant de surdité neurosensorielle sévère à profonde. Si les performances en reconnaissance de la parole sont relativement bonnes dans le silence, elles chutent dramatiquement dans des environnements sonores complexes. L'une des principales limites de l'appareil vient du fait que chaque électrode stimule une large portion de la cochlée. Ainsi lorsque plusieurs électrodes sont activées les champs électriques produits interfèrent ce qui détériore la transmissions des informations sonores. Plusieurs modes de stimulation ont été proposés pour remédier à ce problème mais les améliorations en termes de reconnaissance de la parole restent limités. Dans ce projet, nous cherchons tout d'abord à expliquer via une simulateur acoustique, les résultats décevants obtenus avec le mode de stimulation bipolaire. Dans un deuxième temps nous tentons de mieux comprendre le comportement électrique de l'oreille interne implantée afin d'optimiser la stimulation multipolaire phased array (van den Honert et Kelsall 2007). Pour obtenir une stimulation efficace il faut par ailleurs s'assurer de l'état de la population neuronale à stimuler. Dans ce projet nous essayons donc de mieux comprendre l'interface électrode-neurones et d'identifier un possible corrélat psychophysique de l'état des neurones. Enfin nous discutons la possibilité de créer une stimulation optimale focalisée directement au niveau des neurones. / The cochlear implant is a neural prosthesis designed to restore an auditory sensation to people suffering from severe to profound sensorineural deafness. While satisfying speech recognition can be achieved in silence, their performance dramatically drop in more complex environments. One main limitations of the present device is due to the fact that each electrode stimulates a wide portion of the cochlea. As a result, when several electrodes are activated, the electrical field produced by different electrodes overlap which distorts the transmission of sound information. Several alternative stimulation modes have been proposed to overcome this issue but the benefit in terms of speech recognition remained limited. In this project, we first used an acoustic simulator of the cochlear implant to explain the desappointing results obtained with the bipolar stimuilation mode. We then try to better understand the electrical behavior of the implanted cochlea in order to optimize the multipolar phased array stimulation strategy ( van den Honert and Kelsall 2007). To achieve an efficient stimulation of the neural population it is necessary to determine the distribution of neural survival. In this project we aim to better understand the electrode-neuron interface and identify a possible psychophysical correlate of neural survival. Finally, we discuss the main results and the possibility to design an optimal stimulation strategy to achieve a spatially-focussed electrical field at the level of the nerve fibers.