L’anesthésie loco-régionale présente une alternative intéressante à l’anesthésie générale dans de nombreuses interventions chirurgicales. L’atout majeur de cette technique est qu’elle réduit grandement les scores de douleurs et améliore par la même la mobilité post-opératoire. L’anesthésie locorégionale écho-guidée (UGRA) devient aujourd’hui, la méthode de référence dans le domaine de l’anesthésie, offrant de nombreux avantages par rapport aux autres méthodes comme la neurostimulation. Cependant, cette technique nécessite en contrepartie un apprentissage spécifique afin d’éviter des complications sévères liées à une erreur de localisation visuelle du nerf dans les images échographiques. L’objectif de cette thèse est de faciliter et de sécuriser la pratique de l’anesthésie loco-régionale écho-guidée. Dans un premier temps, nous avons proposé une méthode de détection du nerf mettant en oeuvre un algorithme qui suite à un prétraitement à partir de filtres fréquentielles, réalise une analyse de texture par apprentissage. Dans ce cadre, deux nouvelles approches ont été explorées : l’une concerne la caractérisation du nerf qui s’appuie sur la prise en compte du bruit présent dans une image ultrasonore, bruit ayant été au préalable atténué partiellement. L’autre propose une technique de sélection des caractéristiques mettant en avant celles qui sont les moins redondantes et les plus pertinentes. Dans un second temps, après étude fine du comportement variable de la morphologie du nerf tout au long d’une séquence d’images ultrasonores, nous avons développé un modèle dynamique ayant comme paramètres des informations en lien avec la cohérence temporelle de la position, de la forme et la confiance de classification des ROI potentielles afin de générer une segmentation robuste. Il est proposé également dans cette partie, un nouveau modèle de forme prenant en compte un ensemble d’intervalles de points de repères du contour, permettant ainsi de s’adapter aux variations de la forme du nerf dans le temps. / Regional anesthesia presents an interesting alternative or complementary act to general anesthesia in many surgical procedures. It reduces pain scores, improves postoperative mobility and facilitates earlier hospital discharge. Ultrasound-Guided Regional Anesthesia (UGRA) has been gaining importance in the last few years, offering numerous advantages over alternative methods of nerve localization (neurostimulation or paraesthesia). However, nerve detection is one of the most difficult tasks that anesthetists can encounter in the UGRA procedure. The context of the present work is to provide practitioners with a method to facilitate and secure the practice of UGRA. However, automatic detection and segmentation in ultrasound images is still a challenging problem in many medical applications. This work addresses two main issues. The first one, we propose an algorithm for nerve detection and segmentation in ultrasound images, this method is composed of a pre-processing, texture analysis and machine learning steps. In this part of work, we explore two new approaches ; one to characterize the nerve and the second for selecting the minimum redundant and maximum relevant features. The second one, we studied the nerve detection in consecutive ultrasound frames. We have demonstrated that the development of an algorithm based on the temporal coherence of the position, the shape and the confidence measure of the classification, allows to generate a robust segmentation. In this work, we also propose a new model of shape based on a set of intervals landmarks able to adapt to the nerve shape under a morphological variations.

De grandes variations physiologiques s’opèrent tout au long du développement de l’enfant et touchent toutes les étapes du devenir du médicament dans l’organisme. Ces changements physiologiques vont être à l’origine de l’importante variabilité interindividuelle des paramètres pharmacocinétiques chez l’enfant. Il est donc essentiel de connaître la pharmacocinétique des différentes molécules administrées ainsi que la variation des paramètres associés. Dans ce but, la pharmacocinétique de population semble être la méthode de choix. L’approche de population contrairement aux études pharmacocinétiques classiques peut se réaliser à partir de très peu de prélèvements sanguins par patient obtenus à des délais variables, ce qui représente un grand intérêt du point de vue éthique. La pharmacologie des antirétroviraux reste très peu connue chez l’enfant et très peu d’information est disponible sur l’efficacité des doses pédiatriques actuellement recommandées. Nous avons modélisé la pharmacocinétique de population de la lamivudine chez l’enfant et montré que les enfants les pluslégers donc les plus jeunes étaient potentiellement sous-exposés avec la dose recommandée et nous avons proposé une posologie plus adaptée. Nous avons également pu, pour la première fois, proposer des doses chez le nouveau-né car jusqu’alors les doses n’étaient basées que sur des hypothèses de maturation physiologique par rapport à l’adulte. Des doses pédiatriques pour le ténofovir ont pu être déterminées pour la première fois à partir de la modélisation de sa pharmacocinétique. La dernière étape de ma thèse a été consacrée à l’utilisation de l’approche de population dans un cadre pharmacocinétique et pharmacodynamique : un modèle reliant les concentrations de la lamivudine, de la didanosine et de l’efavirenz à l’efficacité virologique de cette trithérapie chez l’enfant nous a permis d’élaborer un score prédictif de l’échec de la thérapie très puissant et prometteur quant à son utilité dans la prise en charge thérapeutique des enfants infectés par le VIH. / Large physiological variations are observed throughout the development of children, these variations are involved in all steps of the fate of the drug. These physiological changes induce a high interindividual variability of pharmacokinetic parameters in children. Thus, it is important to study the pharmacokinetics of various compounds administered in children as well as the variation of associated parameters. For this purpose, population pharmacokinetics seems to be well adapted. The population approach unlike conventional pharmacokinetic studies can be performed with very few blood samples per patient obtained at different times, which presents a great interest in terms of ethics in children. The pharmacology of many antiretroviral drugs remains unknown in children and very few information is available on the effectiveness of currently recommended pediatric doses. A population pharmacokinetic model of lamivudine in children has been performed and we found that the youngest children were potentially underexposed with the recommended dose and an appropriate dosage has been proposed. For the first time, doses for newborns have been proposed as well; indeed the current lamivudine doses are based on physiological maturity assumptions derived from adults. Pediatric doses for tenofovir were proposed also for the first time thanks’ to population modeling. In the last part of this thesis we use the population approach to perform a pharmacokinetic and pharmacodynamic model linking the concentrations of lamivudine, didanosine and efavirenz to virologic efficacy in children. A composite score has been derived from the model and provided a high predictive performance to treatment failure. This score seems to be very useful in the therapeutic management of HIV-1 infected children.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet SCRIB (“dispositif Solaire de Climatisation Réversible Intégré au Bâti”) porté par la société Helioclim. Ce projet est financé par l’état français dans le cadre des « Investissements d’avenir » pilotés par l’ADEME (Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie). Le but de ce projet est de développer une solution de climatisation solaire réversible capable de répondre à l’ensemble des besoins thermiques des bâtiments industriels et tertiaires (climatisation, chauffage, production de froid industriel, eau chaude sanitaire). Le système est constitué d’une machine à absorption réversible, alimentée par un système de capteurs solaires innovants. Le cycle de la machine à absorption est en configuration GAX (Generator-Absorber heat eXchange – échange de chaleur entre le générateur et l’absorbeur).Ce travail de thèse s’est intéressé au développement d’un outil logiciel aidant à la conception et au contrôle d’une telle machine. Un modèle de connaissance prenant en compte les paramètres de fonctionnement et de dimensionnement a été ainsi mis en œuvre. L’originalité de ce travail repose sur les points suivants :- L’outil logiciel propose plusieurs modules qui permettent de simuler différentes configurations de machine à absorption (mono ou multi-étagée).- Les propriétés thermodynamiques des mélanges ont été modélisées à l’aide de modèles basés sur l’utilisation d’une équation d’état ou d’un modèle d’enthalpie libre d’excès. Ainsi, le couple fluide pourra être facilement changé.- Un modèle de « Flash Positif » permet de prédire l’état de chaque courant (liquide sous-refroidi, liquide-vapeur ou vapeur surchauffée) sans poser d’hypothèses a priori. Chaque courant est considéré multiconstituant.- Les bilans matière et d’énergie sont écrits pour les différents appareils (évaporateur, absorbeur, détenteur,…).- Le générateur est modélisé par un empilement d’étages théoriques. Les équations MESH (Mass balance, Equilibrium, Summation, Heat balance) ont été écrites pour chaque étage.- Les inerties thermiques et de matière sont prises en compte.Les résultats de simulation obtenus à l’aide de cet outil logiciel ont été comparés avec succès à une étude publiée qui concernait un cycle GAX fonctionnant avec le couple ammoniac/eau. A l’aide de cet outil, le régime permanent et le comportement dynamique du système soumis à une perturbation peuvent être simulés, ce qui peut constituer une aide importante dans le développement de la politique de contrôle du système. / This PhD thesis was carried on in the framework of the SCRIB project (“dispositif Solaire de Climatisation Réversible Intégré au Bâti”) led by the Helioclim company. This project is funded by the French government (“Investissements d’Avenir” operated by the French Agency for Energy and Environment, ADEME). The goal of this project is to develop a reversible solar cooling system which can respond to a set of thermal requirements in industrial and tertiary building sector (cooling system, heating system, industrial cooling system and domestic hot water). Thus an ammonia/water absorption chiller prototype, powered by innovative thermal solar concentrators, has been built. This absorption chiller has a GAX (Generator-Absorber heat eXchange) configuration.This PhD work focused on the development of a support tool for the conception and the control of such device. A software tool has been developed implementing knowledge-based model, which took into account the operating and design parameters of the absorption chiller. The key originalities of the proposed work are as follows:- The software has been designed in a modular way allowing the simulation of various absorption chiller configurations (single or multi-stage).- The thermodynamic properties of the mixture have been modeled by equation of state or excess Gibb’s energy model. The working fluids can then be changed easily.- A “Positive Flash” model allows the description of all the possible states (sub-cooled, super-heated, biphasic…) of the various streams which are all considered as multicomponent mixtures, without a priori assumptions.- The various devices (evaporator, absorber, valves, etc.) are modeled from balance equations (mass, energy). - The generator is modeled using the concept of theoretical plates. MESH equations (Mass balance, Equilibrium, Summation, Heat balance) have been written for each stage.- Both thermal and material inertia are considered.Simulation results obtained with this software have been successfully compared to an earlier published experimental study for a GAX configuration absorption chiller which used ammonia/water as working fluids. Thanks to this tool, the steady state and the transient behavior of the system submitted to a perturbation can be simulated, which can be helpful for the development of the control policy of the absorption chiller.

Cette thèse vise à rendre possible l’utilisation des véhicules sous-marins autonomes (AUVs) dans l’inspection visuelle des structures offshore. Deux tâches sont identifiées: le suivi des structures rectilignes et la stabilisation devant les cibles planaires. Les AUVs complétement actionnés et équipés d'une centrale inertielle, un DVL, un altimètre et une caméra vidéo sont visés. La dynamique en 6 d.d.l. d'un AUV est rappelée. L'architecture de contrôle reflétant la structure en cascade de la dynamique est choisie. Une boucle interne asservie la vitesse du véhicule à la consigne et une boucle externe calcule la vitesse de référence à partir des informations visuelles. Le suivi de pipe est assuré par l'asservissement visuel 2D qui calcule la vitesse de référence à partir des bords du pipeline détectés dans l’image. La convergence globale asymptotique et localement exponentielle de la position, de l’orientation et de la vitesse sont obtenues. Le contrôleur de stabilisation utilise la matrice d’homographie. Seule la connaissance imprécise de l’orientation de la cible est nécessaire. L’information cartésienne de la profondeur de la cible est estimée à l’aide d’un observateur. La convergence quasi-globale et localement exponentielle de ce contrôleur est démontrée. Afin de tester ces méthodes un simulateur a été développé. Des images de synthèse de haute-fidélité sont générées à partir de simulateur Morse. Elles sont traitées en temps réel à l’aide de la bibliothèque OpenCV. Un modèle Simulink calcule la dynamique complète des 6 d.d.l. du véhicule simulé. Des résultats détaillés sont présentés et mettent en avant les résultats théoriques obtenus. / This thesis deals with a control system for a underwater autonomous vehicle given a two consequent tasks: following a linear object and stabilisation with respect to a planar target using an on-board camera. The proposed solution of this control problem takes advantage of a cascading nature of the system and divides it into a velocity pilot control and two visual servoing schemes. The serving controllers generate the reference velocity on the basis of visual information; line following is based on binormalized Pluecker coordinates of parallel lines corresponding to the pipe contours detected in the image, while the stabilisation relies on the planar homography matrix of observed object features, w.r.t. the image of the same object observed at the desired pose. The pilot, constructed on the full 6 d.o.f. nonlinear model of the AUV, assures that the vehicle’s linear and angular velocities converge to their respective setpoints. Both image servoing schemes are based on minimal assumptions and knowledge of the environment. Validation is provided by a high-fidelity 6 d.o.f. dynamics simulation coupled with a challenging 3D visual environment, which generates images for automatic processing and visual servoing. A custom simulator is built that consist of a Simulink model for dynamics simulation and the MORSE robot and sensor simulator, bound together by ROS message passing libraries. The OpenCV library is used for real-time image processing. Methods of visual data filtering are described. Thus generated experimental data is provided that confirms the desired properties of the control scheme presented earlier.

L'objectif de ce travail est de modéliser les transferts d'air dans le bâtiment et d'étudier essentiellement l'influence des fluctuations spatio-temporelles du vent sur la ventilation et la qualité de l'air dans les logements. Après un rappel des phénomènes mis en jeu, les composants aérauliques du bâtiment sont modélisés. Le logement est considéré comme multizone en pression, tout en y intégrant la compressibilité de l'air dans (le sens) de grands volumes. Sur la base de ces modèles, des codes de calcul spécifiques sont élaborés. Des simulations sont effectuées en utilisant des fichiers de pressions de vent spatio-temporelles issues des mesures sur maquette en soufflerie atmosphérique. L'influence des fluctuations du vent ainsi que la compressibilité de l'air est étudiée. Les codes de calcul ont également été utilisés pour dimensionner les installations de ventilation et analyser leur comportement dans différentes configurations.

Dans cette thèse nous apportons deux contributions importantes par l'outil de l'abstraction mathématique : - La première contribution concerne la mécanique et plus précisément la modélisation dynamique des systèmes articulés. L'abstraction mathématique par la théorie des groupes et algèbres de Lie coordonnée avec un usage judicieux de la notion des nombres duaux permet d'élaborer un langage très commode où les modèles géométriques et dynamiques des systèmes mécaniques poly-articulés s'expriment sous une forme syntaxique relativement simple (malgré la complexité du système). De nouvelles méthodes pour la description des configurations des systèmes multicorps et un algorithme récurrent original (et très efficace) sont alors développés grâce à ce langage. - La seconde contribution concerne le domaine informatique en calcul formel. Elle est basée sur le typage algébrique, les techniques de réécriture et la génération automatique des codes (programmation assistée par ordinateur). Les problèmes soulevés nécessitent de nouvelles architectures de systèmes de calcul formel. Dans cet ordre d'idées, un prototype de système de calcul formel (SURVEYOR) basé sur la réécriture typée et une extension (MEDUSA MF77) du système Maple ont été réalisés. Un outil informatique pour la génération automatique des codes Fortran et Maple des schémas de calcul optimisés relatifs à notre formulation dynamique est développé à l'aide du système MEDUSA MF77. Plusieurs applications en calcul symbolique et en robotique sont, par ailleurs, présentées en annexes sous forme de réalisations informatiques des aspects théoriques traités.

La première partie est une étude de l'évolution de la population des nuages HI en présence d'un milieu internuage de type coronal, entretenu par les explosions de supernova. La seconde partie concerne l'évolution d'un reste de supernova dans un milieu interstellaire hétérogene. La troisième partie propose un modèle dynamique de nébuleuse planétaire dont la morphologie et la dynamique doivent leur origine à une cavité centrale remplie de gaz coronal.

Les environnements virtuels, et en particulier les simulateurs de conduite à plate-forme dynamique, posent la délicate question de la restitution multisensorielle en vue de générer la bonne "illusion" pour leurs utilisateurs. Si la réalité virtuelle est reconnue pour la limitation des coûts, le gain temporel et la contrôlabilité et reproductibilité des situations étudiées, la problématique de la validité de ces outils de recherche (ou de formation) est cruciale pour la transférabilité des connaissances produites.Constituant une première étape dans le processus de validation du simulateur IFSTTAR, ce travail s’appuie sur une démarche originale reposant sur une double évaluation, par élément et globale. Il s’agit (i) de configurer de manière optimale les caractéristiques immersives et interactives du simulateur liées au mouvement de roulis afin de produire une illusion d’inclinaison crédible et acceptée, et (ii) d’évaluer, de manière globale, différentes configurations du simulateur (modèles dynamiques de véhicule) au moyen de mesures objectives (temps de familiarisation) et subjectives (présence, mal du simulateur).Prises dans leur ensemble, les sept études menées durant cette thèse ont permis de valider une plage de restitution du mouvement de roulis pertinente pour produire une sensation d’inclinaison sans entraîner de déséquilibre critique ou de sensation de chute. Un angle d’inclinaison du simulateur au-delà de 11,4 degrés est ainsi déconseillé pour éviter toute sensation de chute, néanmoins cette valeur est susceptible d’être influencée par divers facteurs (e.g., présence d’informations visuelles, positionnement de l’axe de roulis). Ces études ont également permis d’identifier, en conduite passive, les paramètres nécessaires ainsi que les contributions relatives des informations visuelle et inertielle pour la production d’une sensation d’inclinaison crédible. En conduite active, l’évaluation du degré de contrôle des participants en fonction du modèle dynamique de véhicule (virtuel) a permis de pointer les faiblesses actuelles du simulateur IFSTTAR afin de proposer plusieurs pistes de développement. / Virtual environments, and specifically motion-based driving simulators, raise the delicate question of multisensory cueing in order to produce the good "illusion" to the users. If virtual reality is well acknowledged for cost limitation, validity issue of these research (or training) tools is critical for knowledge transfer of new results.As a first step in the validation process of the IFSTTAR motorcycle simulator, this work relies upon an original design based on a double approach : by element and global. It consists in (i) optimal balancing of simulator’s immersive and interactive characteristics linked to roll motion so as to yield a believable and embraced leaning illusion, and (ii) evaluating more generally different simulator configurations (vehicle dynamic models) through objective (training length) and subjective measures (presence, simulator sickness).Taken as a whole, the seven studies conducted during this thesis enable the validation of the relevant range of roll motion cueing to produce a leaning sensation without leading to a critical unbalance or fall sensation. A leaning angle of the simulator beyond 11.4 degrees is not recommended to avoid any fall sensation, however this figure can be influenced by various factors (e.g., visual informations, roll axis location). These studies also allow to identify, in passive driving situations, the necessary parameters as well as the relative contribution of visual and inertial informations for the production of a believable leaning sensation. In an active driving situation, the evaluation of the degree of users control through different (virtual) vehicles dynamic models has permitted to highlight the weaknesses of IFSTTAR simulator in order to set several guidelines for further development.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la conception des systèmes mécatroniques. Les travaux se positionnent dans les premières phases du cycle de conception, là où les principaux efforts méthodologiques sont à mener pour améliorer la qualité et la fonctionnalité des produits, et reposent sur le prototypage virtuel (modélisation et simulation). Une approche méthodologique envisageable est de reformuler le problème de conception sous une forme inverse, pour directement utiliser les spécifications du cahier des charges, usuellement exprimées sur les sorties, pour calculer les inconnues du problème. Dans ce contexte, le laboratoire Ampère développe une méthodologie de conception et dimensionnement, basée sur l'inversion de modèle, utilisant le formalisme bond graph, pour proposer une démarche reposant sur des critères dynamiques et énergétiques, et dont la principale originalité est sa phase d'analyse structurelle, permettant une hiérarchisation d’analyse suivant différents niveaux de la structure physique du modèle (topologie, phénoménologie, paramétrage). L'objectif est de contribuer au développement de cette méthodologie, en l’étendant aux modèles appartenant à la classe des systèmes singuliers, porté par la velléité de décliner la démarche à la conception fonctionnelle du châssis automobile et de ses sous-systèmes, comportant un certain nombre d'abstractions de modélisation et d'idéalisations. Cette déclinaison est proposée, d’une part, au niveau de la structure du modèle et, d’autre part, à un niveau considérant sa phénoménologie et ses lois de comportement. Elle requiert la mise en place préalable d'un référentiel algébrique, essentiellement issu de travaux sur la commande des systèmes, pour constituer une base de validation des extensions graphiques (digraphe et bond graph) proposées. En plus de la généralisation qu'ils constituent à la classe des modèles singuliers, les présents travaux proposent une uniformisation des précédentes approches de la méthodologie, originellement appliquées respectivement aux modèles directs et aux modèles inverses, de sorte qu'il n'est à présent plus nécessaire de les différencier. / The context of this PhD thesis is the modeling and design of mechatronic systems. The study is positioned in the early design stage of the conception cycle (V-Cycle), where the main efforts have to be produced in terms of methodology, to enhance the quality and the functionality of the products, and based on virtual prototyping (modeling and simulation). One of the possible methodology is to reformulate the design problem as an inverse problem, in order to directly use the design specification of the product, usually given in terms of the system outputs, and then solve the design problem. In this context, the Ampere laboratory of INSA Lyon has developed a conception and design methodology, based on inverse approach and using the bond graph formalism, to propose a step-by-step method based on dynamic and energetic criteria, with a structural analysis phase that allows hierarchical analysis steps, depending on the structural physical layout of the model (topological, phenomenological, parameter set). The aim of the present works is to contribute to the development of this methodology, by enhancing it to the class of descriptor systems. This choice is led by the aim to apply the methodology in the context of chassis design and vehicle dynamics, where, among other, multi-body models represented as a differential-algebraic equation (DAE) system could occur. The contributions are proposed at the level of the topology of the model, as well as at the level of the phenomenological / behavioral aspects. A preliminary step is to enhance the existing algebraic framework to support graphical extension (in term of digraph and bond graph). The overall methodological extensions allow, firstly, a generalization of the approach to the class of descriptor systems, and, secondly, to reach a standardization of the procedures, previously dedicated to direct or inverse models, so as no mandatory differences between those models have to be done anymore.

Avec le besoin de développer un organe artificiel remplaçant le doigt humain dans le cas d'un déficit et la nécessité de comprendre le fonctionnement de ce système physiologique, un modèle physique inverse du système doigt, permettant de chercher les activations neuronales à partir du mouvement, est nécessaire. Malgré le grand nombre d'études dans la modélisation de la main humaine, presque il n'existe aucun modèle physique inverse du système doigt majeur qui s'intéresse à chercher les activations neuronales. Presque tous les modèles existants se sont intéressés à la recherche des forces et des activations musculaires. L'objectif de la thèse est de présenter un modèle neuromusculo-squelettique du système doigt majeur humain permettant d'obtenir les activations neuronales, les activations musculaires et les forces musculaires des tous les muscles agissants sur le système doigt d'après l'analyse du mouvement. Le but de ce type des modèles est de représenter les caractéristiques essentielles du mouvement avec le plus de réalisme possible. Notre travail consiste à étudier, modéliser et à simuler le mouvement du doigt humain. L'innovation du modèle proposé est le couplage entre la biomécanique et les aspects neurophysiologiques afin de simuler la chaine inverse complet du mouvement en allant des données dynamiques du doigt aux intentions neuronales qui contrôlent les activations musculaires. L'autre innovation est la conception d'un protocole expérimental spécifique qui traite à la fois les données sEMG multicanal et les données cinématiques d'après une procédure de capture de mouvement. / With the need to develop an artificial organ replacing the human finger in the case of a deficiency and the need to understand how this physiological system works, an inverse physical model of the finger system for estimating neuronal activations from the movement, is necessary. Despite the large number of studies in the human hand modeling, almost there is no inverse physical model of the middle finger system that focuses on search neuronal activations. Al most all existing models have focused on the research of the muscle forces and muscle activations. The purpose of the manuscript is to present a neuromusculoskeletal model of the human middle finger system for estimating neuronal activations, muscle activations and muscle forces of all the acting muscles after movement analysis. The aim of such models is to represent the essential characteristics of the movement with the best possible realism. Our job is to study, model and simulate the movement of the human finger. The innovation of the proposed model is the coupling between the biomechanical and neurophysiological aspects to simulate the complete inverse movement chain from dynamic finger data to neuronal intents that control muscle activations. Another innovation is the design of a specific experimental protocol that treats both the multichannel sEMG and kinematic data from a data capture procedure of the movement.