The focus of this thesis is the study of turbulent solid-liquid stirred suspensions, which are involved in many common unit operations in the chemical, pharmaceutical and food industries. The studies of two-phase flows present a big challenge to researchers due to the complexity of experiments; hence there is a lack of quantitative solid and liquid hydrodynamic measurements. Therefore, an investigation of turbulence modulation by dispersed particles on the surrounding fluid in stirred vessels has been carried out, via two-phase fluorescent Particle Image Velocimetry (FPIV) and micromixing experiments. The main property of interest has been the local dissipation rate, as well as root-mean-square (rms) velocities and turbulent kinetic energy (TKE) of the fluid. Initially a single-phase PIV study was conducted to investigate the flow field generated by a sawtooth (EkatoMizer) impeller. The purpose of this study was to gain insight into various PIV techniques before moving on to more complex two-phase flows. Subsequently stereo-, highspeed and angle-resolved measurements were obtained. The EkatoMizer formed a good case study as information regarding its hydrodynamics is not readily available in literature, hence knowledge has been extended in this area. An analysis of the mean flow field elucidated the general structure of fluid drawn into the impeller region axially and discharged radially; the latter characterised the impeller stream. The radial rms velocity was considered to represent best the system turbulence, even though the tangential rms velocity was greater close to the blade; however the radial component was more prevalent in the discharge stream. Due to differences in rms velocities, TKE estimates obtained from two and three velocity components deviated, being greater in the latter case. Integral (1-D and 2-D) length scales were overestimated by the quantity W / 2 in the impeller region. Ratios of longitudinal-to-lateral length scales also indicated flow anisotropy (as they deviated from 2:1). The anisotropy tensor showed that the flow was anisotropic close to the blade, and returned to isotropy further away from the impeller. Instantaneous vector plots revealed vortices in the discharge stream, but these were not associated with flow periodicity. Alternatively, the vortex structures were interpreted as low frequency phenomena between 0-200 Hz; macro-instabilities were found to have a high probability of occurrence in the discharge stream. Dissipation is the turbulent property of most interest as it directly influences micromixing processes, and its calculation is also the most difficult to achieve. Its direct determination from definition requires highly resolved data. Alternative methods have been proposed in the literature, namely dimensional analysis, large eddy simulation (LES) analogy and deduction from the TKE balance. All methods were employed using 2-D and 3-D approximations from stereo-PIV data. The LES analogy was deemed to provide the best estimate, since it accounts for three-dimensionality of the flow and models turbulence at the smallest scales using a subgrid scale model. (Continues...).

Les micro-saignements cérébraux (MSC) sont des dépôts d’hémosidérine particulièrement visibles sur des séquences IRM sensibles à la susceptibilité magnétique, comme par exemple la séquence en écho de gradient pondérée (GRE) en T2*. Néanmoins, leur détection in-vivo à partir de l’image d'amplitude GRE T2* obtenue en routine clinique est peu exacte et très sensible aux paramètres d’acquisition. Une détection automatique des MSC permettrait d’augmenter la portée et la pertinence de cette séquence, mais il est avant tout nécessaire de mieux caractériser les MSC pour augmenter la spécificité de détection. Cette thèse présente une nouvelle méthode pour extraire l’information d’intérêt (la carte champ interne) à partir d’images de phase obtenues avec les mêmes acquisitions cliniques GRE T2*. En effet, l’image de phase T2* contient directement une information sur la susceptibilité et pourrait donc améliorer la détection des MSC. Cette méthode a été évaluée avec succès sur des données multicentriques de qualité compatible avec la routine clinique pour des sujets avec un nombre très variable de MSC et a permis de différencier les MSC des micro-calcifications. Une étude de validation a également été menée pour évaluer l’utilité clinique de la carte de champ interne pour la détection par un expert, par rapport à d’autres types d’images et reconstructions utilisées en clinique. Elle a montré une amélioration de la spécificité. La thèse comprend également une preuve de concept d’une méthode d’identification automatique utilisant l’information provenant de plusieurs types d’image et de reconstruction afin d’augmenter la spécificité de l’identification. L’évaluation est menée sur les sujets précédemment décrits. Cette preuve de concept est basée sur un algorithme d’apprentissage supervisé ; cela consiste à combiner les informations issues des différents types d’image à partir desquels des descripteurs d’intensités et de forme ont été extraits pour créer un modèle de prédiction permettant discriminer les MSC. / CMBs, small hypo-intense foci with a maximum diameter of 10 millimeters, were first thought clinically silent. They are now considered as an imaging marker of cerebral small vessel diseases and their clinical involvement is increasingly recognized; they may be associated with an increased risk of hemorrhagic stroke, ischemia and dementia such as Alzheimer's disease. However, their relation with pathology and its causality remains largely to be understood, partly because of their tricky characterization in-vivo. Large scale studies or meta-analyses are made difficult because their identification varies with MRI sequence parameters and suffers from reproducibility issues and is time-consuming. Automatic identification methods have been proposed to address these issues but they all require manual post processing selection steps, because of a very high number of false positives. This suggests that a better characterization of CMBs may be the key to improve their detection, as it would allow better identifying them from misleading structures and lesions.This PhD focused on achieving a better characterization of CMBs to better detect them with an automatic method. It covers multiple aspects to improve CMBs identification. First, MR phase image was taken into account in addition to the standard MR magnitude image, because of its sensitivity to CMBs. A new MR phase image processing technique was thus developed to obtain the magnetic field of interest free of contamination from background sources in datasets equivalent to clinical routine. A comparison study was carried-out to evaluate the outcome of this tool for CMBs detection in a standardized dataset in a clinical environment. A proof-of-concept is given to illustrate the advantages of new features for automatically identifying CMBs.

Les enjeux économiques et sécuritaires majeurs portant sur l'évaluation de la pérennité des systèmes de précontrainte dans les ouvrages d'art conduisent au développement de nouvelles méthodes d'auscultation. Ces travaux représentent la contribution du LGCgE au programme national de recherche ANR ACTENA sur l'auscultation des câbles tendus non-accessibles. Les objectifs de ce travail sont la détermination du tracé des câbles de précontrainte et la détection des zones de défauts d'injection par thermographie infrarouge active. Le premier chapitre rappelle le contexte de cette étude, ainsi que les travaux antérieurs. L'introduction d'un mode de chauffage par induction conduit à une indétermination sur la présence éventuelle de défaut. Afin de lever cet artefact, le deuxième chapitre introduit une méthode originale de traitement fréquentiel des thermogrammes bruts basée sur une approche systémique dans le domaine fréquentiel. Une modélisation par éléments finis des spécimens expérimentaux permet d'étudier la diffusion et d'élaborer les paramètres expérimentaux. Le troisième chapitre expose les résultats expérimentaux obtenus sur trois spécimens de poutres. La procédure de traitement fréquentiel est appliquée aux séries de thermogrammes bruts obtenus. Les résultats sont discutés et mettent en avant l'intérêt des images de phase. Une approche quantitative est appliquée aux résultats de thermographie infrarouge dans le quatrième chapitre. La méthode d'inversion présentée permet la détermination de la diffusivité thermique du béton d'enrobage ainsi que son épaisseur. / The economical and security aspects of the durability of the prestressed concrete construction works lead to develop new non destructive testing methods. This work was developed within the framework of the ANR ACTENA French research project. The main arms are to contribute to the localization of prestressed tendon ducts or rebars and also to the detection of the poor filling defects. The context of this study and previous works are described in the chapter I. The introduction of an inductor heating provides a non uniformity of the heating. In order to avoid any misinterpretation of thermograms, a frequential method based on transfer functions is proposed in chapter II. A 3D numerical model of the experimental specimens is performed by finite element method. Chapter III shows experimental results for three concrete beam specimens. The frequential procedure is applied to the raw thermograms. The results are discussed and highlighted the interest of phase images. A quantitative approach is applied to infrared thermographical results in the chapter IV. Finally, an inverse method is proposed and allowed to the determination of thermal diffusivity and the thickness of the cover concrete.

The goal of the thesis is to find general nonlinear geometric transformation, which compensates irregular deformation of images, so that they could be registered. In the introductory part, necessary mathematical tools are stated, especially convolution, correlation and Fourier transform. In the next part, method of phase correlation is stated, followed by algorithms used for finding the geometric transformation. Those algorithms are implemented in computer program, that is included.

This work is aimed at deposition of fibers, which are able to penetrate deeper in the human respiratory airways and cause health hazards. Opening chapters are dedicated to classification of aerosols, human lung anatomy basics and methods for measurement of micrometer-sized aerosols. An experiment was carried out to investigate the deposition of fibers. Fibers were delivered into the silicon cast of the human airways and data of deposition fraction and efficiency were acquired. A new method was established to acquire the data. This method works on a principle of image analysis. Results of the new method were compared with a standard method, which follows a methodology NIOSH 7400.

Les signaux analytiques multidimensionnels nous permettent d'avoir des possibilités de calculer les phases et modules. Cependant, peu de travaux se trouvent sur les signaux analytiques multidimensionnels qui effectuent une extensibilité appropriée pour les applications à la fois sur du traitement des données médicales 2D et 3D. Cette thèse a pour objectif de proposer des nouvelles méthodes pour le traitement des images médicales 2D/3D pour les applications de détection d'enveloppe et d'estimation du mouvement. Premièrement, une représentation générale du signal quaternionique 2D est proposée dans le cadre de l'algèbre de Clifford et cette idée est étendue pour modéliser un signal analytique hypercomplexe 3D. La méthode proposée décrit que le signal analytique complexe 2D, est égal aux combinaisons du signal original et de ses transformées de Hilbert partielles et totale. Cette écriture est étendue au cas du signal analytique hypercomplexe 3D. Le résultat obtenu est que le signal analytique hypercomplexe de Clifford peut être calculé par la transformée de Fourier complexe classique. Basé sur ce signal analytique de Clifford 3D, une application de détection d'enveloppe en imagerie ultrasonore 3D est présentée. Les résultats montrent une amélioration du contraste de 7% par rapport aux méthodes de détection d'enveloppe 1D et 2D. Deuxièmement, cette thèse propose une approche basée sur deux phases spatiales du signal analytique 2D appliqué aux séquences cardiaques. En combinant l'information de ces phases des signaux analytiques de deux images successives, nous proposons un estimateur analytique pour les déplacements locaux 2D. Pour améliorer la précision de l'estimation du mouvement, un modèle bilinéaire local de déformation est utilisé dans un algorithme itératif. Cette méthode basée sur la phase permet au déplacement d'être estimé avec une précision inférieure au pixel et est robuste à la variation d'intensité des images dans le temps. Les résultats de sept séquences simulées d'imagerie par résonance magnétique (IRM) marquées montrent que notre méthode est plus précise comparée à des méthodes récentes utilisant la phase du signal monogène ou des méthodes classiques basées sur l'équation du flot optique. Les erreurs d'estimation de mouvement de la méthode proposée sont réduites d'environ 33% par rapport aux méthodes testées. En outre, les déplacements entre deux images sont cumulés en temps, pour obtenir la trajectoire d'un point du myocarde. En effet, des trajectoires ont été calculées sur deux patients présentant des infarctus. Les amplitudes des trajectoires des points du myocarde appartenant aux régions pathologiques sont clairement réduites par rapport à celles des régions normales. Les trajectoires des points du myocarde, estimées par notre approche basée sur la phase de signal analytique, sont donc un bon indicateur de la dynamique cardiaque locale. D'ailleurs, elles s'avèrent cohérentes à la déformation estimée du myocarde. / Different mathematical tools, such as multidimensional analytic signals, provide possibilities to calculate multidimensional phases and modules. However, little work can be found on multidimensional analytic signals that perform appropriate extensibility for the applications on both of the 2D and 3D medical data processing. In this thesis, based on the Hahn 1D complex analytic, we aim to proposed a multidimensional extension approach from the 2D to a new 3D hypercomplex analytic signal in the framework of Clifford algebra. With the complex/hypercomplex analytic signals, we propose new 2D/3D medical image processing methods for the application of ultrasound envelope detection and cardiac motion estimation. Firstly, a general representation of 2D quaternion signal is proposed in the framework of Clifford algebra and this idea is extended to generate 3D hypercomplex analytic signal. The proposed method describes that the complex/hypercomplex 2D analytic signals, together with 3D hypercomplex analytic signal, are equal to different combinations of the original signal and its partial and total Hilbert transforms, which means that the hypercomplex Clifford analytic signal can be calculated by the classical Fourier transform. Based on the proposed 3D Clifford analytic signal, an application of 3D ultrasound envelope detection is presented. The results show a contrast optimization of about 7% comparing with 1D and 2D envelope detection methods. Secondly, this thesis proposes an approach based on two spatial phases of the 2D analytic signal applied to cardiac sequences. By combining the information of these phases issued from analytic signals of two successive frames, we propose an analytical estimator for 2D local displacements. To improve the accuracy of the motion estimation, a local bilinear deformation model is used within an iterative estimation scheme. This phase-based method allows the displacement to be estimated with subpixel accuracy and is robust to image intensity variation in time. Results from seven realistic simulated tagged magnetic resonance imaging (MRI) sequences show that our method is more accurate compared with the state-of-the-art method. The motion estimation errors (end point error) of the proposed method are reduced by about 33% compared with that of the tested methods. In addition, the frame-to-frame displacements are further accumulated in time, to allow for the calculation of myocardial point trajectories. Indeed, from the estimated trajectories in time on two patients with infarcts, the shape of the trajectories of myocardial points belonging to pathological regions are clearly reduced in magnitude compared with the ones from normal regions. Myocardial point trajectories, estimated from our phase-based analytic signal approach, are therefore a good indicator of the local cardiac dynamics. Moreover, they are shown to be coherent with the estimated deformation of the myocardium.