Le foie est un organe vital ayant une capacité de régénération exceptionnelle et un rôle crucial dans le fonctionnement de l’organisme. L’évaluation du volume du foie est un outil important pouvant être utilisé comme marqueur biologique de sévérité de maladies hépatiques. La volumétrie du foie est indiquée avant les hépatectomies majeures, l’embolisation de la veine porte et la transplantation. La méthode la plus répandue sur la base d'examens de tomodensitométrie (TDM) et d'imagerie par résonance magnétique (IRM) consiste à délimiter le contour du foie sur plusieurs coupes consécutives, un processus appelé la «segmentation». Nous présentons la conception et la stratégie de validation pour une méthode de segmentation semi-automatisée développée à notre institution. Notre méthode représente une approche basée sur un modèle utilisant l’interpolation variationnelle de forme ainsi que l’optimisation de maillages de Laplace. La méthode a été conçue afin d’être compatible avec la TDM ainsi que l' IRM. Nous avons évalué la répétabilité, la fiabilité ainsi que l’efficacité de notre méthode semi-automatisée de segmentation avec deux études transversales conçues rétrospectivement. Les résultats de nos études de validation suggèrent que la méthode de segmentation confère une fiabilité et répétabilité comparables à la segmentation manuelle. De plus, cette méthode diminue de façon significative le temps d’interaction, la rendant ainsi adaptée à la pratique clinique courante. D’autres études pourraient incorporer la volumétrie afin de déterminer des marqueurs biologiques de maladie hépatique basés sur le volume tels que la présence de stéatose, de fer, ou encore la mesure de fibrose par unité de volume. / The liver is a vital abdominal organ known for its remarkable regenerative capacity and fundamental role in organism viability. Assessment of liver volume is an important tool which physicians use as a biomarker of disease severity. Liver volumetry is clinically indicated prior to major hepatectomy, portal vein embolization and transplantation. The most popular method to determine liver volume from computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI) examinations involves contouring the liver on consecutive imaging slices, a process called “segmentation”. Segmentation can be performed either manually or in an automated fashion. We present the design concept and validation strategy for an innovative semiautomated liver segmentation method developed at our institution. Our method represents a model-based approach using variational shape interpolation and Laplacian mesh optimization techniques. It is independent of training data, requires limited user interactions and is robust to a variety of pathological cases. Further, it was designed for compatibility with both CT and MRI examinations. We evaluated the repeatability, agreement and efficiency of our semiautomated method in two retrospective cross-sectional studies. The results of our validation studies suggest that semiautomated liver segmentation can provide strong agreement and repeatability when compared to manual segmentation. Further, segmentation automation significantly shortens interaction time, thus making it suitable for daily clinical practice. Future studies may incorporate liver volumetry to determine volume-averaged biomarkers of liver disease, such as such as fat, iron or fibrosis measurements per unit volume. Segmental volumetry could also be assessed based on subsegmentation of vascular anatomy.

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur. / Mass spectrometry is the measurement of the mass over charge ratio of ions. It is broadly applicable and capable of analyzing complex mixtures. Imaging mass spectrometry (IMS) is a branch of mass spectrometry that analyses ions across a surface while conserving their spatial organization on said surface. At this juncture, the most studied IMS samples are thin tissue sections from plants and animals. Among the molecules routinely imaged by IMS, lipids have generated significant interest. Lipids are important in disease and normal cell function as they form cell membranes and act as signaling molecules for cellular events among many other roles. Considering the potential of lipids in biological and clinical applications and the capability of MALDI to ionize lipids, we developed analytical strategies for the handling of samples and analysis of large lipid MALDI IMS datasets. Lipid degradation is massively important in the food industry with oxidized products producing a bad smell and taste. Similarly, lipids in thin tissue sections cut from whole tissues are subject to degradation, and their degradation products can introduce IMS artifacts and the loss of normally occurring species to degradation can skew accuracy in IMS measures of abundance. Oxidized lipids are also known to be important mediators in the progression of several diseases and their accurate preservation is critical. As IMS studies become multi-institutional and collaborations lead to sample exchange, the need for validated protocols and measures of degradation are necessary. We observed the products of lipid degradation in tissue sections from multiple mouse organs and reported on the conditions promoting and inhibiting their presence as well as the timeline of degradation. Our key findings were the increase in oxidized phospholipids and lysophospholipids from degradation at ambient conditions, the decrease in the presence of lipids containing unsaturations on their fatty acyl chains, and the inhibition of degradation by matrix coating and cold storage of sections under N2 atmosphere. At ambient atmospheric and temperature, lipids degraded into oxidized phospholipids on the time-scale of a normal IMS experiment sample preparation (within 30 min). Lipids then degraded into lysophospholipids’ on a time scale on the order of several days. Validation of sample handling is especially important when a greater number of samples are to be analyzed either through a cohort of samples, or analysis of multiple sections from a single tissue as in serial 3D IMS. Atherosclerosis is disease caused by accumulation of cellular material at the arterial wall. The accumulation implanted in the cell wall grows and eventually occludes the blood vessel, or causes a stroke. Atherosclerosis is a 3D phenomenon and serial 3D IMS is useful for its ability to localize molecules throughout the length of a plaque and help to define the molecular mechanisms of plaque development and rupture. Serial 3D IMS has many challenges, many of which are simply a matter of producing 3D reconstructions and interpreting them in a timely fashion. In this aim and using analysis of lipids from atherosclerotic plaques from a human carotid and mouse aortic sinuses, we described 3D reconstruction methods using open-source software. Our methodology provides means to obtain high quality visualizations and demonstrates strategies for rapid interpretation of 3D IMS datasets through multivariate segmentation. Mouse aorta from model animals provided a springboard for developing the methods on lower risk samples with less variation with interesting molecular results. 3D MALDI IMS showed localized phospholipid accumulation in the mouse aortic sinuses with correlation between separate positive and negative ionization datasets. Silver-assisted LDI imaging presented differential localization of free fatty acids, cholesterol / cholesterol esters, and triglycerides. The human carotid’s 3D segmentation shows molecular histologies (spatial groupings of imaging pixels with similar spectral fingerprints) correlating to the degree of arterial stenosis. Our results outline the potential for 3D IMS in atherosclerotic research. Molecular histologies and their 3D spatial organization, obtained from the IMS techniques used herein, may predict high-risk features, and particularly identify areas of plaque that have higher-risk of rupture. These investigations would help further unravel the biological complexities of atherosclerosis, and predict clinical outcomes. Colorectal cancer liver metastasis (CRCLM) is the metastatic disease of primary colorectal cancer, one of the most common cancers worldwide. CRC is a cancer of the endothelial lining of the colon or rectum. CRC itself is often cured with surgery, while CRCLM is more deadly and treated with chemotherapy with more limited efficacy. Prognosticating and assessment of tumors is performed using classical histopathology with a margin of error. We have used lipid IMS to identify the histological compartments and extract their signatures. Using these IMS signatures we obtained a quantitative and objective histopathological score that correlates with prognosis. Additionally, by dissecting out the lipid signatures we have identified single lipid moieties that are unique to different histologies that could potentially be used as new biomarkers for assessing response to therapy. Particularly, we found a series of plasmalogen and sphingolipid species that differentiate infarct-like and usual necrosis, typical of chemotherapeutic response and normal tumor function, respectively.

Les biofilms sont des communautés microbiennes se développant sur des interfaces, en particulier solide-liquide, où les micro-organismes sont enrobés dans une matrice polymérique auto-sécrétée. Le mode de vie sous forme de biofilm est prédominant dans les milieux naturels (par e.g. la texture glissante des fonds de rivières, les dépôts visqueux des canalisations et la plaque dentaire) et confère aux micro-organismes un environnement propice à leur développement. Ceci est particulièrement vrai dans des milieux poreux qui, de part leur important ratio surface/volume, constituent des substrats favorables à la colonisation. Le cadre des biofilms en milieux poreux forme une complexité multi-physique d’ordre élevée dans laquelle interagissent des mécanismes physiques, chimiques et biologiques multi-échelles encore mal compris et très partiellement maîtrisés. La rétroaction entre l’écoulement, la distribution spatiale des microorganismes et le transport de nutriments (par diffusion et advection) en est un exemple. Le développement de biofilms en milieux poreux est au centre de multiples procédés d’ingénierie, tel que les bio-filtres, la bio-remédiation des sols, le stockage de CO2, et de problèmes médicaux comme les infections. Un verrou significatif à l’avancée des connaissances est la limitation des techniques exploratoires en métrologie et imagerie dans des milieux opaques. L’objectif principal de cette thèse est la proposition de méthodologies expérimentales reproductibles et robustes permettant l’étude de biofilms en milieux poreux. Un dispositif expérimental en conditions physiques et biologiques contrôlées est proposé. De plus, un protocole d’imagerie 3D basé sur la micro-tomographie à rayons X (MT RX) associé à l’utilisation d’un nouvel agent de contraste (sulfate de baryum et gel d’agarose), est validé afin de quantifier la distribution spatiale du biofilm. Dans un premier temps, la méthodologie MT RX est comparée à une des méthodes les plus utilisées pour la visualisation de biofilms : la microscopie photonique par fluorescence, ici biphotonique (MBP). Cette comparaison est réalisée pour des biofilms de Pseudomonas Aeruginosa développés dans des capillaires transparents en verre, ce qui facilite l’application des deux modalités. Dans un second temps, une étude des incertitudes liées à l’imagerie est réalisée à travers l’évaluation de différentes métriques (volume, surfaces 3D, épaisseurs) pour un fantôme d’imagerie et trois algorithmes de segmentation différents. Les analyses quantitatives montrent que le protocole de MT RX permet une visualisation du biofilm avec une incertitude d’environ 17%, ce qui est comparable à la MBP (14%). La reproductibilité et la robustesse de la méthodologie MT RX est démontrée. La troisième étape du travail de recherche permet d’aboutir au développement d’un bioréacteur innovant élaboré par fabrication additive et contrôlé par un système micro-fluidique de haute précision. Le dispositif expérimental que nous avons conçu permet de suivre en temps réel l’évolution des propriétés de transport (perméabilité effective), les concentrations en O2 et le détachement de biofilm par spectrophotométrie ; ceci pour des conditions hydrodynamiques contrôlées. Notre méthodologie permet d’étudier l’influence de paramètres biophysiques sur la colonisation du milieu poreux, par exemple l’influence du débit ou de la concentration de nutriments sur le développement temporel du biofilm. En conclusion, ce travail de thèse propose une méthodologie expérimentale reproductible et robuste pour la croissance contrôlée et l’imagerie 3D de biofilms en milieux poreux en apportant la versatilité du contrôle de la micro-architecture du milieu, de l’écoulement et des conditions biochimiques de culture. A notre connaissance, l’approche scientifique suivie et les dispositifs expérimentaux associés constitue la méthodologie la plus complète à ce jour, pour l’étude de biofilms en milieu poreux. / Biofilms are microbial communities developing at the interface between two phases, usually solidliquid, where the micro-organisms are nested in a self-secreted polymer matrix. The biofilm mode of growth is predominant in nature (for e.g. the slimy matter forming on rocks at river bottoms, the viscous deposit in water pipes or even dental plaque) and confers a suitable environment for the development of the micro-organisms. This is particularly the case for porous media which provide favourable substrates given their significant surface to volume ratio. The multi-physical framework of biofilms in porous media is highly complex where the mechanical, chemical and biological aspects interacting at different scales are poorly understood and very partially controlled. An example is the feedback mechanism between flow, spatial distribution of the micro-organisms and the transport of nutrient (by diffusion and advection). Biofilms developing in porous media are a key process of many engineering applications, for example biofilters, soil bio-remediation, CO2 storage and medical issues like infections. Progress in this domain is substantially hindered by the limitations of experimental techniques in metrology and imaging in opaques structures. The main objective of this thesis is to propose robust and reproducible experimental methodologies for the investigation of biofilms in porous media. An experimental workbench under controlled physical and biological conditions is proposed along with a validated 3D imaging protocol based on X-ray micro-tomography (XR MT) using a novel contrast agent (barium sulfate and agarose gel) to quantify the spatial distribution of the biofilm. At first, the XR MT-based methodology is compared to a commonly used techniques for biofilm observation: one or multiple photon excitation fluorescence microscopy, here two-photon laser scanning microscopy (TPLSM). This comparison is performed on Pseudomonas Aeruginosa biofilms grown in transparent glass capillaries which allows for the use of both imaging modalities. Then, the study of uncertainty associated to different metrics namely volume, 3D surface area and thickness, is achieved via an imaging phantom and three different segmentation algorithms. The quantitative analysis show that the protocol enables a visualisation of the biofilm with an uncertainty of approximately 17% which is comparable to TPLSM (14%). The reproducibility and robustness of the XR MT-based methodology is demonstrated. The last step of this work is the achievement of a novel bioreactor elaborated by additive manufacturing and controlled by a high-performance micro-fluidic system. The experimental workbench that we have designed enables to monitor in real-time the evolution of transport properties (effective permeability), O2 concentrations and biofilm detachment by spectrophotometry, all under controlled hydrodynamical conditions. Our methodology allows to investigate the influence of biophysical parameters on the colonisation of the porous medium, for example, the influence of flow rate or nutrient concentration on the temporal development of the biofilm. In conclusion, the thesis work proposes a robust and reproducible experimental methodology for the controlled growth and 3D imaging of biofilms in porous media; while providing versatility in the control of the substrate’s micro-architecture as well as on the flow and biochemical culture conditions. To our knowledge, the scientific approach followed, along with the experimental apparatus, form the most complete methodology, at this time, for the study of biofilms in porous media.

Les imageurs des hôpitaux produisent de plus en plus d'images 3D et il y a un nombre croissant d'études de cohortes. Afin d'ouvrir la voie à des méthodes utilisant de larges bases de données, il est nécessaire de développer des approches permettant de rendre ces bases cohérentes en recalant les images. Les principales méthodes actuelles de recalage de groupes utilisent des données denses (voxels) et sélectionnent une référence pour mettre en correspondance l'ensemble des images. Nous proposons une approche de recalage par groupes, sans image de référence, en utilisant seulement des points d'intérêt (Surf3D), applicable à des bases de plusieurs centaines d'images médicales. Nous formulons un problème global fondé sur l'appariement de points d'intérêt. La variabilité inter-individu étant grande, le taux de faux positifs (paires aberrantes) peut être très important (70\%). Une attention particulière est portée sur l'élimination des appariements erronés. Une première contribution effectue le recalage rigide de groupes d'images. Nous calculons les recalages de toutes les paires d'images. En s'appuyant sur le graphe complet de ces recalages, nous formulons le problème global en utilisant l'opérateur laplacien. Des expérimentations avec 400 images scanner CT 3D hétérogènes illustrent la robustesse de notre méthode et sa vitesse d'exécution. Une seconde contribution calcule le recalage déformable de groupes d'images. Nous utilisons des demi-transformations, paramétrées par des pyramides de B-splines, entre chaque image et un espace commun. Des comparaisons sur un jeu de données de référence montrent que notre approche est compétitive avec la littérature tout en étant beaucoup plus rapide. Ces résultats montrent le potentiel des approches basées sur des points d'intérêt pour la mise en correspondance de grandes bases d'images. Nous illustrons les perspectives de notre approche par deux applications : la segmentation multi-atlas et l'anthropologie. / The ever-increasing amount of medical images stored in hospitals offers a great opportunity for big data analysis. In order to pave the way for huge image groups screening, we need to develop methods able to make images databases consistent by group registering those images. Currently, group registration methods generally use dense, voxel-based, representations for images and often pick a reference to register images. We propose a group registration framework, without reference image, by using only interest points (Surf3D), able to register hundreds of medical images. We formulate a global problem based on interest point matching. The inter-patient variability is high, and the outliers ratio can be large (70\%). We pay a particular attention on inhibiting outliers contribution. Our first contribution is a two-step rigid groupwise registration. In the first step, we compute the pairwise rigid registration of each image pair. In a second step, a complete graph of those registrations allows us to formulate a global problem using the laplacian operator. We show experimental results for groups of up to 400 CT-scanner 3D heterogeneous images highlighting the robustness and speed of our approach. In our second contribution, we compute a non-rigid groupwise registration. Our approach involves half-transforms, parametrized by a b-spline pyramid, between each image and a common space. A reference dataset shows that our algorithm provides competitive results while being much faster than previous methods. Those results show the potential of our interest point based registration method for huge datasets of 3D medical images. We also provide to promising perspectives: multi-atlas based segmentation and anthropology.

Les alliages de titane β-métastables comme le Ti-10V-2Fe-3Al se substituent progressivement aux alliages α/β dans les applications aéronautiques du fait de leur résistance spécifique améliorée. Leurs microstructures d'emploi sont cependant complexes et multi-échelles, constituées d'une matrice β (de grains millimétriques) partiellement transformée en nodules primaires αp (micrométriques) et en lamelles secondaires αs (sub-micrométriques). Les propriétés finales peuvent être très sensibles aux variations locales de microstructures et sont souvent non maîtrisées lors du forgeage de pièces massives. De plus la matrice β qui représente ~40% du volume et qui a un comportement élastique et plastique fortement anisotrope, comme la phase α, complique la compréhension des mécanismes de déformation en jeu. Le premier objectif de cette thèse est de mettre en œuvre des techniques de caractérisation multi-échelles (la diffraction des neutrons, l'imagerie électronique couplée à l'analyse d'image et l'EBSD, la reconstruction des microtextures de haute température β/αp) pour analyser efficacement la microstructure/texture des constituants β/αp/αs et caractériser leurs hétérogénéités au sein de demi-produits et de pièces obtenues par matriçage. Les résultats permettent d'analyser la fragmentation des grains β en sous-grains, les macrozones αp, le maintien de relation d'orientation entre β/αp et l'organisation des lamelles αs en colonies ou paniers tressés, en pointant les différences de taille de domaines révélés par la cristallographie et l'imagerie standard. Le second objectif est d'appliquer cette méthodologie à l'analyse de facies de rupture d'éprouvettes présentant un comportement singulier (en traction ou en fatigue) pour caractériser les configurations microstructurales à l'origine de l'amorçage de fissures. Cette analyse a principalement été réalisée par polissage manuel du faciès couplé à des acquisitions EBSD mais également en exploitant le potentiel de l'imagerie 3D par MEB-FIB (Focus Ion Beam) et la technique TKD (Transmission Kikuchi Diffraction) sur lame mince prélevée au niveau d'un site d'amorçage par FIB. Enfin, cette étude expérimentale a été complétée par une première approche en simulation micromécanique sur une microstructure modèle 100% β. L'objectif était d'évaluer l'influence de l’anisotropie élastique de la phase β sur la genèse de contraintes d'incompatibilités dans les régimes élastique et élasto-plastique. L'ensemble des résultats contribue à une meilleure compréhension des variations de propriétés mécaniques en lien avec la microstructure locale / The β-metastable titanium alloys such as Ti-10V-2Fe-3Al are gradually replacing α/β alloys in aeronautical applications thanks to their improved specific strength. However, their microstructures are complex and multi-scale, consisting of a β matrix (of millimetric grains) partially transformed into primary αp nodules (micrometric) and secondary αs lamellae (sub-micrometric). The final mechanical properties are very sensitive to local variations of the microstructure, which are not always fully controlled during forging of massive parts. Moreover, the β matrix, which represent 40% of the volume and whose elastic and plastic behavior is strongly anisotropic (like the α phase) complicates the understanding of the mechanisms of deformation. The first objective of this thesis was to efficiently characterize the microstructure/texture of the different constituents (β/αp/αs) and their heterogeneities within half-finished products and forged parts by using techniques of multi-scale characterization (neutron diffraction, electronic imaging coupled with image analysis and EBSD, reconstruction of high temperature microtextures β/αp). As a result the fragmentation of the β grains into subgrains, the αp macrozones, the destruction of the orientation relation between β/αp and the organization of the αs lamellae in colonies or basket weave was quantified and the differences in size of domains revealed by crystallography and by standard imaging were pointed out. The second objective is to apply this methodology to the analysis of fracture surfaces of samples exhibiting singular behavior (in tension or in fatigue) in order to characterize the microstructural configurations leading to early cracking. This analysis was mainly performed by manual polishing coupled with EBSD acquisitions but also by using 3D imaging by SEM-FIB (Focus Ion Beam) and TKD (Transmission Kikuchi Diffraction) technique on a thin foil FIB-extracted from the crack initiation site. Finally, this experimental study was completed by a micromechanical simulation on a 100% β model microstructure. The objective was to evaluate the influence of the elastic anisotropy of the β phase on the genesis of incompatibility stresses in the elastic and elasto-plastic regimes. The overall results contribute to a better understanding of the variations of mechanical properties related to the local microstructure

La tomographie en contraste de diffraction est une nouvelle technique non destructive d'imagerie synchrotron qui caractérise la microstructure et l'orientation des grains dans les matériaux polycristallins en trois dimensions (3D). En la combinant avec la tomographe par contraste de phase. Il est pour la première fois possible d'observer in situ la propagation 3D des fissures de fatigue courtes au sein d'un ensemble de grains entièrement caractérisé (orientation et forme). L'approche combinée, appelée « tomographie tri-dimensionnelle par rayons X des fissures courtes et de la microstructure »(T3DXFM), a été développée sur l’alliage de titane métastable "Beta21S". Une grande partie de ce travail porte sur le développement de la méthodologie T3DXFM. Dans le jeu de données combinées, chaque point de la surface de rupture 3D peut être associé à une structure de données multidimensionnelle contenant des variables décrivant l'orientation des grains, l'orientation locale de la surface de rupture ainsi que l'histoire de la propagation. La méthode utilise un maillage de surface composé de triangles qui décrit la fissure (en d'autres termes: la surface de rupture) dans l'état de propagation mesuré au dernier cycle de fatigue réalisé. Les orientations des grains, les différents fronts de la fissure, les vitesses de croissance locales ainsi que les joints de grains peuvent être visualisés en attribuant des couleurs à ce maillage. Des outils d'extraction des figures de pôle ont été créés et mis en œuvre. Un algorithme a été développé qui est capable de mesurer la vitesse de propagation locale 30 d'une fissure contenant des branchements. / X-Ray Diffraction Contrast Tomography (DCT) is a recently developed, non-destructive synchrotron imaging technique which characterizes microstructure and grain orientation in polycrystalline materials in three dimensions (3D). By combining it with propagation based phase contrast tomography (PCT) it is for the first lime possible to observe in situ the 3D propagation behavior of short fatigue cracks (SFCs) within a set of fully characterized grains (orientation and shape). The combined approach, termed 3D X-ray Tomography of short cracks and Microstructure (3DXTSM), has been developed on the metastable beta titanium alloy "Beta21S". A large part of this work deals with the development of the 3DXTSM methodology. In the combined dataset, each point on the 3D fracture surface can be associated with a multidimensional data structure containing variables describing the grain orientation, the local fracture surface normal and the propagation history. The method uses a surface mesh composed of triangles that describes the crack (in other words: the fracture surface) in the last propagation state measured. Grain orientations, crack fronts, local growth rates and grain boundaries can be visualized by assigning colors to this mesh. The data structure can be interrogated in a number of different ways. Tools for extracting pole figures and pole density distribution functions have been implemented. An algorithm was developed that is capable of measuring the 3D local growth rate of a crack containing branches. The accuracy of the grain boundaries as reconstructed with OCT was evaluated and the elastic constants of Beta21S were determined.

Este trabalho tem como objetivo o estudo de uma área da robótica chamada robótica móvel. Um robô móvel deve realizar uma navegação segura e esta é a principal motivação deste trabalho. Para tal foi desenvolvido um simulador de robótica móvel com visualização em 3D. Um dos grandes interesses na área de robótica móvel é a utilização de algoritmos de inteligência artificial. O objetivo deste trabalho é a utilização e simulação de inteligência artificial para o controle destinado ao desvio de obstáculos. As simulações são dinâmicas, ou seja, o robô não tem informação previa do cenário. Os algoritmos de inteligência artificial implementadas neste trabalho são lógica Fuzzy e Neurofuzzy. As contribuições do simulador são: a simulação e visualização em 3D com o cenário modelado em um programa CAD/3D, permite testar diversas configurações antes de testar o robô real, simula o ruído de sensores, utiliza lógica fuzzy e neurofuzzy para o desvio de obstáculos. Os resultados mostram a capacidade do sistema fuzzy para lidar com os dados ruidosos dos sensores assim como a influência das variáveis antecedentes e conseqüentes do sistema fuzzy de no comportamento do robô móvel para o desvio de obstáculos além da capacidade do sistema neurofuzzy de aprender a partir dos dados de treinamento mostrando uma melhoria no resultado das simulações. / This work has as objective the study of an area of the robotics named mobile robotics. A mobile robot must navigate in a safe way and this is the main motivation of this work. To do that a mobile robotics simulator with 3D visualization was developed. One of the great interests in mobile robotics is using artificial intelligence algorithms. The main point of this work is using and simulate artificial intelligence applied in obstacle avoidance control. The simulations are dynamics it means that the robot do not have previous information about the scenery. The artificial intelligence algorithms developed in this work are Fuzzy and Neurofuzzy logics. The simulator contributions are that the simulation and 3D visualization where the scenery is a 3D model from a CAD/3D software besides allows to test many configurations before testing the real robot and simulates noise from sensors and uses fuzzy and neurofuzzy logics to obstacle avoidance. The results show the fuzzy system capability to deal with the noisy data from sensors and how fuzzy variables influences the mobile robot behavior in obstacle avoidance besides the ability of neurofuzzy system to learn from training data showing improvements in the simulation results.

Este trabalho tem como objetivo o estudo de uma área da robótica chamada robótica móvel. Um robô móvel deve realizar uma navegação segura e esta é a principal motivação deste trabalho. Para tal foi desenvolvido um simulador de robótica móvel com visualização em 3D. Um dos grandes interesses na área de robótica móvel é a utilização de algoritmos de inteligência artificial. O objetivo deste trabalho é a utilização e simulação de inteligência artificial para o controle destinado ao desvio de obstáculos. As simulações são dinâmicas, ou seja, o robô não tem informação previa do cenário. Os algoritmos de inteligência artificial implementadas neste trabalho são lógica Fuzzy e Neurofuzzy. As contribuições do simulador são: a simulação e visualização em 3D com o cenário modelado em um programa CAD/3D, permite testar diversas configurações antes de testar o robô real, simula o ruído de sensores, utiliza lógica fuzzy e neurofuzzy para o desvio de obstáculos. Os resultados mostram a capacidade do sistema fuzzy para lidar com os dados ruidosos dos sensores assim como a influência das variáveis antecedentes e conseqüentes do sistema fuzzy de no comportamento do robô móvel para o desvio de obstáculos além da capacidade do sistema neurofuzzy de aprender a partir dos dados de treinamento mostrando uma melhoria no resultado das simulações. / This work has as objective the study of an area of the robotics named mobile robotics. A mobile robot must navigate in a safe way and this is the main motivation of this work. To do that a mobile robotics simulator with 3D visualization was developed. One of the great interests in mobile robotics is using artificial intelligence algorithms. The main point of this work is using and simulate artificial intelligence applied in obstacle avoidance control. The simulations are dynamics it means that the robot do not have previous information about the scenery. The artificial intelligence algorithms developed in this work are Fuzzy and Neurofuzzy logics. The simulator contributions are that the simulation and 3D visualization where the scenery is a 3D model from a CAD/3D software besides allows to test many configurations before testing the real robot and simulates noise from sensors and uses fuzzy and neurofuzzy logics to obstacle avoidance. The results show the fuzzy system capability to deal with the noisy data from sensors and how fuzzy variables influences the mobile robot behavior in obstacle avoidance besides the ability of neurofuzzy system to learn from training data showing improvements in the simulation results.

Abstract In this thesis, a new type of laser diode transmitter using enhanced gain-switching suitable for use with a single photon avalanche diode (SPAD) detector was developed and tested in the pulsed time-of-flight laser range finding (lidar) application. Several laser diode versions were tested and the driving electronics were developed. The driving electronics improvements enabled a pulsing frequency of up to 1 MHz, while the maximum laser output power was about 5–40 W depending on the laser diode dimensions. The large output power is advantageous especially in conditions of strong photon noise emerging from ambient light outdoors. The length of the laser pulse matches the jitter of a typical SPAD detector providing several advantages. The new laser pulser structure enables a compact rangefinder for 50 m distance measurement outdoors in sunny conditions with sub-centimeter precision (σ-value) at a valid distance measurement rate of more than 10 kHz, for example. Single photon range finding techniques were also shown to enable a char bed level measurement of a recovery boiler containing highly attenuating and dispersing flue gas. In addition, gated single photon detector techniques were shown to provide a rejection of fluorescent photons in a Raman spectroscope leading to a greatly improved signal-to-noise ratio. Photonic effects were also studied in the case of a pulsed time-of-flight laser rangefinder utilizing a linear photodetector. It was shown that signal photon noise has an effect on the optimum detector configuration, and that pulse detection jitter can be minimized with an appropriate timing discriminator. / Tiivistelmä Tässä työssä kehitettiin uudentyyppinen, tehostettua "gain-switchingiä" hyödyntävä laserdiodilähetin käytettäväksi yksittäisten fotonien avalanche-ilmaisimien (SPAD) kanssa, ja sitä testattiin pulssin lentoaikaan perustuvassa laseretäisyysmittaussovelluksessa. Useita laserdiodiversioita testattiin ja ohjauselektroniikkaa kehitettiin. Ohjauselektroniikan parannukset mahdollistivat jopa 1 MHz pulssitustaajuuden, kun taas laserin maksimiteho oli noin 5–40 W riippuen laserdiodin dimensioista. Suuri lähtöteho on edullinen varsinkin vahvoissa taustafotoniolosuhteissa ulkona. Laserpulssin pituus vastaa tyypillisen SPAD-ilmaisimen jitteriä tarjoten useita etuja. Uusi laserpulssitinrakenne mahdollistaa esimerkiksi kompaktin etäisyysmittarin 50 m mittausetäisyydelle ulkona aurinkoisessa olosuhteessa mm–cm -mittaustarkkuudella (σ-arvo) yli 10 kHz mittaustahdilla. Yksittäisten fotonien lentoaikamittaustekniikan osoitettiin myös mahdollistavan soodakattilan keon korkeuden mittauksen, jossa on voimakkaasti vaimentavaa ja dispersoivaa savukaasua. Lisäksi portitetun yksittäisten fotonien ilmaisutekniikan osoitettiin hylkäävän fluoresenssin synnyttämiä fotoneita Raman-spektroskoopissa, joka johtaa selvästi parempaan signaali-kohinasuhteeseen. Fotoni-ilmiöitä tutkittiin myös lineaarista valoilmaisinta hyödyntävän pulssin kulkuaikamittaukseen perustuvan lasertutkan tapauksessa. Osoitettiin, että signaalin fotonikohina vaikuttaa optimaaliseen ilmaisinkonfiguraatioon, ja että pulssin ilmaisujitteri voidaan minimoida sopivalla ajoitusdiskriminaattorilla.

Cette thèse vise à améliorer la résolution en trois dimensions grâce à une technique récente d’imagerie : la microscopie tomographique diffractive (MTD). Son principe est d’éclairer l’objet successivement sous différents angles en lumière cohérente, de détecter le champ diffracté en phase et en amplitude, et de reconstruire la carte 3D de permittivité de l’objet par un algorithme d’inversion. La MTD s’est avérée capable de combiner plusieurs modalités utiles pour la microscopie sans marquage, telles que plein champ, champ sombre, à contraste de phase, confocale, ou encore la microscopie à synthèse d’ouverture 2D ou 3D. Toutes sont basées sur des approximations scalaires et linéaires, ce qui restreint leur domaine d’application pour restituer l’objet de manière quantitative. A l’aide d’une inversion numérique rigoureuse prenant en compte la polarisation du champ et le phénomène de diffusion multiple, nous sommes parvenus à reconstruire la carte 3D de permittivité d’objets avec une résolution de λ/4. Une amélioration supplémentaire la portant à λ/10 a été rendue possible par l’insertion d’information a priori sur l’objet dans l’algorithme d’inversion. Enfin, la résolution axiale est moins bonne du fait de l’asymétrie des schémas d’illumination et de détection dans les microscopes. Pour s’affranchir de cette limitation, une configuration de tomographie assistée par miroir a été implémentée et a mis en évidence un pouvoir de séparation axial meilleur que λ/2. Au final, la MTD s’est illustrée comme un outil de caractérisation puissant pour reconstruire en 3D les objets ainsi que leurs indices optiques, à des résolutions bien supérieures à celles des microscopes conventionnels. / This PhD thesis is devoted to the three-dimensional isotropic resolution improvement using optical tomographic diffraction microscopy (TDM), an emerging optical microscope technique. The principle is to illuminate the sample successively with various angles of coherent light, collect the complex (amplitude and phase) diffracted field and reconstruct the sample 3D permittivity map through an inversion algorithm. A single TDM measurement was shown to combine several popular microscopy techniques such as bright-field microscope, dark-field microscope, phase-contrast microscope, confocal microscope, 2D and 3D synthetic aperture microscopes. All rely on scalar and linear approximations that assume a linear link between the object and the field diffracted by it, which limit their applicability to retrieve the object quantitatively. Thanks to a rigorous numerical inversion of the TDM diffracted field data which takes into account the polarization of the field and the multiple scattering process, we were able to reconstruct the 3D permittivity map of the object with a λ/4 transverse resolution. A further improvement to λ/10 transverse resolution was achieved by providing a priori information about the sample to the non-linear inversion algorithm. Lastly, the poor axial resolution in microscopes is due to the fundamental asymmetry of illumination and detection. To overcome this, a mirror-assisted tomography configuration was implemented, and has demonstrated a sub-λ/2 axial resolution capability. As a result, TDM can be seen as a powerful tool to reconstruct objects in three-dimensions with their optical material properties at resolution far superior to conventional microscopes.