Many individuals with severe motor impairments are cognitively capable, but because of their physical impairments, unable to express their intention through conventional means of communication. Access technologies are devices that attempt to translate the intention of these individuals into functional activity by harnessing their residual physical or physiological abilities. The primary objective of this thesis was to design and develop a novel non-invasive and non-contact access technology based on infrared thermal imaging. This access technology translates the local temperature change associated with voluntary mouth opening to activation of a binary switch such as a mouse click or key press. To this end, an algorithm based on motion and temperature analyses, and morphological and anthropometric filters was designed to detect mouth opening activity in thermal video in real-time. The secondary objective of this thesis was to introduce a mutual information measure for objective assessment of binary switch users’ performance. A model was suggested, in which combination of cognitive and physical abilities of the human user of a binary access switch constitute a communication channel. The proposed mutual information measure estimates the rate of information transmission in the ‘human communication channel’ during stimulus response tasks. Using this measure, in a study with ten able-bodied participants, the infrared thermal switch was validated against a conventional chin switch. Impairments in body functions and structures that may contraindicate the use of the infrared thermal switch were explored in a study with seven clients, with severe disabilities. Potential hard and soft technological solutions to mitigate the effect of these impairments on infrared thermal switch use were recommended. Finally the infrared thermal switch was tailored to meet the needs of a young man with severe spastic quadriplegic cerebral palsy, who had no other means of physical access.

Many individuals with severe motor impairments are cognitively capable, but because of their physical impairments, unable to express their intention through conventional means of communication. Access technologies are devices that attempt to translate the intention of these individuals into functional activity by harnessing their residual physical or physiological abilities. The primary objective of this thesis was to design and develop a novel non-invasive and non-contact access technology based on infrared thermal imaging. This access technology translates the local temperature change associated with voluntary mouth opening to activation of a binary switch such as a mouse click or key press. To this end, an algorithm based on motion and temperature analyses, and morphological and anthropometric filters was designed to detect mouth opening activity in thermal video in real-time. The secondary objective of this thesis was to introduce a mutual information measure for objective assessment of binary switch users’ performance. A model was suggested, in which combination of cognitive and physical abilities of the human user of a binary access switch constitute a communication channel. The proposed mutual information measure estimates the rate of information transmission in the ‘human communication channel’ during stimulus response tasks. Using this measure, in a study with ten able-bodied participants, the infrared thermal switch was validated against a conventional chin switch. Impairments in body functions and structures that may contraindicate the use of the infrared thermal switch were explored in a study with seven clients, with severe disabilities. Potential hard and soft technological solutions to mitigate the effect of these impairments on infrared thermal switch use were recommended. Finally the infrared thermal switch was tailored to meet the needs of a young man with severe spastic quadriplegic cerebral palsy, who had no other means of physical access.

Submitted by Pedro Silva Filho (pfsilva@ipen.br) on 2017-11-21T11:35:55Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2017-11-21T11:35:56Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Os projetos de carrocerias veiculares atuais procuram desenvolver estruturas leves, seja para reduzir o consumo de combustível, no caso dos motores de combustão interna, seja para maior autonomia de bateria, no caso dos veículos elétricos e híbridos. Redução no consumo de combustível significa redução na emissão de poluentes. As estruturas precisam ser leves, mas cada vez mais resistentes e rígidas a fim de proporcionar máximo conforto e segurança aos ocupantes. Estas premissas têm levado ao contínuo desenvolvimento dos materiais. No caso dos aços, um dos processos que tem permitido a melhora significativa das propriedades mecânicas é a estampagem a quente. Nos últimos anos, as peças estampadas a quente têm ocupado lugar de destaque na estrutura das carrocerias veiculares por estarem em sintonia com as demandas mencionadas. Há muitas pesquisas em curso para esta tecnologia, seja nos materiais, nos meios de produção, nos revestimentos e em aplicações. O aço mais utilizado neste processo, 22MnB5, também apresenta o chamado efeito bake hardening; a tensão de escoamento é aumentada após tratamento térmico realizado em temperaturas próximas a 200 °C. Neste trabalho, visando à melhoria nas propriedades mecânicas, amostras foram tratadas termicamente na faixa de temperatura supracitada. Após isso, dados obtidos de ensaios mecânicos foram inseridos em programas de simulação de impacto lateral cujo resultado foi a redução na intrusão na célula de sobrevivência. O efeito bake hardening também propiciou um aumento na absorção da energia de impacto em teste estático feito com barras de proteção lateral. O mecanismo metalúrgico envolvido no fenômeno, devido à difusão de intersticiais foi evidenciado no ensaio de atrito interno. / Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

La mesure simultanée des champs cinématiques et thermiques est très importante pour les procédures thermomécaniques. Les caméras à base de silicium sont largement utilisées pour l'observation en temps réel des champs cinématiques, principalement grâce à la corrélation d'images numériques. De plus, ils sont aussi connus pour sa sensibilité dans le spectre du proche infrarouge, ce qui permet d’acquérir des champs thermiques à l’aide d’une caméra à base de silicium. Cependant, pour la caméra à base de silicium, il y a deux problèmes principaux d’obtenir simultanément des champs cinématiques et thermiques. D’abord, dans le spectre du proche infrarouge, une petite variation de température entraînera une modification importante du niveau de gris de l'image, ce qui entraînera facilement une mauvaise qualité des images. Deuxième, la corrélation d’images numériques nécessite une surface hétérogène et contrastée, tandis que la thermographie dans le proche infrarouge nécessite une surface homogène et constante. Dans cette thèse, une technique innovante a été proposée pour ajuster automatiquement le temps d'exposition de la caméra afin d'obtenir des images exploitables pour l’analyse cinématique et thermique, quel que soit l'évolution de température à la surface de l'objet observé. Cette technique a été validée par expériences différentes, notamment des expériences de chauffage d’un corps noir et des expériences de chauffage d’un échantillon réel. Les modèles radiométriques du corps noir et de la surface des échantillons calibrent respectivement. Basé sur les modèles radiométriques, des champs thermiques ont été reconstruits sur les images exploitables pour l’analyse cinématique et thermique. L'expérience à haute température est réalisée pour le ballonnement des tubes où les champs cinématiques et thermiques sont observés. La corrélation d'images numériques a été effectuée globalement afin d'obtenir des champs cinématiques. Pour effectuer la thermographie du proche infrarouge sur la surface de l’échantillon, le modèle radiométrique est étalonné selon une partie des pixels les plus brillants. Dans ce cas, 20% des pixels les plus brillants sont utilisés pour effectuer l'étalonnage des modèles radiométriques. Basée sur le modèle en utilisant 20% des pixels plus brillants, les champs thermiques sont reconstruits. Combiné avec les coordonnées connues du champ cinématique par corrélation d'images numériques, le champ thermique et le champ cinématique dans les mêmes coordonnées peut être obtenu. / Simultaneous measurement of kinematic and thermal full fields are very important for thermomechanical procedures. Silicon-based cameras are widely used to perform real-time observation of the kinematic fields, mainly thanks to digital image correlation. Moreover, they are known to be as well sensitive in the near-infrared spectral range, thus the acquirement of thermal fields using silicon-based cameras is possible. However, there are two main problems for the silicon-based camera to obtain simultaneously kinematic and thermal fields. One is that in the near-infrared spectral range, a small temperature variation will lead to a large modification in the image gray level, which easily leads to poor quality images. Another is that digital image correlation needs a heterogeneous and contrasting surface, while the near-infrared thermography needs a homogeneous and constant surface. In this thesis, an innovative technique was proposed to automatically adjust the exposure time of the camera to obtain kinematically and thermally exploitable images whatever the temperature evolution occurs on the surface of the observed object. This technique was validated by different experiments, including blackbody heating experiments and realistic specimen heating experiments. Radiometric models of blackbody and specimen surfaces ware calibrated respectively. Based on the radiometric models, thermal fields have been reconstructed on the kinematically and thermally exploitable images. High temperature tube ballooning experiment is conducted to perform both kinematic and thermal fields. Global digital image correlation was performed to obtain kinematic fields. To perform near-infrared thermography on the specimen surface, radiometric model is calibrated based on portions of the brightest pixels. In this case 20% of the brightest pixels are used to perform radiometric model calibration. Based on the radiometric model using 20% of the brightest pixels, the thermal fields are reconstructed. Combined with the known coordinates of kinematic fields by digital image correlation, the thermal fields at the same coordinates as kinematic fields can be obtained.

Introduction : L’évaluation hémodynamique des patients critiques est difficile et l'estimation du débit cardiaque par le clinicien est peu fiable. La chaleur des extrémités est utilisée pour évaluer la perfusion périphérique mais reste très subjective. Un gradient thermique élevé entre la température centrale et la température périphérique a été corrélé à une augmentation des résistances vasculaires systémiques et une diminution du débit cardiaque. L'objectif de cette étude est d'évaluer la relation entre le gradient thermique, obtenu par thermographie infra-rouge (TIR), et le ratio d'extraction d'oxygène (O2ER) chez les enfants de 0 à 18 ans ayant eu une chirurgie cardiaque avec circulation extracorporelle. Méthode : Étude observationnelle prospective portant sur les enfants en post opératoire de chirurgie cardiaque avec une circulation extracorporelle. Le gradient thermique entre la température centrale (cantus interne de l’oeil) et périphérique (hallux) obtenue par TIR a été comparé à l’O2ER concomitant dans les 24 premières heures post opératoires. Résultats : 41 patients ont été inclus. Une corrélation faible a été retrouvée entre le gradient thermique et l’O2ER (r = 0.25 p = 0.016). Cette corrélation augmentait pour des niveaux d’O2ER plus élevés. La spectroscopie par proche infra-rouge (NIRS) cérébrale avait aussi une corrélation significative avec le gradient thermique (r = -28 p=0.001). Seul l’âge influençait significativement le gradient thermique. Les agents vasopresseurs et vasodilatateurs n’exerçaient aucune influence. Conclusion : Une corrélation significative mais faible a été retrouvée entre le gradient thermique par thermographie infrarouge et l’O2ER après une chirurgie cardiaque pédiatrique. Une caméra thermique plus sensible et l’acquisition de mesures plus précises du gradient thermique à partir d’un plus grand effectif pourraient améliorer nos résultats. / Introduction: Hemodynamic assessment of critical patients is challenging, and clinician estimation of cardiac output is unreliable. Extremity heat is used to assess peripheral perfusion but remains highly subjective. A high thermal gradient between core and the peripheral temperature has been correlated with increased systemic vascular resistance and decreased cardiac output. The objective of this study was to evaluate the relationship between the thermal gradient obtained by infrared thermography (IRT) and the oxygen extraction ratio (O2ER) in children aged 0 to 18 years, after cardiac surgery with cardiopulmonary bypass. Method: Prospective observational study of children undergoing postoperative cardiac surgery with cardio-pulmonary bypass. The thermal gradient between the central (inner eye cantus) and peripheral (hallux) temperatures obtained by IRT was compared with concomitant O2ER in the first 24 hours postoperatively. Results: 41 patients were included. A weak correlation was found between the thermal gradient and O2ER (r = 0.25 p = 0.016). This correlation increased for higher O2ER levels. Cerebral near infrared spectroscopy (NIRS) also correlated significantly with thermal gradient (r = -28 p=0.001). Only age significantly influenced the thermal gradient. Vasopressor and vasodilator agents had no influence. Conclusion: A significant but weak correlation was observed between thermal gradient by IRT and O2ER after pediatric cardiac surgery. A more sensitive thermal camera and acquiring of more accurate thermal gradient measurements from a larger population could improve our results.

Early detection of unilateral muscle fatigue and muscular imbalances is important to prevent injury. This study aimed to evaluate the potential of near-infrared thermography (IRT) and raster-stereography (RS) in detecting asymmetries. After unilateral trunk muscle fatigue, IRT detected changes in the skin surface temperature only immediately after exercise, while RS data showed no statistically significant changes. / Die frühzeitige Erkennung von einseitiger Muskelermüdung und muskulären Ungleichgewichten ist wichtig, um Verletzungen vorzubeugen. Ziel dieser Studie war es, das Potenzial der Nahinfrarot-Thermografie (IRT) und der Rasterstereografie (RS) bei der Erkennung von Asymmetrien zu bewerten. Nach einseitiger Ermüdung der Rumpfmuskulatur wurden mit der IRT Veränderungen der Hautoberflächentemperatur nur unmittelbar nach der Belastung festgestellt, während die RS-Daten keine statistisch signifikanten Veränderungen zeigten.

[ES] El síndrome de dolor regional complejo (SDRC) es un trastorno de dolor crónico debilitante que suele afectar a una extremidad, y se caracteriza por su compleja e incomprendida fisiopatología subyacente, lo que supone un reto para su diagnóstico y tratamiento. Para evitar el deterioro de la calidad de vida de los pacientes, la consecución de un diagnóstico y tratamiento tempranos marca un punto de inflexión. Entre los diferentes tratamientos, los bloqueos simpáticos lumbares (BSLs) tienen como objetivo aliviar el dolor y reducir algunos signos simpáticos de la afección. Este procedimiento intervencionista se lleva a cabo inyectando anestesia local alrededor de los ganglios simpáticos y, hasta ahora, se realiza frecuentemente bajo el control de diferentes técnicas de imagen, como los ultrasonidos o la fluoroscopia. Dado que la termografía infrarroja (TIR) ha demostrado ser una herramienta eficaz para evaluar la temperatura de la piel, y teniendo en cuenta el efecto vasodilatador que presentan los anestésicos locales inyectados, se ha considerado el uso de la IRT para la evaluación de los BSLs. El objetivo de esta tesis es, estudiar la capacidad de la TIR como una técnica complementaria para la evaluación de la eficacia en la ejecución de los BSLs. Para cumplir este objetivo, se han realizado tres estudios implementando la TIR en pacientes diagnosticados de SDRC de miembros inferiores sometidos a BSLs. El primer estudio se centra en la viabilidad de la TIR como herramienta complementaria para la evaluación de la eficacia ejecución de los BSLs. Cuando se realizan los BSLs, la colocación correcta de la aguja es crítica para llevar realizar el procedimiento técnicamente correcto y, en consecuencia, para lograr los resultados clínicos deseados. Para verificar la posición de la aguja, tradicionalmente se han utilizado técnicas de imagen, sin embargo, los BSLs bajo control fluoroscópico no siempre aseguran su exacta ejecución. Por este motivo, se han aprovechado las alteraciones térmicas inducidas por los anestésicos locales y se han evaluado mediante la TIR. Así, cuando en las imágenes infrarrojas se observaron cambios térmicos en la planta del pie afectado tras la inyección de lidocaína, se consideró que el BSL era exitoso. El segundo estudio trata del análisis cuantitativo de los datos térmicos recogidos en el entorno clínico a partir de diferentes parámetros basados en las temperaturas extraídas de ambos pies. Según los resultados, para predecir adecuadamente los BSLs exitosos, se deberían analizar las temperaturas de las plantas de los pies durante los primeros cuatro minutos tras la inyección del anestésico local. Así, la aplicación de la TIR en el entorno clínico podría ser de gran ayuda para evaluar la eficacia de ejecución de los BSLs mediante la evaluación de las temperaturas de los pies en tiempo real. Por último, el tercer estudio aborda el análisis cuantitativo mediante la implementación de herramientas de machine learning (ML) para evaluar su capacidad de clasificar automáticamente los BSLs. En este estudio se han utilizado una serie de características térmicas extraídas de las imágenes infrarrojas para evaluar cuatro algoritmos de ML para tres momentos diferentes después del instante de referencia (inyección de lidocaína). Los resultados indican que los cuatro modelos evaluados presentan buenos rendimientos para clasificar automáticamente los BSLs entre exitosos y fallidos. Por lo tanto, la combinación de parámetros térmicos junto con de clasificación ML muestra ser eficaz para la clasificación automática de los procedimientos de BSLs. En conclusión, el uso de la TIR como técnica complementaria en la práctica clínica diaria para la evaluación de los BSLs ha demostrado ser totalmente eficaz. Dado que es un método objetivo y relativamente sencillo de implementar, puede permitir que los médicos especialistas en dolor identifiquen los bloqueos realizados fallidos y, en consecuencia, puedan revertir esta situación. / [CA] La síndrome de dolor regional complex (SDRC) és un trastorn de dolor crònic debilitant que sol afectar una extremitat, i es caracteritza per la seua complexa i incompresa fisiopatologia subjacent, la qual cosa suposa un repte per al seu diagnòstic i tractament. Per a evitar la deterioració de la qualitat de vida dels pacients, la consecució d'un diagnòstic i tractament primerencs marca un punt d'inflexió. Entre els diferents tractaments , els bloquejos simpàtics lumbars (BSLs) tenen com a objectiu alleujar el dolor i reduir alguns signes simpàtics de l'afecció. Aquest procediment intervencionista es duu a terme injectant anestèsia local al voltant dels ganglis simpàtics i, fins ara, es realitza freqüentment sota el control de diferents tècniques d'imatge, com els ultrasons o la fluoroscopia. Atés que la termografia infraroja (TIR) ha demostrat ser una eina eficaç per a avaluar la temperatura de la pell, i tenint en compte l'efecte vasodilatador que presenten els anestèsics locals injectats, s'ha considerat l'ús de la TIR per a l'avaluació dels BSLs. L'objectiu d'aquesta tesi és, estudiar la capacitat de la TIR com una tècnica complementària per a l'avaluació de l'eficàcia en l'execució dels BSLs. Per a complir aquest objectiu, s'han realitzat tres estudis implementant la TIR en pacients diagnosticats de SDRC de membres inferiors sotmesos a BSLs. El primer estudi avalua la viabilitat de la TIR com a eina complementària per a l'analisi de l'eficàcia en l'execució dels BSLs. Quan es realitzen els BSLs, la col·locació correcta de l'agulla és crítica per a dur a terme el procediment tècnicament correcte i, en conseqüència, per a aconseguir els resultats clínics desitjats. Per a verificar la posició de l'agulla, tradicionalment s'han utilitzat tècniques d'imatge, no obstant això, els BSLs baix control fluoroscòpic no sempre asseguren la seua exacta execució. Per aquest motiu, s'han aprofitat les alteracions tèrmiques induïdes pels anestèsics locals i s'han avaluat mitjançant la TIR. Així, quan en les imatges infraroges es van observar canvis tèrmics en la planta del peu afectat després de la injecció de lidocaIna, es va considerar que el BSL era exitós. El segon estudi tracta de l'anàlisi quantitativa de les dades tèrmiques recollides en l'entorn clínic a partir de diferents paràmetres basats en les temperatures extretes d'ambdós peus. Segons els resultats, per a predir adequadament l'execució exitosa d'un BSL, s'haurien d'analitzar les temperatures de les plantes dels peus durant els primers quatre minuts després de la injecció de l'anestèsic local. Així, l'implementació de la TIR en l'entorn clínic podria ser de gran ajuda per a avaluar l'eficàcia d'execució dels BSLs mitjançant l'avaluació de les temperatures dels peus en temps real. El tercer estudi aborda l'anàlisi quantitativa mitjançant la implementació d'eines machine learning (ML) per a avaluar la seua capacitat de classificar automàticament els BSLs. En aquest estudi s'han utilitzat una sèrie de característiques tèrmiques extretes de les imatges infraroges per a avaluar quatre algorismes de ML per a tres moments diferents després de l'instant de referència (injecció de lidocaïna). Els resultats indiquen que els quatre models avaluats presenten bons rendiments per a classificar automàticament els BSLs en exitosos i fallits. Per tant, la combinació de paràmetres tèrmics juntament amb models de classificació ML mostra ser eficaç per a la classificació automàtica dels procediments de BSLs. En conclusió, l'ús de la TIR com a tècnica complementària en la pràctica clínica diària per a l'avaluació dels BSLs ha demostrat ser totalment eficaç. Atés que és un mètode objectiu i relativament senzill d'implementar, pot ajudar els metges especialistes en dolor a identificar els bloquejos realitzats fallits i, en conseqüència, puguen revertir aquesta situació. / [EN] Complex regional pain syndrome (CRPS) is a debilitating chronic pain condition that usually affects one limb, and it is characterized by its misunderstood underlying pathophysiology, resulting in both challenging diagnosis and treatment. To avoid the patients' impairment quality of life, the achievement of both an early diagnosis and treatment marks a turning point. Among the different treatment approaches, lumbar sympathetic blocks (LSBs) are addressed to alleviate the pain and reduce some sympathetic signs of the condition. This interventional procedure is performed by injecting local anaesthetic around the sympathetic ganglia and, until now, it has been performed under different imaging techniques, including the ultrasound or the fluoroscopy approaches. Since infrared thermography (IRT) has proven to be a powerful tool to evaluate skin temperatures and taking into account the vasodilatory effects of the local anaesthetics injected in the LSB, the use of IRT has been considered for the LSBs assessment. Therefore, the purpose of this thesis is to evaluate the capability of IRT as a complementary assessment technique for the LSBs procedures performance. To fulfil this aim, three studies have been conducted implementing the IRT in patients diagnosed with lower limbs CRPS undergoing LSBs. The first study focuses on the feasibility of IRT as a complementary assessment tool for LSBs performance, that is, for the confirmation of the proper needle position. When LSBs are performed, the correct needle placement is critical to carry out the procedure technically correct and, consequently, to achieve the desired clinical outcomes. To verify the needle placement position, imaging techniques have traditionally been used, however, LSBs under radioscopic guidance do not always ensure an exact performance. For this reason, the thermal alterations induced by the local anaesthetics, have been exploited and assessed by means of IRT. Thus, the LSB procedure was considered successfully performed when thermal changes within the affected plantar foot were observed in the infrared images after the lidocaine injection. The second study deals with the quantitative analysis of the thermal data collected in the clinical setting through the evaluation of different temperature-based parameters extracted from both feet. According to the results, the proper LSB success prediction could be achieved in the first four minutes after the block through the evaluation of the feet skin temperatures. Therefore, the implementation of IRT in the clinical setting might be of great help in assessing the LSBs performance by evaluating the plantar feet temperatures in real time. Finally, the third study addresses the quantitative analysis by implementing machine learning (ML) tools to assess their capability to automatically classify LSBs. In this study, a set of thermal features retrieved from the infrared images have been used to evaluate four ML algorithms for three different moments after the baseline time (lidocaine injection). The results indicate that all four models evaluated present good performance metrics to automatically classify LSBs into successful and failed. Therefore, combining infrared features with ML classification models shows to be effective for the LSBs procedures automatic classification. In conclusion, the use of IRT as a complementary technique in daily clinical practice for LSBs assessment has been evidenced entirely effective. Since IRT is an objective method and it is not very demanding to perform, it is of great help for pain physicians to identify failed procedures, and consequently, it allow them to reverse this situation. / Cañada Soriano, M. (2022). Infrared Thermography for the Assessment of Lumbar Sympathetic Blocks in Patients with Complex Regional Pain Syndrome [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181699

Tesis por compendio / [ES] El objetivo de la presente tesis es el de desarrollar y utilizar técnicas basadas en la fotónica de baja frecuencia, como la radiofrecuencia, las microondas y los infrarrojos, para monitorizar de forma no destructiva procesos utilizados en la industria agroalimentaria, desde el punto de vista de la termodinámica irreversible. Estudiar los distintos fenómenos que ocurren durante la operación de deshidratación de patata mediante el secado con aire caliente combinado con microondas, utilizando la termografía infrarroja para monitorizar los perfiles de temperatura superficial que presenta la muestra, la espectrofotometría en el rango de las microondas y la termodinámica irreversible para modelizar el proceso. Desarrollar un sistema de monitorización de la congelación de la carne de pollo, que permita obtener datos del proceso a tiempo real y de forma no invasiva mediante la espectrofotometría en el rango de la radiofrecuencia y la termografía infrarroja. A su vez, con esos datos se modelizará el comportamiento del producto a lo largo del proceso de congelación, utilizando los principios de la termodinámica irreversible para estimar los distintos fenómenos que ocurren. Desarrollar una herramienta de predicción de los distintos estados del agua y la sacarosa durante el proceso de caramelizado de manzanas, basada en las propiedades dieléctricas obtenidas mediante la espectrofotometría en el rango de las microondas. Diseñar y desarrollar un sensor basado en las propiedades dieléctricas en el rango de la radiofrecuencia, capaz de monitorizar en tiempo real y de forma no invasiva con el medio las cinéticas de liberación de compuestos encapsulados en matrices de alginato en un medio líquido. Utilizando este nuevo sensor se pueden modelizar y estudiar las cinéticas de liberación y utilizarse para diseñar la encapsulación de compuestos. / [CA] L'objectiu de la present tesi és el de desenvolupar i utilitzar tècniques basades en la fotònica de baixa freqüència, com ara la radiofreqüència, les microones i els infrarojos, per monitoritzar de forma no destructiva processos utilitzats a la indústria agroalimentària, des del punt de vista de la termodinàmica irreversible. Estudiar els diferents fenòmens que ocorren durant l'operació de deshidratació de patata mitjançant l'assecat amb aire calent combinat amb microones, utilitzant la termografia infraroja per monitoritzar els perfils de temperatura superficial que presenta la mostra, l'espectrofotometria al rang de les microones i la termodinàmica irreversible per modelitzar el procés. Desenvolupar un sistema de monitorització de la congelació de la carn de pollastre, que permeti obtenir dades del procés a temps real i de manera no invasiva mitjançant l'espectrofotometria al rang de la radiofreqüència i la termografia infraroja. Alhora, amb aquestes dades es modelitzarà el comportament del producte al llarg del procés de congelació, utilitzant els principis de la termodinàmica irreversible per estimar els diferents fenòmens que ocorren. Desenvolupar una eina de predicció dels diferents estats de l'aigua i la sacarosa durant el procés de caramel·litzat de pomes, basada en les propietats dielèctrics obtingudes mitjançant l'espectrofotometria al rang de les microones. Dissenyar i desenvolupar un sensor basat en les propietats dielèctrics al rang de la radiofreqüència, capaç de monitoritzar en temps real i de forma no invasiva amb el medi les cinètiques d'alliberament de compostos encapsulats en matrius d'alginat en un medi líquid. Utilitzant aquest sensor nou es poden modelitzar i estudiar les cinètiques d'alliberament i utilitzar-se per dissenyar l'encapsulació de compostos. / [EN] The objective of this thesis is to develop and use techniques based on low-frequency photonics, such as radiofrequency, microwaves and infrared, to non-destructively monitor processes used in the agri-food industry, from the point of view of irreversible thermodynamics. To study the different phenomena that occur during the potato dehydration operation by drying with hot air combined with microwaves, using infrared thermography to monitor the surface temperature profiles of the sample, spectrophotometry in the microwave range and thermodynamics. irreversible to model the process. Develop a monitoring system for the freezing of chicken meat, which allows data to be obtained from the process in real time and non-invasively through spectrophotometry in the radiofrequency range and infrared thermography. In turn, with these data, the behavior of the product will be modeled throughout the freezing process, using the principles of irreversible thermodynamics to estimate the different phenomena that occur. To develop a prediction tool for the different states of water and sucrose during the candying process of apples, based on the dielectric properties obtained by spectrophotometry in the microwave range. Design and develop a sensor based on dielectric properties in the radiofrequency range, capable of monitoring in real time and non-invasively with the medium the release kinetics of compounds encapsulated in alginate matrices in a liquid medium. Using this new sensor, release kinetics can be modeled and studied and used to design the encapsulation of compounds. / The authors acknowledge the financial support from THE SPANISH MINISTERIO DE ECONOMÍA, INDUSTRIA Y COMPETITIVIDAD, Programa Estatal de I+D+i orientada a los Retos de la Sociedad AGL2016- 80643-R, Agencia Estatal de Investigación (AEI) and Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER). Juan Ángel Tomás-Egea wants to thank the FPI Predoctoral Program of the Universitat Politècnica de València for its support. This paper is part of the I+D+i PID2020-116816RB-I00 project, funded by MCIN/ AEI/10.13039/501100011033. / Tomás Egea, JÁ. (2022). Fotónica aplicada a la monitorización de procesos y al desarrollo de sensores en la industria agroalimentaria [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182292 / Compendio

No description available.

La thermographie infrarouge est une méthode largement employée pour la caractérisation des propriétés thermophysiques des matériaux. L’avènement des diodes laser pratiques, peu onéreuses et aux multiples caractéristiques, étendent les possibilités métrologiques des caméras infrarouges et mettent à disposition un ensemble de nouveaux outils puissants pour la caractérisation thermique et le contrôle non desturctif. Cependant, un lot de nouvelles difficultés doit être surmonté, comme le traitement d’une grande quantité de données bruitées et la faible sensibilité de ces données aux paramètres recherchés. Cela oblige de revisiter les méthodes de traitement du signal existantes, d’adopter de nouveaux outils mathématiques sophistiqués pour la compression de données et le traitement d’informations pertinentes. Les nouvelles stratégies consistent à utiliser des transformations orthogonales du signal comme outils de compression préalable de données, de réduction et maîtrise du bruit de mesure. L’analyse de sensibilité, basée sur l’étude locale des corrélations entre les dérivées partielles du signal expérimental, complète ces nouvelles approches. L'analogie avec la théorie dans l'espace de Fourier a permis d'apporter de nouveaux éléments de réponse pour mieux cerner la «physique» des approches modales.La réponse au point source impulsionnel a été revisitée de manière numérique et expérimentale. En utilisant la séparabilité des champs de température nous avons proposé une nouvelle méthode d'inversion basée sur une double décomposition en valeurs singulières du signal expérimental. Cette méthode par rapport aux précédentes, permet de tenir compte de la diffusion bi ou tridimensionnelle et offre ainsi une meilleure exploitation du contenu spatial des images infrarouges. Des exemples numériques et expérimentaux nous ont permis de valider dans une première approche cette nouvelle méthode d'estimation pour la caractérisation de diffusivités thermiques longitudinales. Des applications dans le domaine du contrôle non destructif des matériaux sont également proposées. Une ancienne problématique qui consiste à retrouver les champs de température initiaux à partir de données bruitées a été abordée sous un nouveau jour. La nécessité de connaitre les diffusivités thermiques du matériau orthotrope et la prise en compte des transferts souvent tridimensionnels sont complexes à gérer. L'application de la double décomposition en valeurs singulières a permis d'obtenir des résultats intéressants compte tenu de la simplicité de la méthode. En effet, les méthodes modales sont basées sur des approches statistiques de traitement d'une grande quantité de données, censément plus robustes quant au bruit de mesure, comme cela a pu être observé. / Infrared thermography is a widely used method for characterization of thermophysical properties of materials. The advent of the laser diodes, which are handy, inexpensive, with a broad spectrum of characteristics, extend metrological possibilities of infrared cameras and provide a combination of new powerful tools for thermal characterization and non destructive evaluation. However, this new dynamic has also brought numerous difficulties that must be overcome, such as high volume noisy data processing and low sensitivity to estimated parameters of such data. This requires revisiting the existing methods of signal processing, adopting new sophisticated mathematical tools for data compression and processing of relevant information.New strategies consist in using orthogonal transforms of the signal as a prior data compression tools, which allow noise reduction and control over it. Correlation analysis, based on the local cerrelation study between partial derivatives of the experimental signal, completes these new strategies. A theoretical analogy in Fourier space has been performed in order to better understand the «physical» meaning of modal approaches.The response to the instantaneous point source of heat, has been revisited both numerically and experimentally. By using separable temperature fields, a new inversion technique based on a double singular value decomposition of experimental signal has been introduced. In comparison with previous methods, it takes into account two or three-dimensional heat diffusion and therefore offers a better exploitation of the spatial content of infrared images. Numerical and experimental examples have allowed us to validate in the first approach our new estimation method of longitudinal thermal diffusivities. Non destructive testing applications based on the new technique have also been introduced.An old issue, which consists in determining the initial temperature field from noisy data, has been approached in a new light. The necessity to know the thermal diffusivities of an orthotropic medium and the need to take into account often three-dimensional heat transfer, are complicated issues. The implementation of the double singular value decomposition allowed us to achieve interesting results according to its ease of use. Indeed, modal approaches are statistical methods based on high volume data processing, supposedly robust as to the measurement noise.