Thèses passées

Résumé: L’endommagement et la cohésion des roches qui en résulte contrôlent le glissement et la nucléation des séismes. Ce phénomène n’étant pas bien compris, nous nous intéressons à l’interaction entre la friction au niveau de la faille et l’endommagement en volume environnant. Le principal objectif de cette thèse est d’analyser conjointement les données obtenues à l’échelle macroscopique lors d’expériences analogiques contrôlées en laboratoire et les résultats de modèles numériques donnant accès à des échelles inférieures.Les travaux réalisés lors de cette thèse s’articulent autour de trois expériences mécaniques menées sur deux types d’échantillon granulaire cimenté. Ces échantillons, initialement cohésifs, sont formés de billes de verres collées par un matériau ductile ou cassant. Les com- pressions oedométrique et uniaxiale sont complémentaires au test de cisaillement direct en boîte de Casagrande qui permet l’étude d’une interface frictionnelle dans un milieu endommagé. Les réponses des échantillons à ces différentes sollicitations mécaniques impliquent endommagement, glissement et friction et sont non seulement suivies mécaniquement mais aussi acoustiquement grâce à deux types de sondes ultrasonores. La première sonde, active, permet de surveiller les propriétés élastiques apparentes du milieu en étudiant la propagation d’ondes acoustiques et en particulier leur vitesse. L’évolution de cette dernière est en effet fortement corrélée à l’état du milieu. Sous chargement oedométrique, l’endommagement affecte la vitesse alors qu’en déchargement-rechargement une loi de milieu effectif purement granulaire et sec est retrouvée. La vitesse acoustique mesurée dans les échantillons cassants est aussi corrélée à des stick-slips qui ponctuent les contraintes macroscopiques. La seconde sonde, passive, consiste à enregistrer les émissions acoustiques produites dans le milieu et à analyser leurs lois statistiques proches de celles des séismes. Ainsi la valeur instantanée de b dans la loi de Gutenberg-Richter, le taux d’évènements à l’approche de la rupture, ou la correlation des évènements et la distribution des délais inter-évènements caractérisent différentes étapes du chargement du système.Pour mieux comprendre les aspects micro et mésoscopiques qui restent peu explorés expérimentalement, nous avons réalisé des simulations numériques quasi-statiques et dynamiques. Deux types de modélisations, par éléments finis et hybride (mêlant éléments finis pour les ponts de ciment et éléments discrets pour les billes), permettent de recourir à des lois élasto-plastiques avec endommagement pour les ponts plutôt qu’à des lois ad hoc générale- ment utilisées pour les décrire avec des éléments discrets seuls. Les géométries, mécanismes et protocoles expérimentaux ont guidé de près ces simulations qui mettent en évidence des phénomènes aux échelles des contacts inter-grains et des grains. Nous observons que la déformation plastique interne des ponts se localise en bandes de cisaillement et qu’elle est très hétérogène à l’échelle de l’échantillon. En réaction aux ruptures des ponts, des redistributions de contrainte et des réarrangements des contacts de Hertz guident l’évolution des chaînes de forces. Une chute de la vitesse des ondes acoustiques avec l’endommagement est observée à l’échelle macroscopique. Les évènements de rupture de ponts et de création ou de perte de contacts directs entre billes sont considérés équivalents à des sources d’émissions acoustiques, ce qui permet de les traiter similairement et de corréler leur comportement à l’évolution de l’échantillon.

Résumé: Le contrôle des ondes est d’un intérêt fondamental pour de nombreuses applications. On peut forcer une onde à se propager suivant un chemin désiré en concevant le milieu de propagation permettant le concept de réfraction négative. Les ondes de Lamb sont adéquates pour l’application de ce concept. Elles présentent l’existence de points à vitesse de groupe nul (ZGV) au-dessus desquels cohabitent des modes à vitesse de phase positive et négative. Le changement abrupt de l’épaisseur d’une plaque permet la conversion d’un mode à vitesse de phase positive en un mode à vitesse de phase négative, donnant lieu aux phénomènes de réfraction et réflexion négatives. Ce manuscrit présente un modèle semi-analytique développé pour prédire les coefficients de réflexion et de transmission des modes de Lamb sur une marche d’épaisseur. Il est utilisé pour évaluer la réfraction négative en fonction des caractéristiques de la plaque et de l’onde incidente. Ensuite sont présentées les études numériques et expérimentales de dispositifs utilisant la réfraction négative afin d’annuler la diffusion de l’onde par un objet ou encore de piéger une onde par réfractions négatives successives. Une étude numérique visant à réaliser une lentille permettant de vaincre la limite de diffraction pour les ondes de Lamb est ensuite présentée. Enfin un nouveau dispositif expérimental est mis en place pour étudier les ondes de Lamb avec une génération monochromatique et sélective spatialement permettant alors d’étudier le comportement des modes de Lamb au voisinage du mode ZGV, là où coïncident modes prograde et rétrograde.

Résumé: Durant cette thèse nous nous sommes intéressés à la physique des ondes globale. En repartant de l’équation de d’Alembert, il émerge trois leviers principaux qui permettent le contrôle des ondes : contrôle sur les sources, contrôle sur les conditions aux limites, et contrôle sur le milieu de propagation lui-même. Dans un premier lieu, nous avons utilisé les propriétés d’une métasurface binaire électroniquement reconfigurable en cavité micro-ondes. Cet objet permet de contrôler le champ au sein de la cavité. Celle-ci a ensuite été ouverte, et nous avons montré que le contrôle s’étendait à l’émission en champ lointain. Ce système réalise donc une antenne compacte directive et reconfigurable. Dans un second temps, nous avons considéré l’approche métamatériaux pour réaliser une antenne dite superdirective. En effet, les antennes sont soumises à des limitations de directivité liées à leur taille, dont la prédiction date des années 40. En utilisant un milieu de fils, nous avons montré que ce métamatériau qui permet le contrôle du champ proche à une échelle sub-longueur d’onde, peut influencer le rayonnement d’une source unique au point de réaliser une antenne superdirective avec seulement quatre diffuseurs résonants passifs. Enfin, nous avons réalisé en acoustique une preuve de concept d’une nouvelle technique d’imagerie non-linéaire. Depuis l’illumination structurée, c’est l’imagerie d’agents de contraste, souvent fluorescent, qui permet de battre la limite de diffraction. Ici, nous proposons une idée basée sur l’effet Doppler. Nous montrons dans un premier temps qu’imager avec des sources et des récepteurs en rotation permet d’égaler au moins l’illumination structurée. Dans un second temps, nous montrons que cette rotation génère une information spectrale supplémentaire qui permet d’atteindre la super-résolution.

Résumé: Les techniques de microscopie interférométrique présentent une sensibilité aux aberrations qui limite leurs pouvoirs de résolution et de pénétration. Initialement développées en astronomie, des méthodes d'optique adaptative ont été transposées en microscopie afin de compenser les effets dues aux aberrations. Celles-ci reposent principalement sur la mesure du front d'onde et sur la correction en boucle fermée des aberrations à l'aide de dispositifs de contrôle du front d'onde. Ces méthodes sont toutefois limitées par les cadences de mesure et de correction, et ne peuvent compenser que des aberrations d'ordres peu élevés.L'objectif de cette thèse est de proposer une approche matricielle innovante reposant sur l'étude d'un nouvel opérateur, la matrice distorsion, permettant de quantifier localement les paramètres liés aux aberrations et à la diffusion, et de corriger les aberrations sur l'ensemble du champs de vision. En parallèle, nous présentons un formalisme mathématique permettant d'expliquer la manifestation des aberrations en OCT plein champ et étendons le champ d'application de la méthode matricielle à de vastes champs de vision au moyen d'un dispositif expérimental de mesure de la matrice de réflexion inspiré de cette technique d'imagerie.

Résumé: This PhD aimed at introducing laser Doppler holography (LDH) into the field of ophthalmology in order to image blood flow in the eye posterior pole. Perfusion abnormalities play a central role in the development of ocular pathologies, which calls for the development of suitable instruments to elucidate it. LDH had previously demonstrated its ability to perform non-invasive and quantitative blood flow imaging with a high temporal resolution, but only in rodents. In this thesis, it is demonstrated that with a fast camera and a short-time Fourier transform analysis of the Doppler broadening, LDH can image blood flow changes in the human retina during cardiac cycles with a resolution of a few milliseconds. LDH is able to measure distinct systolodiastolic variations in retinal arteries and veins, and can be used for a full field mapping of the local resistivity index that allows unambiguous identification of retinal arteries and veins. LDH can also be used to reveal the choroid with a contrast quality similar to that of state of art instruments based on indocyanin-green angiography and optical coherence tomography, but unlike these methods LDH additionally provides a quantitative blood flow contrast. This ability was used to bring to light large differences of blood flow between choroidal arteries and veins, which is a feature that can be exploited to perform another arteriovenous differentiation appropriate for choroidal vessels. The higher Doppler frequency shifts of light scattered in choroidal arteries allows LDH to be especially efficient to reveal them, in some cases from their formation at short posterior ciliary arteries all the way to the arterioles branching. Overall, the unmatched temporal resolution with which LDH is able to measure blood flow and the new insight it provides into the choroid are especially full of promise for further clinical applications.

Résumé: Au cours de cette thèse nous nous sommes intéressés à l’interaction de la lumière avec l’environnement aux échelles nanométriques. Les candidats idéaux pour sonder cette interaction en nanophotonique sont les émetteurs fluorescents car leurs propriétés d’émission sont fortement dépendantes de l’environnement qui les entoure. Le taux d’émission spontanée de ces émetteurs donne notamment unemesure directe de la densité d’états électromagnétiques et constitue à ce titre le paramètre le plus adéquat pour rendre compte de ces interactions. Cette thèse est organisée en deux parties. La première porte sur le développement et l’utilisation d’une technique de microscopie super-résolue en champ large du taux de désexcitation de molécules uniques. Cette technique se base sur la mesure simultanée du taux de désexcitation de chaque molécule par une matrice linéaire de détecteurs de photons uniques et de leur position par une caméra amplifiée. Les résultats expérimentaux obtenus en champ proche d’un nanofil d’argent ont été analysés et comparés à des simulations numériques. Grâce à cette analyse, l’effet de mirage plasmonique induit par le nanofil a pu être mis en évidence. De plus, en effectuant une sélection sur le taux d’émission spontanée mesuré pour chaque molécule et la taille de la tache de diffraction correspondante, il a été possible de déduire l’orientation du moment dipolaire des molécules et leur position réelle sur l’échantillon. La seconde partie de cette thèse a été consacrée à l’étude de guides d’ondes optiques nanostructurés. En particulier, l’influence d’une nanofibre en silice sur la distribution d’un champ optique généré par un faisceau laser collimaté a été mise en évidence expérimentalement grâce à une sonde fluorescente à balayage. Les données recueillies sont en très bon accord avec des simulations basées sur la théorie de Mie. De plus, une structure de guide d’onded hybride diélectrique/plasmonique a été étudiée. Cette structure a pour objectif d’optimiser le couplage de la fluorescence d’un émetteur fluorescent dans un guide d’onde optique diélectrique par l’intermédiaire d’une antenne plasmonique. Des simulations ont permis d’aboutir à un design ainsi qu’à la réalisation d’un premier échantillon. Une approche expérimentale est également proposée pour la caractérisation de ce dispositif optique.

Résumé: Considering the extent of neurodegenerative diseases consequences on the society, focused ultrasound appears as a promising technique combining non-invasiveness, millimetric spatial accuracy and ability to reach deep brain structures. However, efforts still need to be made to amplify the effects of focused ultrasound neuromodulation, understand its mechanism and control the safety of the technique before moving towards human trials.The ultrasound propagation inside the brain of rodents and monkeys was first studied numerically to estimate the maximum intensity in the brain, the pressure distribution in the skull cavity and the thermal rise. To evaluate physiologically the ultrasound effects at the cellular level, the activity of individual neurons was measured on awake macaques during ultrasonic neuromodulation. To further increase the duration of the modulation, a longer sonication was tested successfully on macaques performing a visual task. Functional MRI was then used to highlight the connectivity changes between the stimulated area and distant cerebral regions. Finally, the advantages of ultrasound neurostimulation were combined with the efficiency of a neuroactive agent (GABA). Using microbubbles and ultrasound, the blood brain barrier was opened locally and reversibly in the visual cortex of anesthetized macaques to deliver an inhibitory neurotransmitter in the brain. The amplitude of the EEG response of the visual cortex to stimuli decreased after GABA injection, demonstrating the feasibility of delivering neuroactive drugs non-invasively and locally to any brain region.Overall, ultrasound parameters were optimized with both numerical tools and in vivo experiments to amplify neuromodulation effects while controlling the safety. This work opens the way to the development of novel therapeutic applications and new tools for connectivity studies

Résumé: Le brownout est un nuage de sable soulevé par le souffle du rotor de l'hélicoptère en milieu désertique. Ce nuage peut être épais de plusieurs dizaines de mètres et atténue, voire annule, la visibilité du pilote. Une solution est d'embarquer sur l'aéronef un système d'imagerie qui permettrait de visualiser la zone d'atterrissage à travers ce nuage de sable. Un tel système doit présenter des propriétés particulières. L'onde doit pouvoir pénétrer à travers le milieu diffusant et apporter une résolution suffisante pour détecter des obstacles. Le système doit aussi être compact et fonctionner en temps réel.La bande sub-terahertz semble la plus appropriée car elle répond a priori à tous ces critères. A notre connaissance, aucune étude théorique complète évalue les performances d'un imageur sub-térahertz en condition de brownout.De plus, certaines évaluations expérimentales réalisées jusqu'à aujourd'hui semblent incohérentes entre elles.Nous proposons donc un modèle complet, que nous avons confronté avec succès avec une simulation Monte Carlo, pour évaluer les performances d'un tel imageur. Dans un second temps, nous présentons une expérience originale de mesure d'atténuation simultanée dans le térahertz et le visible par une suspension de sable. L'efficacité d'extinction dans la bande THz peut directement être extraite de ces mesures simultanées. Nous pouvons aussi déduire la densité des particules en suspension ainsi que l'indice de réfraction des particules dans le THz.

Résumé: Mes travaux de thèse portent sur l’application de l’imagerie fUS (functional ultrasound imaging) à l’imagerie cérébrale préclinique chez le petit animal. Le but était de transformer cette technique d’imagerie cérébrale récente en un véritable outil de quantification de l’état cérébral. Les objectifs principaux ont été de démontrer la faisabilité de l’imagerie fUS chez le petit animal non anesthésié ainsi que de passer du modèle rat au modèle souris - modèle de choix en imagerie préclinique en neurosciences - de surcroît de façon non invasive. J’ai tout d’abord mis au point une nouvelle séquence d’imagerie ultrasonore ultrarapide (Multiplane Wave imaging), permettant d’améliorer le rapport signal-à-bruit des images grâce à l’augmentation virtuelle de l’amplitude du signal émis, sans diminuer la cadence ultrarapide d’acquisition. Dans un deuxième temps j’ai démontré la possibilité d’imager le cerveau de la souris et du jeune rat anesthésiés par échographie Doppler ultrarapide, de manière transcrânienne et complètement non invasive, sans chirurgie ni injection d’agents de contraste. J’ai ensuite mis au point un montage expérimental, une séquence ultrasonore et un protocole expérimental permettant de réaliser de l’imagerie fUS de manière minimalement invasive chez des souris éveillées et libres de leurs mouvements. Enfin, j’ai démontré la possibilité d’utiliser le fUS pour étudier la connectivité fonctionnelle du cerveau au repos (sans stimulus) chez des souris éveillées ou sédatées. L’imagerie fUS et la combinaison « modèle souris » + « minimalement invasif » + « animal éveillé » + « connectivité fonctionnelle » constituent un outil précieux pour la communauté des neuroscientifiques travaillant sur des modèles animaux pathologiques ou de nouvelles molécules pharmacologiques

Résumé: Medical imaging is a crucial tool for medical diagnosis. Current imaging techniques such as magnetic resonance imaging or ultrasound scans are efficient and sensitive. However, to detect some pathologies such as early tumours, other methods are needed. Since those tumours strongly absorb light, optical methods would be suited to detect them but in biological tissues light is highly scattered. This restricts the imaging depth of classical optical techniques to a few millimetres in such media. Acousto-optic imaging is a technique that couples light and ultrasound to obtain optical images deep inside scattering samples. As the ultrasound propagates in the sample, it modulates light and creates tagged photons. The number of these tagged photons is proportional to the local light fluence at the focus of the ultrasound. This method can thus map the light fluence up to a few centimetres deep inside scattering media by scanning the ultrasound. The critical step is the detection of these photons and several approaches can be used such as ultranarrow band filtering or self-adaptive interferometry. In this thesis we present an acousto-optic setup using photorefractive crystals to perform selfadaptive wave-front holography for the detection of tagged photons. Several crystals can be used and we present here an experimental characterisation of two crystals: SPS and ZnTe. The imaging setup was also improved to function in a reflection configuration, with source and detector on the same side of the imaged phantom and some experimental results are presented in this manuscript. We also propose to combine this experiment with a model-based reconstruction algorithm to reconstruct maps of the absorption coefficient from experimental data in the pursuit of quantitative acousto-optic imaging.

Résumé: La tomographie de cohérence optique plein champ est une technique de microscopie permettant d’imager un plan d’intérêt en profondeur dans un milieu diffusant. Cette technique a été utilisée pour l’examen de pièces opératoires dans un but de diagnostic en cancérologie. L’utilisation de cette technique permettrait en effet de fournir un outil de diagnostic peropératoire rapide et fiable, évitant ainsi de nombreuses procédures de réopération. Ces réopérations peuvent survenir lorsque – lors du diagnostic final par analyse de coupes histologiques – le pathologiste décèle la présence de tissus cancéreux restant, non retirés au cours de l’opération.L’OCT plein champ a montré de bons résultats pour cette application. Néanmoins, cette technique ne fournit qu’un contraste morphologique des tissus, ne permettant pas d’utiliser des critères de qualification des pièces opératoires basées – par exemple – sur la morphologie ou la densité cellulaire.Nous avons développé une nouvelle modalité d’imagerie basée sur l’OCT plein champ permettant de révéler un contraste métabolique dans le tissu à une échelle subcellulaire. Ce contraste permet de révéler les cellules précédemment non distinguées en OCT plein champ. Nous avons également utilisé la mesure quantitative de cette modalité pour réaliser des outils d’aide au diagnostic utilisant des approches d’apprentissage par ordinateur.

Résumé: Ces travaux de thèse portent sur les récents progrès de l’imagerie fonctionnelle par ultrasons et ses nouvelles applications en ophtalmologie. Dans le cadre d’un projet mêlant physique des ondes, imagerie, neurosciences et ophtalmologie, nous avons appliqué cette technologie à l’imagerie du système visuel et à l’étude préclinique de thérapies le ciblant. Au cours de ce projet, nous avons accompagné nos études précliniques de progrès constants dans notre imagerie.Un dispositif permettant l’imagerie du cerveau en 3 dimensions a été conçu. Cette imagerie a été réalisée en temps réel, ou à une fréquence ultrasonore de 30 MHz grâce au procédé d’entrelacement. Grâce à une connaissance a priori de l’architecture vasculaire cérébrale et de l’effet Doppler, il est possible de réaliser une décomposition spectrale des écoulements sanguins cérébraux selon leurs vitesses et de leurs orientations.Ceci a permis une étude des fonctions visuelles du rat et du primate non-humain. Nous avons imagé la rétine du primate en Doppler de puissance, mais sa forte mobilité en fait un organe délicat à imager en imagerie fonctionnelle. En revanche, nous avons réalisé une imagerie fonctionnelle de la rétine de rat à 30 MHz. Nous avons caractérisé en détail le système visuel cérébral de ce rongeur. Nous avons mis en évidence ses principales structures et redémontré leurs caractéristiques les plus connues, comme leur organisation rétinotopique ou leur différence de temps de réponse neurovasculaire à un stimulus. Des animaux traités par des thérapies de restauration visuelle a été imagée. La première imagerie de primates non-humains anesthésiés puis éveillés et exécutant une tâche comportementale, et la détection de variations de flux sanguins dues à des erreurs uniques ont été réalisées. Enfin, une étude préclinique aiguë et une étude chronique de traitements ayant des effets neurovasculaires ont été menées grâce au suivi du flux sanguin par nos procédés.

Résumé: Le but de cette thèse est d'étudier la propagation des ondes ultrasonores dans les milieux présentant des diffuseurs allongés, et plus particulièrement les alliages de titane comportant des macrozones. Cette étude est menée à l'aide d'un dispositif expérimental constitué d'un transducteur multi-éléments linéaire en rotation autour de son axe, piloté par une électronique multivoie programmable. Le champ rétrodiffusé par un milieu à diffuseurs allongés présente une cohérence spatiale anisotrope et nous montrons que l'intensité rétrodiffusée par un tel milieu dépend de l'orientation du transducteur dans le plan perpendiculaire à la direction d'insonification. Cette dépendance permet de déterminer la direction d'élongation des macrozones, leur taille caractéristique, et de réduire le bruit de structure lors d'un contrôle ultrasonore. Une cartographie en trois dimensions de la direction locale des macrozones est ainsi réalisable en employant deux faisceaux ultrasonores focalisés en un même point selon deux directions différentes. Afin de déterminer le régime de diffusion aux fréquences usuelles de contrôle, nous avons développé, à partir des travaux de thèse d'Alexandre Aubry (UPMC 2008), un indicateur du niveau de diffusion multiple : l'estimateur de la proportion de diffusion simple. Il permet de démontrer que la diffusion multiple est importante dans les alliages de TA6V et Ti17. Nous avons de plus étendu cette méthode au cas d'interfaces eau/solide complexes suffisamment régulières. Enfin, nous proposons une nouvelle visualisation des résultats de simulations de forge permettant d'observer la direction réelle des macrozones et de mieux concevoir les plans de contrôle.

Résumé: Le retournement temporel (RT) est une méthode qui permet de faire revivre à une onde sa vie passée et de la faire ainsi reconverger sur la source qui lui a donné naissance. Au cours de cette thèse, nous avons étudié – expérimentalement et numériquement – le RT des ondes ultrasonores dans des milieux granulaires. En se propageant de grains en grains, les ondes ultrasonores fournissent une sonde unique du réseau hétérogène 3D des contacts. Pour des ondes se propageant en régime de diffusion multiple, nous montrons que la focalisation est globalement robuste mais toutefois sensible à des mouvements des grains à des échelles spatiales bien plus fines que la longueur d’onde. À cet égard, la propagation d’une onde ultrasonore à travers le réseau discret et métastable des contacts entre grains apparaît comme une situation intermédiaire entre l’instabilité du mouvement d’une particule dans un gaz de Lorentz et la propagation d’une onde ultrasonore dans une matrice homogène remplie d’obstacles diffusants. Lorsque l’amplitude de la source augmente, nous entrons dans un régime nonlinéaire où l’onde elle-même provoque des réarrangements du milieu, ce qui conduit à la dégradation de la focalisation obtenue par retournement temporel de ladite onde. Celle-ci n’agit alors plus seulement comme une sonde, mais aussi comme une « pompe ». Enfin, nous montrons que le RT d’une onde de faible amplitude, mais allongée dans le temps par la diffusion multiple, peut être utilisé pour focaliser une onde de grande amplitude en un point du milieu et y déclencher ainsi de façon contrôlée des réarrangements irréversibles du réseau des contacts. L’ensemble de ces résultats est supporté par un modèle numérique vectoriel fondé sur un système masses-ressorts percolé bidimensionnel.

Résumé: The objective of this thesis was to explore new applications for cardiac histotripsy, and to develop the tools making it possible non-invasively. Cardiac ultrasound therapy indeed still remains limited due to the tremendous challenge of treating a constantly and rapidly moving organ, well protected behind the ribcage.We first showed in vivo, on a large animal model, that histotripsy could be used non-invasively to cut mitral chordae, and to treat calcified aortic stenosis in a beating heart. Cavitation on the valve leaflets can indeed locally and remotely act on the calcifications, and globally soften the valve. Simultaneously, we developed a therapeutic device allowing completely non-invasive cardiac shock-wave therapy based on the time reversal cavity concept. In particular, this device allows the emission of high intensity ultrasound pulses, and provides 3D electronical steering of the therapy focal spot in a large volume. After a thorough optimisation process, this device was capable of creating well controlled mechanical lesions over a 2 000 cm3 region of interest. To tackle the challenge of ultrasound propagation through the rib cage, we developed an adaptive focusing method (DORT method through a time reversal cavity), and implemented it in a 2D prototype of the device. With this method, we not only could build an adaptive ultrasonic wavefront propagating preferentially through the intercostal spaces, but due to time reversal cavities properties, we could also increase the peak pressure obtained on target.Finally, we pushed our work on adaptive focusing further, and considered the case of transcranial imaging. For this application, we chose to use the time reversal of speckle noise technique, to correct the aberrations induced by the skull. In numerical simulations, we were able to derive the phase and amplitude modulations induced by the bones, and could improve the contrast and resolution of a B-mode image.

Résumé: L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est le développement d'un système d'imagerie ultrasonore fonctionnant dans l'air pour la mesure sans contact des mouvements vibratoires en surface du corps humain. L'étude des vibrations en surface de la peau ouvre plusieurs champs d'application. L'observation de la vitesse d'une onde de surface sur la peau à partir du film de propagation permet de caractériser l'élasticité de la couche superficielle ainsi que ses hétérogénéités. A partir de cette analyse, il est possible de détecter des objets cachés sur ou sous la peau, dans un objectif de sécurité. Une seconde application est l'observation des vibrations de surface engendrées par le battement cardiaque, la respiration et l'onde de pouls. La réalisation d'un premier dispositif monovoie a permis la mesure locale de vibrations de l'ordre de la dizaine de microns. A partir de ces premiers travaux, nous avons construit un imageur ultrasonore 2D dans l'air à haute cadence d'imagerie. Il est constitué d'un réseau carré de 256 microphones et de 12 émetteurs. La principale nouveauté de notre approche repose sur l'imagerie d'une surface spéculaire. En effet, la rugosité de la peau est négligeable comparée aux longueurs d'onde de travail, de l'ordre du centimètre pour limiter l'atténuation dans l'air. Pour répondre à cette contrainte, l'imagerie est réalisée à partir de la formation de voies émission/réception par synthèse d'ouverture en utilisant une émission séquentielle d'ondes sphériques. Après caractérisation du système, nous avons imagé la propagation d'une onde de surface sur un fantôme mimant le corps humain et l'interférence de cette onde avec un objet étranger. Une seconde version de l'imageur 2D, constituée de 36 émetteurs, a permis la mesure de la déformation du thorax lors du battement cardiaque ainsi que la propagation de l'onde de pouls au niveau de la carotide.

Résumé: The objective of this thesis was to explore the potential of human brain ultrasound imaging. Anatomy, blood flow and soft tissue stiffness have already been studied with ultrafast ultrasound imaging in humans and validated in several organs, such as, the breast and liver but not yet on the adult brain. The main limitation of transcranial ultrasound imaging is today the very strong skull-induced aberration artefact. Indeed, the bone, due to its composition, does not allow for ultrasound propagation as elsewhere in the human body. Therefore, this thesis was focused on the development of ultrafast ultrasound imaging for the evaluation of soft tissue stiffness and neurofunctional imaging in the adult human brain, during brain surgery to bypass the problem of skull aberration, and on an aberration correction technique for transcranial ultrasound imaging.We first provided several evidence of the benefit of using shear wave elastography during brain surgery. We also presented our new technique for 3D shear wave elastography using a matrix array in order to be able to overcome the limitations of 2D imaging and in particular to reduce the operator dependence.In a second phase, we demonstrated the capability of ultrasound to identify, map and differentiate in depth cortical regions of activation in response to a stimulus, both in awake patients and in anaesthetized patients. We have demonstrated that ultrasound neurofunctional imaging has the potential to become a comprehensive modality of neuroimaging with major benefits for intraoperative use. In a third part, we developed a new sound speed estimation (SSE) technique, based on a three-step technique that estimates the sound speed accurately corresponding to the illuminated medium. This technique was tested in ultrasound phantoms and in vivo in patient’s liver. In both cases, our method was able to find the sound speed corresponding to the medium. We demonstrated that SSE was related to the fat fraction. This analysis led to the conclusion that SSE was able to distinguish a healthy liver from a diseased liver with both biopsy and MRI as gold standard. Combined with the use of the Wood’s formula, we were even able to access a fat fraction measured by non-invasive ultrasound. Finally, by combining the phase, the amplitude and the sound speed estimation, we have developed a new aberration correction algorithm to perform transcranial ultrasound imaging. By performing numerical simulations, we obtained images that faithfully represented the medium (lateral position and depth) and characterized by one resolution and one contrast similar to those obtained with a punctual source in the medium

Résumé: Light focusing is a crucial requirement for high resolution optical imaging. In biological tissue though, refractive index inhomogeneities scatter light, preventing any focusing beyond one millimeter. Wavefront shaping techniques have been recently developed to partially compensate for light scattering after propagation through a scattering medium. These techniques require a measurement of the light intensity at the target point. These techniques hold much promise for performing wavefront correction in order to focus light deep inside scattering media. This would require a non-invasive measure of the light intensity at depth. In this PhD study, we propose to use the photoacoustic effect for such task. An optically absorbing structure under pulsed illumination indeed generates ultrasonic waves, whose amplitude is proportional to the absorbed light intensity. These ultrasounds mostly propagate in a ballistic way, and can therefore be detected with an external transducer. We have shown that photoacoustic imaging could be used to measure the transmission matrix of a scattering sample, enabling to focus light on absorbing structures as well as to retrieve mesoscopic properties of the medium. We have shown that the broadband spectral content of the photoacoustic signals can be harnessed to improve the focusing performances. Finally, we demonstrated that coherent illumination could be used to remove fundamentals artefacts, as well as to break the acoustic resolution limit of conventional deep tissue photoacoustic imaging.

Résumé: Dans cette thèse, différents aspects de la propagation de lumière en milieux hétérogènes sont abordés. Dans un premier temps, les concepts et les outils fondamentaux de la propagation des ondes en milieux désordonnés sont rappelés.Ensuite, le régime de localisation d'Anderson est abordé pour des systèmes bidimensionnels ouverts. La localisation est mise en évidence de manière simple à partir du calcul de la figure de speckle transmis par une réalisation unique du désordre et en faisant varier les conditions d'illumination. Les régimes localisé et diffusif sont alors nettement différenciés, permettant d'introduire un nouveau critère pour la localisation.Puis, un régime dilué dans lequel les corrélations du désordre jouent un rôle important est étudié. En particulier, l'étude se concentre sur les milieux hyperuniformes, qui permettent de montrer de manière spectaculaire comment les corrélations peuvent changer les propriétés de diffusion d'un milieu jusqu'à le rendre totalement transparent. L'influence des corrélations du désordre sur le coefficient d'absorption d'un milieu désordonné est également envisagée, elle s'avère être modérée.La dernière partie s'intéresse aux fluctuations du taux d'émission d'un émetteur de type molécule fluorescente enfoui dans un milieu désordonné en fonction de sa position. Cette corrélation spatiale d'un nouveau genre permet d'obtenir de manière découplée des informations sur les détails microscopiques du milieu (corrélations) et l'environnement local de la source.

Résumé: Biological tissues are very strong light-scattering media. As a consequence, current medical imaging devices do not allow deep optical imaging unless invasive techniques are used. Acousto-optic (AO) imaging is a light-ultrasound coupling technique that takes advantage of the ballistic propagation of ultrasound in biological tissues to access optical contrast with a millimeter resolution. Coupled to commercial ultrasound (US) scanners, it could add useful information to increase US specificity. Thanks to photorefractive crystals, a bimodal AO/US imaging setup based on wave-front adaptive holography was developed and recently showed promising ex vivo results. In this thesis, the very first ones of them are described such as melanoma metastases in liver samples that were detected through AO imaging despite acoustical contrast was not significant. These results highlighted two major difficulties regarding in vivo imaging that have to be addressed before any clinical applications can be thought of.The first one concerns current AO sequences that take several tens of seconds to form an image, far too slow for clinical imaging. The second issue concerns in vivo speckle decorrelation that occurs over less than 1 ms, too fast for photorefractive crystals. In this thesis, I present a new US sequence that allows increasing the framerate of at least one order of magnitude and an alternative light detection scheme based on spectral holeburning in rare-earth doped crystals that allows overcoming speckle decorrelation as first steps toward in vivo imaging.

Résumé: Lorsqu’elle est excitée par une onde ultrasonore, une bulle d’air oscille. Les mouvements de l’interface eau-air entrainent un déplacement local du fluide hôte qui devient le siège de la propagation d’une onde diffusée. Ce mécanisme très simple est fidèlement décrit par le formalisme de Rayleigh-Plesset datant du début du siècle dernier. À basse fréquence, au voisinage de la résonance de Minnaert, les oscillations de la bulle peuvent devenir particulièrement amples et la diffusion extrêmement efficace. Dans un environnement réaliste, les bulles sont présentes en grand nombre et la description se complique sensiblement puisque la propagation résulte de l’interférence entre une infinité de séquences de diffusion. Au cours de cette thèse, nous introduirons les modèles de milieux effectifs qui permettent de prédire le comportement de fluides bulleux désordonnés. Après avoir été confrontées aux résultats issus de la simulation numérique, ces théories effectives nous permettront de concevoir des matériaux désordonnés aux propriétés étonnantes comme la superfocalisation ou la réfraction négative. Nous envisagerons également l’étude d’arrangements cristallins et verrons que la périodicité induit des modifications sensibles dans le comportement du milieu tout en constituant un levier de contrôle efficace. Enfin, la bulle est susceptible de se mouvoir et, par conséquent, de ressentir des forces de pression de radiation. En particulier, Nous verrons comment la force de Bjerknes secondaire, issue du champ diffusé par une bulle vers l’une de ses voisines, peut être exploitée afin de manipuler une ou plusieurs bulles mobiles au voisinage d’une ou plusieurs bulles piégées.

Résumé: Nous montrons comment des dimères de nanoparticules d'or, assemblés sur un brin d'ADN unique présentant un site de reconnaissance spécifique, fournissent une réponse optique macroscopique dépendant de leur environnement chimiqueLa séparation électrophorétique nous permet de préparer des suspensions purifiées de dimères de nanoparticules d'or de diamètre allant de 8 à 60 nm, et possédant différentes chimies de surface, avec une pureté pouvant atteindre 90%. L'échafaudage d'ADN contient une structure tige-boucle permettant de modifier réversiblement la structure du dimère en présence d'un brin d'ADN cible. Les distances interparticules (D), estimées en TEM cryogénique, peuvent varier de façon réversible jusqu'à un facteur 3 pour des sphères d'or de 8 nm de diamètre.Afin de traduire le changement conformationnel de l'échafaudage d'ADN en un signal optique mesurable, nous mesurons les spectres de diffusion de dimères uniques de nanoparticules d'or de 40 ou 60 nm de diamètre, en chambre microfluidique.Nous avons pu, en augmentant la concentration saline locale, diminuer progressivement D à l'échelle nanométrique, de 20 à 1 nm, ce qui se traduit par un décalage spectral de la résonance vers le rouge. La bonne corrélation entre les réponses spectrales de dimères uniques, estimées avec un spectromètre ou une caméra CCD couleur, nous permet de démontrer une méthode de détection en champ large et à bas coût, de la déformation nanométrique de ces nanostructures. L'utilisation de ligands amphiphiles nous a permis d'optimiser la stabilité colloïdale des dimères de particules d'or pour minimiser leur sensibilité à la force ionique locale et aux changements de température.

Résumé: Depuis une dizaine d’années, des techniques de codage joint, exploitant les relations et les redondances entre canaux audios, ont été développées afin de réduire davantage la quantité d’information nécessaire à la représentation des signaux multicanaux. Dans cette thèse, nous étudions plus particulièrement le codage des signaux audio stéréo en l’absence d’informations à priori sur la nature des sources en présences, leur nombre et la manière dont elles sont spatialisées. Cette situation correspond à l’immense majorité des enregistrements commerciaux dans l’industrie de la musique et du multimédia de manière générale. Nous étudions des approches paramétrique et signal de la problématique de codage de ces sources, où les deux sont souvent mêlées. Dans ce contexte, trois types d’approches sont utilisés. L’approche paramétrique spatiale consiste à réduire le nombre de canaux audio de la source à coder et à recréer le nombre de canaux d’origine à partir des canaux réduits et de paramètres spatiaux, extraits des canaux d’origine. L’approche signal conserve le nombre de canaux d’origine, mais encode des canaux construits à partir de ces derniers et présentant moins de redondances. Enfin, l’approche mixte introduite dans MPEG USAC utilise un signal audio et un signal résiduel, issu d’une prédiction, et dont les paramètres sont codés conjointement. Dans cette thèse, nous analysons tout d’abord les caractéristiques d’un signal stéréo issu d’un enregistrement commercial et les techniques de production associées. Cette étude nous mène à une réflexion sur les rapports entre les modèles paramétriques d’émetteur, obtenus en analysant les techniques de production des enregistrements commerciaux, et les modèles de récepteur qui sont au coeur du codage spatial paramétrique. A partir de cette mise en perspective nous présentons et étudions les trois approches évoquées plus haut. Pour l’approche purement paramétrique, nous montrons l’impossibilité d’arriver à la transparence pour la majorité des sources audios, nous menons une réflexion sur les représentations paramétriques et proposons des techniques afin de réduire le débit de leurs paramètres et d’améliorer la qualité audio. Ces améliorations passent par une meilleur segmentation du signal audio, basée sur les transitoires, sur des caractéristiques perceptives de certains indices spatiaux et sur une meilleur estimation des indices spatiaux. L’approche mixte étant récemment standardisée dans MPEG USAC, nous l’étudions en détail, puis nous proposons une nouvelle technique de codage qui exploite au mieux l’allocation du résidu aux bandes fréquentielles, lorsque celui-ci n’est pas utilisé sur l’ensemble de la bande passante du signal. Enfin, nous concluons en évoquant l’avenir du codage audio spatial généraliste et mettons l’accent sur l’importance de développer des techniques de classification et de segmentation audio pour optimiser le rapport qualité/débit.

Résumé: Parmi les diverses méthodes d’imagerie médicales, les méthodes d’imagerie optique connaissent depuis une vingtaine d’années un développement significatif. Parmi les techniques d’imagerie optique récemment mises en œuvre, la Tomographie Optique Cohérente Plein Champ – ou OCT Plein Champ – présente des caractéristiques remarquables, en particulier en termes de résolution et de simplicité instrumentale, permettant d’envisager son application au domaine du diagnostic du cancer. Cette thèse décrit la conception et la mise en œuvre de dispositifs d’OCT Plein Champ pour utilisation en contexte clinique, afin d’évaluer la performance de la technique pour le diagnostic peropératoire du cancer, en vue de son amélioration et optimisation. Dans cet objectif nous avons réalisé des travaux regroupés en 2 axes : Une partie translationnelle, consistant à développer un dispositif de microscopie optique par OCT Plein Champ répondant au besoin clinique pour le diagnostic peropératoire du cancer sur biopsies, en vue de l’évaluation de ses performances de diagnostic sur plusieurs problématiques cliniques : le diagnostic peropératoire du tissu mammaire, de résection de cerveau, ainsi que la qualification préopératoire de greffons cornéens. Une partie exploratoire, principalement instrumentale, dédiée à l’amélioration des performances de diagnostic de la technique, proposant de nouvelles approches multimodales (contraste de fluorescence, contraste dynamique) et multi-échelles, ou encore la déclinaison du dispositif sous la forme d’un endoscope rigide portable utilisable en contexte clinique.

Résumé: Ces travaux de thèse expérimentaux portent sur la propagation linéaire et non linéaire d'ultrasons en milieux aléatoires fortement hétérogènes. En régime non linéaire, nous étudions la transmission cohérente d'une onde de choc à travers deux milieux aléatoires hétérogènes modèles : une forêt de tiges métalliques immergées dans l'eau, et un gel bulleux. L'expérience montre que les effets de la non linéarité et de la diffusion multiple y sont découplés. Nous exploitons alors l'étendue spectrale de l'onde de choc incidente, pour mesurer l'atténuation et la vitesse de groupe de l'onde cohérente, sur un large intervalle de fréquences. En comparant nos mesures à une théorie linéaire de la diffusion, incluant des corrélations de paires entre centres diffuseurs, nous étendons son domaine de validité, et nous montrons par la même qu'une onde de choc constitue un bon outil de spectroscopie des milieux fortement hétérogènes. À l'aide du même dispositif expérimental, nous observons pour la première fois une coda ultrasonore transmise par un milieu bulleux. Dans un régime de propagation linéaire, nous exploitons la coda engendrée par la diffusion multiple pour mesurer les paramètres de transport des forêts de tiges métalliques immergées. Nous présentons des mesures impulsionnelles et résolues en fréquence de la constante de diffusion des ultrasons dans ces milieux. Ces dernières montrent tout l'intérêt d'étudier la coda, qui fournit des mesures mieux résolues que l'onde cohérente. Enfin, nous présentons les premières mesures résolues en fréquence de la vitesse de transport pour ces milieux modèles. Avec ces mesures, nous disposons maintenant d'un milieu hétérogène synthétique parfaitement caractérisé en régime linéaire.

Résumé: Ce travail de thèse s'inscrit dans le domaine de l'imagerie photoacoustique en tant que modalité d'imagerie prometteuse pour la médecine. Il a consisté en l'expérimentation du guidage photoacoustique de la thérapie par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU), et en l'étude de la génération par des agents de contraste spécifiques que sont les nanoparticules d'or. Dans un premier temps lors d'expériences \textit{in vitro}, une sonde conçue à la fois pour l'imagerie photoacoustique et la thérapie ultrasonore a été utilisée pour démontrer la faisabilité du guidage photoacoustique pour traiter par HIFU une zone tissulaire cible. L'usage de la photoacoustique pour le contrôle des HIFU révèle ainsi son caractère prometteur. Dans un second temps la modélisation physique de la génération photoacoustique par des nanoparticules d'or permet de quantifier les mécanismes non-linéaires thermoélastiques impactant le signal émis. Dans le cas d'une nanosphère d'or unique, nous décrivons en fonction des paramètres du problème l'importance de la contribution de ces phénomènes non-linéaires, qui sont causés par la dépendance en température de la dilatation thermique de l'eau. Nous en tirons un ensemble de prédictions quantitatives quant à l'influence et le poids de ces non-linéarités sur le signal photoacoustique. Puis nous généralisons ces résultats théoriques à une collection de nanosphères d'or, et les confrontons à nos résultats expérimentaux. Nous mettons ainsi en évidence une nouvelle forme prometteuse de contraste en imagerie photoacoustique: le contraste de non-linéarité thermoélastique.

Résumé: Light propagation in matter is described by vibration eigenstates, called modes, which characterize the light-matter interaction. In the specific case of random media, according to the strength of the disorder, the modes can be either extended over the whole system or spatially localized. This disorder-based confinement is called Anderson’s localization. In the first part, we introduce basic notions used along this manuscript. In particular the light-matter interaction requires a semiclassical approach: The electromagnetic field is described by Maxwell’s equations while the quantum nature of matter must be considered. In this thesis open media are studied. In such systems the modal description requires a specific analytic treatment different from closed problems. In the second part, we focus on Anderson-localized modes in open passive random media. Any change of the disorder induces modifications of modes. Therefore, it enables the control over the light properties. Moreover, when inserting an emitter inside an Anderson-localized mode, strong light-matter interaction regimes can be reached. In the third part, active random media, commonly called random lasers, are introduced. Using our experimental achievements, characteristics of random lasers are presented. The notion of mode enables us to describe complex mechanisms involved in the lasing emission. Last, we demonstrate both experimentally and numerically that a non-uniform excitation of random lasers can lead to a control of the properties of the emission. In particular a multimode spectrum for a uniform pumping can be turned into single-mode using an adapted pumping.

Résumé: Le contrôle de la propagation des ondes électromagnétiques et acoustiques s’est largement développé ces dernières années par l’utilisation de milieux complexes tels que les cristaux photoniques ou phononiques et les métamatériaux. Ces travaux de thèse concernent l’application de ces milieux complexes au contrôle des ondes de flexion dans les plaques fines. Cette étude est une première étape vers la généralisation à l’élastodynamique du contrôle des ondes dans les milieux solides structurés. La première étude concerne la focalisation des ondes de flexion par réfraction négative à l’aide d’un réseau de trous circulaires. L’aspect dynamique du phénomène de réfraction négative est exploré et permet la focalisation des ondes de flexion en dessous de la limite de diffraction. L’introduction du trou « borgne » ou trou non traversant comme résonateur pour les ondes de flexion permet la conception d’un métamatériau à indice de réfraction négatif. Un arrangement désordonné de ce résonateur permet également l’étude de la diffusion multiple des ondes de flexion et du phénomène de localisation d’Anderson. La suite du manuscrit présente l’étude de phénomènes ondulatoires originaux construits par analogie avec d’autres types d’ondes. On abordera la fabrication d’une lentille « Maxwell fisheye », ce système issu du domaine de l’optique de transformation est transposé aux ondes de flexion par la modulation de l’épaisseur d’une plaque. Nous verrons également que la propagation dispersive des ondes de flexion dans une plaque carrée à bords rigides nous permet de démontrer la reconstruction périodique d’une impulsion brève, également connu sous le nom d’effet « revival », initialement observé en mécanique quantique.

Résumé: Comprendre la propagation ultrasonore dans une structure poreuse, hétérogène et anisotrope telle que l’os trabéculaire est un vrai défi théorique. La théorie de Biot permet d’expliquer la présence et la vitesse des deux ondes longitudinales observées expérimentalement sous certaines conditions. En revanche, ne rendant pas compte des phénomènes de diffusion multiple, elle échoue a en prédire l’atténuation. Les théories de diffusion multiple sont une alternative, mais sont difficilement applicables à une structure si complexe. Des simulations numériques ont donc été menées dans des milieux constitués d’ellipsoïdes solides distribués aléatoirement dans un fluide, semblables à l’os trabéculaire, mais simplifiés et contrôlés. Cela a permis de mieux comprendre l’influence de quelques paramètres (porosité, anisotropie, …) sur l’apparition des deux ondes. Nos résultats suggèrent que l’onde rapide serait guidée par les travées osseuses, tandis que l’onde lente se propagerait essentiellement dans le fluide. Par ailleurs, la théorie de Biot a pu être appliquée pour la première fois sans aucun ajustement de paramètre. Nous avons au passage montré que le calcul semi-analytique du champ diffusé par des cylindres elliptiques de grand rapport d’aspect était très instable numériquement, mais que ce problème pouvait être atténué en effectuant les calculs en précision arbitraire. Expérimentalement enfin, grâce à l’impression 3D, nous avons pu répliquer un échantillon d’os trabéculaire de cheval à l’échelle. En augmentant artificiellement l’anisotropie avant l’impression, pour la première fois avec un échantillon synthétique d’os trabéculaire, nous avons observé deux ondes longitudinales.

Résumé: À l'échelle macroscopique, les ondes et les particules sont des objets distincts. La découverte d'objets appelés marcheurs, constitués d'une goutte rebondissant sur un bain liquide vibré verticalement, a montré qu'il n'en était rien. La goutte est autopropulsée, guidée sur la surface du liquide par l'onde qu'elle a elle-même créée lors des rebonds précédents. Ces objets possèdent une dynamique originale dominée par le concept de mémoire de chemin. La structure du champ d'onde qui guide la goutte dépend, en effet, de la position des rebonds passés disposés le long de la trajectoire. La profondeur de cette mémoire peut, de plus, être contrôlée expérimentalement en changeant l'accélération du bain. De nombreuses réalisations expérimentales ont mis en évidence les comportements dynamiques singuliers de ces systèmes couplés goutte/onde. Cette thèse répond à la nécessité d’une compréhension théorique des effets non locaux en temps introduit par la mémoire de chemin. Pour ce faire, nous étudierons l’évolution d’un marcheur numérique en potentiel harmonique bidimensionnel. Un ensemble relativement restreint de trajectoires stables est obtenu. Nous constaterons que ces dernières sont quantifiées en extension moyenne et en moment angulaire moyen. Nous analyserons comment s’imbriquent les différentes échelles de temps de la dynamique, permettant ainsi de dissocier les termes propulsifs à temps court de l’émergence de structures ondulatoires cohérentes à temps long. Nous verrons en quoi l’expression du caractère non-local d’un marcheur permet d’en révéler les symétries internes et d’assurer la convergence du système dynamique vers un jeu d’états propres de basse dimension.

Résumé: Les nanostructures d'or peuvent être utilisées comme antennes optiques : elles se couplent à un émetteur ou récepteur de photons en champ proche et amplifient l'interaction de celui-ci avec le champ lointain. Nous montrons ici comment des dimères de nanoparticules d'or assemblés autour d'un brin d'ADN fonctionnent comme des antennes aux fréquences optiques, alimentées par un émetteur quantique unique. L'électrophorèse permet d'isoler des nanoparticules de 36 nm de diamètre fonctionnalisées par un seul monobrin d'ADN de 30 ou 50 bases et, après hybridation de séquences complémentaires, de dimères de géométries contrôlées. Les fréquences de résonance de ces assemblages indiquent un décalage spectral vers le rouge pour des distances interparticules réduites ; en excellent accord avec des calculs théoriques corrélés à une étude topologique par microscopie électronique cryogénique. En alimentant ces dimères par une unique molécule d'ATTO647N, nous produisons des sources de photons uniques dont les taux d'émission spontanée sont exaltés de deux ordres de grandeur par rapport à des fluorophores isolés. Les taux de désexcitation mesurés sur plusieurs centaines de molécules uniques (isolées et en présence d'une ou deux nanoparticules d'or) coïncident quantitativement avec les exaltations estimées en théorie de Mie. Des mesures d'ensemble par spectroscopie de corrélation de fluorescence indiquent également une exaltation de plus d'un ordre de grandeur des coefficients d'extinction molaire et un gain en signal de fluorescence pour les dimères les plus courts malgré une réduction notable du rendement quantique. En modifiant fondamentalement l'environnement électromagnétique local, ces nanostructures hybrides offrent une nouvelle voie d'ingénierie des propriétés photochimiques de systèmes moléculaires.

Résumé: Dans les tissus biologiques, la diffusion multiple de la lumière est un obstacle à une imagerie optique de profondeur résolue spatialement. Alliant la localisation ultrasonore à la détection de lumière diffuse, l'imagerie acousto-optique offre une résolution millimétrique en suivant le signal des photons "marqués" décalés spectralement de la fréquence des ultrasons, issus de la zone confinée du foyer acoustique. Malgré un signal faible et difficile à séparer de la lumière simplement diffusée, plusieurs techniques de détection existent, capables de produire des images de contraste optique de bonne qualité à travers plusieurs centimètres de milieu diffusant. Testée depuis 20 ans sur des échantillons imitant les propriétés optiques des tissus, l'imagerie acousto-optique reste peu connue des médecins par manque d'application sur des pathologies réelles. La thèse présente les dernières améliorations apportées aux deux techniques de détection des photons marqués à 780 nm que sont l'holographie numérique et photoréfractive, en matière de résolution et de rapidité. De plus, nous démontrons la possibilité de pratiquer l'holographie photoréfractive sans faisceau de référence avec un cristal de BSO à 532 nm. La mise en place d'un système multimodal d'imagerie optique et acoustique, couplant le montage acousto-optique avec un échographe commercial, souligne la complémentarité des deux informations à travers des expériences menées ex vivo sur des tumeurs chez la souris ou des biopsies de foie humain contenant des métastases. Enfin, l'imagerie acousto-optique est utilisée dans le suivi de création de lésion thermique par ultrasons focalisés de grande intensité dans le blanc de poulet.

Résumé: Le développement de matériaux photoniques, et plus récemment des métamatériaux suscite aujourd'hui un véritable engouement, autant en acoustique qu'en électromagnétisme. Dans ce manuscrit, nous proposons une approche originale des milieux périodiques constitués de résonateurs sub-longueur d'ondes. Par une analyse électrodynamique de ces systèmes, nous mettons en évidence les phénomènes collectifs d'hybridation dus aux interactions électromagnétiques. Une modélisation fondée sur une approximation des résonateurs en dipôles électriques et magnétiques permet une étude analytique. D'une part, cette approche est complémentaire des modèles habituellement utilisés pour décrire l'ouverture de bandes interdites dans les milieux périodiques localement résonants. D'autre part, elle permet de quantifier les propriétés de rayonnement lorsque ces milieux sont de taille finie. Ces travaux sont appliqués à la conception d'une antenne miniature dont le diagramme de rayonnement est contrôlable en fréquence et en directivité. Un dispositif d'imagerie sub-longueur d'onde reposant sur le contrôle de modes propres localisés sur la structure a également été développé. Enfin, les propriétés d'hybridations de modes entre résonateurs demi longueur d'onde sont exploitées pour la conception d'une antenne dédiée à l'Imagerie par Résonance Magnétique. Cette antenne permet de générer et contrôler la distribution du champ magnétique radio-fréquence dans les zones à imager, ce qui s'avère être un défi majeur notamment face à la montée en champ magnétique des IRM.

Résumé: Imperfections in image formation, called aberrations, often preclude microscopes from reaching diffraction-limited resolution. Aberrations can be caused either by the microscope itself or by the sample and can be compensated for by using an active element integrated into the beam path which is functioning as a corrector. The optimal settings for this corrector need to be determined without excessive damage to the sample. In particular, for sensitive biological samples, the potential gain for signal and/or resolution needs to be weighed against sample damage. Here I present the development of a special type of optical coherence microscopy (called deep-OCM), which allows the precise determination of the average rat brain refractive index in vivo. The conclusion is that two-photon microscopy is affected by optical aberrations in this sample starting at depths around 200 µm. Deep-OCM is well suited for imaging myelinated nerve fibers. Individual fibers can be visualized in the living brain in unprecedented depths beyond 300 µm. In the second part of this thesis I describe the development and testing of an auto-focuser and auto-stigmator (called MAPFoSt) for a scanning electron microscope to ensure optimal imaging quality after switching samples or during long acquisition series. MAPFoSt determines the three focus and stigmation parameters from only two test images

Résumé: Optical coherence tomography (OCT) is now an established technique for visualizing the internal morphology of the eye. In the last decade, the aim has been to achieve similar results in highly scattering tissues. One limitation of previous studies with OCT has been the low resolution compared to the gold standard of histology. Full-field optical coherence tomography (FFOCT), a variant of OCT also based on low-coherence interferometry, generates micron-scale images over a large field of view by simply using a camera as an array detector and a tungsten-halogen light source. In this work, a compact FFOCT system has been tested under clinical conditions for imaging breast lesions up to 1 cm² as well as core-needle biopsies. A set of diagnostic criteria have been identified to differentiate benign from malignant tissues with encouraging preliminary results, nonetheless endogenous contrast enhancements are necessary. Attenuation maps were shown to be limited by the high heterogeneity of tissues within only a few micron depth. An alternative approach, based on the elastic properties of tissues, has been demonstrated to be feasible and could hold greater prospects. In addition, the penetration depth of the instrument has been improved by a minimum of a factor two with an InGaAs camera system operating in the infrared region and using silicone oil as immersion medium. Finally, three-dimensional imaging in-vivo was demonstrated during the 4 days of metamorphosis of a Drosophila melanogaster. The FFOCT system was able to record each organ growth at a depth of 80 µm with an isotropic micron resolution. This marks progress towards potential applications in developmental biology.

Résumé: Throughout this PhD thesis, a technique developed at the Institut Langevin called the Supersonic Shear Imaging (SSI) technique, capable of quantifying tissue shear elasticity in real time, was employed for the characterization of biological tissues. Pre-clinical and clinical studies were performed to evaluate the potential of the technique in the monitoring of elastic changes during cancer development and therapeutic treatment. A clinical study was performed on 23 patients presenting breast lesions who underwent chemotherapy treatment at the Institut Curie. The goal of the study was to use for the very first time, 3D-Ultrasound (3D-US) and 3D-Shear Wave Elastography (3D-SWE) during the chemotherapy treatment to estimate tumour volume and tumour global elasticity, respectively. The 3D-US estimated tumour volumes were compared with Magnetic Resonance Imaging (MRI) volume estimations and showed good correlation. The results of the study demonstrated that 3D-SWE allowed the monitoring the tumour reaction to the chemotherapy by offering accurate tumour elasticity measurements in three-dimensions throughout the study. Tumour elasticity was found to be well correlated with the 3D-US and MRI tumour volume estimations. The SSI technique was employed for the monitoring of cancerous tissues, in the frame of two pre-clinical studies performed on nude mice. One of the studies, carried out in collaboration with L'hôpital Européen Georges-Pompidou (HEGP), aimed to understand the pathology underlying stiffness. The SSI technique and US imaging were used to monitor the growth and the reaction to chemotherapy of human carcinomas implanted on mice. The results showed that for this particular tumour model, tumour volume and tumour elasticity were very well correlated. Performed histo-pathological analyses revealed that tumour elasticity also was very well correlated with tumour necrosis and fibrosis. The second pre-clinical study, performed in collaboration with the faculty of Pharmacy of L'Universite Paris V Descartes, intended to evaluate the feasibility of using tissue elasticity to assess the effectiveness of an anti-vascular treatment on a particular type of human colon carcinoma implanted in mice. The results did not show a clear elasticity tendency associated to the treatment. In order to study new additional mechanical parameters (apart from tissue elasticity) which allow a better tissue characterization, a method combining quasi-static axial compressions and the SSI technique was developed to retrieve tissue shear nonlinearity. The first known 2D nonlinearity maps were calculated on tissue mimicking phantoms and on ex-vivo beef liver samples with good accuracy. The fact that the developed technique could be easily implemented on standard imaging probes driven by ultrafast US scanners, make it transferable to clinics.

Résumé: Cette thèse traite de l'imagerie acoustique à faible nombre de transducteurs au moyen d'une cavité. Il a été démontré au laboratoire qu'un dispositif d'imagerie pouvait être obtenu avec seulement quelques transducteurs. Il repose sur l'usage d'une cavité mélangeur et la technique d'imagerie par retournement temporel. Une première étude expérimentale est réalisée avec une plaque en Duralumin de géométrie carrée équipée d'un unique transducteur. Le système dans son ensemble agit comme une antenne acoustique à faible profil et autorise la focalisation contrôlée d'une onde acoustique dans l'air. Par la suite, nous avons souhaité améliorer le contraste de focalisation du système. Pour cela, la géométrie de la cavité a été modifiée afin d'augmenter le nombre de modes. Le contraste de focalisation dépend en effet du nombre de modes excités dans la cavité. Une plaque de géométrie irrégulière est d'abord étudiée et utilisée pour effectuer des expériences d'imagerie en mode échographique. Ensuite, nous avons introduit un réseau de résonateurs. Il est montré expérimentalement et numériquement que ceci permet d'augmenter fortement la densité modale dans une faible bande de fréquence et donc d'améliorer le contraste de focalisation. Puis, une étude en fonction du nombre de transducteurs est également réalisée et montre que le gain du contraste en fonction du nombre de transducteurs est limité du fait de la dépendance des modes excités. Enfin, pendant cette thèse et depuis son début, les plaques ont été caractérisées au moyen d'une technique nouvelle de mesure locale d'épaisseur étudiée en parallèle. Elle repose sur la mesure des vibrations de la plaque sur un cercle et en son centre. Grande innovation, la technique autorise la simple écoute de la vibration de la plaque pour en déduire son épaisseur.

Résumé: In this thesis we study the scattering characteristics of plasmonic nanostructures by im- proving and adapting digital heterodyne holography, which is a powerful tool delivering a three-dimensional cartography of scattered light, and which has the advantage of allowing fast full-field imaging. Spectroscopic measurements were carried out to record the scattering spectra of single nanoobjects and complement holographic measurements. In order to get a deeper insight into the measured far-field scattering characteristics, we developed a numerical model based on the finite element method. This model allowed us to simulate the scattered fields of nanostructures both in the near- and far-field either in a reflection or transmission configuration for the illumination. The model yielded a good agreement with experimental results. We studied numerous gold nanostructures prepared by electron beam lithography on glass substrates, ranging from simple, elementary nanoobjects to novel nanostructures. While the former allowed us to validate the technique, more sophisticated structures allowed us to observe that their scattering pattern is extremely sensitive to external and internal factors, such as the polarization and the wavelength of the incident light or the structure's geometry and its resonance wavelength. We recognize so called "hot spots" in the far-field, which are zones on the chain that scatter light more intensely than others. In addition, we show that the technique of photothermal heterodyne holography is a novel method to study the temperature increase and heat distribution in heated plasmonic nanostructures due to its ability to directly probe a temperature increase.

Résumé: Imager à travers un milieu diffusant épais est difficile en utilisant des techniques d'imagerie optique conventionnelles. L'imagerie acousto-optique est une technique d'imagerie multimodale basée sur l'interaction entre une onde lumineuse et une onde acoustique. Cette dernière module la phase du champ lumineux. Il est alors possible d'accéder à un contraste optique local à la résolution millimétrique des ultrasons. Plusieurs méthodes sont utilisées pour détecter les " photons marqués " par les ultrasons. Elles peuvent être de nature cohérente ou incohérente et tentent de répondre aux différentes problématiques qu'impose l'imagerie en régime de diffusion multiple. Dans cette thèse nous avons exploré trois techniques de détection à 800 nm, dans la fenêtre thérapeutique optique (région du spectre où l'absorption est minimale dans les tissus biologiques). Le phénomène de \textit{holeburning} spectral dans un cristal dopé ion terre rare nous a permis de réaliser un filtre spectral hyperfin centré sur la fréquence des photons marqués à basse température. Une détection sensible des photons marqués a ensuite été réalisée par holographie numérique hétérodyne hors-axe couplée à un laser longues impulsions. Des profils acousto-optiques ont été obtenus à travers plusieurs centimètres d'épaisseur. L'adaptation de front d'onde par holographie phototoréfractive dans un cristal de SPS :Te (Hypothiodiphosphate d'étain dopé tellure) nous a enfin permis de faire une imagerie en temps réel. Des images en deux et trois dimensions ont été réalisées à travers plusieurs centaines d'épaisseurs optiques. Le processus de conjugaison de phase par mélange à quatre ondes a aussi été exploré en perspective.

Résumé: L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est d'associer les outils et le formalisme développés en acoustique aux techniques propres à l'optique. Ces études ont été rendues possibles grâce aux avancées technologiques récentes qui autorisent le contrôle et la mesure, spatialement et temporellement, des ondes optiques. En nous appuyant sur un système permettant de contrôler et de mesurer spatialement le champ complexe optique, nous avons enregistré la matrice de transmission d'un milieu diffusant. Nous exploitons cette matrice pour focaliser la lumière et détecter des images à travers le milieu ainsi que pour l'étude de ses propriétés physiques. En utilisant un montage et un modèle similaire, nous mesurons ensuite à travers un milieu aberrateur la matrice de réflexion d'un milieu contenant quelques diffuseurs efficaces. Nous exploitons la décomposition en valeurs singulières de cette matrice pour détecter les diffuseurs et focaliser la lumière sélectivement sur plusieurs d'entre eux, en compensant les aberrations du milieu de propagation. Une autre approche présentée est l'exploitation de l'analyse de la matrice de réflexion pour l'étude des modes de rayonnement d'une particule unique. La dernière étude réalisée concerne l'application du retournement sur modulation en optique. Cette technique consiste à apprendre les réponses d'un milieu diffusant ou réverbérant à une modulation et à exploiter ces réponses pour focaliser la lumière au sein du milieu. Nous prouvons l'efficacité de cette technique pour la focalisation temporelle dans une cavité et tentons de l'étendre pour une focalisation à la fois spatiale et temporelle.

Résumé: Extensive work has been carried out in the past decade to image the elastic properties of human soft tissues by inducing motion. This broad field, called elasticity imaging or elastography, is based on the initial idea that shear elasticity can be correlated with the pathology of tissues. There are several techniques that can be classified according to the type of mechanical excitation chosen (static compression, monochromatic, or transient vibration) and the way these excitations are generated (externally or internally). Different imaging modalities can be used to estimate the resulting tissue displacements. A very interesting approach to assessing elasticity is to use the acoustic radiation force of an ultrasonic focused beam to remotely generate mechanical vibrations in organs. The acoustic force is generated by the momentum transfer from the acoustic wave to the medium. The radiation force essentially acts as a dipolar source. A spatio-temporal sequence of the propagation of the induced transient wave can be acquired, leading to a quantitative estimation of the viscoelastic parameters of the studied medium in a source-free region. Our aim in this thesis is to provide a solid mathematical foundation for this transient technique and to design accurate methods for anomaly detection using transient measurements. We consider both the acoustic and elastic cases. We develop efficient reconstruction techniques from not only complete measurements but also from limited-view transient data and adapt them in the case of viscous media, where the elastic waves are attenuated and/or dispersed. We begin with transient imaging in a non-dissipative medium. We develop anomaly reconstruction procedures that are based on rigorously established inner and outer time-domain asymptotic expansions of the perturbations in the transient measurements that are due to the presence of the anomaly. It is worth mentioning that in order to approximate the anomaly as a dipole with certain polarizability, one has to truncate the high-frequency component of the far-field measurements. Using the outer asymptotic expansion, we design a time-reversal imaging technique for locating the anomaly. Based on such expansions, we propose an optimization problem for recovering geometric properties as well as the physical parameters of the anomaly. We justify both theoretically and numerically that scale separation can be used to obtain local and precise reconstructions. We show the differences between the acoustic and the elastic cases, namely, the anisotropy of the focal spot and the birth of a near fieldlike effect by time reversing the perturbation due to an elastic anomaly. These interesting findings were experimentally observed before. Our asymptotic formalism clearly explains them. In the case of limited-view transient measurements, we construct Kirchhoff-, back-propagation-, MUSIC-, and arrival time-type algorithms for imaging small anomalies. Our approach is based on averaging of the limited-view data, using weights constructed by the geometrical control method. It is quite robust with respect to perturbations of the non-accessible part of the boundary. Our main finding is that if one can construct accurately the geometric control then one can perform imaging with the same resolution using partial data as using complete data. We also use our asymptotic formalism to explain how to reconstruct a small anomaly in a viscoelastic medium from wavefield measurements. The visco-elastic medium obeys a frequency power-law. For simplicity, we consider the Voigt model, which corresponds to a quadratic frequency loss. By using the stationary phase theorem, we express the ideal elastic field without any viscous effect in terms of the measured field in a viscous medium. We then generalize the imaging techniques developed for a purely quasi-incompressible elasticity model to recover the viscoelastic and geometric properties of an anomaly from wavefield measurements.

Résumé: Dans un milieu granulaire, la géométrie du contact entre grains induit une dépendance en pression non-linéaire des modules élastiques. Dans un milieu granulaire sous gravité avec une surface libre, la pression augmente avec profondeur. Il en résulte que seules des ondes de surface peuvent se propager. Nous montrons théoriquement que ce système est un guide d'onde à gradient d'indice dans lequel se propagent des ondes transverses et sagittales. Elles se décomposent selon une série discrète mais infinie de modes dont nous avons calculé la relation de dispersion. Leur vitesse augmente faiblement avec leur indice comme n1/6 et rend difficile l'interprétation des mesures. En profondeur finie, un guide d'onde géométrique se superpose au précédent. Les modes modifiés présentent une fréquence de coupure. Expérimentalement, l'émission de paquets d'ondes gaussiens dans un canal (guide d'onde géométrique) a permis d'isoler le mode de surface fondamental et de tracer sa relation dispersion. L'exposant de sa loi d'échelle valide le point de vue du de la théorie de champ moyen et contredit l'hypothèse d'une situation isostatique au voisinage de la surface libre. Cependant, le module de cisaillement est anormalement faible. Un écoulement granulaire gravitaire entraîné dans un silo lisse génère une émission sonore spontanée. Nous montrons expérimentalement et théoriquement qu'elle résulte d'une instabilité convective pour laquelle la friction amplifie et sélectionne la fréquence. Son développement aboutit à la formation d'ondes de choc. Nous pensons que cette instabilité pourrait expliquer le chant des dunes ou le déclenchement dynamique des séismes.

Résumé: Au cours de ce travail, nous avons étudié une méthode de caractérisation des milieux mous combinant ondes optiques et mécaniques. Cette méthode s'appuie sur une détection optique d'un mouvement transitoire causé par la force de radiation acoustique, induit en profondeur de milieux mous optiquement diffusants. Le mouvement consiste en un déplacement initialement au foyer acoustique qui se propage par la suite dans le milieu sous forme d'ondes de cisaillement. Le principe de la détection est basé sur l'illumination du milieu avec une lumière cohérente. La lumière traverse le milieu en étant fortement diffusée, produisant une figure d'interférence (speckle) en transmission. Avec une caméra rapide (2 kHz) méga-pixel, nous enregistrons des figures de speckle avant et pendant le mouvement transitoire. Nous calculons ensuite la corrélation des figures de speckle dans le temps. Cette technique, de par son mode d'excitation et de détection, s'est avérée sensible à des contrastes d'absorption optique et des contrastes de module de cisaillement dans des milieux mous épais et optiquement diffusant. De plus, des images de ces deux types de contrastes ont pu être obtenues, avec une résolution millimétrique pour les contrastes d'élasticité. L'étude expérimentale a été appuyée par une approche de modélisation des phénomènes physiques, basée sur le couplage de modèle de propagation d'ondes élastiques engendrées par la pression de radiation ultrasonore et de propagation des ondes optiques dans les milieux multi-diffusifs.

Résumé: Ces dernières années, l'élastographie ultrasonore et IRM s'est développée afin de caractériser les propriétés viscoélastiques des tissus mous. Ces nouvelles méthodes d'imagerie sont particulièrement prometteuses pour caractériser des pathologies comme les carcinomes dans le sein qui présentent une élasticité plus importante que les tissus environnants. Dans la première partie du manuscrit, une présentation des milieux viscoélastiques permet de décrire les comportements mécaniques observés lorsqu'un tel milieu est sollicité par une onde élastique. Différents modèles de propagation d'ondes de cisaillement sont analysés afin d'arrêter un choix quant au modèle utilisé pour estimer les propriétés mécaniques des tissus biologiques par élastographie IRM. Dans la seconde partie, les différentes méthodes d'élastographie par imagerie ultrasonore sont présentées avant d'introduire quelques bases de l'imagerie par résonance magnétique nécessaires à la compréhension de l'élastographie IRM. Deux approches de programmation du codage des déplacements sont comparées théoriquement et expérimentalement de manière à optimiser la qualité de l'estimation des propriétés mécaniques. Enfin la troisième partie aborde les difficultés de mise en oeuvre de ces deux techniques d'acquisition pour certains organes du corps humain comme la carotide ou le coeur, et propose une nouvelle approche de l'élastographie IRM pour pallier ces problèmes. Les bases théoriques de cette méthode sont présentées et comparées aux techniques conventionnelles d'élastographie IRM. Des expériences dans un gel permettent alors de confirmer les observations théoriques réalisées. Enfin, cette technique d'acquisition est adaptée aux contraintes de l'élastographie du coeur et le suivi des propriétés mécaniques in vivo du coeur durant le cycle cardiaque sont présentés sous forme d'élastogrammes.