Dans les cuves d'électrolyse d'aluminium, le milieu de réaction très corrosif attaque les parois de la cuve, ce qui diminue leur durée de vie et augmente les coûts de production. Le talus, qui se forme sous l'effet des pertes de chaleur qui maintiennent un équilibre thermique dans la cuve, sert de protection naturelle à la cuve. Son épaisseur doit être contrôlée pour maximiser cet effet. Advenant la résorption non voulue de ce talus, les dégâts générés peuvent s'évaluer à plusieurs centaines de milliers de dollars par cuve. Aussi, l'objectif est de développer une mesure ultrasonore de l'épaisseur du talus, car elle serait non intrusive et non destructive. La précision attendue est de l'ordre du centimètre pour des mesures d'épaisseurs comprenant 2 matériaux, allant de 5 à 20 cm. Cette précision est le facteur clé permettant aux industriels de contrôler l'épaisseur du talus de manière efficace (maximiser la protection des parois tout en maximisant l'efficacité énergétique du procédé), par l'ajout d'un flux thermique. Cependant, l'efficacité d'une mesure ultrasonore dans cet environnement hostile reste à démontrer. Les travaux préliminaires ont permis de sélectionner un transducteur ultrasonore à contact ayant la capacité à résister aux conditions de mesure (hautes températures, matériaux non caractérisés...). Différentes mesures à froid (traité par analyse temps-fréquence) ont permis d'évaluer la vitesse de propagation des ondes dans le matériau de la cuve en graphite et de la cryolite, démontrant la possibilité d'extraire l'information pertinente d'épaisseur du talus in fine. Fort de cette phase de caractérisation des matériaux sur la réponse acoustique des matériaux, les travaux à venir ont été réalisés sur un modèle réduit de la cuve. Le montage expérimental, un four évoluant à 1050 °C, instrumenté d'une multitude de capteurs thermique, permettra une comparaison de la mesure intrusive LVDT à celle du transducteur, dans des conditions proches de la mesure industrielle.

Thèses (Ph.D.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1998. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Th. doct.--Méca.--Paris 6, 1992. / Bibliogr. p. 251-258. Résumé en anglais et en français.

Thesis--Catholic University of America. / Bibliography: p. 31-38.

Le silicium poreux est un matériau qui est actuellement utilisé dans de nombreux domaines, tels que la biologie ou la microélectronique, grâce à ses propriétés remarquables. De nombreuses applications sont étudiées au sein du laboratoire GREMAN, telles que la fabrication de vias électrique ou de capacités 3D. Le matériau étudié au sein de cette thèse est du mésoporeux, qui est utilisé comme substrats dans les applications RF. La caractérisation non destructive de ce matériau est encore limitée, soit selon l’épaisseur de la couche poreuse, soit selon la taille des pores. Cela limite ainsi l’industrialisation des procédés de fabrication de silicium poreux. Une technique ultrasonore de caractérisation est proposée dans cette thèse afin de permettre un suivi de la gravure in situ et en temps réel. Ainsi les variations de gravure peuvent être contrôlées. / Porous silicon is a material that is currently used in many fields such as biology and microelectronics, thanks to its remarkable properties. Non-destructive characterization of this kind of material is still limited, mostly due to thickness of porous layer and pore size. The aim of this work is the development of an ultrasonic characterization method to allow monitoring of in situ etching in real time. First, the study of electrochemical etching and tanks where it is made to have the estimated microgeometric parameters of the porous layer. Through knowledge of the pore size and orientation, the mechanical constants md the values of permeability and tortuosity are estimated. Second, propagation of the ultrasonic waves within the material bi-porous Si-Si layer is examined. Modelling of the porous i layer is performed through the Biot model to estimate the longitudinal speed to calculate the theoretical spectrum transmission through the etched wafer. A measurement using an insertion-substitution method allows a determination of transmission spectrum. The parameters of the porous layer (thickness and porosity ) are determined by an inverse problem resolution, based on a genetic algorithm. A comparison with destructive measurements shows the interest of the ultrasonic measurement.

Dans le domaine de l’aéronautique, la connaissance de l’angle d’incidence d’un aéronef est un paramètre de vol essentiel. L’objectif de ce travail est d’examiner le potentiel des systèmes basés sur des mesures de temps de vol par ultrasons, pour la réalisation de sondes flush. La sonde développée est constituée de transducteurs ultrasonores émetteurs et récepteurs. La mesure de retards entre ces ondes pourrait permettre de déterminer l’angle d’incidence par le biais d’un calcul analytique. Cette formule ne pouvant être utilisée que dans Je cas où l’écoulement avoisinant les capteurs est uniforme, ces limites sont étudiées au cours de ce travail. Le développement d’un code de calculs basé sur la théorie des rayons permet dans un premier temps d’appréhender le comportement des ondes au sein d’une couche limite turbulente. Puis, dans un second temps, des tests sont effectués en soufflerie anéchoïque. Les retards expérimentaux obtenus sont similaires à ceux obtenus par la simulation numérique. De plus, la comparaison des retards expérimentaux avec les retards analytiques, montre que les résultats sont également proches, et ce particulièrement pour les grands angles. Dans un troisième temps, les angles d’incidences sont déterminés par des mesures de rapports entre retards expérimentaux. La déduction de l’angle est faite à l’aide d’un abaque numérique et d’un abaque basé sur le calcul analytique. Les résultats montrent que l’abaque analytique semble être l’outil le plus approprié à la détermination des angles d’incidence. L’approximation du code au niveau du choix des tirs de rayons utilisés pour les calculs, pourrait être la principale source d’erreurs des calculs. / In the field of aeronautics, the angle of attack of an aircraft is an essential flight parameter. The aim of this work is to analyze the systems based on measurements using ultrasonic times of flight, and to realize an aeronautic ultrasonic system. The probe that has been developed during this work is made of ultrasonic transducers, transmitters and receivers of ultrasonic waves. Measuring delays between these waves may allow the determination of the angle of attack, thanks to an analytical calculation. Limits of this formula are studied during this work because it may only be used in uniform fields. First of all, a numerical model based on the ray theory is developed to take into account the propagation effect of a turbulent boundary layer. Afterwards, experiments are conducted in an anechoic wind tunnel. The experimental delays obtained are similar to those calculated with the developed code. Furthermore, comparison between experimental delays and those calculated thanks te basic expressions of times of flight, shows similar results particularly at high angles. Finally, the angles of attack are determined thanks to measurements of ratio between experimental delays. The angle is deducted thanks to two different tools, a numerical abacus based on the developed code, and an analytical abacus. The results show that the analytical abacus is the most appropriate tool for determination of angles of attack. Indeed, the boundary layer part becomes negligible when ratio between delays is taken into account. The approximation of the code concerning the choice of the shots of rays used for the calculation may be the main source of errors.

L'objectif de la caractérisation des tissus par ultrasons ou ‘Quantitative Ultrasound (QUS)’ est de différencier les tissus pathologiques en associant les paramètres d’un modèle aux caractéristiques physiques du tissu. L'usage exclusif des ultrasons pour obtenir un diagnostic peut garantir que le patient ne subira pas une procédure invasive (e.g. une biopsie), utilisant des rayonnements ionisants (e.g. la tomographie) ou même inconfortable et coûteuse (e.g. IRM). Les méthodes de QUS extraient des informations sur la microstructure du tissu à partir du contenu spectral ou temporel des signaux ultrasonores. Le signal temporel radiofréquence (RF) et son enveloppe sont d'intérêt à cause du speckle crée par l’interférence des ondes, qui peut être modélisé par des distributions statistiques. Ce travail propose d'explorer la possibilité d'obtenir des estimations QUS fiables en utilisant des distributions statistiques comme modèles pour le speckle ultrasonore. Les estimations sont constituées des paramètres des distributions respectives et dépendent de la densité de diffuseurs dans le milieu. L’évaluation s’effectue sur des images simulées, des fantômes de particules et des biofantômes. Dans la première partie, la distribution Gaussienne Généralisée est utilisée pour modéliser le signal RF, et la distribution de Nakagami est utilisée pour modéliser son enveloppe. Les deux distributions sont limitées à discriminer les milieux avec une faible densité de diffuseurs, parce que les valeurs de leurs paramètres de forme saturent pour un speckle pleinement développé. Par conséquent, puisque la formation du speckle pleinement développé dépend de la résolution du système d'imagerie, la caractérisation peut se faire seulement à de très hautes résolutions, correspondant à des hautes fréquences qui ne sont pas communes en échographie clinique. Une application du modèle de Nakagami sur l’image crée par la seconde harmonique montre le potentiel du paramètre de forme de Nakagami en tant que mesure de la nonlinéarité du milieu. Dans la deuxième partie, l'enveloppe a été modélisée en utilisant la distribution K-Homodyne. Le paramètre de regroupement des diffuseurs α permet de discriminer entre les milieux denses jusqu’à une limite supérieure à celle du paramètre de Nakagami. Pourtant, cette limite est difficile à estimer avec précision, parce que les valeurs caractéristiques pour le speckle pleinement développé sont affectées par un biais et une variance élevés. Le biais et la variance peuvent être améliorés en augmentant la quantité de données utilisée pour l’estimation. Dans la dernière partie, une technique de déconvolution spécialement conçue pour la caractérisation des tissus a été évaluée. Des essais exhaustifs ont montré qu’elle n’est pas suffisamment robuste pour une application clinique, puisque les images déconvoluées ne sont pas fidèles à la réflectivité originale du milieu / The purpose of ultrasound tissue characterization or Quantitative Ultrasound (QUS) is to differentiate between tissue pathologies by associating model parameters to physical tissue features. The exclusive use of ultrasound for diagnosis would guarantee that the patient does not undergo a procedure that is invasive (e.g. a biopsy), using ionizing radiation (e.g. tomography) or simply uncomfortable and expensive (e.g. MRI). QUS methods extract information on the tissue microstructure from the temporal or spectral content of the acquired ultrasound signals. The temporal radiofrequency (RF) signal and its envelope are of interest because of the speckle patterns created by wave interference, which can be modeled by statistical distributions. The present work proposes to explore the possibility of obtaining reliable QUS estimates by using statistical distributions as models for ultrasound speckle. The estimates consist in the parameters of the respective distributions and are indicators of the scatterer density in the medium. The evaluation is conducted on simulated images, particle phantoms and biophantoms. In the first part, the Generalized Gaussian distribution is used to model the RF signal, and the Nakagami distribution is used to model its envelope. The two distributions show limitations in discriminating media with high scatterer densities, as the values of their shape parameters saturate in the fully developed speckle regime. Therefore, since the formation of fully developed speckle depends on the resolution of the imaging system, characterization can be done only at very high resolutions, corresponding to high frequencies that are not common in clinical ultrasound. An application of the Nakagami model on the second harmonic image shows the potential of the Nakagami shape parameter as a measure of the nonlinearity of the medium. In the second part, the echo envelope was modeled using the Homodyned-K distribution. The scatterer clustering parameter α allows the discrimination of dense media up to a concentration that is higher than the one that limits the Nakagami distribution. However, this limit is difficult to estimate precisely, because the values of α that are characteristic for fully developed speckle suffer from large estimation bias and variance. The bias and the variance can be improved by performing the estimation on a very large amount of data. In the final part, a deconvolution technique designed specifically for ultrasound tissue characterization has been analyzed. Extensive testing has shown it to not be sufficiently robust for clinical applications, since the deconvolved images are not reliable in terms of fidelity to the original reflectivity of the medium

Le cancer est reconnu comme l'un des principaux enjeux de santé actuels. Même si de grands progrès ont été réalisés dans ce domaine, les effets systémiques des chimiothérapies et le caractère invasif des procédures actuelles de potentialisation (agents physiques) sont autant d'éléments limitants. Les ultrasons se démarquent néanmoins par leur faible morbidité. Appliqués de façon extracorporelle, ils peuvent pénétrer en profondeur dans les tissus et y induire effets thermiques et mécaniques, incluant entre autres la cavitation. La cavitation peut se définir comme la formation et l'oscillation de bulles dans le milieu de propagation. Il a été montré de potentiels bénéfices de ce mécanisme dans la potentialisation d'agents thérapeutiques. Bien que la génération de cavitation puisse être aidée par l'ajout d'agents de nucléation extérieurs, le travail présenté ici s'en affranchit afin de rendre la procédure plus versatile. Des simulations ont montré qu'un dispositif ultrasonore basé sur deux faisceaux confocaux permettait des conditions favorables à l'obtention de cavitation dans ces conditions. De plus, études in vivo ont montré l'innocuité du phénomène en regard de la stabilité de la doxorubicine, des effets histologiques sur tissus sains ainsi que sur l'éventuelle diffusion métastatique. L'efficacité du traitement combiné n'a en revanche pas pu être démontrée. Pour investiguer la combinaison de chimiothérapie avec de la cavitation stable, une stratégie de régulation est mise en place. Bien que la synergie ait pu être démontrée in vitro, l'étude préclinique ne permet pas de conclure sur l'effet in vivo. Dans l'hypothèse d'un défaut de localisation du nuage de cavitation, une méthode de localisation spatiale est mise en place et validée / Cancer is recognized as one of the major health issues of this beginning century. Even if great achievements have been performed, chemotherapies induce systemic toxicity and combinable physical agents are invasive. Ultrasound has shown a great potential as an external physical agent. Applied extracorporeally, it can penetrate in depth in tissue and induce various biological effects, mechanical of thermal. Notably, cavitation, which is the formation and oscillatory motion of bubbles in a media, has effects providing the possibility to enhance the delivery of chemotherapeutic agents. This effect can be induced in biological tissues by using external nucleation agents such as ultrasound contrast agents. However, to avoid diffusion issues, this work focuses on cavitation without external nucleation agents. For this purpose, a particular setup based on two confocal transducers was designed. Simulations showed its advantages for cavitation applications. A developed preclinical device demonstrated the safety of using unseeded inertial cavitation for the potentiation of doxorubicin (DOX) regarding the drug stability, the effect on healthy tissues and the metastatic spreading. Unfortunately, no effect of combining inertial cavitation with DOX in could have been demonstrated in vivo. To investigate stable cavitation phenomenon, a control process was developed. It permitted to evidence in vitro the synergistic interaction between DOX and stable cavitation. Again, preclinical studies were not able to prove this synergy in vivo. To assess the correct tissue exposures to stable cavitation, a localization method was developed and validated

Nous avons développé des nanocapsules théranostiques combinant à la fois une fonction diagnostic d’amélioration de la détection tumorale et une fonction thérapeutique pour les traiter. Ces nanocapsules sont composées d'une enveloppe de polymère de PLGA-PEG et d'un noyau de bromure de perfluorooctyle, un liquide perfluoré, permettant la détection par IRM-19F. Nous avons encapsulé à l’intérieur de ces nanocapsules du paclitaxel, un anticancéreux de la classe des taxanes. L’encapsulation permet de s’affranchir de l’utilisation de Cremophor®, un tensioactif utilisé dans la formulation commerciale de Taxol® qui peut entrainer des effets indésirables graves pouvant aller jusqu’au choc anaphylactique. L’encapsulation a été optimisée en faisant varier les paramètres de formulation pour empêcher la recristallisation du paclitaxel et l'agrégation des nanocapsules. La formulation optimisée a été testée in vitro sur des cellules de cancer du côlon CT-26 et a montré une cytotoxicité équivalente à celle du Taxol®. La pharmacocinétique et la biodistribution ont été évaluées chez des souris nudes porteuse de tumeurs CT-26 en comparaison au Taxol®. Pour les nanocapsules, les paramètres pharmacocinétiques sont améliorés : on observe une circulation prolongée et une meilleure accumulation au niveau des tumeurs, telles que confirmées par IRM-19F. L’efficacité antitumorale des nanocapsules est améliorée par rapport au PBS et Taxol®. L’influence d’ultrasons a aussi été étudié et a permis d’améliorer le ciblage et de ralentir la croissance tumorale. Des études in vitro ont montré que ce ralentissement est lié à l'hyperthermie modérée induite qui favorise la perfusion tumorale et l’extravasation vasculaire et améliore l’accumulation du principe actif à l'intérieur de la tumeur. / We have developed theranostic nanocapsules combining a diagnostic moiety to improve tumor detection and a therapeutic moiety to treat them. These nanocapsules are composed of a polymer shell of PLGA-PEG and a core of a perfluorocarbon, namely perfluorooctyl bromide, detectable by 19F-MRI. Paclitaxel, a cytotoxic drug, was encapsulated in an attempt to reduce side-effects associated with excipients such as Cremophor® used in the commercial formulation (Taxol®). We optimized encapsulation of paclitaxel into nanocapsules by varying formulation parameters to prevent or limit paclitaxel recrystallization and nanocapsule aggregation. The optimized formulation was tested in vitro on CT-26 colon cancer cells and showed similar cytotoxicity as compared with Taxol®. Paclitaxel pharmacokinetics and biodistribution were evaluated in nude mice bearing CT-26 tumors comparing nanocapsules with Taxol®. For nanocapsules, pharmacokinetic parameters are improved leading to a longer circulation and resulting in an enhanced accumulation in tumors, as confirmed by 19F-MRI. In terms of efficacy, this enhanced passive targeting allows a slower tumor growth in animals treated with paclitaxel-loaded nanocapsules compared to PBS and Taxol®. Ultrasound were also used to further improve tumor targeting. We showed that when applying a safe ultrasound sequence, tumor growth was slower on our tumor model. In vitro studies showed that this decreased growth is due to mild hyperthermia favoring tumor perfusion and vascular extravasation leading in an enhance accumulation of drugs inside the tumor.

Thèse doctorat : Images et Systèmes : Villeurbanne, INSA : 2004. / Thèse rédigée en anglais. Introduction et conclusion en français et en anglais. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 113-118. Publications de l'auteur, 3 p.