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L'objectif de cette thèse est de faciliter le diagnostic du cancer de la vessie. Durant une cystoscopie, un endoscope est introduit dans la vessie pour explorer la paroi interne de l'organe qui est visualisée sur un écran. Cependant, le faible champ de vue de l'instrument complique le diagnostic et le suivi des lésions. Cette thèse présente des algorithmes pour la création de cartes bi- et tridimensionnelles à large champ de vue à partir de vidéo-séquences cystoscopiques. En utilisant les avancées récentes dans le domaine de la minimisation d'énergies discrètes, nous proposons des fonctions coût indépendantes des transformations géométriques requises pour recaler de façon robuste et précise des paires d'images avec un faible recouvrement spatial. Ces transformations sont requises pour construire des cartes lorsque des trajectoires d'images se croisent ou se superposent. Nos algorithmes détectent automatiquement de telles trajectoires et réalisent une correction globale de la position des images dans la carte. Finalement, un algorithme de minimisation d'énergie compense les faibles discontinuités de textures restantes et atténue les fortes variations d'illuminations de la scène. Ainsi, les cartes texturées sont uniquement construites avec les meilleures informations (couleurs et textures) pouvant être extraites des données redondantes des vidéo-séquences. Les algorithmes sont évalués quantitativement et qualitativement avec des fantômes réalistes et des données cliniques. Ces tests mettent en lumière la robustesse et la précision de nos algorithmes. La cohérence visuelle des cartes obtenues dépassent celles des méthodes de cartographie de la vessie de la littérature / The aim of this thesis is to facilitate bladder cancer diagnosis. The reference clinical examination is cystoscopy, where an endoscope, inserted into the bladder, allows to visually explore the organ's internal walls on a monitor. The main restriction is the small field of view (FOV) of the instrument, which complicates lesion diagnosis, follow-up and treatment traceability.In this thesis, we propose robust and accurate algorithms to create two- and three-dimensional large FOV maps from cystoscopic video-sequences. Based on recent advances in the field of discrete energy minimization, we propose transformation-invariant cost functions, which allow to robustly register image pairs, related by large viewpoint changes, with sub-pixel accuracy. The transformations linking such image pairs, which current state-of-the-art bladder image registration techniques are unable to robustly estimate, are required to construct maps with several overlapping image trajectories. We detect such overlapping trajectories automatically and perform non-linear global map correction. Finally, the proposed energy minimization based map compositing algorithm compensates small texture misalignments and attenuates strong exposure differences. The obtained textured maps are composed by a maximum of information/quality available from the redundant data of the video-sequence. We evaluate the proposed methods both quantitatively and qualitatively on realistic phantom and clinical data sets. The results demonstrate the robustness of the algorithms, and the obtained maps outperform state-of-the-art approaches in registration accuracy and global map coherence

Ce travail est dédié à la simulation numérique des milieux granulaires denses dont les interaction sont régies par des lois de contact frottant. L'approche utilisée est la méthode "Non Smooth Contact Dynamics" qui traite le contact sans régularisation numérique et utilise un algorithme de type Gauss-Seidel. Pour diminuer le temps nécessaire aux simulations, et mener des études paramétriques fines, nous avons procédé à plusieurs types d'optimisation numérique portant, dans un premier temps, sur la mise en oeuvre de différents types d'implémentation exploitant ou non le calcul parallèle (optimisation informatique) puis, dans un second temps, sur le développement d'un algorithme de type Gradient Conjugué (optimisation algorithmique). Ces différentes stratégies se révèlent très efficaces nous permettant de simuler plus rapidement des problèmes bi et tridimensionnels. Deux applications pointant sur la diversité de comportement des milieux granulaires (liquide/solide) ont été abordées: une étude numérique sur les écoulements en tambour tournant venant compléter des résultats expérimentaux et une étude de mouvements tectoniques par éléments discrets permettant de porter un nouveau regard sur les expériences analogiques en "boîtes à sable" effectuées en géophysique.

This thesis deals with the synthesis of anisotropic volumetric textures from a single 2D observation. We present variants of non parametric and multi-scale algorithms. Their main specificity lies in the fact that the 3D synthesis process relies on the sampling of a single 2D input sample, ensuring consistency in the different views of the 3D texture. Two types of approaches are investigated, both multi-scale and based on markovian hypothesis. The first category brings together a set of algorithms based on fixed-neighbourhood search, adapted from existing algorithms of texture synthesis from multiple 2D sources. The principle is that, starting from a random initialisation, the 3D texture is modified, voxel by voxel, in a deterministic manner, ensuring that the grey level local configurations on orthogonal slices containing the voxel are similar to configurations of the input image. The second category points out an original probabilistic approach which aims at reproducing in the textured volume the interactions between pixels learned in the input image. The learning is done by non-parametric Parzen windowing. Optimization is handled voxel by voxel by a deterministic ICM type algorithm. Several variants are proposed regarding the strategies used for the simultaneous handling of the orthogonal slices containing the voxel. These synthesis methods are first implemented on a set of structured textures of varied regularity and anisotropy. A comparative study and a sensitivity analysis are carried out, highlighting the strengths and the weaknesses of the different algorithms. Finally, they are applied to the simulation of volumetric textures of carbon composite materials, on nanometric scale snapshots obtained by transmission electron microscopy. The proposed experimental benchmark allows to evaluate quantitatively and objectively the performances of the different methods.

<p>På SMHI hanteras stora mängder geografisk information som idag studeras med tvådimensionella metoder. Flerdimensionella metoder används mycket sparsamt inom verksamheten, trots att de atmosfäriska processerna sker i alla tre rumsdimensionerna och förändras med tiden. Inom SMHI är de allra flesta vana och nöjda med de tvådimensionella visualiseringsmetoderna och känner stor arbetsglädje i dagens arbetssätt. Bland annat är meteorologernas utbildning helt anpassad efter dagens 2D-visualiseringar. Många tycker heller inte att det finns tid att lära sig nya metoder och verktyg samtidigt som det dagliga arbetet måste utföras. De exempel på flerdimensionell visualisering som man haft tidigare, har inte slagit igenom bland annat på grund av ogenomtänkta användargränssnitt samt begränsad prestanda och hastighet hos systemen. De höga kostnader som visualiseringarna tidigare har inneburit i form av dyr hårdvara och mjukvara är en ytterligare orsak till varför flerdimensionella visualiseringar inte används inom SMHI. </p><p>För att ta ställning till användandet av flerdimensionella visualiseringar måste dess mervärde definieras. Mervärde handlar om att addera mer värde till någonting. Det är ett positivt begrepp i bemärkelsen att det möjliggör, avlastar eller ger tydliga fördelar. Gällande mervärdet med 3D är det mycket viktigt att 3D inte användas för sakens skull utan för att förbättra trovärdigheten, förståelsen och förmedlingen av informationen. Flerdimensionella visualiseringar ska ge en ökad effektivitet och ökad kvalitet jämfört med 2D om de ska vara värdefulla att använda. Ofta är det så att kombinationen av 2D tillsammans med 3D ger styrkan. Det handlar alltså inte om att strikt använda det ena eller andra visualiseringssättet. </p><p>Andra företag liknande SMHI har gjort seriösa försök att införa flerdimensionella visualiseringar i det dagliga arbetet. Exempel på tillämpningar där dessa företag har upptäckt det största mervärdet är bland annat vid visualisering av lokala prognoser med högupplöst data (1-16 km upplösning). Andra exempel är när man vill få eller ge mer information, snabbt unna överblicka mycket data, eller i utbildnings-sammanhang och marknadsföringssyften. Flerdimensionella visualiseringar passar också mycket bra när man vill gå tillbaka och kontrollera ett fel i exempelvis en prognos eller modell. </p><p>Slutsatsen från utvärderingarna av de flerdimensionella applikationerna Vis5D och RAVE i 3D visar att systemen skulle vara användbara för speciella sammanhang inom SMHI, som komplement till dagens tvådimensionella visualiseringssystem. Systemen underlättar upptäckten av vissa väderfenomen samt ger entydlig uppfattning om vädrets fördelning i rummet. </p><p>För att införa flerdimensionella visualiseringar i större utsträckning på SMHI är det viktigt att tänka på den inlärningstid och förändringsprocess som krävs för att man ska kunna lära sig att hantera en tredje rumsdimension. Personalen måste se användandet av visualiseringarna som en kompetenshöjning och något som kan tillföra arbetet något positivt. Att hitta fler goda exempel genom pilotstudier eller exjobb är ett sätt som fler kan få upp ögonen för hur flerdimensionella visualiseringar kan se ut och användas.</p>

Cette thèse porte sur la généralisation de la méthode NXFEM proposée par A. et P. Hansbo pour le problème d'interface elliptique. La modélisation et simulation numérique d'écoulements dans des domaines fracturés sont au coeur de nombreuses applications, telles que le milieu pétrolier (modélisation de réservoirs, présence de failles, propagation d'un signal, repérage de couches), l'aérospatiale (problème de chocs, de rupture), en génie civil (fissuration du béton), mais également dans la biologie cellulaire (déformation des globules rouges). En outre, de nombreux projets de recherche nécessitent le développement des méthodes robustes pour la prise en compte de singularités, ce qui fait partie des motivations et des objectifs de l'équipe Concha, ainsi que de cette thèse. Une modification de cette méthode a tout d'abord été proposée afin d'obtenir la robustesse à la fois par rapport à la géométrie du maillage coupé par l'interface et par rapport aux paramètres de diffusion. Nous nous sommes ensuite intéressés à sa généralisation à tout type de maillages 2D-3D (triangles, quadrilatères, tétraèdres, hexaèdres), et pour tout type d'éléments finis (conformes, non conformes, Galerkin discontinus) pour des interfaces planes et courbes. Les applications ont été orientées vers des problèmes d'écoulements en milieux poreux fracturés : adaptation de la méthode NXFEM à la résolution d'un modèle asymptotique de failles, à des problèmes instationnaires, de transports, ou encore à des domaines multi-fracturés.

Myocardial scar, a non-viable tissue which occurs on the myocardium due to the insufficient blood supply to the heart muscle, is one of the leading causes of life-threatening heart disorders, including arrhythmias. Analysis of myocardial scar is important for predicting the risk of arrhythmia and locations of re-entrant circuits in patients’ hearts. For applications, such as computational modeling of cardiac electrophysiology aimed at stratifying patient risk for post-infarction arrhythmias, reconstruction of the intact geometry of scar is required. Currently, 2D multi-slice late gadolinium-enhanced magnetic resonance imaging (LGEMRI) is widely used to detect and quantify myocardial scar regions of the heart. However, due to the anisotropic spatial dimensions in 2D LGE-MR images, creating scar geometry from these images results in substantial reconstruction errors. For applications requiring reconstructing the intact geometry of scar surfaces, 3D LGE-MR images are more suited as they are isotropic in voxel dimensions and have a higher resolution. While many techniques have been reported for segmentation of scar using 2D LGEMR images, the equivalent studies for 3D LGE-MRI are limited. Most of these 2D and 3D techniques are basic intensity threshold-based methods. However, due to the lack of optimum threshold (Th) value, these intensity threshold-based methods are not robust in dealing with complex scar segmentation problems. In this study, we propose an algorithm for segmentation of myocardial scar from 3D LGE-MR images based on Markov random field based continuous max-flow (CMF) method. We utilize the segmented myocardium as the region of interest for our algorithm. We evaluated our CMF method for accuracy by comparing its results to manual delineations using 3D LGE-MR images of 34 patients. We also compared the results of the CMF technique to ones by conventional full-width-at-half-maximum (FWHM) and signal-threshold-to-reference-mean (STRM) methods. The CMF method yields a Dice similarity coefficient (DSC) of 71 +- 8.7% and an absolute volume error (|VE|) of 7.56 +- 7 cm3. Overall, the CMF method outperformed the conventional methods for almost all reported metrics in scar segmentation. We present a comparison study for scar geometries obtained from 2D vs 3D LGE-MRI. As the myocardial scar geometry greatly influences the sensitivity of risk prediction in patients, we compare and understand the differences in reconstructed geometry of scar generated using 2D versus 3D LGE-MR images beside providing a scar segmentation study. We use a retrospectively acquired dataset of 24 patients with a myocardial scar who underwent both 2D and 3D LGE-MR imaging. We use manually segmented scar volumes from 2D and 3D LGE-MRI. We then reconstruct the 2D scar segmentation boundaries to 3D surfaces using a LogOdds-based interpolation method. We use numerous metrics to quantify and analyze the scar geometry including fractal dimensions, the number-of-connected-components, and mean volume difference. The higher 3D fractal dimension results indicate that the 3D LGE-MRI produces a more complex surface geometry by better capturing the sparse nature of the scar. Finally, 3D LGE-MRI produces a larger scar surface volume (27.49 +- 20.38 cm3) than 2D-reconstructed LGE-MRI (25.07 +- 16.54 cm3).

På SMHI hanteras stora mängder geografisk information som idag studeras med tvådimensionella metoder. Flerdimensionella metoder används mycket sparsamt inom verksamheten, trots att de atmosfäriska processerna sker i alla tre rumsdimensionerna och förändras med tiden. Inom SMHI är de allra flesta vana och nöjda med de tvådimensionella visualiseringsmetoderna och känner stor arbetsglädje i dagens arbetssätt. Bland annat är meteorologernas utbildning helt anpassad efter dagens 2D-visualiseringar. Många tycker heller inte att det finns tid att lära sig nya metoder och verktyg samtidigt som det dagliga arbetet måste utföras. De exempel på flerdimensionell visualisering som man haft tidigare, har inte slagit igenom bland annat på grund av ogenomtänkta användargränssnitt samt begränsad prestanda och hastighet hos systemen. De höga kostnader som visualiseringarna tidigare har inneburit i form av dyr hårdvara och mjukvara är en ytterligare orsak till varför flerdimensionella visualiseringar inte används inom SMHI. För att ta ställning till användandet av flerdimensionella visualiseringar måste dess mervärde definieras. Mervärde handlar om att addera mer värde till någonting. Det är ett positivt begrepp i bemärkelsen att det möjliggör, avlastar eller ger tydliga fördelar. Gällande mervärdet med 3D är det mycket viktigt att 3D inte användas för sakens skull utan för att förbättra trovärdigheten, förståelsen och förmedlingen av informationen. Flerdimensionella visualiseringar ska ge en ökad effektivitet och ökad kvalitet jämfört med 2D om de ska vara värdefulla att använda. Ofta är det så att kombinationen av 2D tillsammans med 3D ger styrkan. Det handlar alltså inte om att strikt använda det ena eller andra visualiseringssättet. Andra företag liknande SMHI har gjort seriösa försök att införa flerdimensionella visualiseringar i det dagliga arbetet. Exempel på tillämpningar där dessa företag har upptäckt det största mervärdet är bland annat vid visualisering av lokala prognoser med högupplöst data (1-16 km upplösning). Andra exempel är när man vill få eller ge mer information, snabbt unna överblicka mycket data, eller i utbildnings-sammanhang och marknadsföringssyften. Flerdimensionella visualiseringar passar också mycket bra när man vill gå tillbaka och kontrollera ett fel i exempelvis en prognos eller modell. Slutsatsen från utvärderingarna av de flerdimensionella applikationerna Vis5D och RAVE i 3D visar att systemen skulle vara användbara för speciella sammanhang inom SMHI, som komplement till dagens tvådimensionella visualiseringssystem. Systemen underlättar upptäckten av vissa väderfenomen samt ger entydlig uppfattning om vädrets fördelning i rummet. För att införa flerdimensionella visualiseringar i större utsträckning på SMHI är det viktigt att tänka på den inlärningstid och förändringsprocess som krävs för att man ska kunna lära sig att hantera en tredje rumsdimension. Personalen måste se användandet av visualiseringarna som en kompetenshöjning och något som kan tillföra arbetet något positivt. Att hitta fler goda exempel genom pilotstudier eller exjobb är ett sätt som fler kan få upp ögonen för hur flerdimensionella visualiseringar kan se ut och användas.

Un protocole expérimental a été développé dans cette thèse pour étudier l'influence de la microstructure héritée du procédé de fonderie dit Procédé à Modèle Perdu sur le comportement en fatigue oligocyclique des alliages Al-Si à température ambiante. Dans un premier temps, la microstructure des alliages étudiés a été caractérisée à la fois en 2D et en 3D. Les éprouvettes les plus appropriées et les plus représentatives et les régions d’intérêt où le suivi in-situ est réalisé (ROIs) ont été sélectionnées par une caractérisation préliminaire en tomographie aux rayons X. Cette caractérisation 3D est également nécessaire pour comprendre les mécanismes d’endommagement après rupture de l’éprouvette. Les observations in-situ réalisées en surface en utilisant un microscope longue distance (Questar) et en volume avec la tomographie aux rayons X permettent de suivre l’amorçage et la propagation des fissures et ainsi d'identifier la relation entre les mécanismes d’endommagement et les microstructures moulées. Les champs de déplacement et de déformation en 2D/3D mesurés à l'aide de la Corrélation d'Images Numériques et la Corrélation d’Images Volumiques permettent d'analyser la relation entre les champs mesurés et les mécanismes d'endommagement. L'analyse post-mortem et la simulation éléments finis ont permis de compléter l’analyse des mécanismes d’endommagement. Les grands pores favorisent l'amorçage de fissures car ils augmentent fortement le niveau de contrainte locale. Les inclusions dures (phase Si, intermétalliques au fer et phases au cuivre) jouent un rôle important dans l’amorçage et la propagation des fissures en raison des localisations de déformation sur ces inclusions / An experimental protocol was developed in this thesis in order to study the influence of casting microstructure on the fatigue behavior in Lost Foam Casting Al-Si alloys in tension and in Low Cycle Fatigue at room temperature. First of all, the microstructures of studied alloys were thoroughly characterized both in 2D and in 3D. The most suitable and representative specimens and Region of Interest (ROIs) where the in-situ monitoring was performed were selected through a preliminary characterization using X-ray tomography, which is also necessary to understand damage mechanisms after failure. In-situ observations performed on surface using Questar long distance microscope and in volume using X-ray tomography allow following cracks initiations and their propagations and thus allow identifying the relation between damage mechanisms and casting microstructure. 2D/3D displacement and strain fields measured using Digital Image Correlation and Digital Volume Correlation allows analyzing the relation between measured fields and damage mechanisms. Postmortem analysis and FEM simulation gave more information for the damage mechanisms. Large pores favor crack initiation as they strongly increase local stress level. Hard inclusions (Si phase, iron intermetallics and copper containing phases) also play an important role in crack initiation and propagation due to strain localizations at these inclusions

Aujourd'hui, un grand nombre de nouvelles molécules peuvent être synthétisées à partir de la biomasse. Les tensioactifs dérivés de sucre sont notamment considérés comme une alternative aux tensioactifs fossiles en raison de leur biodégradabilité et de leur biocompatibilité. Cependant, les études associant la caractérisation physico-chimique et les propriétés biologiques de ce type de tensio-actifs sont limitées. Il est ainsi difficile de prédire les propriétés d'un tensioactif à partir de sa structure chimique. L'établissement d'une méthodologie permettant de relier la structure des surfactants à leurs propriétés apparait pertinent. Dans ce travail, quatre surfactants dérivés de sucre ayant chacun une chaîne C8 liée à une tête glucose ou maltose par un groupe amide ont été caractérisés par leurs propriétés tensio-actives dans différentes solutions (eau et milieu biologique). Leurs interactions avec des protéines ont également été analysées. Concernant l'évaluation des propriétés biologiques, des tests de cytotoxicité/irritation ont été effectués sur trois modèles in-vitro : 1) modèle cellulaire 20 (cellules L929 cultivées en monocouche), Il) modèle cellulaire 30 (cellules L929 cultivées dans un gel de collagène), Ill) épiderme humain reconstitué. Les résultats indiquent que les quatre surfactants synthétisés présentent de bonnes propriétés tensio-actives et trois d'entre eux sont moins cytotoxiques que des tensioactifs de référence. Plusieurs hypothèses permettant de relier la structure chimique des molécules à leurs propriétés physico-chimiques et biologiques ont été proposées. Des travaux futurs permettront d'enrichir la base de données sur les relations structure-propriétés des tensioactifs issus de la biomasse, et de l'utiliser pour synthétiser des surfactants présentant des propriétés adaptées aux applications envisagées. / Nowadays, a wide variety of new molecules can derive from biomass. Among them, the family of sugar-based surfactants, which are considered as alternatives to fossil-based surfactants, due to their relatively high biodegradability and biocompatibility, exhibit interesting properties both in terms of their self-assembly and their ability to induce biological responses. In the study, for the purpose to analyse these properties, different methodologies have been established. In this work, physico-chemistry and cellular biology methodologies are associated to analyse the properties of pre-selected molecules characterized by gradua) structure modifications. Firstly, we have screened synthesized sugar-based surfactants according to their solubility and their ability to reduce surface tension of water. Four pre-selected molecules, with a C8 chain linked to a glucose or maltose head through an amide functional group, either under the form of carbamoyl (carbohydrate scaffold bearing the carbonyl) or alkylcarboxamide (the alkyl chain bearing the carbonyl), were then dissolved in water/ cell culture media for surface tension measurements. Their behaviors in solutions were characterized by Krafft points, Critical Micellar Concentrations or self-assembling properties through different methods. To evaluate the cytotoxic/ irritant effects of these molecules on cells and tissues, 3 in-vitro models were established: I) 2D cell culture mode! (L929 cell monolayer) II) 3D ce!! culture mode! (L929 cells embedded in collagen gel) and III) Reconstituted human epidermis (differentiated human keratinocytes). Corresponding experiments were carried out on these models with increasing complexity. Results show that the synthesized sugar-based surfactants, GlulamideC8, Glu6amideC8, Glu6amideC8' and MallamideC8 can reduce the surface tension of water solution to the came level as standard surfactants (Tween 20 and Hecameg). In the meantime, GlulamideC8, Glu6amideC8' and MallamideC8 present Iess cytotoxicity effects on L929 cells both in the monolayer model and the 3D mode! than Tween 20 and Hecameg. All synthesized and standard surfactants (GlulamideC8, Glu6amideC8, Gu6amideC8', MallamideC8, Tween 20 and Hecameg) have no significant cytotoxic/ irritant effects on reconstituted human epidermis at 1000 ig/mL after 48 h of topical application. Discussions have been made according to the results of experiments to establish possible structures/ physico-chemical properties - cytotoxicity relationships of these surfactants.