Il est maintenant admis que la composition de la plaque athérosclérotique est un déterminant majeur de sa vulnérabilité à se rompre. Vu que la composition de la plaque affecte ses propriétés mécaniques, l'évaluation locale des propriétés mécaniques de la plaque d'athérome peut nous informer sur sa vulnérabilité. L'objectif est de comparer les techniques d’élastographie ultrasonores endovasculaire (EVE) et non-invasive (NIVE) en fonction de leur potentiel à identifier les composantes calcifiées et lipidiques de la plaque. Les acquisitions intravasculaire et extravasculaire ont été effectuées sur les artères carotidiennes de neuf porcs hypercholestérolémiques à l’aide d’un cathéter de 20 MHz et d'une sonde linéaire de 7.5 MHz, respectivement. Les valeurs de déformation radiale et axiale, rapportés par EVE et NIVE, ont été corrélées avec le pourcentage des zones histologiques calcifiées et lipidiques pour cinq plaques. Nos résultats démontrent une bonne corrélation positive entre les déformations et les composantes calcifiées (r2 = 0.82, P = 0.034 valeur par EVE et r2 = 0.80, P = 0.041 valeur par NIVE). Une forte corrélation entre les déformations axiales et les contenus lipidiques par NIVE (r2 = 0.92, P-value = 0.010) a été obtenue. En conclusion, NIVE et EVE sont des techniques potentielles pour identifier les composants de la plaque et aider les médecins à diagnostiquer précocement les plaques vulnérables. / It is now widely accepted that plaque composition is a major determinant of plaque’s vulnerability to rupture. Since composition of the plaque affects its mechanical properties, the local assessment of mechanical properties of atherosclerotic plaque may inform us about plaque’s vulnerability. The objective is to compare ultrasonic endovascular elastography (EVE) versus non-invasive vascular elastography (NIVE) according to their potential to identify plaque contents. Intravascular and extravascular acquisitions were performed on carotid arteries of nine hypercholesterolemic minipigs with a 20 MHz catheter and a 7.5 MHz standard probe, respectively. Radial and axial strain values, reported by EVE and NIVE respectively, were correlated with histological area of lipid and calcium for five plaques. Our results demonstrate a good positive correlation between strains and calcified contents (r2=0.82, P-value=0.034 by EVE and r2=0.80, P-value= 0.041 by NIVE). Additionally, there is a strong correlation between axial strains and lipid contents by NIVE (r2=0.92, P-value= 0.010). In conclusion, NIVE and EVE are the potential techniques to identify plaque components and to help physicians to early diagnose the vulnerable plaques.

L'échographie est largement utilisée pour l'imagerie du flux sanguin pour ses nombreux avantages tels que son inocuité, son cout réduit, sa facilité d'utilisation et ses performances. Cette thèse a pour objectif de proposer de nouvelles méthodes ultrasonores d'imagerie du flux sanguin. Après une étude bibliographique, plusieurs approches ont été étudiées en détail jusqu'à leur implémentation sur l'échographe de recherche ULA-OP développé au sein du laboratoire et ont été validées en laboratoire et en clinique. La transmission d'ondes planes a été proposée pour améliorer la technique d'imagerie utilisant les oscillations transverses. Des champs de pression ultrasonores présentant des oscillations transverses sont générés dans de larges régions et exploités pour l'estimation vectorielle du flux sanguin à une haute cadence d'imagerie. Des cartes du flux sanguin sont obtenues grâce à une technique s'appuyant sur la transmission d'ondes planes couplées à un nouvel algorithme d'estimation de la vitesse dans le domaine fréquentiel. Les méthodes vectorielles implémentées en temps réel dans le ULA-OP ont été comparées à la méthode Doppler classique lors d'une étude clinique. Les résultats ont montré le bénéfice des méthodes vectorielles en termes de précision et de répétabilité. La nouvelle méthode proposée a démontré sa grande précision ainsi que son gain en termes de temps de calcul aussi bien en simulations qu'en acquisitions en laboratoire ou lors d'essais in vivo. Une solution logicielle temps réel implémentée sur une carte GPU a été proposée et testée afin de réduire encore le temps de calcul et permettre l'emploi de la méthode en clinique / Ultrasound is widely used for blood flow imaging because of the considerable advantages for the clinician, in terms of performance, costs, portability, and ease of use, and for the patient, in terms of safety and rapid checkup. The undesired limitations of conventional methods (1-D estimations and low frame-rate) are widely overtaken by new vector approaches that offer detailed descriptions of the flow for a more accurate diagnosis of cardiovascular system diseases. This PhD project concerns the development of novel methods for blood flow imaging. After studying the state-of-the-art in the field, a few approaches have been examined in depth up to their experimental validation, both in technical and clinical environments, on a powerful ultrasound research platform (ULA-OP). Real-time novel vector methods implemented on ULA-OP were compared to standard Doppler methods in a clinical study. The results attest the benefits of the vector methods in terms of accuracy and repeatability. Plane-wave transmissions were exploited to improve the transverse oscillation imaging method. Double oscillating fields were produced in large regions and exploited for the vectorial description of blood flow at high frame rates. Blood flow maps were obtained by plane waves coupled to a novel velocity estimation algorithm operating in the frequency domain. The new method was demonstrated capable of high accuracy and reduced computational load by simulations and experiments (also in vivo). The investigation of blood flow inside the common carotid artery has revealed the hemodynamic details with unprecedented quality. A software solution implemented on a graphic processing unit (GPU) board was suggested and tested to reduce the computational time and support the clinical employment of the method

Ce travail porte sur la réalisation de capteurs interdigités (IDT pour InterDigital Transducer) sur des supports piézoélectriques. L’enjeu est double puisqu’il s’agit premièrement de disposer de capteurs efficaces pour générer des ondes de surface acoustiques (SAW pour Surface Acoustic Wave) afin de caractériser la qualité des revêtements et des surfaces de structures. Le deuxième objectif de cette étude est de rendre ces capteurs IDT flexibles afin qu’ils puissent s’adapter non seulement aux différentes géométries planes ou non mais aussi pour qu’ils soient capables de supporter les déformations des structures au cours de leur utilisation. En général, les matériaux piézoélectriques sont rigides et le caractère souple des matériaux est souvent en opposition avec les performances piézoélectriques de ces derniers ; nous avons donc développé des matériaux qui répondent à ces deux exigences : la performance piézoélectrique et la souplesse. Enfin, nous avons privilégié des technologies relativement bon marché pour développer ces capteurs afin d’envisager par la suite, un contrôle continu des structures en intégrant ces capteurs à demeure sur ces dernières. / This work deals with the realization of interdigital sensors (IDT for InterDigital Transducer) on piezoelectric substrates. There is a dual challenge since firstly, the aim is to have efficient sensors to generate surface acoustic waves (SAW) in order to characterize the quality of the coatings and structure surfaces. The second objective of this study is to make these IDT sensors flexible so as to adapt to different geometries of structures and to be able to put up with the deformations of structures in use. Typically, piezoelectric materials are rigid and the flexible nature of the materials is often in opposition to the piezoelectric performance of the latter. We developed materials that meet these two requirements: piezoelectricity and flexibility. Finally, we gave greater importance to relatively cheap technologies to develop these sensors because this allows then to consider continuous monitoring (structural health monitoring) by incorporating these sensors permanently on the structures to be tested.

Il est maintenant admis que la composition de la plaque athérosclérotique est un déterminant majeur de sa vulnérabilité à se rompre. Vu que la composition de la plaque affecte ses propriétés mécaniques, l'évaluation locale des propriétés mécaniques de la plaque d'athérome peut nous informer sur sa vulnérabilité. L'objectif est de comparer les techniques d’élastographie ultrasonores endovasculaire (EVE) et non-invasive (NIVE) en fonction de leur potentiel à identifier les composantes calcifiées et lipidiques de la plaque. Les acquisitions intravasculaire et extravasculaire ont été effectuées sur les artères carotidiennes de neuf porcs hypercholestérolémiques à l’aide d’un cathéter de 20 MHz et d'une sonde linéaire de 7.5 MHz, respectivement. Les valeurs de déformation radiale et axiale, rapportés par EVE et NIVE, ont été corrélées avec le pourcentage des zones histologiques calcifiées et lipidiques pour cinq plaques. Nos résultats démontrent une bonne corrélation positive entre les déformations et les composantes calcifiées (r2 = 0.82, P = 0.034 valeur par EVE et r2 = 0.80, P = 0.041 valeur par NIVE). Une forte corrélation entre les déformations axiales et les contenus lipidiques par NIVE (r2 = 0.92, P-value = 0.010) a été obtenue. En conclusion, NIVE et EVE sont des techniques potentielles pour identifier les composants de la plaque et aider les médecins à diagnostiquer précocement les plaques vulnérables. / It is now widely accepted that plaque composition is a major determinant of plaque’s vulnerability to rupture. Since composition of the plaque affects its mechanical properties, the local assessment of mechanical properties of atherosclerotic plaque may inform us about plaque’s vulnerability. The objective is to compare ultrasonic endovascular elastography (EVE) versus non-invasive vascular elastography (NIVE) according to their potential to identify plaque contents. Intravascular and extravascular acquisitions were performed on carotid arteries of nine hypercholesterolemic minipigs with a 20 MHz catheter and a 7.5 MHz standard probe, respectively. Radial and axial strain values, reported by EVE and NIVE respectively, were correlated with histological area of lipid and calcium for five plaques. Our results demonstrate a good positive correlation between strains and calcified contents (r2=0.82, P-value=0.034 by EVE and r2=0.80, P-value= 0.041 by NIVE). Additionally, there is a strong correlation between axial strains and lipid contents by NIVE (r2=0.92, P-value= 0.010). In conclusion, NIVE and EVE are the potential techniques to identify plaque components and to help physicians to early diagnose the vulnerable plaques.

Dans le cadre des recherches menées sur les SFR (Sodium cooled Fast Reactor), le CEA souhaite développer une instrumentation innovante et spécifique à ces réacteurs. Le travail présenté concerne la mesure par ultrasons, de la température du sodium à la sortie des têtes des assemblages du coeur du réacteur. Cette instrumentation implique la propagation d'ultrasons dans du sodium liquide, thermiquement inhomogène et turbulent. Le milieu provoque des déviations du faisceau acoustique qu'il faut prévoir et quantifier pour envisager d'employer les ultrasons comme moyen de mesure dans un coeur de réacteur SFR.Pour cela un code nommé AcRaLiS (Acoustic Ray in Liquid Sodium) a été implémenté. Une étude thermo-hydraulique précise du sodium a tout d'abord été menée afin de proposer une description adaptée du milieu et de choisir le modèle de propagation acoustique adéquat. Puis une implémentation a été réalisée afin de permettre la simulation rapide de la propagation d'ondes de plusieurs mégahertz dans ce milieu particulier. Ce code prévoit les déviations et l'évolution de l'intensité du faisceau acoustique. Deux expériences ont ensuite été conçues et réalisées pour vérifier ce code. La première, nommée UPSilon, innove en remplaçant le sodium par de l'huile de silicone afin d'avoir une inhomogénéité thermique stable pendant l'expérience. Elle permet de déterminer la validité du code AcRaLiS dans des inhomogénéités thermiques. La seconde, nommée IKHAR, permet d'étudier en eau l'influence de la turbulence sur la propagation d'ondes, en exploitant les instabilités de Kelvin-Helmholtz. Les conclusions et les perspectives sont présentées en élargissant à d'autres domaines d'application. / In the frame of research on Sodium cooled Fast nuclear Reactor (SFR), CEA aims to develop an innovative instrumentation, specific to these reactors. The present work relates to the measurement of the sodium temperature at the outlet of the assemblies of the reactor's core by an ultrasonic method. This instrumentation involves the propagation of ultrasonic waves in liquid sodium, thermally inhomogeneous and turbulent. Environment causes deviations of the acoustic beam that must be understood to predict and quantify to consider ultrasound as a measure means in a core of SFR reactor. To determine the magnitude of these influences, a code named AcRaLiS (Acoustic Ray in Liquid Sodium) has been implemented. In a first step, a thermal-hydraulic study specific to the medium, was conducted to provide an adequate description of the environment and choose a suitable acoustic propagation model. Then an implementation has been performed to allow rapid simulations of the wave propagation at several megahertz in this particular environment. This code provides ultrasounds deviations and changes in beam intensity.Two experiments were designed and conducted to verify the code. The first, named UPSilon innovates by replacing sodium by silicone oil in order to have a stable thermal inhomogeneity during the experiment. It allows to determine the validity of the code AcRaLiS with thermal inhomogeneities. The second, called IKHAR allows to study the influence of water turbulence on the propagation of waves, using the Kelvin-Helmholtz instabilities. Conclusions and perspectives are presented, including perspectives for other application domains.

Les prochaines plaques combustibles faiblement enrichies des réacteurs HPRR devront résister à de hautes radiations et dévoileront probablement un gonflement. Ce dernier modifie la structure et influence la distance inter-plaque nominale. La mesure de cette distance à l'ordre micrométrique constitue l'objectif du projet PERSEUS via le développement d'un dispositif ultrasonore non-destructif. Réduit à 1 mm pour s'insérer dans l'interstice inter-plaque de 1.8 mm du Réacteur à Haut Flux (RHF), le dispositif comprend deux transducteurs ultrasonores reliés à un système électronique. Il permet les mesures de temps de vol et de vitesse ultrasonore. La faisabilité de mesure précédemment prouvée, des optimisations de la chaîne de mesure et du traitement du signal ont été intégrées, induisant une nouvelle génération de dispositif. Un banc motorisé a été développé et a permis des mesures de reproductibilité précises à 500 nm. La reproductibilité de résistance aux radiations, expérimentée à l'Institut Arc-Nucléart, a démontré la stabilité des dispositifs sous 3500 kGray. De plus, une expérience de mesure de distance inter-plaque sur l'élément combustible du RHF a permis les mesures de position verticale, de distance inter-plaque et de température avec 1 µm de précision d'épaisseur du canal d'eau. Une étude de faisabilité de focalisation des ondes est prévue pour analyser les plaques en profondeur. / The future HPRR LEU fuel plates will have to withstand aggressive irradiations leading to a swelling phenomenon. This latter induces structure modifications and impacts the initial inter-plate distance. This distance is investigated, under the access and microscopic resolution constraints, within the PERSEUS Project aiming the development of a non-destructive ultrasonic device. With a thickness of 1 mm to be inserted into the 1.8 mm water channel width of the High flux Reactor (RHF), the device relies upon two ultrasonic transducers connected to an electronic system. It allows time of flight and ultrasonic velocity estimations. The feasibility being already proved, optimizations on components of the measurement chain and signal processing have led to a new device. A developed motorized bench has allowed reproducibility measurements with a 500 nm resolution. Then, a reproducibility devices' radiation resistance experiment, carried out in the Arc-nucleart Institute, demonstrated their parameters stability under 3500 kGray. Experiments were also realized on the RHF fuel element where vertical position, distance and temperature were evaluated, with a 1 µm precision on channel gap thickness. Future works will explore waves ability to be focused in the depth of the plates.

L’os présente la propriété remarquable de s’adapter à son environnement et s’est forgé au cours de l’évolution des caractéristiques exceptionnelles qui fascinent les scientifiques mais aussi les ingénieurs : léger mais d’une rigidité à toute épreuve, une capacité de résistance à la fracture hors norme tout en gardant une certaine flexibilité. Ces propriétés mécaniques de l’os sont l’œuvre d’une optimisation de sa composition et d’une structure fortement hiérarchisée et organisée en multiples niveaux allant de l'échelle nanométrique à l'échelle macroscopique. L’amélioration de la prise en charge des maladies osseuses, l’optimisation des implants orthopédiques et la conception de nouveaux matériaux bio-inspirés passent par une connaissance approfondie des multiples facteurs qui déterminent les propriétés mécaniques de l’os. Dans ce travail, nous mettons l’accent sur les propriétés élastiques de l'os cortical humain à la fois aux échelles millimétrique et micrométrique. Nous avons caractérisé l’élasticité (à l’échelle mésoscopique), la composition et la microstructure de l’os cortical, à partir d’échantillons de fémur, tibia et radius prélevés sur des donneurs âgés, à l’aide d’une batterie de tests expérimentaux comportant des mesures en résonance ultrasonore spectroscopique, micro-tomographie par rayonnement synchrotron, microscopie infrarouge à transformée de Fourier et analyse biochimique. Ces mesures mettent à jour le rôle prépondérant joué par la porosité et le degré de minéralisation dans la détermination de l’élasticité et suffisent à eux seuls à en expliquer les variations. En particulier, les caractéristiques de la microstructure, comme la forme des pores, leur nombre, taille ou connectivité ne semblent pas avoir d’effets mesurables sur l’élasticité à l’échelle mésoscopique. Dans un second temps, une nouvelle approche d’homogénéisation inverse introduite dans cette thèse a permis l’estimation du tenseur des coefficients élastiques de la matrice osseuse à l’échelle microscopique. Connaissant l’élasticité de la matrice, nous avons évalué la gamme des microdéformations qui se produisent localement en réponse à des contraintes physiologiques. Les microdéformations étant à l’origine des signaux qui déclenchent la réponse des cellules mécanosensibles, ce dernier résultat devrait contribuer à une meilleure compréhension du comportement mécanique osseux au niveau microscopique. En conclusion, ce travail de thèse a permis l’obtention d’une base de données unique sur les caractéristiques élastiques de l’os cortical humain et la caractérisation des relations qui existent entre l’élasticité, la microstructure et la composition. / Bone as an important organ in human body is an extraordinary material which exhibits highly optimized properties, strong yet light weight, stiff yet flexible. Its distinct mechanical properties which fascinates not only scientists but also engineers are the results of the highly hierarchized and organized structure and the compositional properties spanning over several lengths from the nanoscale to the macroscale. Hence, a deep understanding of the parameters affecting bone mechanical behavior is necessary to better predict and treat bone diseases, improve orthopedic implants design, and engineer bio-inspired materials. In this work, a special focus is placed on human cortical bone elastic properties both at the millimeter and micrometer scales. Based on a multimodal approach (resonant ultrasound spectroscopy, synchrotron radiation micro-computed tomography, Fourier transform infrared microspectroscopy and biochemistry experiments) involving an exhaustive amount of microstructural and compositional properties, our results provide strong evidence that intra-cortical porosity and degree of mineralization are the most important determinants of bone stiffness at millimeter scale in an elderly population. Further, the other microstructure characteristics independent of porosity have non measurable effects on bone stiffness at this level. At the micrometer scale, a novel inverse homogenization approach is introduced in this work which can evaluate bone matrix anisotropic elastic properties with a good accuracy for all the stiffness constants. Based on the determined bone matrix elasticity data, we investigated the possible range of the magnitude of microstrain experienced by bone matrix. This work opens a way to better evaluate and understand bone mechanical behaviour at the micrometer level, such as the microstrain that can be sensed by osteocytes and builds the bridge to comprehensively investigate the connections between bone anisotropic properties at the millimeter and micrometer scale, and between the anisotropic microelastic properties and the characteristics at the nanometer scale.

L’utilisation de revêtements et de couches minces déposés sur substrats est très recherchée dans de nombreuses applications. Les objectifs de ces revêtements et dépôts sont multiples (améliorer la durabilité des structures, leur résistance à l’usure et à la fatigue, etc.). D'autre part, les matériaux à gradient sont également développés en vue de répondre à de nouvelles exigences fonctionnelles, comme de meilleures tenues en température, en usure, en corrosion. Pour toutes ces applications, la caractérisation de ces revêtements et de ces matériaux à gradients, afin d’en déterminer leurs propriétés (épaisseur, constantes élastiques, adhérence, contraintes résiduelles, …etc), est déterminante pour le contrôle santé des pièces et pour leur fonctionnement optimal au cours de leur utilisation. Pour caractériser ces structures, nous avons choisi d’exploiter la dispersion des ondes de surface sur une large gamme de fréquences (10 à 60 MHz). Afin d’exciter ces ondes, des capteurs MEMS de type IDT-SAW ont été réalisés à différentes fréquences couvrant la totalité de la gamme fréquentielle considérée. L’excitation quasi-harmonique a été privilégiée dans le but d’obtenir des mesures précisesde vitesses de phase. Nous avons montré les potentialités de cette approche en caractérisant premièrement des structures à couche mince allant jusqu’à 500 nm et deuxièmement des structures amorphes à gradient de contraintes. / The use of coatings and thin layers deposited on substrates is highly sought in many applications. The objectives of these coatings and deposits are multiple (improve the durability of structures, their wear resistance and fatigue, etc.). On the other hand, gradient materials are being developed to meet new functional requirements, such as a better resistance to temperature, wear and corrosion. For all of these applications, the characterization of these coatings and gradient materials, in order to determine their properties (thickness, elastic constants, adherence, residual stresses, etc…), is decisive for the health control of pieces and for their optimum operation during their use. To characterize these structures, wechose to exploit the dispersion of surface acoustic waves over a wide frequency range (10 to 60 MHz).To excite these waves, SAW-IDT MEMS sensors have been carried out at different frequencies covering the entire frequency range we considered. The quasi-harmonic excitation was preferred to obtain accurate measures of phase velocities. We showed the potential of this approach by characterizing, first, thin layers structures (500 nm) and second, amorphous structures with a stressesgradient.

Les matériaux composites sont largement utilisés dans l'industrie en raison de leur bonne tenue mécanique et de leur faible densité. La diversité des domaines d'application des matériaux composites donne lieu à une grande variété de modes de sollicitation et d'endommagement. De ce fait, l'évaluation de leurs propriétés et le contrôle de leur état présentent un grand intérêt industriel. Dans ce travail, une nouvelle méthode d'évaluation et de contrôle non destructif dite par sonothermographie est explorée. Cette méthode est basée sur l'analyse du champ thermique induit par des ondes ultrasonores de puissance dans les matériaux absorbants tels que les composites. Deux applications complémentaires sont étudiées, d'une part l'évaluation des propriétés thermiques du matériau et d'autre part le contrôle non destructif de structures par thermographie infrarouge. Dans ce cadre, le problème direct de la sonothermographie est résolu numériquement à partir d'un modèle par éléments finis. Ce modèle permet de simuler le champ thermique induit par la propagation d'ondes ultrasonores dans un matériau absorbant dont les propriétés sont connues. Les simulations réalisées permettent de montrer l'applicabilité de la sonothermographie à la détection de défauts. Une nouvelle approche de caractérisation thermique est également développée. Cette approche basée sur la formulation faible de l'équation de conduction de la chaleur permet une estimation robuste de la diffusivité thermique du matériau à partir du champ thermique induit par les ondes ultrasonores de puissance. Des résultats expérimentaux sont présentés pour le cas de plaques minces.

Nous avons étudié deux types de tomographie ultrasonore qui correspondent à deux configurations d'acquisition différentes : la tomographie qualitative en diffraction arrière et la tomographie quantitative en transmission. Toutes deux sont fondées sur l'hypothèse de milieu faiblement hétérogène afin de pouvoir utiliser l'approximation de Born pour la tomographie en diffraction arrière, et une approximation de rayons droits pour la tomographie en transmission de célérité et d'absorption.<br />Tomographie qualitative : nous avons développé un algorithme de rétroprojection elliptique filtrée, établi grâce à l'introduction de la transformée de Radon elliptique et à l'extension au champ proche du classique théorème coupe-projection. La méthode de reconstruction a été étudiée expérimentalement sur des fantômes à base de gel d'agar-agar et de paraffine immergés dans de l'eau. Par ailleurs, afin de nous rapprocher des conditions opératoires du radiologue, nous avons développé des fantômes numériques anatomiques bidimensionnels de sein pour l'imagerie ultrasonore, tant pour la tomographie que pour l'échographie. Ces fantômes ont permis de simuler et de comparer les deux méthodes d'imagerie.<br />Tomographie quantitative pour la caractérisation tissulaire : Pour le paramètre de célérité, nous avons comparé une méthode de reconstruction par couches successives (en anglais ”layer stripping”) développée par Ferrière et al (2003) et une tomographie conique classique, toutes deux basées sur l'hypothèse de propagation en rayons droits. Des essais numériques et un essai expérimental ontmontré les limites de la méthode par couches successives à restituer les objets avec fidélité. Concernant le paramètre d'absorption, nous avons montré numériquement qu'il est indispensable de prendre en compte les effets de diffraction, qui sont généralement négligés dans le cas des tissus faiblement contrastés (le sein). Nous avons étudié l'erreur introduite par la diffraction dans une méthode fréquentielle d'estimation du paramètre d'absorption. Sur la base d'essais numériques, la méthode de correction des effets de diffraction proposée donne de bons résultats avec une tomographie pourtant simplifiée de rayons droits.