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National audience; Il a été récemment démontré que l’élastographie par pression de radiation (Supersonic Shear Imaging - SSI) est capable de quantifier les propriétés viscoélastiques du foie chez l’homme. Cette technique développée à l’institut Langevin a démontré sa bonne reproductibilité, répétabilité et son indépendance vis à vis de la respiration du sujet. La technique SSI est basée sur l’utilisation in vivo de la pression de radiation ultrasonore, qui permet d'induire une onde de cisaillement profondément dans les tissus. La propagation de cette onde est alors imagée grâce à un échographe ultrarapide (5000 images/secondes). L’estimation de la vitesse de l’onde en fonction de la fréquence donne alors accès aux paramètres viscoélastiques des tissus. Cette étude a permis de construire de solides bases pour élaborer un protocole clinique de qualité. Dans le travail qui suit, la technique SSI, adaptée à une sonde courbe (C42 – 2.5 MHz), est utilisée pour cartographier entre les côtes les propriétés viscoélastiques de 142 patients atteints de maladies hépatiques chroniques (VHC, VHB, cirrhose connue). Sur ces mêmes patients un examen Fibroscan (élastographie transitoire monodimensionelle) ainsi qu’une prise de sang sont réalisés. Cette dernière permettant de déterminer le niveau de fibrose des patients et leur score METAVIR (Fib4, FORN’s, APRI). Les paramètres viscoélastiques du foie sont déterminés sur une large bande fréquentielle et cartographiés sur une surface de 120x75 mm². Cette étude montre que la technique SSI permet de discriminer de manière quantitative et avec une bonne différentiation les niveaux de fibrose des patients (p-index ~=.10-16 ). La technique permet de s'affranchir des problèmes d'hétérogénéités affectant les techniques d'élastographie 1D. Cette étude suggère ainsi que la technique SSI pourrait devenir un examen de routine complémentaire précis et fiable pour la détermination du niveau de fibrose hépatique et permettrait de diagnostiquer plus rapidement les pathologies hépatiques chroniques.

National audience; La caractérisation des propriétés viscoélastiques de la cornée et de la peau a de nombreuses applications en ophtalmologie et en dermatologie, telles que la compréhension et le diagnostique des pathologies ou encore l’évaluation et le suivi des traitements. L’élastographie dynamique haute résolution (15 MHz) semble être un outil pertinent pour répondre à ces questions. Dans le travail qui suit, la méthode d’élastographie par onde de cisaillement est utilisée (Supersonic Shear Imaging - SSI). Cette méthode basée sur la combinaison d’un échographe ultrarapide (10000 images/s) et de la pression de radiation ultrasonore, permet de générer et de suivre la propagation d’ondes de cisaillement hautes fréquences (de 500 à 3000 Hz) dans les tissus. La vitesse de ces dernières est directement corrélée à l’élasticité du milieu. Les milieux étudiés constituent des plaques d’épaisseur submillimétrique. La propagation de l’onde de cisaillement est alors guidée par des plaques d’épaisseur comparable à sa longueur d’onde. L’objectif de ce travail est d’établir les relations de dispersion dans des plaques planes infinies entourées par un solide élastique d’une part (peau), à courbure sphérique entourées de liquides d’autre part (cornée). Une étude numérique a été effectuée pour établir les relations de dispersion théoriques. Ce travail montre que la prise en compte de la dispersion des ondes guidées permet de traiter le problème inverse de l’élastographie dans le cas de milieux stratifiés d’épaisseur faible devant la longueur d’onde de cisaillement. Les résultats théoriques sont comparés aux relations de dispersion expérimentales et sont utilisés pour obtenir des cartes d’élasticité quantitatives sur la peau de volontaires sains (différenciation des couches élastiques de la peau : épiderme, derme, hypoderme.) et sur des yeux de porc ex vivo (détermination de la pression intraoculaire par la mesure de l’élasticité de la cornée, évaluation de l’efficacité du cross-linking par UVA).

Jouant un role toujours croissant dans l’orientation et la geographie de l’economie comme dans la competition entre les entreprises et entre les nations, les scientifiques participent de facon directe ou indirecte a des dynamiques collectives d’innovation et de transfert technologique. Mathias Fink nous fait revivre son parcours parfois seme d’embuches, mais toujours riche d’enseignements.

We briefly present experimental as well as theoretical results on measurements of spatial coherence of ultrasonic pulsed waves in random scattering media, particularly composite materials. We show that a given medium can behave either coherently or incoherently depending on the orientation of the ultrasonic beam, and what this implies in terms of characterization, speckle reduction and defect detection

Un reseau de seize sources thermoelastiques dephasees est utilise afin d'engendrer des ondes ultrasonores de forte amplitude et de direction reglable. Ce reseau est cree a la surface du solide par un laser Nd : YAG multivoie qui produit seize impulsions independantes. En introduisant une loi de retard appropriee entre chaque impulsion laser, on realise des interferences constructives en tout point du solide. La detection des signaux ultrasonores est assuree soit par un transducteur piezoelectrique soit par une sonde optique. Des defauts en volume ainsi que de fines fentes a la surface du materiau sont detectes respectivement par focalisation des ondes longitudinales et par sommation constructive des ondes de Rayleigh.

Time-reversal mirror (T.R.M.) utilizes time-reversal invariance of wave equation. Acoustic T.R.M. are made of large transducer arrays allowing the incident acoustic field to be sampled, time-reversed, and re-emitted. Such a process allows an original way of studying acoustical sources. This paper describes an application of T.R.M. to the characterization of extended scatterer illuminated by broad band pulse. The ability of T.R.M. to time-reverse separetely each scattered waves permits to isolate spatially and temporally the equivalent sources of extended scatterer. We investigate more particularly the problem of a cylindrical scatterer: we show that T.R.M. allows to characterize simply the different sources of backscattered waves and especially the mode conversion of incident wave into circumferential waves. Besides, we show that iterative time reversal process allows to generate any particular circumferential wave

Cet article expose une méthode de focalisation sélective à travers des milieux inhomogènes, sur des objets échogènes complexes. Elle utilise un miroir ultrasonore à retournement temporel fonctionnant en mode itératif. On y présente quelques éléments de théorie ainsi que des exemples numériques et expérimentaux mettant en évidence la convergence du processus.

Parallèlement au développement des nouvelles techniques d'imagerie (scanner à rayons X, résonance magnétique nucléaire, radar à ouverture synthétique...), les applications de l'imagerie ultrasonore connaissent des progrès spectaculaires. Après un rappel des principes de l'imagerie ultrasonore, on propose une revue synthétique de la recherche dans ce domaine. Une comparaison des succès obtenus en diagnostic médical, en contrôle non destructif et en imagerie sous-marine est présentée. On met en évidence l'originalité d'un certain nombre de techniques d'imagerie ultrasonore relativement aux techniques de l'imagerie optique. On décrit en particulier les nouvelles techniques de reconstruction tomographique en mode échographique qui sont appelées à un grand essor. C'est l'utilisation de techniques de traitement du signal sophistiquées qui permet cette nouvelle approche en échographie et qui doit déboucher d'ici peu sur une imagerie « quantitative » des paramètres acoustiques.

This PhD project aims at combining numerical and optical methods to apply and push the limits of static and dynamic full-field optical coherent tomography (FFOCT) for microscopy and medical imaging. Post-processing methods using singular value decomposition allowed the acquisition of dynamic images in vivo for the first time while the use of the signals non-stationarities allowed to image with a better signal to noise ratio, hence deeper inside samples. Application of dynamic imaging is presented on retinal organoids where we show that our method is able to provide new interesting biological insights that are not possible with any other methods. Hardware developments to counteracts optical aberrations were successfully conducted leading to low complexity and cost efficient implementation which can reliably acquire retinal images with a diffraction limited resolution. The understanding and demonstration of the particular aberrations manifestation in FFOCT allowed us to design and simulate the performances of the proposed system. Finally, potential clinical applications of dynamic and static FFOCT for angiography in the human eye in vivo, wound healing ex vivo, retinal cell classification and breast cancer screening using machine learning methods are successfully demonstrated.; Cette thèse vise à appliquer et combiner des méthodes numériques et optiques pour repousser les limites de la tomographie optique cohérente plein champ (FFOCT) statique et dynamique pour la microscopie et l'imagerie médicale. Des méthodes de post-traitement utilisant la décomposition en valeurs singulières ont permis pour la première fois l'acquisition d'images dynamiques in vivo tandis que l'utilisation des signaux non stationnaires a permis d'obtenir des images avec un meilleur rapport signal sur bruit, soit la possibilité d'imager plus profondément les échantillons. L'application de l'imagerie dynamique est présentée sur des organoïdes rétiniens où nous montrons que notre méthode est capable de fournir de nouvelles perceptions biologiques intéressantes qui ne sont possibles avec aucune autre méthode. Des développements matériel pour compenser les aberrations optiques ont été menés avec succès, ce qui a permis une mise en œuvre peu complexe et peu coûteuse permettant d'acquérir de manière fiable des images de la rétine avec une résolution en limite de diffraction. La compréhension de la manifestation des aberrations optiques en FFOCT validée expérimentalement nous a permis de concevoir et de simuler les performances du système proposé. Enfin, les applications cliniques potentielles du FFOCT dynamique et statique pour l'angiographie de l'œil humain in vivo, la cicatrisation ex vivo, la classification des cellules de la rétine et le dépistage du cancer du sein par des méthodes d'apprentissage automatique ont été démontrées avec succès.

This PhD project aims at combining numerical and optical methods to apply and push the limits of static and dynamic full-field optical coherent tomography (FFOCT) for microscopy and medical imaging. Post-processing methods using singular value decomposition allowed the acquisition of dynamic images in vivo for the first time while the use of the signals non-stationarities allowed to image with a better signal to noise ratio, hence deeper inside samples. Application of dynamic imaging is presented on retinal organoids where we show that our method is able to provide new interesting biological insights that are not possible with any other methods. Hardware developments to counteracts optical aberrations were successfully conducted leading to low complexity and cost efficient implementation which can reliably acquire retinal images with a diffraction limited resolution. The understanding and demonstration of the particular aberrations manifestation in FFOCT allowed us to design and simulate the performances of the proposed system. Finally, potential clinical applications of dynamic and static FFOCT for angiography in the human eye in vivo, wound healing ex vivo, retinal cell classification and breast cancer screening using machine learning methods are successfully demonstrated.; Cette thèse vise à appliquer et combiner des méthodes numériques et optiques pour repousser les limites de la tomographie optique cohérente plein champ (FFOCT) statique et dynamique pour la microscopie et l'imagerie médicale. Des méthodes de post-traitement utilisant la décomposition en valeurs singulières ont permis pour la première fois l'acquisition d'images dynamiques in vivo tandis que l'utilisation des signaux non stationnaires a permis d'obtenir des images avec un meilleur rapport signal sur bruit, soit la possibilité d'imager plus profondément les échantillons. L'application de l'imagerie dynamique est présentée sur des organoïdes rétiniens où nous montrons que notre méthode est capable de fournir de nouvelles perceptions biologiques intéressantes qui ne sont possibles avec aucune autre méthode. Des développements matériel pour compenser les aberrations optiques ont été menés avec succès, ce qui a permis une mise en œuvre peu complexe et peu coûteuse permettant d'acquérir de manière fiable des images de la rétine avec une résolution en limite de diffraction. La compréhension de la manifestation des aberrations optiques en FFOCT validée expérimentalement nous a permis de concevoir et de simuler les performances du système proposé. Enfin, les applications cliniques potentielles du FFOCT dynamique et statique pour l'angiographie de l'œil humain in vivo, la cicatrisation ex vivo, la classification des cellules de la rétine et le dépistage du cancer du sein par des méthodes d'apprentissage automatique ont été démontrées avec succès.

Current medical ultrasound imaging techniques generally require contact between the probe and the patient. In some cases, such as corneal imaging, this approach can be irritating and inconvenient for the patient. The objective of this thesis is to develop a non-contact ultrasound imaging system to measure the elastic properties of the cornea. For this, we had to solve several problems such as the very large difference in acoustic impedance between solid and gaseous mediums and the imaging of a specular surface. We have developed a theoretical model that relates the elastic parameters of the cornea to guided waves likely to propagate along its surface. We have also developed airborne ultrasound transducer technology and a new 500kHz non-contact probe geometry. Finally, we have shown experimentally that it is possible to extract the Young’s modulus of a corneal model.; Les techniques d’imagerie ultrasonore médicale actuelles requièrent en général un contact entre la sonde et le patient. Dans certains cas, tels que l’imagerie de la cornée, cette approche peut irriter et créer des désagréments chez le patient. L’objectif de cette thèse est de développer un système d’imagerie ultrasonore sans contact pour mesurer les propriétés élastiques de la cornée. Pour cela, nous avons dû résoudre plusieurs problèmes tels que la grande différence d’impédance acoustique entre les milieux solide et gazeux et l’imagerie d’une surface spéculaire. Nous avons développé un modèle théorique qui relie les paramètres élastiques de la cornée aux ondes guidées susceptibles de se propager à sa surface. Nous avons également développé une technologie de transducteurs ultrasonores aériens et élaboré une nouvelle géométrie de sonde sans contact à 500kHz. Enfin nous avons montré expérimentalement qu’il était possible d’extraire le module de Young d’un modèle de cornée.

Interferometric techniques of microscopy display sensitivity to aberrations affecting both resolution and depth of imaging. Formerly introduced in astronomy, different methods of adaptive optics have been applied to microscopy in order to compensate for these effects. Most of them rely on the measurement of the wave front and on a close-loop correction of the aberrations using wave-front control devices. These methods are nevertheless limited by the rates of measurement and correction and can only compensate for low-order aberrations.The purpose of this thesis is to present an innovative matrix approach relying on the analysis of a new operator, the distorsion matrix, allowing to locally quantify the scattering and aberration parameters, and to compensate for the aberrations over the whole field of view. Besides, we introduce a mathematical formalism in order to describe the effects of aberrations in full-field OCT and we extend the scope of the matrix approach to very large fields of view thanks to an experimental setup of reflection matrix measurement inspired by this technique of imaging.; 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.

Interferometric techniques of microscopy display sensitivity to aberrations affecting both resolution and depth of imaging. Formerly introduced in astronomy, different methods of adaptive optics have been applied to microscopy in order to compensate for these effects. Most of them rely on the measurement of the wave front and on a close-loop correction of the aberrations using wave-front control devices. These methods are nevertheless limited by the rates of measurement and correction and can only compensate for low-order aberrations.The purpose of this thesis is to present an innovative matrix approach relying on the analysis of a new operator, the distorsion matrix, allowing to locally quantify the scattering and aberration parameters, and to compensate for the aberrations over the whole field of view. Besides, we introduce a mathematical formalism in order to describe the effects of aberrations in full-field OCT and we extend the scope of the matrix approach to very large fields of view thanks to an experimental setup of reflection matrix measurement inspired by this technique of imaging.; 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.

This manuscript is devoted to the study of ultrasonic wave propagation in complex media composed of elongated scatterers, and specifically titanium alloys comprising macrozones. This study is carried out using a linear phased array probe rotating around its axis and driven by a multi-channel programmable amplifier. The ultrasonic field backscattered by elongated scatterers presents an anisotropic spatial coherence and we show that the intensity backscattered by such a medium depends on the angle between scatterers elongation direction and the orientation of the probe in the plane perpendicular to the insonified direction. This dependence allows to determine the macrozones elongation direction and size, and to reduce the structural noise during a non-destructive evaluation. A three dimensional cartography of local elongation direction of macrozones is achievable by using two beams focused at the same point but with different directions of incidence. In order to assess the scattering regime at conventional testing frequencies, we developed a multiple scattering measure: the single scattering proportion estimator, based on Alexandre Aubry’s PhD thesis (UPMC 2008). Applied on TA6V and Ti17 alloys, it showed strong multiple scattering. We further extended this estimator to the case of water/solid complex interfaces. Lastly, we proposed a new visualization of forging simulation results, allowing to directly observe the real macrozones elongation direction and to better design inspection procedures.; 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.

This manuscript is devoted to the study of ultrasonic wave propagation in complex media composed of elongated scatterers, and specifically titanium alloys comprising macrozones. This study is carried out using a linear phased array probe rotating around its axis and driven by a multi-channel programmable amplifier. The ultrasonic field backscattered by elongated scatterers presents an anisotropic spatial coherence and we show that the intensity backscattered by such a medium depends on the angle between scatterers elongation direction and the orientation of the probe in the plane perpendicular to the insonified direction. This dependence allows to determine the macrozones elongation direction and size, and to reduce the structural noise during a non-destructive evaluation. A three dimensional cartography of local elongation direction of macrozones is achievable by using two beams focused at the same point but with different directions of incidence. In order to assess the scattering regime at conventional testing frequencies, we developed a multiple scattering measure: the single scattering proportion estimator, based on Alexandre Aubry’s PhD thesis (UPMC 2008). Applied on TA6V and Ti17 alloys, it showed strong multiple scattering. We further extended this estimator to the case of water/solid complex interfaces. Lastly, we proposed a new visualization of forging simulation results, allowing to directly observe the real macrozones elongation direction and to better design inspection procedures.; 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.

The aim of the work presented in this dissertation is to develop an airborne ultrasonic system for the contactless measurement of vibrations on the human body surface. The vibration study of the skin surface opens several application fields. The visualization of the surface wave velocity on the skin from the propagation movie allows to characterize the superficial layer elasticity as well as its heterogeneities. From this analysis, objects hidden on or under the skin can be detected for a security purpose. A second application is the observation of the surface vibrations generated by the heartbeat, respiration and pulse wave.The implementation of a first single-channel device allowed the local measurement of vibrations about ten microns order. From this initial work, we developed a 2D airborne ultrasonic imager with high frame rate. It is composed by a 256 microphones square array and by 12 piezoelectric transducers. The main innovation of our approach is the specular surface imaging. Indeed, the skin roughness is negligible compared to the working wavelength, of the centimeter order to limit the air attenuation. To resolve this issue, the imaging process is carried out with an emission/reception beamforming using synthetic aperture and achieved by a sequential emission of spherical waves.After the system characterization, we imaged the surface wave propagation on a phantom mimicking the human body and the interference between this wave and a foreign object. A second version of the 2D imager, composed by 36 emitters, was applied to measure the deformation of the thorax during the heartbeat as well as the pulse wave propagation in the carotid artery.; 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.

This thesis deals with the control of the wave propagation at deep sub-wavelength scales in locally resonant metamaterials. Those composite media are composed of small resonators arranged on spatial scales much smaller than their typical wavelength at resonance. They are hence generally considered as homogeneous media and described with effective parameters. We here prove that, going beyond those homogenization approaches, the properties of most metamaterials can be reinterpreted at the light of a microscopic approach. The latter evidences that the wave propagation in metamaterials only results from phenomenon analog to what happens in photonic/phononic crystals: namely interferences and multiple scattering. We hence demonstrate that concepts developed for wave manipulation in photonic/phononic crystals can be transposed in metamaterials while taking advantage of the latter sub-wavelength spatial organization. For instance, locally modifying the medium, at the scale of the unit cell, creates cavities and waveguides confining and guiding waves on dimensions that are independent of the wavelength. We further study the possibility offered by those waveguides to both mold and slow down the flow of waves. We finally highlight the importance of the spatial subwavelength structuration of metamaterials due to the presence of multiple scattering. We prove that a so-called single negative metamaterial (presenting only one negative effective property) can be turned into a double negative one (hence presenting a negative index of refraction), simply by smartly organizing the building blocks of the metamaterial, at scales much smaller than the wavelength.; Cette thèse traite du contrôle de la propagation des ondes, électromagnétiques et acoustiques, à l’échelle sub-longueur d’onde dans les métamatériaux localement résonants. Ces derniers sont des matériaux composites composés d’ensembles de résonateurs agencés sur des périodes très petites comparées aux longueurs d’ondes caractéristiques de résonance. Ils sont en général considérés comme des milieux homogènes aux propriétés effectives. Nous prouvons que, au-delà de ces approches communes d’homogénéisation, les propriétés de la plupart des métamatériaux peuvent être réinterprétées à lumière d’une approche microscopique. Celle-ci permet de mettre en évidence que la propagation des ondes dans ces métamatériaux résulte de phénomènes physiques analogues à ceux mis en jeu dans les cristaux photoniques/phononiques : des interférences et de la diffusion multiple. Nous prouvons alors que les concepts de manipulation des ondes développés dans les cristaux photoniques, sont transposables aux métamatériaux, bénéficiant alors des avantages de la structuration sub-longueur d’onde. Nous montrons que des modifications locales du milieu induisent la formation de cavité et guides d’ondes confinant et guidant le champ sur des dimensions arbitrairement plus petites que la longueur d’onde. Nous étudions la capacité de ces guides à manipuler le flux d’onde spatialement et temporellement. Nous soulignons enfin l’importance de la structure microscopique des métamatériaux, jusque-là toujours négligée. Nous prouvons qu’un métamatériau dit simplement négatif (avec une seule propriété effective négative) peut présenter un indice de réfraction négatif simplement en le structurant ingénieusement.

This thesis, dealing with controlling microwaves in reverberating media, is in the straight line of previous works performed at the Institut Langevin. We start by considering the general principles of the propagation of waves in complex media, which are basically reverberating or multiple scattering media. We review the concept of degrees of freedom and explain why techniques such as time reversai and wave front shaping are efficient to control waves in such media. We introduce a novel and efficient way to control the coupling of a cavity to the exterior. To do so, we propose to open a cavity with a sub-wavelength diffraction grating. We show that the latter behaves as a partially reflecting mirror. We then show how we can replace such grating by a fractal planar resonator in order to focus waves on very subwavelength dimensions Finally we detail the concept, the design and the use of a reconfigurable reflect array that allow to passively control spatial degrees of freedom of a reverberating media. We show that this modulator permits to optimize a signal at WIFI frequencies by shaping the field in a similar way than it is done in scattering media in otpics with spatial light modulators. We present a mode) adapted to our situation and a new numerical approach based on the boundary layers potential to obtain the eigenmodes of a cavity with mixed boundary conditions.; Cette thèse traite du contrôle des micro-ondes en milieux réverbérants, dans la continuité d'autres travaux réalisés à l'Institut Langevin. Nous commençons par les principes généraux touchant à la propagation des ondes en milieux complexes, c'est-à-dire des milieux réverbérants ou diffusants. Nous revenons sur le concept de degrés de liberté et expliquons pourquoi les techniques du retournement temporel et du façonnage de front d'ondes sont des moyens efficaces pour contrôler les ondes dans ces milieux. Nous introduisons ensuite une technique innovante en micro-ondes permettant de contrôler le couplage de milieux réverbérants avec l'extérieur. Pour cela, nous proposons d'ouvrir une cavité avec un réseau de diffraction sub-longueur d'onde se comportant comme un miroir partiellement réfléchissant. Nous montrons ensuite comment nous pouvons remplacer ces réseaux par des résonateurs plans et fractaux pour focaliser des champs micro-ondes sur des dimensions très sub-longueur d'onde grâce à des techniques de retournement temporel monovoie. Enfin, nous détaillons la fabrication et l'utilisation d'une métasurface reconfigurable permettant de contrôler passivement les degrés de liberté spatiaux d'un milieu réverbérant. Nous montrons que cela permet d'optimiser un signal à des fréquences WIFi en façonnant le champ micro-onde de manière similaire à l'optique en milieux diffusants avec des modulateurs spatiaux de lumière. Nous présentons également un model adapté à notre cas de figure ainsi qu'une nouvelle approche numérique intégrale basée sur la méthode des potentiels de couche, et permettant de calculer les modes d'une cavité dont les conditions aux limites sont mixtes.

In this thesis, we investigated various aspects of ultrafast ultrasound imaging of the cardiovascular system. First, we quantified the arterial stiffness with shear wave imaging and its dependence with stress, anisotropy and blood pressure. Thanks to experiments on an ex vivo horse artery and on in vivo rat arteries we measured the dependence with arterial pressure and arterial stiffness and were able to propose a method that quantifies non-invasively, the non-linear elastic parameter of arteries. In a second part, we have developed non-invasive ultrafast imaging of the human heart with coherent compounding of diverging waves. With this tool, we were able to visualize natural waves and to image shear waves in vivo in the human heart with increased sensitivity. In a third part, we have developed an original method to map the tissue microstructure that relies on the anisotropy of the spatial coherence of backscattered ultrasound from plane wave coherent compounding. With this method, we have successfully detected fiber directions ex vivo in anisotropic soft tissues such as the heart. Finally, we developed 3D ultrafast ultrasound imaging in real time, using a 2D matrix array probe with 1024 elements and a customized, programmable, 1024 channel ultrasound system. We successfully measured in 3D flow in vivo in the heart and the carotid artery, the propagation of pulse wave and shear wave in vivo and ex vivo respectively. The study of spatial coherence of backscattered field with the 2D matrix array enabled the mapping of the fibers in biological anisotropic soft tissues in entire 3D volumes.; Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux applications cardiovasculaires de l’imagerie échographique ultrarapide.Nous avons d’abord étudié les propriétés élastiques des parois artérielles par imagerie ultrarapide et palpation à distance et proposé une méthode pour mesurer de manière non-invasive les paramètres non-linéaires des artères chez l’homme en cours d’évaluation clinique. Nous avons ensuite développé l’imagerie ultrarapide non-invasive du cœur humain grâce à la sommation cohérente d’ondes divergentes émises par un transducteur ultrasonore d’imagerie transthoracique. Nous avons pu visualiser les ondes naturelles du cœur et imager les ondes de cisaillement in vivo dans un cœur humain, dans le but de cartographier l’activité électrique et l’élasticité du cœur respectivement.Dans une troisième partie, nous avons développé une méthode originale qui repose sur le critère de Van-Cittert Zernike et l’étude de la cohérence spatiale du champ rétrodiffusé en sommation cohérente d’onde plane, qui a permis d’imager l’orientation des fibres dans les tissus biologiques anisotropes et notamment dans le cœur. Enfin nous avons développé l’imagerie ultrarapide en 3D temps réel, en utilisant une sonde matricielle de 1024 éléments et un prototype d’échographe ultrarapide. Il nous a été possible de visualiser, les flux doppler du cœur et de la carotide ainsi que la propagation de l’onde de pouls et de l’onde de cisaillement, en imagerie ultrarapide 3D. L’étude de la cohérence spatiale du champ rétrodiffusé avec la sonde matricielle a finalement permis de cartographier en 3D la direction des fibres dans les tissus biologiques anisotropes.

This thesis deals with acoustic imaging using a small number of transducers and a cavity. It has been shown in the laboratory that an imaging device could be obtained using only a few transducers. It is based on the use of a mixing chamber and the time reversal imaging technique. A first experimental study was carried out with a duralumin plate of square geometry equipped with a single transducer. The whole system acts as a low profile acoustic antenna and allows the controlled focusing of an acoustic wave in the air. Subsequently, we wanted to improve the focusing contrast of the system. For this, the geometry of the cavity has been modified to increase the number of modes. The focusing contrast depends on the number of modes excited in the cavity. A plate of irregular geometry is first studied and used for ultrasound imaging experiments. Then, we have introduced an array of resonators. It is shown experimentally and numerically that this can greatly increase the modal density in a narrow frequency bandwidth and thus improve the contrast of focusing. Then, a study based on the number of transducers is also performed and shows that the gain of the contrast with the number of transducers is limited due to the dependence of the modes excited. Finally, during this thesis and since its beginning, the plates were characterized using a new technique for measuring local thickness studied in parallel. It is based on the measurement of vibrations of the plate on a circle and at its center. This technique is a great innovation and allows simple listening to the plate vibrations in order to deduce its thickness.; 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.

This thesis deals with acoustic imaging using a small number of transducers and a cavity. It has been shown in the laboratory that an imaging device could be obtained using only a few transducers. It is based on the use of a mixing chamber and the time reversal imaging technique. A first experimental study was carried out with a duralumin plate of square geometry equipped with a single transducer. The whole system acts as a low profile acoustic antenna and allows the controlled focusing of an acoustic wave in the air. Subsequently, we wanted to improve the focusing contrast of the system. For this, the geometry of the cavity has been modified to increase the number of modes. The focusing contrast depends on the number of modes excited in the cavity. A plate of irregular geometry is first studied and used for ultrasound imaging experiments. Then, we have introduced an array of resonators. It is shown experimentally and numerically that this can greatly increase the modal density in a narrow frequency bandwidth and thus improve the contrast of focusing. Then, a study based on the number of transducers is also performed and shows that the gain of the contrast with the number of transducers is limited due to the dependence of the modes excited. Finally, during this thesis and since its beginning, the plates were characterized using a new technique for measuring local thickness studied in parallel. It is based on the measurement of vibrations of the plate on a circle and at its center. This technique is a great innovation and allows simple listening to the plate vibrations in order to deduce its thickness.; 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.

The aim of the work presented in this dissertation is to combine the tools and the formalism developed initially for acoustic waves with techniques peculiar to the field of optics. The recent technology breakthroughs devoted to the spatial and temporal control and measure of the complex optical field have made possible these studies. Thanks to a system that allows us to spatially control and measure the optical field, we record the transmission matrix of a diffusing medium. We exploit this matrix to focus light and detect an image through the medium. We also apply the analysis of the matrix to the study of some physical properties of the medium. Using the same model and a similar experimental setup, we then measure through an aberrating medium the reflection matrix of a system that consists of a few strong scatterers. Using the singular value decomposition of this matrix, we are able to detect and selectively focus light on the scatterers, compensating in the process the aberrations induced by the propagation medium. Another approach described is to apply the analysis of the reflection matrix to study the radiation patterns of a unique scatterer. The last study concerns the application of the time reversal technique with modulated signals in optics. This method consists in recording the response of a medium to a modulation. These responses are then exploited to focus light inside the medium. We successfully prove the efficiency of this technique for a temporal focusing experiment in an optical cavity. We then try to extend these results to spatio-temporal focusing.; 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.

The aim of the work presented in this dissertation is to combine the tools and the formalism developed initially for acoustic waves with techniques peculiar to the field of optics. The recent technology breakthroughs devoted to the spatial and temporal control and measure of the complex optical field have made possible these studies. Thanks to a system that allows us to spatially control and measure the optical field, we record the transmission matrix of a diffusing medium. We exploit this matrix to focus light and detect an image through the medium. We also apply the analysis of the matrix to the study of some physical properties of the medium. Using the same model and a similar experimental setup, we then measure through an aberrating medium the reflection matrix of a system that consists of a few strong scatterers. Using the singular value decomposition of this matrix, we are able to detect and selectively focus light on the scatterers, compensating in the process the aberrations induced by the propagation medium. Another approach described is to apply the analysis of the reflection matrix to study the radiation patterns of a unique scatterer. The last study concerns the application of the time reversal technique with modulated signals in optics. This method consists in recording the response of a medium to a modulation. These responses are then exploited to focus light inside the medium. We successfully prove the efficiency of this technique for a temporal focusing experiment in an optical cavity. We then try to extend these results to spatio-temporal focusing.; 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.

This thesis follows on studies realized at the Insitut Langevin concerning the spatio-temporal control of waves. In this context, we first show that random multiple scattering media give more opportunities than their homogeneous counterpart. We quantify these benefits and interpret them in terms of spatio-temporal degrees of freedom that can be controlled through the use of large bandwidth signals and multiple sources. We then study locally resonant complex media and make the link between different models (effective medium, polariton, hybridization) to describe the propagation inside such media. When the typical spatial scale of the medium is smaller than the free space wavelenght, we demonstrate theoretically the existence of propagating waves that oscillate faster than the free space wavelenght. By exploiting the spatio-temporal degrees of freedom of the medium, we show the possibility to excite and control those modes from the far field region. Thus, we give experimental and numerical results of o focusing and imaging beyond the diffraction limit from the far field in three branches of wave physics: microwaves, acoustics and optics. We eventually focus on the frequency range where no propagating modes exist: a photonic (phononic) bandgap. We show that the introduction of a locally resonant defect inside the medium permits to build a resonant cavity or a waveguide, characterized by a deeply subwavelength spatial scale.; Cette thèse s'inscrit dans la continuité des travaux de l'Institut Langevin sur le contrôle spatio-temporel des ondes. Dans ce contexte, nous montrons en premier lieu que les milieux complexes offrent de plus grandes possibilités que l'espace libre. Nous quantifions ces apports en termes de degrés de liberté spatio-temporels qui peuvent être mis à profit grâce à l'utilisation de signaux large bande et de sources d'émission multiples. Nous étudions ensuite des milieux de propagation complexes qui présentent des hétérogénéités résonantes, et faisons le lien entre différents modèles (milieu effectif, polariton, hybridation) pour y décrire la propagation. Lorsque ces milieux sont organisés sur une échelle caractéristique inférieure à la longueur d'onde, nous montrons théoriquement qu'ils supportent des modes propagatifs qui oscillent sur des échelles spatiales inférieures à la longueur d'onde. Nous prouvons qu'il est possible d'exciter et de contrôler ces champs sub-longueur d'onde depuis le champ lointain en exploitant les degrés de liberté spatio-temporels à notre disposition. Des résultats expérimentaux et numériques de focalisation et d'imagerie en-dessous de la limite de la diffraction depuis le champ lointain sont présentés dans trois domaines de la physiques ondulatoire : les ondes micro-ondes, l'acoustique et l'optique. Enfin, nous nous intéressons à une gamme de fréquence, appelée bande interdite, pour laquelle il n'existe pas de solution propagative. En introduisant un défaut localement résonant, nous montrons la possibilité de créer des cavités résonantes ou des guides d'onde dont les dimensions sont bien inférieures à la longueur d'onde.

The onset of cavitation activity in an aqueous medium is linked to the formation of gas/vapour-filled cavities of micrometric size. This formation can be acoustically mediated and is then called acoustic bubble nucleation. We focus here in the activation of seed nuclei by short (a few cycles) and high amplitude ultrasonic excitation (order of magnitude MPa). Bubbles are generated during the rarefaction phase of the wave and are transient (they dissolve). The nucleation properties of biological tissues are little known. However, they can be assessed using ultrasound: the formation of a bubble results in the appearance of a new scatterer (which can be detected with a pulse-echo detection), and each cavitation event generates an acoustic emission (detected with passive reception). In n this PhD manuscript, we use ultrafast ultrasound imaging (simultaneous acquisition on an array of transducers with a high frame rate) to detect cavitation events. Two in vitro applications were first validated. On one hand, bubble nucleation was performed through a human skull, and transcranial passive detection of a single cavitation event was used in a time reversal process to optimize adaptive focusing for thermal therapy of brain tissue. On the other hand, the formation and dissolution of bubbles in scattering biological tissues (muscle) were detected with a high sensitivity by combining passive detection and ultrafast active imaging. Finally, in vivo experiments on sheep's brain, and others in vitro on animal blood showed that nucleation in biological tissue is a random phenomenon, and high negative pressure are mandatory to initiate nucleation in vivo (< -12MPa).; L'initiation de la cavitation dans un milieu aqueux se traduit par l'apparition d'une ou plusieurs inclusions gazeuses micrométriques. Elle peut être obtenue acoustiquement par activation de nucléi, et est alors nommée nucléation acoustique de bulles. Nous nous intéressons à la nucléation induite par excitation brève (quelques cycles) et de forte amplitude (ordre du MPa). Les bulles, créés par la dépression acoustique, sont transitoires (dissolution). Les propriétés des tissus biologiques en terme de nucléation de bulles sont peu connues. Elles sont accessibles acoustiquement, car la formation d'une bulle engendre l'apparition d'un nouveau diffuseur, détectable activement (échographie). De plus, chaque évènement de cavitation conduit à une émission acoustique, enregistrable en écoute passive. Ce travail de thèse utilise l'imagerie ultrasonore ultrarapide (acquisition simultanée à forte cadence sur un réseau de transducteurs) afin de détecter et étudier les évènements de cavitation. D'une part, la nucléation de bulles isolées et leur détection passive à travers le crâne permettent, via le retournement temporel, d'optimiser la focalisation adaptative pour une thérapie ultrasonore non invasive du cerveau. D'autre part, la formation de bulles dans les tissus biologiques diffusants (muscle) et leur dissolution sont détectées avec une grande sensibilité en combinant détection passive et active. Des expérimentations in vivo sur encéphale de mouton, et in vitro sur sang animal montrent de plus le caractère aléatoire de la nucléation dans les tissus biologiques, et le recourt à des pressions négatives fortes (< -12MPa) pour observer son occurrence in vivo.

The onset of cavitation activity in an aqueous medium is linked to the formation of gas/vapour-filled cavities of micrometric size. This formation can be acoustically mediated and is then called acoustic bubble nucleation. We focus here in the activation of seed nuclei by short (a few cycles) and high amplitude ultrasonic excitation (order of magnitude MPa). Bubbles are generated during the rarefaction phase of the wave and are transient (they dissolve). The nucleation properties of biological tissues are little known. However, they can be assessed using ultrasound: the formation of a bubble results in the appearance of a new scatterer (which can be detected with a pulse-echo detection), and each cavitation event generates an acoustic emission (detected with passive reception). In n this PhD manuscript, we use ultrafast ultrasound imaging (simultaneous acquisition on an array of transducers with a high frame rate) to detect cavitation events. Two in vitro applications were first validated. On one hand, bubble nucleation was performed through a human skull, and transcranial passive detection of a single cavitation event was used in a time reversal process to optimize adaptive focusing for thermal therapy of brain tissue. On the other hand, the formation and dissolution of bubbles in scattering biological tissues (muscle) were detected with a high sensitivity by combining passive detection and ultrafast active imaging. Finally, in vivo experiments on sheep's brain, and others in vitro on animal blood showed that nucleation in biological tissue is a random phenomenon, and high negative pressure are mandatory to initiate nucleation in vivo (< -12MPa)., L'initiation de la cavitation dans un milieu aqueux se traduit par l'apparition d'une ou plusieurs inclusions gazeuses micrométriques. Elle peut être obtenue acoustiquement par activation de nucléi, et est alors nommée nucléation acoustique de bulles. Nous nous intéressons à la nucléation induite par excitation brève (quelques cycles) et de forte amplitude (ordre du MPa). Les bulles, créés par la dépression acoustique, sont transitoires (dissolution). Les propriétés des tissus biologiques en terme de nucléation de bulles sont peu connues. Elles sont accessibles acoustiquement, car la formation d'une bulle engendre l'apparition d'un nouveau diffuseur, détectable activement (échographie). De plus, chaque évènement de cavitation conduit à une émission acoustique, enregistrable en écoute passive. Ce travail de thèse utilise l'imagerie ultrasonore ultrarapide (acquisition simultanée à forte cadence sur un réseau de transducteurs) afin de détecter et étudier les évènements de cavitation. D'une part, la nucléation de bulles isolées et leur détection passive à travers le crâne permettent, via le retournement temporel, d'optimiser la focalisation adaptative pour une thérapie ultrasonore non invasive du cerveau. D'autre part, la formation de bulles dans les tissus biologiques diffusants (muscle) et leur dissolution sont détectées avec une grande sensibilité en combinant détection passive et active. Des expérimentations in vivo sur encéphale de mouton, et in vitro sur sang animal montrent de plus le caractère aléatoire de la nucléation dans les tissus biologiques, et le recourt à des pressions négatives fortes (< -12MPa) pour observer son occurrence in vivo.

Time Reversal (TR) methods are applied in microwaves to pulse amplification and imaging. First, we use a reverberation chamber with an aperture on the front face and we take advantage of the pulse compression property of time reversal. High amplitude peaks are generated outside the chamber thanks to the long spreading time of the signals inside. Our device is auto-adaptive in position and in polarization. The second part of the manuscript deals theoretically and experimentally with the DORT method (decomposition of the TR operator). The method is first applied to characterize a dielectric cylinder and work out its parameters. Imaging of two close scatterers separated by a subwavelength distance is then considered. A criterion is especially extracted to deduce the noise level above which the resolution fails. Furthermore, we use the DORT method to track experimentally people behind a wall. The wave propagation inside the wall is taken into account to localize a human being. This last part leads to the study of the invariants of the TR operator when a pointlike target is moving during the acquisition of the transfer matrix. Eventually, we introduce the first wideband ambient noise cross-correlation experiment in microwaves. The crosscorrelation yields the Green's function between two antennas and allows the passive detection and localization of targets. The analogy with a TR process is developed. Passive people localization is also achieved with the narrow bandwidth signals emitted by a WIFI router., Les méthodes de retournement temporel (RT) en micro-ondes sont appliquées à l'amplification d'impulsions et à l'imagerie. Lors d'une première partie, une chambre réverbérante ouverte sur sa face avant permet d'engendrer un champ diffus tout en laissant s'échapper l'énergie afin de focaliser le champ par RT à l'extérieur. La compression spatiotemporelle après RT produit une impulsion de forte amplitude et confère au dispositif un caractère auto-adaptatif en position et en polarisation. La seconde partie traite expérimentalement et théoriquement de la méthode DORT (décomposition de l'opérateur de RT). Le cas d'un cylindre diélectrique est examiné dans le but de retrouver ses paramètres. L'imagerie de deux cibles séparées d'une distance sub-longueur d'onde est alors abordée. Un critère de résolution déterminant le niveau de bruit à partir duquel la résolution des cibles échoue est notamment extrait. La méthode est ensuite appliquée à la localisation de personnes mobiles derrière un mur. La possibilité de suivre un déplacement est illustrée en prenant en compte la propagation à l'intérieur du mur. L'influence du déplacement d'une cible ponctuelle pendant l'acquisition de la matrice de transfert sur les invariants de l'opérateur de RT est aussi examinée. Enfin, une technique d'imagerie passive fondée sur les corrélations du bruit ambiant est expérimentalement mise en évidence en micro-ondes. Suivant une analogie avec le RT, la corrélation de signaux de bruit large bande mène à la fonction de Green entre deux antennes et ainsi à la localisation de cibles. La localisation passive d'une personne est aussi abordée en « bande étroite » grâce à l'émission d'une borne WIFI.

Time Reversal (TR) methods are applied in microwaves to pulse amplification and imaging. First, we use a reverberation chamber with an aperture on the front face and we take advantage of the pulse compression property of time reversal. High amplitude peaks are generated outside the chamber thanks to the long spreading time of the signals inside. Our device is auto-adaptive in position and in polarization. The second part of the manuscript deals theoretically and experimentally with the DORT method (decomposition of the TR operator). The method is first applied to characterize a dielectric cylinder and work out its parameters. Imaging of two close scatterers separated by a subwavelength distance is then considered. A criterion is especially extracted to deduce the noise level above which the resolution fails. Furthermore, we use the DORT method to track experimentally people behind a wall. The wave propagation inside the wall is taken into account to localize a human being. This last part leads to the study of the invariants of the TR operator when a pointlike target is moving during the acquisition of the transfer matrix. Eventually, we introduce the first wideband ambient noise cross-correlation experiment in microwaves. The crosscorrelation yields the Green's function between two antennas and allows the passive detection and localization of targets. The analogy with a TR process is developed. Passive people localization is also achieved with the narrow bandwidth signals emitted by a WIFI router.; Les méthodes de retournement temporel (RT) en micro-ondes sont appliquées à l'amplification d'impulsions et à l'imagerie. Lors d'une première partie, une chambre réverbérante ouverte sur sa face avant permet d'engendrer un champ diffus tout en laissant s'échapper l'énergie afin de focaliser le champ par RT à l'extérieur. La compression spatiotemporelle après RT produit une impulsion de forte amplitude et confère au dispositif un caractère auto-adaptatif en position et en polarisation. La seconde partie traite expérimentalement et théoriquement de la méthode DORT (décomposition de l'opérateur de RT). Le cas d'un cylindre diélectrique est examiné dans le but de retrouver ses paramètres. L'imagerie de deux cibles séparées d'une distance sub-longueur d'onde est alors abordée. Un critère de résolution déterminant le niveau de bruit à partir duquel la résolution des cibles échoue est notamment extrait. La méthode est ensuite appliquée à la localisation de personnes mobiles derrière un mur. La possibilité de suivre un déplacement est illustrée en prenant en compte la propagation à l'intérieur du mur. L'influence du déplacement d'une cible ponctuelle pendant l'acquisition de la matrice de transfert sur les invariants de l'opérateur de RT est aussi examinée. Enfin, une technique d'imagerie passive fondée sur les corrélations du bruit ambiant est expérimentalement mise en évidence en micro-ondes. Suivant une analogie avec le RT, la corrélation de signaux de bruit large bande mène à la fonction de Green entre deux antennes et ainsi à la localisation de cibles. La localisation passive d'une personne est aussi abordée en « bande étroite » grâce à l'émission d'une borne WIFI.

Ultrasound andMRI elastography has developed rapidly these past days in order to estimate the viscoelastic properties of soft tissues. This new diagnostic tool is particularly adapted to characterize pathologies such as breast carcinoma because of its higher elasticity than the surrounding tissue. In the first part of the manuscript, viscoelasticmedia are presented in order to describe their mechanical behaviors while an elastic wave is generated. Several rheological models are introduced and analyzed to find the more adapted description of the mechanical properties of soft tissues estimated out of MR-Elastography acquisitions. The second part presents the different techniques of ultrasound elastography and the basis of the Magnetic Resonance Imaging in order to better understand the objectives of MR-Elastography. Two MR-Elastography sequences are theoretically and experimentally analyzed in order to optimize the quality of mechanical properties estimation. The third part enlightens the difficulties to adapt current MR-Elastography sequences to short T2* tissues such as the carotid or the heart. Thus, a new sequence is introduced : the DENSE-MRE sequence. This new MRI sequence is theoretically and experimentally compared to conventional MR-Elastography sequences. And this new sequence is is used in vivo to estimate elastograms of heart during the heart cycle.; 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.

Ultrasound andMRI elastography has developed rapidly these past days in order to estimate the viscoelastic properties of soft tissues. This new diagnostic tool is particularly adapted to characterize pathologies such as breast carcinoma because of its higher elasticity than the surrounding tissue. In the first part of the manuscript, viscoelasticmedia are presented in order to describe their mechanical behaviors while an elastic wave is generated. Several rheological models are introduced and analyzed to find the more adapted description of the mechanical properties of soft tissues estimated out of MR-Elastography acquisitions. The second part presents the different techniques of ultrasound elastography and the basis of the Magnetic Resonance Imaging in order to better understand the objectives of MR-Elastography. Two MR-Elastography sequences are theoretically and experimentally analyzed in order to optimize the quality of mechanical properties estimation. The third part enlightens the difficulties to adapt current MR-Elastography sequences to short T2* tissues such as the carotid or the heart. Thus, a new sequence is introduced : the DENSE-MRE sequence. This new MRI sequence is theoretically and experimentally compared to conventional MR-Elastography sequences. And this new sequence is is used in vivo to estimate elastograms of heart during the heart cycle.; 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.

Time reversal is a multi-element technique allowing for focusing in an unknown heterogeneous medium by using the time-reversal invariance of the wave equation. The matrix formulation of Time reversal gave birth to a multi-target technique, the DORT method (French acronym for Decomposition of the Time-Reversal Operator). This thesis investigates into the application of the DORT method to underwater acoustics. In order to emit the eigenvectors given by the DORT method, we propose a new method to reconstruct the temporal eigenvectors called SVP for EigenVectors Synchronization. This method is based on a numerical backpropagation in free space of the monochromatic eigenvectors needing little information on the medium. Instantaneous acquisition of the multistatic data matrix K with orthogonal codes are also investigated into. We show that the DORT method provides a mean to extract without any a priori knowledge the frequency signature of a target in a waveguide, despite the blurring caused by multipath. Indeed, the first eigenvalue is proportional to the monostatic frequency response of the target. Moreover, we show that the other eigenvalue contain additional information on the radiation pattern. Then we look into a problem specific to the application of the DORT method at sea. Due to constant fluctuation, the first principle of Time-reversal based techniques, which is a stationary medium, is often faulty. We show here that the DORT method can be used in a non stationary medium, in the case of a target moving vertically or a waveguide having sea surface waves. The study of the eigenvectors allows then to retrieve the positions of the target during the acquisition or the surface state over the target, Le Retournement Temporel est une technique multi-éléments permettant de focaliser une onde dans un milieu inconnu hétérogène en utilisant la propriété d'invariance par retournement temporel de l'équation des ondes. La formulation matricielle du Retournement Temporel a donné lieu à une technique de détection multi-cibles, la méthode DORT (pour Décomposition de l'Opérateur de Retournement Temporel). Cette thèse traite de l'application de la méthode DORT en acoustique sous-marine. Afin d'émettre les vecteurs propres issus de la méthode DORT, nous proposons une nouvelle méthode de reconstruction des vecteurs propres temporels baptisée SVP pour Synchronisation des Vecteurs Propres. Cette méthode est basée sur une repropagation numérique en espace libre des vecteurs propres monochromatiques nécessitant peu d'information sur le milieu. L'acquisition instantanée de la matrice de transfert K à l'aide de codes orthogonaux est aussi étudiée. Nous montrons que la méthode DORT permet d'extraire sans aucune connaissance préalable la signature fréquentielle d'une cible placée dans un guide d'onde et ce malgré les chemins multiples brouillant celle-ci. En effet, la première valeur singulière de la matrice K est proportionnelle à la réponse fréquentielle monostatique de la cible. De plus, nous montrons que les autres valeurs singulières donnent accès à des informations supplémentaires sur le diagramme de rayonnement. Par la suite, nous considérons un problème spécifique aux acquisitions DORT en mer. En effet, le milieu marin étant en constante fluctuation, le principe fondateur des méthodes de Retournement Temporel qui est la stationnarité est souvent mis en défaut. Nous montrons ainsi que la méthode DORT est utilisable en milieu non stationnaire, dans le cas où la cible est animée d'un mouvement vertical parallèle au réseau ou d'un guide d'onde présentant des vagues à sa surface. L'étude des vecteurs propres permet alors de remonter au déplacement de cette cible ou à l'état de surface au niveau de la cible et du réseau.

Time reversal is a multi-element technique allowing for focusing in an unknown heterogeneous medium by using the time-reversal invariance of the wave equation. The matrix formulation of Time reversal gave birth to a multi-target technique, the DORT method (French acronym for Decomposition of the Time-Reversal Operator). This thesis investigates into the application of the DORT method to underwater acoustics. In order to emit the eigenvectors given by the DORT method, we propose a new method to reconstruct the temporal eigenvectors called SVP for EigenVectors Synchronization. This method is based on a numerical backpropagation in free space of the monochromatic eigenvectors needing little information on the medium. Instantaneous acquisition of the multistatic data matrix K with orthogonal codes are also investigated into. We show that the DORT method provides a mean to extract without any a priori knowledge the frequency signature of a target in a waveguide, despite the blurring caused by multipath. Indeed, the first eigenvalue is proportional to the monostatic frequency response of the target. Moreover, we show that the other eigenvalue contain additional information on the radiation pattern. Then we look into a problem specific to the application of the DORT method at sea. Due to constant fluctuation, the first principle of Time-reversal based techniques, which is a stationary medium, is often faulty. We show here that the DORT method can be used in a non stationary medium, in the case of a target moving vertically or a waveguide having sea surface waves. The study of the eigenvectors allows then to retrieve the positions of the target during the acquisition or the surface state over the target; Le Retournement Temporel est une technique multi-éléments permettant de focaliser une onde dans un milieu inconnu hétérogène en utilisant la propriété d'invariance par retournement temporel de l'équation des ondes. La formulation matricielle du Retournement Temporel a donné lieu à une technique de détection multi-cibles, la méthode DORT (pour Décomposition de l'Opérateur de Retournement Temporel). Cette thèse traite de l'application de la méthode DORT en acoustique sous-marine. Afin d'émettre les vecteurs propres issus de la méthode DORT, nous proposons une nouvelle méthode de reconstruction des vecteurs propres temporels baptisée SVP pour Synchronisation des Vecteurs Propres. Cette méthode est basée sur une repropagation numérique en espace libre des vecteurs propres monochromatiques nécessitant peu d'information sur le milieu. L'acquisition instantanée de la matrice de transfert K à l'aide de codes orthogonaux est aussi étudiée. Nous montrons que la méthode DORT permet d'extraire sans aucune connaissance préalable la signature fréquentielle d'une cible placée dans un guide d'onde et ce malgré les chemins multiples brouillant celle-ci. En effet, la première valeur singulière de la matrice K est proportionnelle à la réponse fréquentielle monostatique de la cible. De plus, nous montrons que les autres valeurs singulières donnent accès à des informations supplémentaires sur le diagramme de rayonnement. Par la suite, nous considérons un problème spécifique aux acquisitions DORT en mer. En effet, le milieu marin étant en constante fluctuation, le principe fondateur des méthodes de Retournement Temporel qui est la stationnarité est souvent mis en défaut. Nous montrons ainsi que la méthode DORT est utilisable en milieu non stationnaire, dans le cas où la cible est animée d'un mouvement vertical parallèle au réseau ou d'un guide d'onde présentant des vagues à sa surface. L'étude des vecteurs propres permet alors de remonter au déplacement de cette cible ou à l'état de surface au niveau de la cible et du réseau.

In this thesis, the Time Reversal Process is applied in the acoustic domain, first to focus a few seconds-long random noise in a reverberant room, and second to localize impacts given at the surface of thin plates. Concerning the first application, 2D numerical simulations as well as 3D experiments show a spatial focusing of the signals. The signal to noise ratio is proved theoretically and experimentally to depend only on the number elements of the Time Reversal Mirror. The robustness of this focusing is studied while the medium reciprocity is broken between the two Time Reversal steps.Moreover, a technique is developed to localize impacts given at the surface of reverberant plates. It is based on the pattern matching of acoustic signatures. The link between this method and Time Reversal, and the study of the waves excited by such impacts allow to predict the resolution and the signal to noise ratio of the technique. The interaction of the predominant wave (the A0 Lamb wave) with the plate's borders is studied. Besides, a finite differences simulation of A0 mode propagation in thin plates is developed. At last, the sensibility of the localization technique to temperature variations is studied in many materials, numerically, theoretically and experimentally. When temperature changes, the impulse responses are simply stretched, which can easily be compensated for., Cette thèse concerne l'étude du Retournement Temporel (RT) en milieu réverbérant, appliqué d'une part à la focalisation d'ondes acoustiques audibles longues de plusieurs secondes à caractère aléatoire dans une chambre réverbérante, et d'autre par à la localisation d'impacts à la surface de plaques minces réverbérantes. Concernant cette première application, une focalisation spatiale des signaux est observée tant numériquement qu'expérimentalement. Il est montré à la fois théoriquement et expérimentalement que le contraste ne dépend que du nombre d'éléments du Miroir à Retournement Temporel. Enfin, la robustesse de la focalisation lorsque la réciprocité du milieu est brisée entre les deux étapes du RT est étudiée. D'autre part, afin de localiser des impacts à la surface de plaques réverbérantes, une technique reposant sur la comparaison des signatures acoustiques par corrélation est développée. L'analogie avec le RT, ainsi qu'une étude de la nature des ondes excitées par un impact à la surface de plaques, permettent de comprendre les capacités de cette techniques en terme de résolution et contraste. L'interaction de l'onde majoritaire (onde de Lamb A0) avec les bords de la plaque est également étudiée. En outre, un code de simulation numérique de la propagation de ce mode par différences finies dans l'approximation faible produit fréquence par épaisseur est développé. Enfin, l'influence des variations de température sur la technique de localisation par corrélation est étudiée numériquement, théoriquement et expérimentalement, dans plusieurs matériaux. Un changement de température entraîne une simple dilatation des réponses impulsionnelles, et est aisément compensé.

Acoustic scattering analysis is an important tool in acoustic imaging and characterization with applications among non-destructive testing, medical imaging or underwater acoustics. The method employed in the manuscript is the Decomposition of the Time Reversal Operator or DORT method. It consists in the study of the Time Reversal invariants. For a given transducers array, the invariants correspond to the singular vectors obtained by singular value decomposition of the array response matrix K. Each vector is associated with a singular value. The DORT method is here used to characterize different elastic object such as cylinder, tube, sphere and two cylinders. The formalism of decomposition of the scattered pressure in normal modes of vibrations or harmonics allows to determine the theoretical Time Reversal invariants. The N dimension problem, where N is the number of transducers, is reduced to a problem which dimension is about 2k0a+1, where a is the characteristic object dimension and k0 the wave number in the surrounding fluid. This approach gives analytical expressions of the singular values and vectors in the small object limit (k0a < 0,5) and in the Rayleigh limit (2a less than the focal spot). Theses results are experimentally verified and in agreement with the previous point of view : for a small cylinder, it exists a main singular value associated with the singular vector which focuses isotropicly on the scatterer. Furthermore, analogies with the two dimensional electromagnetism are also shown. [A corrected and updated version of the manuscript is available as a book (EUE September 2010). The fluid scattering case (cylinder and sphere) has been corrected. The hollow elastic sphere scattering has been added. The cylindrical projected mode formalism has been adapted to the spherical case. The reference list has been updated.], L'analyse de la diffusion acoustique est un outil important pour l'imagerie et la caractérisation. Les applications concernent le contrôle non-destructif, l'imagerie médicale ou l'acoustique sous-marine. La méthode employée dans ce manuscrit est la Décomposition de l'Opérateur de Retournement Temporel ou méthode DORT. Elle consiste à étudier les invariants du Retournement Temporel. Pour un réseau donné de transducteurs, ceux-ci correspondent aux vecteurs singuliers obtenus par décomposition en valeur singulières de la matrice K des réponses inter-éléments du réseau. Chaque vecteur est associé à une valeur singulière. La méthode DORT est ici utilisée pour caractériser différents objets élastiques : cylindre, tube, sphère et deux cylindres. Le formalisme de décomposition du champ diffusé en modes normaux de vibrations ou harmoniques, permet de déterminer les invariants du Retournement Temporel théoriques. Il est alors possible de réduire le problème de dimension N, le nombre de transducteurs du réseau, à un problème de dimension d'ordre 2k0a+1, où a est la dimension caractéristique de l'objet et k0 le nombre d'onde dans le fluide environnant. Cette approche fournit des expressions analytiques des valeurs singulières, notamment dans la limite petit objet (k0a < 0,5) et dans la limite de Rayleigh (2a inférieur à la tache de focalisation). Ces résultats, bien vérifiés expérimentalement, sont en accord avec le point de vue qui prévalait jusqu'alors : pour un petit diffuseur, il existe une valeur singulière principale associée au vecteur singulier focalisant de façon isotrope sur l'objet. De plus, les analogies avec l'électromagnétisme à deux dimensions sont également présentées. [Une version augmentée et corrigée de la thèse est disponible sous forme d'ouvrage (EUE septembre 2010). La diffusion des cylindre et sphère fluides a été corrigée. La diffusion acoustique de la sphère élastique creuse a été ajoutée. Le formalisme des modes projetés cylindriques a été adapté au cas sphérique. Les références ont été également mises à jour.]

With the difficulties encountered for the exploration of complex surfaces, particularly in nuclear industry, the ultrasonic conformable phased array transducer allows a non destructive testing of parts with 3D complex geometry. This type of sensor is a matrix array of independent transmitters moulded in a mechanically flexible resin. A vibratory analysis by finite elements makes it possible to define the emitting structure in 1-3 piezocomposite, which leads to the manufacturing of transmitting elements. The experimental study of these devices carried out to the development of the semi-analytical model using the tangential stresses calculated at the interface between the transmitter and the propagation medium, by finite elements. This makes it possible to visualize some phenomena related to coupling fluid and improves the prediction of the field in transverse waves. Thus, a prototype of the conformable phased array have been characterized in transmission and echography., Devant les difficultés rencontrées pour l'exploration de surfaces complexes, en particulier dans l'industrie nucléaire, le traducteur ultrasonore multiéléments conformable permet un contrôle non destructif de pièces à géométrie complexe 3D. Ce type de capteur est un réseau matriciel composé d'émetteurs indépendants moulés dans une résine mécaniquement souple. Une analyse vibratoire par éléments finis permet de définir la structure émettrice en piézocomposite 1-3, ce qui conduit à l'élaboration d'éléments émetteurs. L'étude expérimentale de ces dispositifs a mené au développement du modèle semi-analytique, pour prendre en compte les contraintes tangentielles calculées à l'interface entre l'émetteur et le milieu de propagation, par éléments finis. Ceci permet de visualiser quelques phénomènes liés au couplant fluide et améliore la prédiction du champ en ondes transverses. De là, un prototype du réseau conformable a été caractérisé en transmission et en échographie.

Le procédé de Retournement Temporel permet de focaliser les ondes acoustiques en n'importe quel point d'un domaine 3D, au moyen d'un unique transducteur collé sur la surface d'une cavité solide rayonnante. La résolution du système dépend alors de la dimension de la cavité. Une théorie basée sur l'analyse modale des signaux relie le contraste du système aux caractéristiques physiques de la cavité et du transducteur. Puis nous avons étudié l'amélioration de la focalisation que peuvent apporter l'utilisation du procédé de Filtre Inverse et l'ajout de transducteurs. La première application d'imagerie a été la localisation d'une source ultrasonore à l'aide d'un seul transducteur. Puis nous avons montré comment le crâne humain joue le rôle d'une cavité réverbérante et pourrait participer au processus de localisation de son par l'Homme. Enfin nous avons développé un système de localisation d'impacts, dans le but transformer tout objet de la vie quotidienne en interface tactile.; non disponible

High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) is a promising technique for the treatment of localized cancers. The ability to focus ultrasound precisely on a predetermined volume allows the possibility of selective tissue destruction at this position without damage to surrounding tissues. However, many difficulties remain in the treatment of deep-seated tumors. In this thesis, new therapeutic and monitoring techniques are proposed to address these problems, by using phased arrays of ultrasound transducers. Two monitoring techniques based on the detection of the displacements of the ultrasonic speckle are developed, and allowed us to image the changes in the temperature and the shear modulus during HIFU therapy. In-vitro ultrasound-guided experiments are performed. Secondly, the problem of organs motion during the treatment is addressed. A method for real-time tracking the 3D motion of tissues is combined with a 2D High Intensity Focused Ultrasound multi-channel system in order to correct the respiratory motion during HIFU therapies. In the last section of this thesis, a high power ultrasonic system is developed for transcranial HIFU brain therapy. The skulls aberrations are corrected using a time reversal mirror thanks to an implanted hydrophone. In-vivo experiments are conducted on 22 sheep with minimally invasive surgery. Finally, a non-invasive protocol based on CT scans of the entire skull is developed and allows the prediction of the skulls aberrations and the skull overheating.

Voir en dernière page du pdf; Non disponible

Voir conclusion générale en fin de pdf (3 pages).; Non disponible