L'objectif de cette thèse était d'analyser les interactions entre le dos du cheval et la selle dans les conditions de l'exercice sportif et de développer, à partir de ces connaissances nouvelles, une gamme de selles adaptées au cheval en mouvement et à son cavalier. L'originalité de cette thèse était entre autre de mesurer les mouvements de la colonne vertébrale dans la région thoracique située sous la selle. Un protocole original de mesure biomécanique des interactions entre le dos et la selle a été mis en place et validé. Ce protocole couplait différents matériels (tapis capteur de pression, cinématique 2D, capteur de force d'étrier et centrales de mesure inertielle) synchronisés et miniaturisés. Grâce à ce protocole, il a été possible de quantifier le mouvement de la colonne vertébrale du cheval, les pressions au cours de l'effort et l'effet du cavalier en comparant des selles dites « standard » avec de nouveaux prototypes de « panneaux » permettant de modifier la portance de la selle sur le dos du cheval. Les résultats de ces études ont permis de mettre en évidence l'impact du cavalier sur l'amplitude des mouvements du dos du cheval et sur sa locomotion au cours du trot et de démontrer qu'une selle dont la portance est modifiée provoque des modifications significatives de la locomotion du cheval au trot. Ces travaux ont permis d'apporter des informations quantifiées sur l'effet de la selle et du cavalier sur la biomécanique dorsale du cheval dans la condition montée lors de l'effort. Ces connaissances nouvelles seront utilisées (1) pour la conception de nouvelles selles mieux adaptées au cheval en mouvement et (2) pour mieux comprendre, prévenir et traiter les dorsalgies chez le cheval / The aim of this thesis was to analyze the interactions between the horse’s back and the saddle during exercise and develop, thanks to these new knowledges, a new range of saddle adapted to horse’s movements and to the rider. The originality of this thesis was to measure the movements of the spine in the thoracic region located under the saddle. An innovative protocol was developed to measure the interactions between the back and the saddle using different materials (pressure mat, 2D kinematics, stirrup force sensors, and inertial measurement units) synchronized and miniaturized. With this protocol, it was possible to quantify the movement of the horse’s spine, the pressure under the saddle and the effect of the rider by comparing a “standard” saddle with new prototype “panels” modifying the contact area of the saddle on the horse’s back. The results of these studies have helped to highlight the impact of the rider on the range of motion of the horse’s back and locomotion during the trot and to demonstrate that a saddle, which the contact area is modified, causes significant changes in the locomotion of the horse. This work helped to provide quantified information on the effect of the saddle and the rider on the horse’s back biomechanics in the ridden condition. These new knowledges will be used (1) to design new adapted saddles to the horse in motion and (2) to better understand, prevent and treat back pain in horses

La fatigue est un phénomène bien connu dans le monde du sport provoquant une chute des performances et une augmentation du risque de blessures. La communauté scientifique s’intéresse donc à la quantification de ce phénomène au moyen de différents outils d’analyse du mouvement. Cependant certains sports comme la course à pied soumettent les athlètes à des sollicitations mécaniques violentes impactant fortement sur leur santé et leurs performances. Ces sollicitations se traduisent souvent par des chocs importants, un nombre de cycles élevé et sont accompagnées de postures complexes du corps. Les outils d’analyse du mouvement ne sont alors pas toujours adaptés pour la mesures de ces données ni à l’étude du mouvement de l’athlète dans des conditions réelles de pratique. L’accélération apparait alors comme une caractéristique riche en informations. Elle peut permettre de mesurer et d’analyser la pratique de la course à pied afin de quantifier la dérive de la réponse mécanique du corps humain. Par la validation d’outils issus de l’accélérométrie, ces travaux de thèse permettront d’étudier les phénomènes mécaniques intervenant durant la pratique de la course à pied afin de quantifier et prédire leurs effets sur les phénomènes de fatigue des athlètes. / Fatigue is a well known phenomenon in the sports world causing a decrease of performance and an increase of injury risk. The scientific community is therefore concerned with the quantification of this phenomenon using different motion analysis tools. However some sports like running inflict violent mechanical loads to the athletes strongly impacting their health and performance. These loads frequently result in significant shocks, a high number of cycles and are accompanied by complex postures of the body. The motion analysis tools are then not always suitable for the measurement of this information or to study the athlete’s movement in real conditions of practice. The acceleration then appears as a feature rich in information.It can allow to measure and analyze the practice of running in order to quantify the drift of the mechanical response of the human body. By validating accelerometric tools, these thesis works will allow to study the mechanical phenomena intervening in the practice of running in order to quantify and predict their effects on the athlete’s fatigue.

Le concept de fusion par confinement inertiel (FCI) est aujourd'hui largement étudié. Il s'agit de comprimer et chauffer brièvement une petite capsule sphérique remplie de combustible, à l'aide de lasers extrêmement énergétiques. Depuis une quinzaine d'année, la technique d'allumage rapide (AR) propose de faciliter le chauffage de ce combustible en ajoutant un faisceau de particules - des électrons générés par un laser ultra-intense - au moment exact où la compression de la capsule est maximale. La présente thèse constitue une étude expérimentale de ces faisceaux d'électrons générés par lasers picosecondes. Nous présentons des nouveaux résultats sur les caractéristiques de ces électrons après leur accélération par laser (énergie, divergence, etc.) ainsi que sur leur interaction avec la matière qu'ils traversent, qu'elle soit solide ou comprimée. Les résultats expérimentaux exposés révèlent différentes facettes de ces électrons rapides créés par laser, et leur analyse nous a permis de progresser dans la compréhension de certains mécanismes : comment ils sont injectés à l'intérieur de la matière solide, comment mesurer leur divergence, et comment ils peuvent être automatiquement collimatés à l'intérieur de la matière comprimée.

Nous présentons le développement d'un prototype de gravimètre atomique compact reposant sur l'interférométrie atomique avec des transitions Raman stimulées. Nous démontrons une amélioration importante de la compacité et de la simplicité de chaque élément du dispositif expérimental (tête de senseur, source laser, référence de fréquence micro-onde, système de filtrage des vibrations). Ce travail s'appuie sur l'utilisation d'une pyramide creuse comme miroir de rétro-réflexion, ce qui permet de réaliser toutes les fonctions d'un interféromètre atomique (piégeage et refroidissement des atomes, interféromètre, détection) avec un unique faisceau laser. Nous avons donc développé une tête de senseur très compacte, dont les fonctions clés ont toutes été simplifiées. La source laser met en jeu un unique laser émettant à 1560 nm pour interroger des atomes de Rubidium 87. Elle bénéficie de l'utilisation de composants optiques télécoms fibrés, qui ont déjà démontré leur performance et leur robustesse aux conditions environnementales. Tous les éléments du prototype sont assemblés pour permettre la mise en place de l'interféromètre. Ce type de gravimètre compact est très intéressant pour la gravimétrie de terrain. En parallèle, nous avons développé un système de réjection du bruit de vibration, basé sur l'électronique numérique. La contribution des vibrations sur la phase atomique est pré-compensée avant la fermeture de l'interféromètre, directement sur la phase optique des lasers. Ceci garantit que chaque point de mesure a une sensibilité maximum, malgré un bruit de d'accélération important. Ainsi, pour un gravimètre posé au sol en environnement urbain, nous avons démontré une sensibilité à l'accélération de l'ordre de à 1 seconde, qui atteint après 300 secondes d'intégration. Notre dispositif nous a finalement conduit à l'hybridation complète du gravimètre atomique avec un accéléromètre classique, conduisant à un accéléromètre exact très large bande [DC , 430 Hz]. Ce résultat est très prometteur, notamment pour la navigation inertielle.

L'application d'ultrasons sur une tumeur, où des liposomes se sont accumulés, permet potentiellement de libérer le médicament mais aussi d'en favoriser l'absorption dans les cellules. La cavitation inertielle ultrasonore est le phénomène pressenti pour la libération sous ultrasons de médicament encapsulé dans de petits liposomes solides. Elle est très dépendante des conditions expérimentales et peut-être intense et imprévisible. L'objectif principal du travail réalisé dans le cadre de cette thèse est de contrôler et quantifier la cavitation inertielle, pour induire le largage de médicaments encapsulés dans des liposomes. Dans cette optique, une dose de cavitation inertielle (DC), basée sur le filtrage du bruit large bande émis lors de ce régime de cavitation, est mise au point in vitro pour suivre le largage de médicament encapsulé. Sous divers régimes d'ultrasons pulsés, la DC a été validée en dosant chimiquement les radicaux hydroxyles générés lors de l'implosion des bulles. Les tests menés sur diverses formulations de liposomes contenant de la doxorubicine (dox) ont montrés une haute corrélation entre le taux de largage de dox et la DC permettant de conclure que la cavitation inertielle est impliquée dans ce largage. Le rôle de la température sur la production de radicaux hydroxyles et la libération de dox a également été exploré. Les expériences réalisées ont permis de sélectionner les formulations les plus sensibles aux ultrasons pour les tester sur des rats implantés avec des tumeurs prostatiques. Après plusieurs expériences in vivo menées avec différents dispositifs ultrasonores et formulations de liposomes, le bénéfice du traitement combiné a pu être démontré. / The sonication of a tumor, where liposomes have been accumulated, allows potentially to release encapsulated drug and to promote its absorption in cells. Ultrasonic inertial cavitation is supposed to be implicated in the release of drug encapsulated in small solid liposomes under ultrasonic exposure. Inertial cavitation is strongly dependent on experimental conditions and can be very intense and unpredictable. The main objective of this thesis was to control and quantify inertial cavitation in order to induce drug release from liposomes. In this purpose, an inertial cavitation dose (CD), based on broadband noise emission associated with inertial cavitation, was defined to monitor in vitro encapsulated drug release. The CD was chemically validated with the dosing of hydroxyl radicals generated by bubbles collapses under various pulsed ultrasound exposures. A high correlation between doxorubicin (dox) release rate from liposomes and CD was de monstrated for all liposomes formulations tested and under different pulsed ultrasound exposures. The role of temperature on hydroxyl radical production and dox release was also investigated. The performed experiments allowed selecting the liposomes formulations that are the most sensible to ultrasound in order to test them on rats implanted with prostatic tumors. After several campaigns of in vivo experiments performed with various ultrasonic setups and liposomes formulations, the benefit of the combined treatment was demonstrated.

Dans l’objectif de limiter les effets destructeurs de l’implosion de bulles de cavitation ultrasonore, un régime d’oscillations stables de bulles doit potentiellement être visé pour des applications thérapeutiques sensibles comme l’ouverture de la barrière hémato-encéphalique. Cependant, garantir une activité d’oscillations stables est difficile de par le caractère stochastique de la cavitation ultrasonore, et de la coexistence de bulles oscillantes (cavitation stable) et implosantes (cavitation inertielle) au sein d’un nuage de bulles. Il est donc nécessaire de contrôler spatialement et temporellement le phénomène de cavitation en discriminant les régimes de cavitation stable ou inertielle, au cours de la durée d’un tir ultrasonore, et ce en régime pulsé. Dans une première étude, la dynamique d’un nuage de bulles monodisperses et uniformément réparties dans l’espace met en évidence l’effet de l’interaction entre bulles sur le seuil de cavitation stable : il s’abaisse en pression et la fréquence de résonance des bulles se décale en fonction de la densité de bulle. Il est ainsi montré qu’il existe une densité de bulle optimale pour l’émission de la composante sous-harmonique. Ensuite, une stratégie de contrôle est développée, basée sur une boucle de rétroaction régulant la signature acoustique d’un régime donné de cavitation. L’utilisation de la stratégie d’asservissement permet de discriminer les régimes de cavitation stable et inertielle au cours du temps, mais aussi de garantir une activité de cavitation plus stable temporellement, plus reproductible, et ce pour des énergies acoustiques moyennes délivrées inférieures. Enfin, le processus de contrôle est utilisé expérimentalement pour des applications in-vitro de sonoporation cellulaire. Tout d’abord, une étude de sonoporation en cavitation inertielle régulée met en évidence l’amélioration de la reproductibilité des taux de sonoporation obtenus, et la possibilité de s’affranchir de l’utilisation d’agents de contraste comme agents de nucléation. Ensuite, une étude en cavitation stable régulée met en évidence la possibilité de sonoporer des cellules en limitant les activités de cavitation inertielle, et donc potentiellement en limitant la lyse cellulaire / In the aim of limiting the destructive behavior of collapsing cavitation bubbles, an exclusively stable cavitation state is targeted for sensitive therapeutics applications like blood-brain barrier opening. Ensuring a stable cavitation regime is complex because of (i) the coexistence of stably oscillating bubbles and collapsing bubbles in the same bubble cloud, and (ii) the stochastic behavior of the phenomenon during time. Therefore, it is necessary to control spatially and temporally the cavitation activity, by discriminating the stable from the inertial regime. Firstly, the theoretical study of the dynamics of a monodisperse and homogeneous cloud shows a modification of the stable cavitation threshold as a function of the bubble density: the subharmonics emission threshold is lowered and the resonance frequency is shifted. The study leads also to the expression of a particular microbubbles density leading to optimized subharmonics emission. Secondly, a real-time control strategy based on a feedback loop process on subharmonics emission is designed. The use of this strategy allows discriminating the two cavitation states during time, and ensures a better reproducibility, time-stability and an acoustic energy gain. The control device is used for cells sonoporation in-vitro. In a first study, the sonoporation by inertial cavitation control is performed in a stationary ultrasonic field configuration. This leads to high sonoporation efficiency coupled to the possibility of counterbalancing the use of supplementary nuclei (encapsulated microbubbles). In a second one, the stable cavitation control applied in a focused ultrasound configuration field pinpoints the possibility of sonoporating cells without inertial cavitation, and then to limit cell lysis

La navigation inertielle grâce aux capteurs intégrés dans les smartphones permet d’assurer une géolocalisation continue même en absence de signal GNSS. Ces capteurs bas coût délivrent néanmoins des mesures bruitées qui engendrent une dérive de la trajectoire. La technique PDR qui est une technique de navigation inertielle par détection de pas souffre de deux limites principales. La première est l’estimation de la longueur de pas car cette dernière dépend des caractéristiques physiques de chaque utilisateur, et la seconde est le résultat d’une dérive angulaire combinée avec un biais lié au portage du capteur à la main. Dans le contexte du projet HAPPYHAND, ce travail s’intéresse à l’exploitation de la carte pour corriger ces différentes erreurs. Un réseau de navigation topologique est exploité pour corriger à la fois les erreurs angulaires et calibrer le modèle de longueur de pas. Ce modèle est ensuite augmenté par un processus de mise à jour de position par détection de points d’intérêt. / Smartphone navigation using the low-cost embedded sensors in off the shelf smartphones can provide a continuous solution in GNSS-denied environments. The most widely adopted approach is Pedestrian Dead Reckoning (PDR) that uses acceleration and angular velocity to estimate the user’s position. Yet, consumer grade sensors deliver noisy measurements that may result into a drift in the estimated trajectory. One major challenge is to estimate accurately step length information since it depends on physiological features that are specific to each user. In addition, angular biases are more likely to be introduced in the orientation estimation process with handheld devices. This is mainly due to the high degree of freedom of hand motion. In the context of a national project called HAPPYHAND, the main goal of this work is to exploit map information as far as possible in order to mitigate the previous inherent limitations to the PDR approach. First, a topological network extracted from the map is proposed in order to correct the angular errors and calibrate the step length model. Second, context awareness is adopted in order to provide regular and frequent position updates thanks to a point of interest online detection scheme.

La résolution d'un problème d'estimation de l'état d'un système nécessite de disposer d'un modèle régissant l'évolution des variables d'état et de mesurer de manière directe ou indirecte l'ensemble ou une partie de ces variables d'état. Les travaux exposés dans ce mémoire de thèse portent sur la problématique d'estimation en présence de méconnaissances de modèle et de pertes de capteurs. La première partie de ce travail constitue la synthèse d'un dispositif d'estimation d'état pour systèmes non linéaires. Cela consiste à sélectionner un estimateur d'état et convenablement le régler, puis à concevoir algorithmiquement, à partir d'un critère introduit pour la circonstance, une redondance matérielle visant à compenser la perte de certains capteurs. La seconde partie de ce travail porte sur la conception, à l'aide de la variance d'Allan, d'un sous-modèle permettant de compenser les incertitudes d'un modèle d'état, ce sous-modèle étant utilisable par un filtre de Kalman. Ce travail a été exploité pour tenir compte de dérives gyroscopiques dans le cadre d'une navigation inertielle hybridée avec des mesures GPS par un filtre de Kalman contraint. Les résultats obtenus, issus d'expériences sur deux trajectoires d'avion, ont montré un comportement sain et robuste de l'approche proposée.

Cette étude va se focaliser sur trois aspects. Dans un premier temps, un effort sera porté sur l'aspect "localisation précise" du véhicule en mouvement. Pour cela, il est nécessaire de se pencher sur l'intégration et le traitement de l'information issue de systèmes hétérogènes de navigation: GPS et centrale inertielle (INS) auxquels sera rajoutée ensuite l'odométrie. La raison de cette intégration est d'exploiter les avantages de chacun des systèmes utilisés. L'intégration utilise un filtrage numérique pour procéder à une compensation des erreurs en position, vitesse, et en attitude issues de chaque capteur. L'accent n'a pas seulement été mis sur l'intégration, mais aussi sur les notions de précision des résultats. Dans un deuxième temps, nous allons nous intéresser à la fois à la validation quantitative et qualitative des résultats et à l'élaboration d'une application exploitant notre travail. Les erreurs du système sont comparées avec une trajectoire de référence. Nous avons choisi de réaliser un système de numérisation tridimensionnelle de l'environnement couplé à un système de modélisation adapté au type d'environnement. L'étude se penchera sur le capteur d'acquisition de données télémétriques et son intégration à bord du véhicule. Un intérêt particulier est porté sur la qualité et les imprécisions des données retournées par le télémètre. L'acquisition des données se fera au vol et pendant le déplacement du véhicule. Enfin, le modèle obtenu sera exploité, de deux manières: la constitution d'un modèle géométrique et topologique précis puis l'extraction d'informations sémantiques du modèle (extraction de la route ou des obstacles fixes, identifications d'amers, caractérisation de la route, etc.).

L'objectif de ce mémoire est de développer et d'étudier un nouveau type de filtre particulaire appelé le filtre de Kalman-particulaire à noyaux (KPKF). Le KPKF modélise la densité conditionnelle de l'état comme un mélange de gaussiennes centrées sur les particules et ayant des matrices de covariance de norme petite. L'algorithme du KPKF utilise une correction de l'état de type Kalman et une correction de type particulaire modifiant les poids des particules. Un nouveau type de ré-échantillonnage permet de préserver la structure de cette mixture. Le KPKF combine les avantages du filtre particulaire régularisé en terme de robustesse et du filtre de Kalman étendu en terme de précision. Cette nouvelle méthode de filtrage a été appliquée au recalage de navigation inertielle d'un aéronef disposant d'un radio altimètre. Les résultats obtenus montrent que le KPKF fonctionne pour de grandes zones d'incertitude initiale de position.