Th.--Méd.--Reims, 1981. N°: 36.

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Depuis plusieurs décennies, les matériaux piézoélectriques à base de plomb dominent le marché de la transduction électromécanique du fait de leurs très hautes performances. Or, au début du XXIème siècle, de nouvelles restrictions européennes apparaissent, poussant à faire disparaître définitivement l’usage de ce matériau dangereux pour l’environnement et la santé. À partir de là, une course est lancée dans la communauté scientifique qui doit trouver de nouveaux matériaux sans plomb aux performances équivalentes. Ce travail de thèse s’inscrit dans ce challenge. Le matériau piézoélectrique sans plomb KNbO3 a été identifié comme une réelle alternative. Ses caractéristiques sont déterminées en prenant en compte la cohérence de l’ensemble qui est une nouvelle problématique soulevée par les utilisateurs de ces données de matériau. En effet, le résultat des simulations numériques faites par la méthode des éléments finis, entre autres, est sensible à cette absence de cohérence. Partant de ce travail, il est alors possible de simuler correctement, et grâce aux éléments finis, le comportement électromécanique d’une nouvelle structure pseudo-périodique de composite piézoélectrique de connectivité 1-3 conçue pour s’affranchir de limites de fonctionnement actuelles. Les résultats théoriques sont également validés expérimentalement. Enfin, un algorithme de caractérisation multimodale et multiphasique, basé sur l’algorithme génétique, a été réalisé pour obtenir les propriétés de ces matériaux piézoélectriques après leur usinage nécessaire à leur intégration dans un transducteur ultrasonore. Cela permet d’adapter les pièces périphériques à ces nouvelles caractéristiques pour une optimisation ultime des performances des transducteurs finaux fabriqués au cours de cette thèse. / Piezoelectric ceramics have been on the market for several decades and their use keeps growing. Nowadays, these materials are included in a wide range of devices, in particular for ultrasonic applications. Since the discovery of lead zirconium titanate (PZT) sixty years ago, a wide range of derived compositions coupled to efficient manufacturing processes have been developed to enable their use in many devices. Thus, PZT ceramics are the most used piezoelectric materials, although the presence of lead in their composition is a growing health and environmental concern. Consequently, since 2003, E.U. has voted guidelines for the management of Waste Electrical and Electronic Equipment at the end of its lifecycle (WEEE) and Restrictions (Hazardous Substances, R0HS). In addition, in December 2012, the European CHemicals Agency (ECHA) added PZT in candidate list of the REACH directive. Similar steps are also followed by many countries in Asia and North America. In this international context, research on lead-free piezoelectric materials and their applications becomes a major issue. This thesis focuses specifically on ultrasonic transducer applications (medical imaging and underwater acoustics) with, at f irst, functional characterization of lead-free piezoelectric materials. To this end, the KNbO3 Iead-free single crystal is selected in its specific cutting (YXt)-45° which provides a coupling coefficient k (in thickness mode) of 60%. A characterization of this material is carried out to provide a complete and consistent set of electromechanical properties, and thus avoid calculation errors during the simulation stage of the transducer. Its performance is demonstrated through its integration in a 30 MHz ultrasound probe to obtain images of human skin in vivo.

Ce travail s'articule en quatre parties. Les trois premières ont pour socle commun l'adaptation d'un schéma volumes finis (VFFC) à des situations variées, dans le but d'un gain en efficacité pour la simulation numérique d'écoulements complexes. La première partie concerne la simulation numérique efficace de la chute d'un bloc de liquide au sein d'une poche de gaz, et propose un nouveau modèle mutualisant de précédents travaux pour associer finesse des résultats et efficacité de calcul. La deuxième partie vise à la mise en place d'un schéma AMR (Adaptive Mesh Refinement) général pour la résolution par volumes finis des systèmes non conservatifs. La troisième partie a pour finalité le couplage dynamique de deux modèles représentant plus ou moins finement une physique donnée. Enfin, dans un tout autre domaine où l'efficacité de résolution des équations aux dérivées partielles revêt également une grande importance, la quatrième partie s'intéresse au problème du flot optique en imagerie - c'est à dire à la recherche d'un champ de déplacement à partir d'une suite d'image - et approfondit une méthode existante (méthode de Horn et Schunck) d'un point de vue pratique et théorique. / This work is divided into four parts. The first three parts, as a common base, aim at adapting a finite volume scheme (VFFC) to various situations, in order to get a better efficiency for the numerical simulation of complex flows. The first part deals with the efficient numerical simulation of a falling block of liquid in a gas pocket, and proposes a new model to combine previous work for associating precision of results and computational efficiency. The second part aims at the establishment of a general AMR (Adaptive Mesh Refinement) scheme for resolution by finite volumes of non-conservative systems. The purpose of the third part is the dynamic coupling of two models representing more or less finely a given physical system. Finally, in any other area where the efficiency of solving partial differential equations is of great importance too, the fourth part deals with the problem of optical flow in imaging - i.e. the research of a displacement field from several successive images - and deepens an existing method (Horn and Schunck method) from a practical and theoretical perspective.

L’étude de la neurotransmission et de la plasticité synaptique à l’échelle biomoléculaire dans des cellules vivantes nécessite des outils qui permettent la visualisation et la localisation d’une grande variété de protéines synaptiques ainsi que d’autres composantes. La transparence des neurones, la taille nanométrique des structures d’intérêt et leur compacité motivent le choix des modalités d’imagerie pouvant servir à étudier ces phénomènes. La microscopie à super-résolution en fluorescence produit des images ayant une résolution de localisation de l’ordre du nanomètre d’échantillons marqués. Toutefois, cette technique ne permet d’observer que les structures ayant été marquées. C’est pourquoi nous voulons la combiner à une technique ne nécessitant aucun marquage afin d’obtenir le plus d’information possible au sujet de la structure des échantillons. L’imagerie de phase quantitative est une technique sans-marquage qui utilise l’indice de réfraction comme agent de contraste intrinsèque pour cartographier en 3D le contenu cellulaire. Le but principal de ce projet est de concevoir et construire un montage de microscopie de phase quantitative et de l’intégrer à un microscope STED existant de façon à créer un nouveau système d’imagerie multimodale. La performance de ce système sera ensuite caractérisée et sa capacité à produire des images multimodales de synapses de cellules vivantes sera évaluée. Ce projet est un premier pas vers la création d’un outil qui pourrait permettre de simultanément mesurer de façon très précise la position de structures marquées en 2D et 3D et cartographier l’indice de réfraction des cellules en 3D afin de situer les structures marquées dans leur environnement. / The study of neurotransmission at the biomolecular level in live cells requires tools that allow the simultaneous visualisation and localization of a variety of neuronal proteins at their scale: the nanometric scale. In order to do so, an imaging approach offering high spatial and temporal resolution combined to low invasiveness is required. STED microscopy is an optical super-resolution fluorescence microscopy technique that produces images of labelled samples with a spatial resolution below 50 nm in living cells. However, since it is based on the detection of fluorescent molecules, labeling of the structures of interestis necessary and non-labeled structures are invisible for this type of microscope. Therefore, we want to combine it to a label-free optical microscopy technique to maximize the information that can be obtained about the global structure of the samples of interest: optical diffraction tomography (ODT). This approach uses refractive index as an intrinsic contrast agent to produce 3D maps of the cell’s internal contents.The main goal of this project is to design and build a quantitative phase imaging system and to integrate it onto an existing STED microscope to create a novel multimodal super-resolution imaging system. The performance of the microscope will then be characterized. This project is a first step towards the creation of a tool that could eventually allow simultaneous precise2D and 3D mapping of labelled structures and label-free 3D mapping of the sample’s refractive index to situate marked structures in their surroundings.

Un scanner 3D portable est un appareil manuel qui permet de convertir un objet réel en un modèle 3D numérique de l’objet. De nos jours, les scanners 3D portables sont utilisés dans plusieurs secteurs de notre société, comme l’industrie manufacturière, la santé, le divertissement ou l’archéologie. Pour numériser un objet, l’utilisateur doit pointer le scanner vers l’objet et le déplacer autour de l’objet afin d’acquérir l’entièreté de sa surface. Pour faciliter la tâche de l’utilisateur, la plupart des scanners 3D portables modernes comprennent une interface graphique qui offre une visualisation de la surface reconstruite en temps réel. Cette rétroaction est essentielle car elle permet à l’utilisateur d’ajuster la trajectoire du scanner en fonction de ce qui reste à numériser. Or, l’écran comporte certains inconvénients sur le plan de l’utilisabilité. Dans ce projet de recherche, nous proposons donc une alternative aux écrans en exploitant la technologie des casques de réalité augmentée. Notre solution consiste à superposer le scan directement par-dessus l’objet réel grâce au casque de réalité augmentée. Afin de valider la faisabilité de la solution proposée, nous avons développé un prototype basé sur le système de reconstruction 3D KinectFusion et sur le système de réalité virtuelle HTC Vive Pro. / A portable 3D scanner is a handheld device that can convert a real object into a digital 3D model of the object. Nowadays, portable 3D scanners are used in many sectors of our society, such as manufacturing, healthcare, entertainment or archeology. To scan an object, the user must point the scanner at the object and move it around the object in order to acquire the entirety of its surface. To help the user accomplish this task, most modern portable 3D scanners include a graphical user interface that offers a visualization of the reconstructed surface in real time. This feedback is essential since it allows the user to adjust the trajectory of the scanner depending on what remains to be scanned. However, the computer screen has some drawbacks in terms of usability. In this research project, we propose an alternative to computer screens by using augmented reality headsets. Our solution is to superimpose the scan directly over the real object using an augmented reality headset. In order to validate the feasibility of the proposed solution, we have developed a prototype based on the KinectFusion 3D reconstruction system and the HTC Vive Pro virtual reality system.

La numérisation 3D est fréquemment utilisée dans le domaine manufacturier, en particulier pour la fabrication personnalisée de prothèses, d'orthèses ou d'équipement sportif. Pour construire un modèle numérique d'une partie du corps humain, les utilisateurs de scans doivent faire l'acquisition d'une grande quantité de points. Pour des utilisateurs non experts, comme les spécialistes en fabrication de prothèses, obtenir un scan de haute qualité est ardu puisque la prise en main d'un numériseur est souvent complexe. De plus, le client doit rester immobile durant le processus de numérisation, ce qui réduit le temps imparti pour recueillir les données. Avec une approche de représentation du nuage de points moderne et adaptée au temps réel, appelée « champ vectoriel », le modèle est reconstruit en même temps que l'acquisition des points. En utilisant cette approche avec des métriques permettant d'évaluer la qualité du scan, l'utilisateur est informé en temps réel du déroulement de sa numérisation. Les deux métriques implémentées dans ce travail sont : la variation de surface et la classification de la surface parles courbures principales. La rétroaction sur la qualité du scan est affichée par un code de couleurs sur la surface reconstruite. Les expériences démontrent que les métriques, individuellement et/ou combinées, permettent d'afficher les emplacements de distorsions sur des objets ayant différentes géométries. Pour une représentation par champ vectoriel, la variation de surface représente un facteur d'uniformité du nuage de points dans un petit espace 3D, alors que la classification de la surface quantifie localement le type de surface selon une estimation des deux courbures principales à partir de points voisins sur le modèle. L'utilisateur étant informé en temps réel de la qualité de son scan, il peut ajuster la prise en main de son numériseur et optimiser son temps de numérisation. Par exemple, l'utilisateur peut choisir de faire l'acquisition d'une plus grande quantité de points aux endroits sur le modèle étant de mauvaise qualité ou recommencer le processus de numérisation s'il observe que l'intégralité du scan en cours est de qualité médiocre. / n the manufacturing industry, particularly for the customized manufacture of prostheses,orthoses and sports equipment, 3D scanning is frequently used. To build a digital model ofhuman body parts, scan users need to acquire a large number of points. For non-expert users,such as specialists in prosthesis manufactures, obtaining a high quality scan is an arduous task, as the handling of a 3D scanner is often complex. Moreover, the customer has to remain still during the scanning process, which reduces the time available for data collection. With a modern, real-time approach to point cloud representation, called "vector field", themodel is reconstructed while the points are acquired. Using this approach with metrics to assess scan quality, the user is informed in real time of scan progress. The two metrics implemented in this work are the surface variation and the surface classification using principal curvatures. Feedback on scan quality is displayed by colour-coding the reconstructed surface. Experiments show that metrics, individually or both combined, can be usedto display distortions on objects with different shapes. For a vector field representation, the surface variation represents a uniformity factor of the point cloud in a small 3D space, while the surface classification establish the surface class according to an estimate of the two principal curvatures from neighbouring points on the model. As the user is informed in realtime of scan quality, they can adjust the scanner's handling andoptimize scan time. For example, the user can choose to acquire a greater number of points inareas of the model thatare of poor quality, or restart the scanning process if the entire scanis of mediocre quality.

L'apparition de techniques avancées en imagerie a amélioré de manière significative la qualité de la surveillance médicale des patients. Les modalités d'imagerie non-invasives permettent aux médecins de faire des diagnostics plus précis et plus précoces et de prescrire des modes de traitement plus performants et plus justes. De multiples modalités d'imagerie sont employées actuellement ou sont en cours d'étude. Dans cette thèse, nous étudions trois techniques émergentes d'imagerie biomédicale : • imagerie magnéto-acoustique; • imagerie thermographique; • endotomographie par impédance électrique. Pour chacune de ces trois techniques, nous proposons des modèles mathématiques et nous présentons des nouvelles méthodes de reconstruction en imagerie médicale.

Thèse de doctorat : Productique, automatique et informatique industrielle : Lille 1 : 2001. / Résumé en français et en anglais. Bibliogr. f. 129-148.

Les recherches sur le cerveau portent fréquemment sur ses réseaux fonctionnels internes. Cela implique l'évaluation de la connectivité fonctionnelle (CF), qui est la corrélation statistique entre les activités neuronales dans diverses régions cérébrales. L'une des techniques les plus utilisées pour mesurer la connectivité fonctionnelle est l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Cette technique repose sur le principe qu'une activité neuronale accrue dans une région cérébrale spécifique entraîne généralement une augmentation du flux sanguin cérébral dans la même région. Cette augmentation du flux sanguin cause l'élévation des niveaux d'oxygène relatifs du cerveau, ce sont ces changements qui sont mesurés par l'IRMf. Cependant, il est connu que la relation entre l'activité neuronale locale et les changements subséquents dans le flux sanguin cérébral est complexe. Une meilleure compréhension de cette relation pourrait influencer l'interprétation des données de connectivité fonctionnelle issues de l'IRMf. Dans ce travail, la relation entre la connectivité fonctionnelle mesurée par IRMf de repos et la variabilité dans la structure vasculaire régionale du cerveau est étudiée. Cela est effectué en utilisant des données publiques disponibles sur la structure vasculaire entière du cerveau de la souris. La variabilité de la structure vasculaire cérébrale est évaluée à l'aide d'une métrique appelée similarité vasculaire. Ensuite, la relation entre la variabilité de la structure vasculaire et la CF est quantifiée en utilisant des modèles de régression linéaire multiple de la connectivité fonctionnelle. Ces modèles incorporent la similarité vasculaire aux côtés de prédicteurs de la CF couramment utilisés issus de la connectivité structurelle et de la topologie spatiale. Ces modèles révèlent que la variabilité de la microstructure vasculaire explique une quantité significative de la variance de la CF mesurée par IRMf de repos, et ce, autant dans des ensembles de données de connectivité fonctionnelle femelle que mâle. / The study of the brain frequently focuses on its intrinsic functional networks. This involves evaluating the functional connectivity (FC), which is the statistical correlation between neuronal activities in various brain regions. One of the most widely used techniques to measure functional connectivity is functional magnetic resonance imaging (fMRI). This technique relies on the principle that increased neuronal activity in a specific brain region typically leads to a rise in cerebral blood flow in the same region. Subsequently, this increased blood flow elevates the relative oxygen levels in the brain's blood, which is detected by the fMRI. However, it is known that the relationship between the local neuronal activity and subsequent changes in cerebral blood flow is complex. A better comprehension of this relationship could influence the interpretation of functional connectivity data arising from fMRI. In this study, the relation of resting-state fMRI functional connectivity and the variability in regional brain vasculature is investigated. This is done by using publicly available whole-brain vasculature data of the mouse brain. The variability of the brain vasculature is assessed using a metric called vascular similarity. Then the relationship between the variability of the brain vasculature and the FC is quantified using multiple linear regression models of functional connectivity. These models incorporate vascular similarity alongside commonly used metrics of FC derived from structural connectivity and spatial topology. These models reveal that microvascular structure variability explains a significant amount of variance in the FC measured by resting-state fMRI in both female and male FC datasets.