Ces dix dernières années ont vu émerger des avancées technologiques majeures, nous permettant capturer une image instantanée des processus physique. L'amélioration systématique de la résolution temporelle de ces instants, grâce aux lasers (de différente sorte) aux impulsions ultracourtes, a joué un rôle important dans l'exploration des transitions de phases photo-induites dans différents matériaux, et leur potentiel applicatif. Néanmoins, ce progrès technologique incontestable a poussé à ses limites notre capacité de décrire les phénomènes hors-équilibre très complexes qui pilotent les transitions. Ils sont intrinsèquement multi-échelles dans le temps et dans l'espace, s'étalant de la femtoseconde aux plusieurs jours, et de la dimension atomique jusqu'à celle d'un cristal macroscopique. Les expériences résolues en temps permettent de séparer temporellement différents dégrées de liberté et les phénomènes pilotés par ceux-ci, au lieu d'observer seulement leur moyenne statistique. La première étape (processus photo-induit) de cette séquence temporelle est liée à l'absorption d'un photon, la deuxième (élastique) est pilotée par la dilation du volume macroscopique du matériau, et la troisième étape (thermique) est due aux effets de chaleur. Cette approche séquentielle offre de nouvelles possibilités pour mieux comprendre comment impacter les matériaux de façon contrôlée et efficace. Les lasers opérant dans le moyen infrarouge (mid IR) permettent de suivre le déroulement d'une transition de phase par le changement de vibrations des molécules/liaisons ciblées. Cette spécificité au site moléculaire combinée avec la résolution en temps ultracourte devrait ouvrir une nouvelle fenêtre d'observation des phénomènes qui échappaient aux études scientifique. Ce travail de thèse a commencé exactement dans cet esprit. L'effort majeur a été dédié à l'application de la spectroscopie mid IR ultrarapide aux matériaux présentant une conversion de l'état de spin, [Fe(3-MeO-SalEen)]2PF6 en particulier. La principale difficulté de ce travail consistait à décrypter le contenu spectral des molécules hors-équilibre. Nous avons découvert que l'approche utilisé dans les spectroscopies résolues en temps de plus haute énergie (UV/VIS) ne suffit pas pour étudier la problématique posé dans le cadre de cette thèse. Une nouvelle approche a été pensée pour modéliser les spectres résolus en temps, et celle-ci consistait à séparer la réponse spectrale en deux contributions : le transfert de poids spectral, et un décalage spectral. J'ai pu démontrer que ces deux contributions suivent sensiblement le changement d'état de spin, et la pression (dilatation du volume). L'analyse de données basée sur ce modèle, corrobore les résultats obtenus jusqu'alors avec d'autres techniques. Sur l'échelle de temps ultracourts, plus difficile à modéliser, nous avons pu néanmoins résoudre très clairement le refroidissement vibrationnelle (VC) de l'état électronique haut spin -chaud. A ma connaissance, ce phénomène dans un système solide présentant crossover de spin n'a jamais été observé directement. / The past few decades have seen great advancements in technology that allow us to capture the picture of a physical process, as the adage “seeing is believing” implies how people understand the world. The increasing temporal resolution of lasers played an important role in the study of materials, among which materials exhibiting photo-induced phase transition are of great importance thanks to their potential for future applications. However, as we proceed further and further in the investigation of the mechanism of phase transition, we found ourselves confronted with the very complex nature of phase transition dynamics. It is intrinsically multi-scale in time and space, from femtosecond to days and from atomic dimensions to macroscopic distances. Time resolved experiments disentangle different degrees of freedom and different phenomena in a step-like manner, rather than providing a statistical average. The first step is photo induced due to absorption of photons, the second step (elastic step) is pressure induced due to volume dilation, and the third step is temperature induced due to dissipation of heat. This step-like approach offers an opportunity to understand the mechanism, so that we could effectively impact the materials and possibly control phase transition. Mid IR lasers have a unique advantage of monitoring phase transition through vibrational modes on specific molecular sites. Implementing ultrafast mid IR spectroscopy in phase transition materials should be therefore very insightful in discovering new phenomena and revealing hidden mechanism. This PhD project, focusing on mid IR technique, started exactly in this context. The main effort is dedicated to the application of ultrafast mid IR spectroscopy to the spin crossover solids, [Fe(3-MeO-SalEen)]2PF6. The major challenge in this work was to comprehend the shape of transient mid IR spectra. We found out that this is conceptually different from the experiences accumulated in UV/VIS spectroscopy. A suitable model had to be developed, separating the transient IR spectra into two contributions: spectral weight transfer and spectral shift. I demonstrated that these two components are sensitive to the spin change and pressure effect (volume dilation), respectively. Data analysis based on the new model shows consistency with previously published results. On the ultrafast timescale, more difficult to fit our model to, vibrational cooling (VC) of electronically hot HS state has been very well resolved. To the best of my knowledge, direct observation of VC in solid state SCO compound by IR spectroscopy has not been reported earlier.

Le développement des lasers impulsionnels a permis l’émergence de l’étude de la dynamique de l’aimantation dans le domaine temporel (fs-ns) par des techniques optiques. Dans les couches minces ferromagnétiques présentant une faible absorption optique les mécanismes de couplage de la lumière avec les propriétés magnétiques permettant l’excitation de la précession de l’aimantation et sa détection ne sont qu’imparfaitement connus. Pour développer leur compréhension il est nécessaire de faire varier les paramètres magnétiques. Les alliages semi-conducteurs ferromagnétiques sont pour cela des matériaux de choix du fait de leurs propriétés magnétiques aisément ajustables grâce au couplage entre les propriétés semi-conductrices et magnétiques. Les conditions pour une excitation optimale ont été précisées. L’excitation par une variation thermique transitoire des constantes d’anisotropie a été quantifiée. Le rôle de l’absorption et du déphasage optique dans la détection a été établi. L’observation de plusieurs ondes de spin a permis la détermination de la constante d’échange en fonction de la concentration en phosphore. J’ai montré que celle-ci variait peu, contrairement aux prédictions théoriques. / Development of impulsional laser enhanced the study of the magnetization dynamic in the temporal domain (fs-ns) with optical techniques. In thin ferromagnetic films with a weak optical absorption, excitation and optical mechanisms are not yet fully understood. To increase our understanding, variations of magnetic parameters are required. To that end, the magnetic semiconductor like (Ga,Mn)(As,P) are a good choice due to their magnetic properties easily adjustable thanks to the coupling between magnetic and semiconductor properties. In this thesis, conditions for optimal excitations were established. Supposing a thermal excitation origin, we assessed the transient change of temperature and anisotropy constant. I also established the role of the optical absorption and dephasing due to the finite magnetic layer thickness in the spin-waves detection process. The observation of several spin-waves gave me the opportunity to assess the spin-stiffness constant as a function of phosphorus. On the contrary of theoretical prediction, I showed that the spin-stiffness hardly vary with the phosphorus concentration.

L'échocardiographie est la modalité d'imagerie la plus utilisée pour évaluer la morphologie et la fonction cardiaque. Il s'agit d'un outil non invasif pour le diagnostic et l'évaluation des maladies cardiaques et il permet en outre de surveiller la réponse au traitement. Cependant, la quantification des événements cardiaques rapides demeure un défi avec la cadence d’imagerie actuellement réalisable, en particulier dans des applications telles que l'échocardiographie d'effort. De plus, cette limitation devient plus prononcée en imagerie 3D conventionnelle focalisée en raison du temps nécessaire pour insonifier et acquérir un volume complet. Le fait que l’on puisse actuellement atteindre au mieux ~20 volumes par seconde est l'une des raisons qui limitent son utilisation courante dans la pratique clinique. Des améliorations dans ce domaine permettraient d'exploiter l'important potentiel de l'imagerie 3D pour la quantification complète de la déformation cardiaque.Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse était de développer des méthodes à haute cadence d'images et de tester leur performance dans des conditions réalistes visant la prise de décision pour une transition vers la pratique clinique. Pour atteindre cet objectif, des expériences in vitro et in vivo ont été menées en utilisant l'imagerie 2D et 3D. Notre première contribution a été une comparaison 2D entre deux modalités à haute cadence d'images en termes de qualité d'image et de performance d'estimation de mouvement. Motivés par nos résultats 2D mais surtout par le défi d'implémenter le MLT dans la pratique, nous avons étendu cette approche en 3D. Nous avons étudié la faisabilité de la MLT 3D dans des conditions statiques et dynamiques. Enfin, comme l’évaluation de nouvelles approches dans des conditions physiologiques de flux complexes constitue un pas en avant vers la transition clinique, notre troisième contribution a consisté à valider des modalités 2D et 3D à haut cadence d'images sur un fantôme du vortex / Echocardiography is the most widely used imaging modality for assessing cardiac morphology and function. It does provide a non-invasive tool in diagnosis and assessment of heart diseases and it allows, in addition, monitoring the response to the treatment. However, quantifying fast cardiac events remains a challenge when using the current achievable frame rate, especially in applications such as stress-echocardiography. Moreover, this limitation becomes more pronounced in 3D conventional focused imaging due to the time needed to insonify and acquire a full volume. The fact that only ~20 volumes per second can currently be achieved is one of the reasons restricting its common usage in clinical practice. Improvements in this field would allow exploiting the important potential of 3D imaging in providing a full quantification of cardiac deformation.In this context, the aim of this thesis was to develop high frame rate methods and to test their performance in realistic conditions aiming decision making towards clinical translation. To achieve this objective, both in vitro and in vivo experiments were conducted using 2D and 3D imaging. Our first contribution was a 2D comparison between two high frame rate modalities in terms of image quality and motion estimation performance. Motivated by our 2D results but especially by the challenge of implementing MLT in practice, we extended this approach to 3D. We studied the feasibility of 3D MLT in both static and dynamic conditions. Finally, as testing novel approaches in physiological complex flows conditions is a step forward towards clinical translation, our third contribution was to validate 2D and 3D high frame rate modalities on a ring vortex phantom

La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) est un outil puissant qui permet l’étude directe de mélanges de manière non destructive. Les spectres RMN de petites molécules en solution peuvent être différenciés grâce à la stratégie DOSY (diffusion-ordered spectroscopy), une méthode de ‘chromatographie virtuelle’ qui s’appuie sur la mesure de coefficients de diffusion translationnelle. Les principaux obstacles à l’utilisation de la DOSY sont liés à la piètre sensibilité de la RMN de manière générale mais aussi à la nécessité d’introduire une dimension temporelle supplémentaire d’acquisition, ce qui va augmenter de manière significative la durée de l’expérience. Ce travail de thèse a pour objectif de mettre au point des outils inédits de RMN plus rapides et plus adaptés à la caractérisation de mélanges peu concentrés de petites molécules. Dans un premier temps, le concept de codage spatial de la diffusion dans l’expérience DOSY a été généralisé. Mis à profit dans les méthodes RMN dites ‘ultrarapides’, l’utilisation d’une dimension spatiale plutôt que temporelle pour encoder le phénomène de diffusion permet une accélération des expériences de RMN multidimensionnelles de plusieurs ordres de grandeur. L’acquisition séquentielle de spectres est remplacée par une acquisition parallèle de ces spectres dans différentes parties de l’échantillon. L’étude poussée des méthodes de DOSY rapides s’est appuyée sur des outils de simulation numérique dans le but d’améliorer la résolution des spectres et la précision des résultats. Les problèmes de sensibilité ont été abordés via le couplage des méthodes DOSY rapides avec des méthodes d’hyperpolarisation qui permettent d’augmenter l’intensité du signal. La combinaison des méthodes de diffusion conventionnelles avec les méthodes avancées de RMN ultrarapide et d’hyperpolarisation permettront des avancées significatives pour l’analyse de mélanges, en particulier les mélanges dynamiques. / NMR spectroscopy is a powerful tool that allows a direct study of mixtures in a non-invasive manner. The NMR spectra of molecular species in mixtures can be separated with diffusion-ordered spectroscopy (DOSY), a ‘virtual chromatography’ approach based on the measurement of translational diffusion coefficients. Major limitation of DOSY comes from the time-dependent diffusion dimension, which results in long experiment durations, and also from the low sensitivity of NMR. The present work aims to build an innovative tool for mixtures characterization that will be faster and more efficient for low concentrated samples. We first generalized the concept of nD spatially encoded (SPEN) DOSY experiments for the analysis of complex mixtures. As bring forward by the so-called “ultrafast NMR” (UF NMR), the use of a spatial dimension to encode diffusion can accelerate experiments by several orders of magnitude since it replaces the sequential acquisition of sub-experiments by a parallel acquisition in different slices of the sample. More advanced exploration of SPENDOSY were carried out using numerical simulations for purpose of resolution and accuracy improvement. To address sensitivity issues, we then demonstrated that SPENDOSY data can be collected for hyperpolarized substrates. This particular coupling between conventional diffusion-based method with advanced techniques such as ultrafast NMR and hyperpolarization should mark a significant progress for complex mixtures analysis especially for time-evolving processes.

L’élastographie est une technique d’imagerie qui vise à cartographier in vivo les propriétés mécaniques des tissus biologiques dans le but de fournir des informations diagnostiques additionnelles. Depuis son introduction en imagerie ultrasonore dans les années 1990, l’élastographie a trouvé de nombreuses applications. Cette modalité a notamment été utilisée pour l’étude du sein, du foie, de la prostate et des artères par imagerie ultrasonore, par résonance magnétique ou en tomographie par cohérence optique. Dans le contexte des maladies cardiovasculaires, cette modalité a un fort potentiel diagnostique puisque l’athérosclérose modifie la structure des tissus biologiques et leurs propriétés mécaniques bien avant l’apparition de tout symptôme. Quelle que soit la modalité d’imagerie utilisée, l’élastographie repose sur : l’excitation mécanique du tissu (statique ou dynamique), la mesure de déplacements et de déformations induites, et l’inversion qui permet de recouvrir les propriétés mécaniques des tissus sous-jacents. Cette thèse présente un ensemble de travaux d’élastographie dédiés à l’évaluation des tissus de l’appareil cardiovasculaire. Elle est scindée en deux parties. La première partie intitulée « Élastographie vasculaire » s’intéresse aux pathologies affectant les artères périphériques. La seconde, intitulée « Élastographie cardiaque », s’adresse aux pathologies du muscle cardiaque. Dans le contexte vasculaire, l’athérosclérose modifie la physiologie de la paroi artérielle et, de ce fait, ses propriétés biomécaniques. La première partie de cette thèse a pour objectif principal le développement d’un outil de segmentation et de caractérisation mécanique des composantes tissulaires (coeur lipidique, tissus fibreux et inclusions calciques) de la paroi artérielle, en imagerie ultrasonore non invasive, afin de prédire la vulnérabilité des plaques. Dans une première étude (Chapitre 5), nous présentons un nouvel estimateur de déformations, associé à de l’imagerie ultrarapide par ondes planes. Cette nouvelle méthode d’imagerie permet d’augmenter les performances de l’élastographie non invasive. Dans la continuité de cette étude, on propose une nouvelle méthode d’inversion mécanique dédiée à l’identification et à la quantification des propriétés mécaniques des tissus de la paroi (Chapitre 6). Ces deux méthodes sont validées in silico et in vitro sur des fantômes d’artères en polymère. Dans le contexte cardiaque, les ischémies et les infarctus causés par l’athérosclérose altèrent la contractilité du myocarde et, de ce fait, sa capacité à pomper le sang dans le corps (fonction myocardique). En échocardiographie conventionnelle, on évalue généralement la fonction myocardique en analysant la dynamique des mouvements ventriculaires (vitesses et déformations du myocarde). L’abscence de contraintes physiologiques agissant sur le myocarde (contrairement à la pression sanguine qui contraint la paroi vasculaire) ne permet pas de résoudre le problème inverse et de retrouver les propriétés mécaniques du tissu. Le terme d’élastographie fait donc ici référence à l’évaluation de la dynamique des mouvements et des déformations et non à l’évaluation des propriétés mécanique du tissu. La seconde partie de cette thèse a pour principal objectif le développement de nouveaux outils d’imagerie ultrarapide permettant une meilleure évaluation de la dynamique du myocarde. Dans une première étude (Chapitre 7), nous proposons une nouvelle approche d’échocardiographie ultrarapide et de haute résolution, par ondes divergentes, couplée à de l'imagerie Doppler tissulaire. Cette combinaison, validée in vitro et in vivo, permet d’optimiser le contraste des images mode B ainsi que l’estimation des vitesses Doppler tissulaires. Dans la continuité de cette première étude, nous proposons une nouvelle méthode d’imagerie des vecteurs de vitesses tissulaires (Chapitre 8). Cette approche, validée in vitro et in vivo, associe les informations de vitesses Doppler tissulaires et le mode B ultrarapide de l’étude précédente pour estimer l’ensemble du champ des vitesses 2D à l’intérieur du myocarde. / Elastography is an imaging technique that aims to map the in vivo mechanical properties of biological tissues in order to provide additional diagnostic information. Since its introduction in ultrasound imaging in the 1990s, elastography has found many applications. This method has been used for the study of the breast, liver, prostate and arteries by ultrasound imaging, magnetic resonance imaging (MRI) or optical coherence tomography (OCT). In the context of cardiovascular diseases (CVD), this modality has a high diagnostic potential as atherosclerosis, a common pathology causing cardiovascular diseases, changes the structure of biological tissues and their mechanical properties well before any symptoms appear. Whatever the imaging modality, elastography is based on: the mechanical excitation of the tissue (static or dynamic), the measurement of induced displacements and strains, and the inverse problem allowing the quantification of the mechanical properties of underlying tissues. This thesis presents a series of works in elastography for the evaluation of cardiovascular tissues. It is divided into two parts. The first part, entitled « Vascular elastography » focuses on diseases affecting peripheral arteries. The second, entitled « Cardiac elastography » targets heart muscle pathologies. In the vascular context, atherosclerosis changes the physiology of the arterial wall and thereby its biomechanical properties. The main objective of the first part of this thesis is to develop a tool that enables the segmentation and the mechanical characterization of tissues (necrotic core, fibrous tissues and calcium inclusions) in the vascular wall of the peripheral arteries, to predict the vulnerability of plaques. In a first study (Chapter 5), we propose a new strain estimator, associated with ultrafast plane wave imaging. This new imaging technique can increase the performance of the noninvasive elastography. Building on this first study, we propose a new inverse problem method dedicated to the identification and quantification of the mechanical properties of the vascular wall tissues (Chapter 6). These two methods are validated in silico and in vitro on polymer phantom mimicking arteries. In the cardiac context, myocardial infarctions and ischemia caused by atherosclerosis alter myocardial contractility. In conventional echocardiography, the myocardial function is generally evaluated by analyzing the dynamics of ventricular motions (myocardial velocities and deformations). The abscence of physiological stress acting on the myocardium (as opposed to the blood pressure which acts the vascular wall) do not allow the solving the inverse problem and to find the mechanical properties of the fabric. Elastography thus here refers to the assessment of motion dynamics and deformations and not to the evaluation of mechanical properties of the tissue. The main objective of the second part of this thesis is to develop new ultrafast imaging tools for a better evaluation of the myocardial dynamics. In a first study (Chapter 7), we propose a new approach for ultrafast and high-resolution echocardiography using diverging waves and tissue Doppler. This combination, validated in vitro and in vivo, optimize the contrast in B-mode images and the estimation of myocardial velocities with tissue Doppler. Building on this study, we propose a new velocity vector imaging method (Chapter 8). This approach combines tissue Doppler and ultrafast B-mode of the previous study to estimate 2D velocity fields within the myocardium. This original method was validated in vitro and in vivo on six healthy volunteers.

Les diagnostics cliniques des maladies cardio-vasculaires sont principalement effectués à l’aide d’échographies Doppler-couleur malgré ses restrictions : mesures de vélocité dépendantes de l’angle ainsi qu’une fréquence d’images plus faible à cause de focalisation traditionnelle. Deux études, utilisant des approches différentes, adressent ces restrictions en utilisant l’imagerie à onde-plane, post-traitée avec des méthodes de délai et sommation et d’autocorrélation. L’objectif de la présente étude est de ré-implémenté ces méthodes pour analyser certains paramètres qui affecte la précision des estimations de la vélocité du flux sanguin en utilisant le Doppler vectoriel 2D. À l’aide d’expériences in vitro sur des flux paraboliques stationnaires effectuées avec un système Verasonics, l’impact de quatre paramètres sur la précision de la cartographie a été évalué : le nombre d’inclinaisons par orientation, la longueur d’ensemble pour les images à orientation unique, le nombre de cycles par pulsation, ainsi que l’angle de l’orientation pour différents flux. Les valeurs optimales sont de 7 inclinaisons par orientation, une orientation de ±15° avec 6 cycles par pulsation. La précision de la reconstruction est comparable à l’échographie Doppler conventionnelle, tout en ayant une fréquence d’image 10 à 20 fois supérieure, permettant une meilleure caractérisation des transitions rapides qui requiert une résolution temporelle élevée. / Clinical diagnosis of cardiovascular disease is dominated by colour-Doppler ultrasound despite its limitations: angle-dependent velocity measurements and low frame-rate from conventional focusing. Two studies, varying in their approach, address these limitations using plane-wave imaging, post-processed with the delay-and-sum and autocorrelation methods. The aim of this study is to re-implement these methods, investigating some parameters which affect blood velocity estimation accuracy using 2D vector-Doppler. Through in vitro experimentation on stationary parabolic flow, using a Verasonics system, four parameters were tested on mapping accuracy: number of tilts per orientation, ensemble length for single titled images, cycles per transmit pulse, and orientation angle at various flow-rates. The optimal estimates were found for 7 compounded tilts per image, oriented at ±15° with 6 cycles per pulse. Reconstruction accuracies were comparable to conventional Doppler; however, maintaining frame-rates more than 10 to 20 times faster, allowing better characterization of fast transient events requiring higher temporal resolution.

Ce travail, qui se place dans le cadre général de l'étude de la dynamique primaire des protéines, concerne les protéines à rétinal, protéines impliquées en particulier dans la vision. La protéine bactérienne modèle utilisée est la bactériorhodopsine, dont le rôle est la conversion de l'énergie lumineuse en un gradient de protons. L'interaction photon-rétinal induit initialement deux phénomènes, dont le rôle et la chronologie sont encore incertains: isomérisation du rétinal en quelques centaines de femtosecondes et établissement d'une polarisation ultrarapide au niveau du système rétinal/protéine. La méthode spectroscopique femtoseconde utilisée permet de détecter et quantifier des déplacements de charges avec une résolution temporelle de 13 fs, et ainsi de séparer temporellement ces deux phénomènes. Elle est basée sur un phénomène non linéaire du deuxième ordre, le redressement optique: l'excitation avec un champ électrique oscillant d'un matériau non centrosymétrique va créer une polarisation pointant toujours dans le même sens. Ce matériau consiste de multicouches anhydres orientées de membranes pourpres contenant la bactériohodopsine. Le champ infrarouge émis suite à l'établissement de cette polarisation est détecté en le faisant interférer avec un signal infrarouge de référence, généré par redressement optique dans un cristal non linéaire (GaAs ou AgGaS2). Le champ infrarouge émis par la bactériorhodopsine reflète directement la différence entre les moments dipolaires de l'état fondamental et de l'état excité. En plus de la réponse électronique instantanée de l'échantillon, une émission infrarouge est détectée qui dure sur plusieurs picosecondes, caractéristique des mouvements de charges associés aux mouvements vibrationnels du système rétinal/protéine. La séparation des deux types de réponse et la description d'etaillée, en fréquence et en phase, de l'ensemble du signal complexe nécessitent l'utilisation concertée de plusieurs méthodes d'analyse. Nous avons ainsi pu montrer qu'un déplacement de charges transmembranaire photoinduit ultrarapide (<13 fs) apparaît dans la bactériorhodopsine. Le changement de moment dipolaire du rétinal (30 D) est augmenté d'un facteur proche de 1.5 par rapport au cas du rétinal en solution: il est donc favorisé par la présence du complexe protéique. La détection simultanée des réponses électronique et vibrationnelle ouvre des pistes sur la détermination du rôle fonctionnel de la polarisation initiale pour la dynamique structurale qui lui est subséquente.

L'initiation de la cavitation dans un milieu aqueux se traduit par l'apparition d'une ou plusieurs inclusions gazeuses micrométriques. Elle peut être obtenue acoustiquement par activation de nucléi, et est alors nommée nucléation acoustique de bulles. Nous nous intéressons à la nucléation induite par excitation brève (quelques cycles) et de forte amplitude (ordre du MPa). Les bulles, créés par la dépression acoustique, sont transitoires (dissolution). Les propriétés des tissus biologiques en terme de nucléation de bulles sont peu connues. Elles sont accessibles acoustiquement, car la formation d'une bulle engendre l'apparition d'un nouveau diffuseur, détectable activement (échographie). De plus, chaque évènement de cavitation conduit à une émission acoustique, enregistrable en écoute passive. Ce travail de thèse utilise l'imagerie ultrasonore ultrarapide (acquisition simultanée à forte cadence sur un réseau de transducteurs) afin de détecter et étudier les évènements de cavitation. D'une part, la nucléation de bulles isolées et leur détection passive à travers le crâne permettent, via le retournement temporel, d'optimiser la focalisation adaptative pour une thérapie ultrasonore non invasive du cerveau. D'autre part, la formation de bulles dans les tissus biologiques diffusants (muscle) et leur dissolution sont détectées avec une grande sensibilité en combinant détection passive et active. Des expérimentations in vivo sur encéphale de mouton, et in vitro sur sang animal montrent de plus le caractère aléatoire de la nucléation dans les tissus biologiques, et le recourt à des pressions négatives fortes (< -12MPa) pour observer son occurrence in vivo.

Les diagnostics cliniques des maladies cardio-vasculaires sont principalement effectués à l’aide d’échographies Doppler-couleur malgré ses restrictions : mesures de vélocité dépendantes de l’angle ainsi qu’une fréquence d’images plus faible à cause de focalisation traditionnelle. Deux études, utilisant des approches différentes, adressent ces restrictions en utilisant l’imagerie à onde-plane, post-traitée avec des méthodes de délai et sommation et d’autocorrélation. L’objectif de la présente étude est de ré-implémenté ces méthodes pour analyser certains paramètres qui affecte la précision des estimations de la vélocité du flux sanguin en utilisant le Doppler vectoriel 2D. À l’aide d’expériences in vitro sur des flux paraboliques stationnaires effectuées avec un système Verasonics, l’impact de quatre paramètres sur la précision de la cartographie a été évalué : le nombre d’inclinaisons par orientation, la longueur d’ensemble pour les images à orientation unique, le nombre de cycles par pulsation, ainsi que l’angle de l’orientation pour différents flux. Les valeurs optimales sont de 7 inclinaisons par orientation, une orientation de ±15° avec 6 cycles par pulsation. La précision de la reconstruction est comparable à l’échographie Doppler conventionnelle, tout en ayant une fréquence d’image 10 à 20 fois supérieure, permettant une meilleure caractérisation des transitions rapides qui requiert une résolution temporelle élevée. / Clinical diagnosis of cardiovascular disease is dominated by colour-Doppler ultrasound despite its limitations: angle-dependent velocity measurements and low frame-rate from conventional focusing. Two studies, varying in their approach, address these limitations using plane-wave imaging, post-processed with the delay-and-sum and autocorrelation methods. The aim of this study is to re-implement these methods, investigating some parameters which affect blood velocity estimation accuracy using 2D vector-Doppler. Through in vitro experimentation on stationary parabolic flow, using a Verasonics system, four parameters were tested on mapping accuracy: number of tilts per orientation, ensemble length for single titled images, cycles per transmit pulse, and orientation angle at various flow-rates. The optimal estimates were found for 7 compounded tilts per image, oriented at ±15° with 6 cycles per pulse. Reconstruction accuracies were comparable to conventional Doppler; however, maintaining frame-rates more than 10 to 20 times faster, allowing better characterization of fast transient events requiring higher temporal resolution.

À cause de difficultés d’observations, les recherches passées en biomécanique de l’abdomen soumis aux chocs se sont essentiellement limitées à la description de comportements externes. Cette étude s’intéresse au comportement interne d’organes abdominaux à l’aide de techniques récentes : l’échographie ultrarapide et l’élastographie par ondes de cisaillement. Tout d’abord, l’effet de conditions de perfusion sur la géométrie et le module de cisaillement interne de reins de porc ex vivo a été évalué. L’effet considérable de la pression appliquée a été observé, avec 80mmHg en artère conduisant à l’état le proche de l’in vivo. Ensuite, à l’aide de l’échographie ultrarapide, les comportements internes de reins porcins et humains dans cet état de référence ont été observés lors de compressions à des vitesses entre 0.08 et 8 s-1. Si pour le porc, la partie centrale (bassinet) se déforme plus, le rein humain a semblé avoir une déformation plus homogène. Enfin, à partir des résultats, un nouveau protocole a permis d’observer les comportements du côlon et du foie in situ lors d’impacts sur trois sujets d’anatomie. Dans l’ensemble, cette étude montre ainsi la possibilité de quantifier la relation entre chargement externe et interne grâce à l’échographie ultrarapide lors d’impacts / Due to limitations of observation techniques, past researches in impact biomechanics on the abdomen have been mostly limited to the description of the externals responses. This study focuses on the internal response of abdominal organs using recent observation techniques: ultrafast ultrasound imaging and shearwave elastography. First, the effects of perfusion conditions on the geometrical and internal shear moduli of ex vivo porcine kidneys were evaluated. The considerable effect of the applied pressure was observed, with 80mmHg in artery being closest to the in vivo state. Then, the internal responses of porcine and human kidneys were observed during compressions (rates: 0.08 to 8s-1). If in the porcine specimen the central part (pelvis) deformed the most, the human kidney seemed to have a more homogenous response. Finally, a protocol was developed to observe the responses of the colon and the liver in situ during impacts performed on three post mortem human subjects. Overall, this study demonstrates the possibility to establish a link between external and internal responses during impact using ultrafast ultrasound imaging