L'oxygène singulet, premier état électronique excité du dioxygène, est considéré comme l'agent cytotoxique principal de la thérapie photodynamique (PDT) dans le traitement du cancer.En PDT, l'oxygène singulet est créé via l'activation par la lumière d'une molécule photo-sensible qui transfère son énergie au dioxygène pour conduire à l'excitation de ce dernier dans l'état singulet.Notre étude a permis de montrer qu'il est possible par activation optique directe à 1270 nm, sans agent photosensibilisant, de l'oxygène singulet d'obtenir un stress oxydant conduisant à la mort de cellules in vitro. Ceci a pu être réalisé grâce au développement d'une expérience de vidéo-microscopie, de lasers de puissance accordables autour de 1270 nm et d'une mesure in situ de l'échauffement induit par le laser. Ces trois points seront exposés avant de présenter les preuves de l'implication de l'oxygène singulet dans la mort cellulaire par irradiation laser à 1270 nm.Dans une seconde partie du travail, nous nous sommes intéressés à des méthodes optiques de détection de l'oxygène singulet, excité directement par absorption à 1270 nm, pouvant être exportées en microscopie. / Singlet oxygen is the first electronically excited state of molecular oxygen. This specie is considered as the main cytotoxic agent in photodynamic therapy (PDT) of cancer. In PDT, singlet oxygen is produced via the activation by light of a photosensitizer molecule which will transfer its energy to molecular oxygen. This process leads to the excitation of molecular oxygen into the excited singlet state.In our study we have shown that it is possible by direct optical activation at 1270 nm (without a photosensitizer) of singlet oxygen to obtain oxidative stress that leads to cell death in vitro. This was done throught the developpement of a time-lapse experiment and the creation of high power tunable laser around 1270 nm and the in situ measurement of laser-induced temperature increase. These three points will be described. Then the prooves of the implication of singlet oxygen in cell death induced by 1270 nm irradiation will be exposed.In a second part of this work we studied optical methods for the detection of singlet oxygen directly, created by light absorption at 1270 nm, that could be exported to microscopy.

Mon travail de thèse se place dans le cadre du projet ANR TUCCIRM de développement d'un système de thérapie par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) dédié au cerveau implantable dans un IRM clinique 1,5 T. Les développements IRM ont été l'objet de mon travail. Dans un premier temps, l'IRM a été utilisée pour suivre l'évolution en température des tissus en cours de traitement. Pour cela, nous avons tout d'abord réalisé une étude d'optimisation et de comparaison de séquences de thermométrie basées sur le principe du décalage chimique (PRFS). Puis, nous avons optimisé le rapport signal sur bruit pour améliorer la qualité des images ainsi que la précision en température. Ces développements ont été appliqués au cours de tests HIFU suivi par IRM de têtes de cadavres humains.Dans un deuxième temps, l'IRM a été utilisée pour caractériser la viscoélasticité des tissus cérébraux par la technique d'élastograhie par résonance magnétique. Ces propriétés changeant avec la température, cette méthode permettrait de suivre l'état des tissus pendant le traitement HIFU pour en déterminer l'effet thermique. Dans ce contexte, nous avons développé un nouveau concept de générateur d'onde, testé ensuite sur six rats in vivo.

Les capteurs électroniques sont utilisés dans une grande variété de domaines afin de répondre à différents besoins dans notre société. La médecine, la robotique et les téléphones intelligents en sont seulement quelques exemples qui marquent notre quotidien. Dans le cadre du Réseau canadien du CRSNG sur l'électronique imprimée verte (GreEN) le développement de capteurs (temps, température, humidité) imprimés à base de matériaux verts pour application dans les emballages intelligents figurent parmi les principaux objectifs de ce réseau pancanadien qui regroupe des chercheurs académiques de renom et des industriels du domaine de l'impression, de l'emballage et de l'alimentation. Le développement d'une étiquette « intelligente » permettrait la trace efficace, en temps réel, de produits alimentaires sensibles en assurant l'intégrité de la chaîne de froid afin de préserver la salubrité et les qualités gustatives des aliments. Plusieurs projets sont actuellement consacrés au développement de cet emballage fonctionnel dont le miens. En effet, mon projet de maîtrise vise principalement le développement d'un capteur de température imprimé en collaboration avec l'Institut National d'Optique (INO). Le principal objectif est de remplacer la thermistance à base de poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrène sulfonate (PEDOT:PSS) actuellement utilisé dans les capteurs de température développés à l'INO par un matériau dont les propriétés seraient indépendantes de l'humidité. Pour ce faire, des nouveaux matériaux, inspirés du PEDOT, ont été synthétisés et étudiés comme thermistance. Ces matériaux sont, contrairement au PEDOT:PSS qui est une suspension, 100% soluble dans l'eau ce qui facilite grandement l'impression. Dans le cadre de ce mémoire, la formulation, l'impression et la fabrication d'un capteur de température utilisant cette nouvelle génération de PEDOT seront présentés. / Electronic sensors are used in a wide variety of fields to meet different needs in our society. Medicine, robotics and telephones are just a few examples that mark our daily lives. As part of the "NSERC-Green Electronics Network", the development of sensors (time, temperature, humidity) printed on the basis of green materials for application in smart packaging are among the main objectives of this pan-Canadian network which brings together renowned academic researchers and manufacturers in the field of printing packaging and food. The development of the "smart" label would allow the efficient, real-time trace of sensitive food products while ensuring the integrity of the cold chain in order to preserve the safety and taste qualities of food. Therefore, several projects are currently devoted to the development of this functional packaging, including mine. Indeed, my master's project mainly aims at the development of a printed temperature sensor in collaboration with the National Optics Institute (INO). The main objective is to replace the thermistor based on poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) currently used in temperature sensors developed at INO with a material whose properties are independent of humidity. To do this, new materials, inspired by PEDOT, have been synthesized and studied as thermistors. These materials are, unlike PEDOT:PSS which is a suspension, 100% soluble in water which greatly facilitates printing. As part of this thesis, the formulation, printing and fabrication of a temperature sensor using this new generation of PEDOT will be presented.

Mon travail de thèse se place dans le cadre du projet ANR TUCCIRM de développement d’un système de thérapie par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) dédié au cerveau implantable dans un IRM clinique 1,5 T. Les développements IRM ont été l’objet de mon travail. Dans un premier temps, l’IRM a été utilisée pour suivre l’évolution en température des tissus en cours de traitement. Pour cela, nous avons tout d’abord réalisé une étude d’optimisation et de comparaison de séquences de thermométrie basées sur le principe du décalage chimique (PRFS). Puis, nous avons optimisé le rapport signal sur bruit pour améliorer la qualité des images ainsi que la précision en température. Ces développements ont été appliqués au cours de tests HIFU suivi par IRM de têtes de cadavres humains.Dans un deuxième temps, l’IRM a été utilisée pour caractériser la viscoélasticité des tissus cérébraux par la technique d’élastograhie par résonance magnétique. Ces propriétés changeant avec la température, cette méthode permettrait de suivre l’état des tissus pendant le traitement HIFU pour en déterminer l’effet thermique. Dans ce contexte, nous avons développé un nouveau concept de générateur d’onde, testé ensuite sur six rats in vivo. / My Ph.D. work is a part of the ANR TUCCIRM project, which consist in developing a treatment system dedicated to the brain using High Intensity Focalized Ultrasound (HIFU) usable with clinical 1.5T MRI. My work was mainly focus to MRI development.During the first part of my work, we used the MRI to observe the evolution of the temperature of tissue inside the brain during the ultrasound treatment. Firstly, based on the chemical shift principle, we perform an optimization study and thermometric sequence comparison. Then an optimization of the signal-to-noise ratio has been realized to improve the image quality and then the temperature measurement precision. This development has been used during HIFU test on human head corpse following the evolution of the temperature with MRI. In a second part, MRI was used to characterize the viscoelasticity of brain tissue using elastography by magnetic resonances. These properties are evolving with the temperature, so this method should allow following tissue state during HIFU treatment to determine temperature effect on brain tissue. For that purposes we develop a new concept of wave generator, witch has been tested on 6 rats in vivo.

Le cadre de ces travaux concerne la mesure de température sous choc à l'interface d'un matériau (plomb ou cuivre) et d'une fenêtre en LiF à une pression proche de 8 GPa et à une température inférieure à 550 K maintenues pendant une microseconde. Parmi les différents diagnostics de mesure de température existants, la pyrométrie optique infrarouge est la plus adaptée. La détermination précise de la température réelle de l'interface et celle du matériau étudié reste un problème entier. Il concerne à la fois l'évaluation de l'émissivité de la surface de mesure, mais aussi le rôle de l'interface entre le matériau d'étude et le matériau fenêtre transparent tenus mécaniquement par collage. Pour répondre au critère de précision, l'utilisation des dépôts émissifs à l'interface matériau/fenêtre a été la solution retenue. La complexité de cette nouvelle interface nécessite de comprendre l'origine du rayonnement thermique détecté par le pyromètre et d'analyser les transferts thermiques au sein de différentes couches minces. La confrontation de l'étude numérique et expérimentale a mis en évidence que seule la conduction thermique intervient dans les transferts de chaleur entre le matériau, le dépôt émissif, la colle et la fenêtre. Le dépôt émissif doit donc être caractérisé par une bonne conductivité thermique et déposé sur une faible épaisseur tout en garantissant des critères optiques de bonne émissivité et d'opacité. L'emploi d'un dépôt de ReSi2 en tant que dépôt émissif donne de premiers résultats prometteurs. Inversement, la peinture graphitée, utilisée dans un premier temps, est inappropriée pour cette étude : son épaisseur est trop importante et elle n'est pas opaque.

L'3He est un liquide de Fermi modèle, isotrope, pur, de température de Fermi accessible, et dont les interactions sont aisément contrôlées en faisant varier la pression du liquide. Ce manuscrit présente des mesures précises de susceptibilité magnétique nucléaire par RMN continue de l'3He liquide en fonction de la température et de la pression. Les principaux efforts expérimentaux sont portés sur la thermométrie, la mesure de la pression de l'3He in situ pour étendre les mesures jusqu'à la pression de solidification, ainsi qu'une caractérisation soigneuse du spectromètre RMN. <br /><br />Nos mesures remettent en cause d'environ 5% les résultats de référence pour la température de Fermi effective en fonction des interactions. L'extraction du paramètre de Landau F0a dépend aussi de la masse effective déterminée par des mesures de chaleur spécifique, et par conséquent de l'échelle de température. La ré-analyse des mesures de chaleur spécifique dans l'échelle PLTS-2000 implique une augmentation de la masse effective de 4,5%. F0a est donc déterminé dans ce manuscrit pour deux échelles de température (PLTS-2000 et Greywall). Contrairement aux résultats antérieurs, la dépendance en densité de F0a ne montre pas de saturation vers les hautes pressions.

Les ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) guidés par IRM et combinés à la thermométrie basée sur la fréquence de résonance du proton (PRF) sont une technique prometteuse pour l’ablation non invasive de tumeurs, le dépôt local de médicaments et l’activation des transgènes. Ce travail présente de nouveaux développements dans le domaine de la thermométrie PRF en présence de mouvement physiologique périodique associé aux variations du champ magnétique. De nouvelles stratégies de correction sont proposées et exploitent la méthode multi-baseline établie en incluant un modèle de variation de phase. Elles sont illustrées avec des exemples de thermométrie dans le sein et dans le cœur humain. De plus, d’autres facteurs influençant la thermométrie PRF, notamment la présence de graisse dans le sein et le flux sanguin dans le cœur, sont étudiés. Dans la seconde partie de ce travail a été abordée la problématique du contrôle précis de la température. Une première approche propose un algorithme de contrôle proportionel, intégral et dérivatif (PID) amélioré utilisant des paramétres de contrôle adaptatifs. En étendant ce concept à un contrôle 3D de la température, une implémentation de chauffage volumétrique est proposée. Par ailleurs, une nouvelle méthode de repositionnement dynamique de la coupe d’imagerie permet de fournir des informations volumétriques sur l’anatomie et la température en temps réel. La combinaison avec la compensation 2D de mouvement et l’adaptation du faisceau ultrasonore permet la réalisation d’un chauffage volumétrique suivant une courbe de température ou de dose thermique prédéfinie qui fonctionne même en présence de mouvements. / MR-guided high-intensity focused ultrasound (HIFU) using proton resonance frequency (PRF) based thermometry is a promising technique for non-invasive ablations in tumor therapy as well as for targeted drug delivery and the activation of transgenes. This work presents further developments in the field of PRF thermometry in the presence of periodical physiological motion and the associated magnetic field variations. Using the examples of thermometry in the human breast and the human heart, new correction strategies are presented which extend the established multi-baseline phase correction to include a model of the phase variation and external sensor readings from a pencil-beam navigator. In addition further factors, namely the presence of fat in the breast and blood flow in the heart influencing the performance of MR thermometry in these organs are examined.In the second part of this work, the issue of precise temperature control has been approached in two ways. First, an improved proportional, integral and derivative (PID) controller using adaptive control parameters is developed. By expanding the concept of temperature control to 3D, an implementation of volumetric heating is presented. A novel slice sweep technique provides volumetric anatomic and temperature information in near-real time. The combination with 2D motion compensation and adaptation of the ultrasound beam position allows to achieve volumetric heating according to a pre-defined target temperature or thermal dose value even in the presence of motion.

Pour réduire significativement les émissions de CO2 dans les moteurs à combustion interne, un levier majeur est la réduction des pertes thermiques pariétales lors de la combustion. Ces pertes présentent un pic de plusieurs MW/m2 près du point mort haut, et sont liées à des phénomènes complexes d'interaction flamme-paroi qui dépendent du mode de combustion. Afin de mieux appréhender les phénomènes associés, il est nécessaire de caractériser le flux thermique à des échelles temporelles inférieures à la milliseconde.Dans ces travaux, une machine à compression rapide et une cellule à précombustion à volume constant sont utilisées pour simuler les phénomènes de combustion rencontrés en moteurs. Des thermocouples à jonction fines permettent une mesure de flux thermique instantanée avec une résolution temporelle de 0.1 ms. Ces moyens d'essais permettent de reproduire trois modes de combustion : flamme de propagation, flamme de diffusion et auto-inflammation. Ces travaux permettent également d'évaluer les différentes technologies envisageables de mesure de transfert thermique en combustion (thermocouples, thermorésistances et thermométrie phosphore rapide) au regard des caractéristiques métrologiques requises par la rapidité des phénomènes mis en jeu.Le flux lors du transfert thermique atteint des valeurs de plusieurs MW/m2 avec une forme qui dépend du mode de combustion. Le flux lors de la propagation d'une flamme prémélangée est dominé par un pic lors de l'interaction flamme paroi,d'environ 5 MW/m2 et de durée 0.5 ms. Le flux lors de la combustion d'un jet Diesel est approximativement un plateau pendant la durée de l'injection ; il est dominé par l'effet d'entraînement d'air par le jet qui cause une augmentation du coefficient de transfert convectif jusqu'à des valeurs de 10 kW/m2/K, l'augmentation de température liée à la combustion étant secondaire. Dans le cas d'ondes de pression générées par une auto-inflammation rapides de gaz(cliquetis lors d'un allumage commandé ou HCCI à fort contenu énergétique), une corrélation est observée entre l'intensité du cliquetis et le flux thermique associé, quel que soit le mode de combustion qui génère les oscillations de pression. Le flux lors du cliquetis est 3 à 5 fois plus élevé que lors d'une combustion par flamme de propagation comparable. / CO2 emissions in internal combustion engines are linked with inefficiencies due to wall heat losses during combustion.Those losses exhibit a sharp peak of a few MW/m2 close to top dead center and are linked to complex flame/wall interaction phenomena that vary with the combustion mode. A fine understanding of the associated phenomena requires experimental characterization of wall heat flux with a time resolution better than the millisecond. In this PhD work, a rapid compression machine and a precombustion cell are used to reproduce engine combustion phenomena. Thin-junction thermocouples allow an instantaneous measurement of the wall heat flux with a time resolution of 0.1 ms. Three combustion modes are generated: propagation flame, diffusion flame and auto-ignition.Different possible measurement technologies and procedures (thermocouples, thermoresistances and rapid phosphor thermometry) are compared and benchmarked against the features of combustion phenomena. Flux during wall heat transfer reaches values of a few MW/m2 and its shape varies with the combustion mode. During premixed flame propagation, flux is dominated by a peak during flame-wall interaction of about 5 MW/m2 in amplitude and 0.5 ms in duration. During Diesel combustion, heat flux is approximately constant during the injection duration; itsevolution is driven by an increase of the convection coefficient up to 10 kW/m2/K, which is attributed to air entrainment by the spray; the temperature increase from combustion is considered a second-order effect. During combustion presenting a pressure wave propagation (e.g. knock for some spark-ignition cases or HCCI with high energy content), the intensity of pressure oscillations and wall heat flux are shown to be correlated. That correlation is independent of the phenomenon creating the pressure wave; heat flux during knock is 3-5 times higher than for a comparable premixed propagation flame.

Le développement considérable des détecteurs bolométriques au cours de la dernière décennie témoigne de la puissance et de la sensibilité de la mesure thermique d'un dépôt d'énergie. Notre étude se situe dans le cadre de la recherche d'une résolution ultime en énergie et en position. Nous avons mis au point un dispositif ultravide qui a rendu possible l'optimisation des conditions de dépôt, d'adhésion et de traitement thermique des détecteurs, grâce à la capacité de transférer l'échantillon entre les différentes enceintes, sans remise à l'air. Cet appareillage nous a permis de développer un bolomètre entièrement constitué de films minces, centré sur un matériau thermométrique de 10 nm d'épaisseur, ayant une très faible capacité calorifique et une très bonne sensibilité, grâce aux propriétés de la transition métal-isolant. Le volume et la forme de chacun des éléments du bolomètre composite sont définis par un masquage mécanique et une gravure ionique, ce qui nous permet de concevoir un détecteur pour lequel la capacité calorifique, le temps de réponse thermique et l'impédance électrique de chaque élément peuvent être définis en jouant sur l'épaisseur des films et leur facteur de forme. Deux bolomètres prototypes ont été fabriqués par cette méthode. L'un est destiné à l'astrophysique spatiale, l'autre est destiné à des mesures calorimétriques de monocouches atomiques. Nous montrons qu'une limite à la réduction de la taille du volume actif du matériau apparaît à basse température, et que cette limite est liée à la décroissance très rapide du couplage électron-phonon avec la température. Elle est évaluée, sur le plan théorique, pour un microbolomètre de 10 µm par 11 µm. Ceci nous conduit à montrer que la réduction de la température de fonctionnement aux plus basses températures ne représente pas un optimum pour un microbolomètre.

Ce travail de thèse concerne l'étude expérimentale d'un jet perpendiculaire à un écoulement principal (``jet in crossflow'') dans une soufflerie en circuit fermé. Suivant la valeur du rapport de vitesse entre les deux écoulements r, ce jet rectangulaire confiné se trouve en situation d'interaction voire d'impact avec la paroi opposée à celle dont il est issu. Le jet est faiblement marqué en température (environ 10°C), afin de rester dans le cas du scalaire passif. Une amélioration du dispositif expérimental a été mise en oeuvre afin d'obtenir des conditions aux limites thermiques compatibles avec la mesure de faibles écarts de température imposés par le scalaire passif. Du point de vue métrologique, on utilise l'anémométrie et la thermométrie à fil chaud / fil froid, l'ensemble de la chaîne anémométrique étant réalisé au laboratoire. Des sondes à fil de Wollaston (Pt-Rh) de 0,35µm de diamètre sont associées à un thermomètre et un anémomètre à tension constante optimisés pour maximiser le rapport signal sur bruit. Les différents résultats sont obtenus à la fois grâce à des visualisations par caméra rapide pour différents rapports de vitesse (r compris entre 3 et 12), et grâce aux mesures locales par fil chaud / fil froid, dans le cas particulier de deux rapports de vitesses (r=3.3 et 9.4). Les propriétés de mélange du scalaire sont étudiées par le tracé de cartographies des grandeurs statistiques de vitesse et température dans des plans de coupe perpendiculaires aux trois axes. L'analyse du contenu spectral des signaux en différents points caractéristiques met en évidence des caractéristiques du comportement dynamique instationnaire du jet.