Introduction : Les travaux réalisés par Bascans ont permis de mieux comprendre la fonction des patients atteints d’une rupture de la coiffe des rotateurs au moment du diagnostic à l’aide de paramètres morphologiques osseux et musculaires intégrés dans un modèle de régression linéaire. Les paramètres osseux étudiés provenaient d’une méthode de reconstruction 3D de l’épaule à partir d’images EOS. Jusqu’à présent, aucune étude ne s’est intéressée à prédire l’évolution dans le temps des patients atteints d’une rupture de la coiffe des rotateurs à l’aide de ces paramètres ni à valider l’imagerie EOS pour l’évaluation de l’épaule. Objectif : Nous souhaitons prédire l’évolution de la fonction de l’épaule des patients atteints d’une rupture de la coiffe des rotateurs à partir de paramètres musculaires et de la morphologie osseuse. Ensuite, nous souhaitons comparer l’imagerie EOS à la radiographie standard de l’épaule pour l’évaluation des patients à la clinique externe d’orthopédie. Méthode : Dans un premier temps, 50 personnes ayant participé à une étude portant sur la fonction de l’épaule en 2009 furent réévaluées. Leur fonction mesurée fut corrélée à leur fonction prédite par le modèle de régression linéaire créé par Bascans. De nouveaux modèles ont ensuite été créés afin de mieux comprendre l’évolution de la douleur, de la force et de la fonction de leur épaule telle que mesurées par le score de Constant et le QuickDash. Dans un deuxième temps, 47 patients nécessitant une radiographie standard de l’épaule dans le cadre de leur consultation à la clinique externe d’orthopédie ont été recrutés. En plus de la radiographie standard, ils ont passé un examen radiographique EOS antéro-postérieur de leur épaule. Un comité d’expert formé de deux orthopédistes et d’une radiologiste a créé un questionnaire d’évaluation des images grâce à la méthode Delphi. Ces trois spécialistes ont ensuite analysé chaque image présentée dans un ordre aléatoire. Résultats : La majorité des participants atteints d’une rupture de la coiffe des rotateurs ont été opérés pendant le suivi. Nous ne pouvons donc pas prédire l’évolution naturelle de ces patients. Nous avons cependant produit des modèles de régression linéaire qui améliorent considérablement notre compréhension des paramètres ayant un impact sur la fonction initiale. Notamment, nos modèles expliquent 66,8% de la variabilité du score de Constant et 71,8% de celle du QuickDash pour les femmes. L’imagerie EOS antéro-postérieure de l’épaule permet d’obtenir des mesures de la distance sousacromiale et de l’espace acromio-claviculaire similaires à la radiographie standard, avec une différence moyenne de 1,4 mm entre les modes d’imagerie, ce qui n’est pas cliniquement significatif. L’imagerie EOS produit des images de qualité légèrement inférieure et pouvant présenter légèrement plus d’artéfacts de mouvement que la radiographie standard. Ces différences sont cependant mineures et ne semblent pas avoir d’impact sur la capacité des spécialistes à émettre avec confiance un diagnostic. Conclusions : Cette étude a permis de mieux comprendre les paramètres morphologiques ayant un impact sur la fonction de l’épaule des patients. Elle a également révélé que les paramètres corrélant avec le niveau fonctionnel ne sont pas les mêmes en fonction du sexe. Nous avons démontré que les images EOS sont légèrement inférieures à la radiographie standard, mais demeurent un mode d’imagerie adéquat et valide. L’imagerie EOS pourrait donc être utilisée en clinique externe d’orthopédie, ce qui diminuerait l’exposition aux radiations des patients et qui permettrait d’intégrer plus facilement en clinique les connaissances développées à partir de la reconstruction 3D de l’épaule. / Introduction : Bascans improved our understanding of shoulder function at diagnosis of rotator cuff tear using morphological bony and muscular paramaters in a linear regression model. The bony parameters were measured using a 3D reconstruction of the shoulder generated from EOS images. Up to now, no study tried to predict shoulder function of patients suffering from rotator cuff tear using these parameters. The EOS imaging system has not been compared to the standard X-rays for the evaluation of shoulders yet. Objectives : We aim to predict the evolution of shoulder function for patients with a rotator cuff tear using the same morphological parameters as Basacans. Our second objective is to compare the EOS imaging system to standard X-Rays for shoulder evaluation at the orthopedic outpatient clinic. Method : Fifty participants from a 2009 study on shoulder function were re-evaluated. Their measured shoulder function was correlated to their predicted shoulder function using a linear regression model. Moreover, new models were created to improve our understanding of pain, strength, and shoulder function as measured in the Constant Score and the QuickDash. Forty-seven other patients who needed to undergo shoulder X-Rays at the orthopeadic outpatient clinic were recruited. Besides their shoulder X-Rays, they underwent an anterioposterior EOS shoulder radiograph. An expert committee of two orthopedists and one radiologist created a shoulder radiographs’ evaluation survey using the Delphi methodology. The committee then evaluated each image in a random order. Results : The majority of participants who suffered from a rotator cuff tear have had a surgery since the first study. Therefore, we were not able to predict the natural evolution of these patients. However, we were able to produce linear regression models that considerably improve our understanding of the parameters that have an impact on shoulder function at diagnosis. Our regression models explain 66.8% of the variability of the Constant score and 71.8% of the variability of the QuickDash for female participants. The measure of the subacromial distance and the acromioclavicular space was similar in anteroposterior shoulder images from the EOS system and the standard X-rays, with a mean difference of 1.4 mm between the two imaging techniques, which is not clinically significant. EOS images are of slightly inferior quality than the standard X-rays. This difference remains minor and does not seem to have an impact on the specialists’ ability to make a confident diagnosis from these images. Conclusions : This study improves our understanding of the morphological parameters that have an impact on shoulder function. Moreover, it revealed that the parameters that have an impact on shoulder function are not the same depending on the patients’ sex. We demonstrated that shoulder EOS images are slightly inferior to standard X-Rays, but that they still produce images of a sufficient quality for diagnosis. Therefore, the EOS images could be used at the orthopedic outpatient clinic, which would reduce patients’ exposure to radiation and would facilitate the integration in the clinical setting of the research based on shoulder 3D reconstruction.

Le grasset est l’une des articulations les plus complexes chez le cheval et est le siège d’une part importante des boiteries affectant le membre pelvien. Plus précisément, la majorité des chevaux présentant des signes de douleur localisée au grasset présenteraient une boiterie localisée dans l’articulation fémoro-tibiale médiale. Cette articulation peut être affectée par de nombreuses lésions comme de l’ostéoarthrose chez les chevaux âgés ou des lésions sous-chondrales d’apparence kystique, fréquemment diagnostiquées sur le condyle fémoral médial du grasset des jeunes chevaux sportifs mais également des poulains de manière précoce. En médecine humaine, des recherches se sont intéressées à l’évolution morphologique du genou avec l’âge et à sa maturation, mais également aux corrélations pouvant exister entre les caractéristiques morphologiques et la prévalence de pathologies telles que les ruptures de ligament croisé, l’ostéoarthrose ou l’ostéochondrite disséquante. Il a ainsi été montré que des corrélations existent entre l’étroitesse de l’espace intercondylaire fémoral et la prévalence de lésions d’ostéochondrite disséquante ou de rupture de ligament croisé antérieur. L’origine des lésions sous chondrales d’apparence kystique du condyle fémoral médial demeure, à ce jour, mal expliquée, notamment lorsque celles-ci surviennent très précocement, chez les très jeunes individus. L’évolution de la forme des os de l’articulation fémoro-tibiale avec l’âge et son impact biomécanique sur le développement de ces lésions doivent être évalués. Les objectifs de cette étude ont été de mesurer les paramètres morphologiques radiographiques du fémur distal et du tibia proximal de chevaux Thoroughbred en croissance, d’évaluer les variations de forme de l’espace intercondylaire du fémur avec l’âge, de confronter les paramètres morphologiques des individus sains avec ceux atteints de lésions sous-chondrales d’apparence kystique du condyle fémoral médial et de mesurer ces paramètres morphologiques prospectivement chez des jeunes poulains. Dans notre étude, des radiographies caudo-crâniales de grasset de jeunes Thoroughbreds (ie 3-20 mois), avec (n=53) et sans (n=183) lésions sous chondrales d’apparence kystique, provenant d'une banque de radiographies, ont été analysées; la forme de l’espace intercondylaire fémoral a été évaluée qualitativement sur des radiographies post-mortem de Thoroughbreds (n=53, âge 1-9 mois) provenant d'une étude antérieure ; finalement, des radiographies caudo-crâniales (n=94) ont été réalisées prospectivement sur des poulains Thoroughbreds âgés de 1 mois et analysées. Treize paramètres morphologiques portant sur l’aspect distal du fémur distal et l’aspect proximal du tibia ont été mesurés sur les radiographies réalisées in vivo, dont certains au niveau de la ligne articulaire fémorale (al) et de la fosse poplitée (pf). Chez les poulains sans lésion, la largeur et la hauteur des condyles fémoraux ont augmenté avec la maturation (p<0,0001), tandis que la largeur de l’espace intercondylaire a diminué (p<0,0001) au niveau articulaire. L'analyse qualitative de la forme a également révélé que l’espace intercondylaire rétrécissait distalement avec l'âge pour prendre une forme de Ω. Pour les poulains avec lésions la largeur des condyles fémoraux et la hauteur du condyle fémoral latéral ont aussi augmenté avec la maturation (p<0,003), mais aucun changement significatif n'a été observé pour la largeur du condyle fémoral médial au niveau de la fosse poplitée (pf), ou pour la hauteur ou la largeur de l’espace intercondylaire (al) avec la maturation. Dans les deux groupes, la largeur du plateau tibial a augmenté avec la maturation (p<0,0001), sans qu’aucun des autres paramètres tibiaux n’évolue. La largeur bicondylaire et la largeur de l’espace intercondylaire étaient plus grandes pour le membre gauche chez les poulains sains à tous les âges (p<0,01). Chez les poulains de 1 mois, le condyle fémoral médial était plus large à gauche (p<0,05). Cependant, la largeur du condyle fémoral médial à hauteur de l’articulation était plus grande du côté droit chez les poulains avec lésions, étant significatif chez les femelles âgées de 7 mois ou plus (p=0,004). Ces résultats suggèrent une relation possible entre la morphologie du condyle fémoral médial et le développement de lésions sous chondrales d’apparence kystique, peut-être en créant des cinématiques/contraintes anormales au niveau du condyle fémoral médial en sa région axiale. Ces résultats justifient des études plus approfondies, par exemple au moyen de modalités d’imagerie tel que CT ou IRM en 3 dimensions qui permettraient de préciser et de multiplier les mesures. / The stifle is one of the most complex equine joints and is the site of a significant portion of hindlimb lameness. Many horses with stifle lameness have pain localized in the medial femorotibial joint compartment. The medial femoral condyle is the site most commonly affected by subchondral bone cysts in the stifle in young sport horses and the medial femorotibial joint compartment with osteoarthritis in older horses. Investigations of maturation and morphological evolution of the shape of the human knee with age and correlation with pathology has revealed shape associations with cruciate ligament rupture, osteoarthritis or osteochondritis dissecans. Specifically, the narrowness of the femoral intercondylar notch is associated with the occurrence of osteochondritis dissecans or anterior cruciate ligament rupture. It is now known that medial femoral condyle subchondral cyst-like lesions occur in foals as young as 2 months of age and their exact cause remains unknown. The modelling of the shape of the bones of the femorotibial joint during postpartum maturation may have biomechanical impact and affect development of these lesions. Our objective was to measure shape changes during the first 20 months of age in the distal femur and proximal tibia of Thoroughbred foals and determine if there was an association or difference in those with medial femoral condyle cysts. Caudocranial stifle radiographs retrieved from a radiographic bank of young Thoroughbreds (3-20 months), with (n=53) and without (n=183) subchondral cyst-like lesions were analyzed. In addition, caudocranial radiographs (n=94) were also taken prospectively in 1-month old Thoroughbred foals. Thirteen morphological parameters of the distal femur and proximal tibia were measured on these radiographs, including at the femoral articular line (al) and popliteal fossa (pf). The shape of the femoral intercondylar notch was also qualitatively assessed on post-mortem radiographs of Thoroughbred foals (n=53, age 1-9 months), acquired for a prior study. In foals without medial femoral condyle subchondral cyst-like lesions, femoral condyle width and height increased with maturation (p<0.0001), whereas the width of the intercondylar notch decreased (p<0.0001) at the articular level. The qualitative shape analysis also revealed that the intercondylar notch narrowed with age to an Ω shape. In foals with medial femoral condyle subchondral-cyst lesions, femoral condyle width and lateral femoral condyle height increased with maturation (p<0.003) but no significant changes were observed for the width of the medial femoral condyle at the popliteal fossa, its height, or the intercondylar notch width at the articular line level with maturation. In both groups, the tibial plateau width increased with maturation (p<0.0001), in contrast to other tibial parameters. The bicondylar width and intercondylar notch width were larger for the left limb of healthy foals in all ages (p<0.01). In one-month-old foals, the medial femoral condyle was larger on the left (p<0.05). However, the medial femoral condyle at the articular line was larger on the right side in foals with lesions, more specifically, in females older ≥ 7 months (p=0.004). These results suggest a possible relationship between the morphology of the medial femoral condyle and the development of lesions, possibly by creating abnormal kinematics/stresses in the axial region of the medial femoral condyle. Three-dimensional imaging modalities may allow for more precise and extensive measurements of the condyles with for instance evaluation of the curvature or of the thickness.

Die experimentellen Daten können bei Dr. Sebastian Risse, Helmholtz-Zentrum Berlin, eingesehen werden. / Silizium-Elektroden werden aufgrund ihrer um eine Gröÿenordnung höheren Kapazität als mögliches Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien betrachtet. Diese Kapazität geht jedoch mit einer Volumenausdehnung von bis zu 310 % einher. Dies begünstigt einen schnellen Kapazitätsabfall und ein kontinuierliches Wachstum der SEI-Schicht. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Morphologie-Änderung der Siliziumelektrode während des Lithiierungs-Prozesses besser zu verstehen unter Nutzung von operando-Methoden Im ersten Teil wurde Neutronenreflektometrie (NR) genutzt, um die Morphologie-Änderung auf der Nanometerskala einer Siliziumelektrode zu untersuchen. Das Wachsen/Schrumpfen der lithiierten Zone im Silizium wurde beobachtet. Auf der Oberfläche der Elektrode wächst im delithiierten Zustand eine Grenzschicht, welche die Lithiierung verhindert. Nachdem diese Schicht aufgelöst ist, kann Lithium eingelagert werden. Im zweiten Teil wurde operando Röntgen- Phasenkontrast-Radiographie genutzt. Ein rechteckiges Riss-Gitter wurde dabei im delithiierten Zustand beobachtet, welches sich während der Lithiierung schließt. Dieses Gitter ist entlang der Kristallachsen des Siliziums orientiert. Im nächsten Zyklus entsteht das Gitter am selben Ort wieder, und breitet sich mit steigender Zyklenzahl über die Elektrode aus. Im dritten Teil wurde der Einfluss einer künstlichen Grenzschicht auf die Lithiierung untersucht. Erneut wurde NR genutzt. Die künstliche Schicht verringert das Wachstum der SEI-Schicht, unterdrückt es jedoch nicht komplett. Nach 2 Zyklen ist die Grenzschicht degradiert, und Seitenreaktionen können beobachtet werden. / Silicon electrodes receive great interest as potential electrode material in lithium-based batteries due to their one order of magnitude higher capacity. This is accompanied by a volume expansion of up to 310 %, leading to an accelerated capacity loss of the electrodes. The volume expansion creates mechanical stress, leading to fracturization of the electrode and the continuous growth of the solid-electrolyte-interphase (SEI) layer under the consumption of active material. The aim of this thesis is to investigate the morphological changes of silicon electrodes during lithiation/ delithiation. Especially operando-techniques are well-suited to investigate these morphological changes since they allow us to precisely link structural data and the electrochemical state. The first project uses operando neutron reflectometry (NR) and in-situ electrochemical impedance spectroscopy (EIS) to analyze the morphology change of the silicon surface on the nanometer-scale. The growth and shrinkage of the lithiated layers within the electrode as well as the lithium concentration was determined with this method. An SEI-layer forms on top of the silicon electrode in the delithiated state, which hinders the lithium uptake in the initial part of the subsequent lithiation. The second project analyzes the morphology-change of the electrode on the µm-scale. Here the fracturization of the silicon electrode is investigated by operando X-ray phase-contrast radiography. A rectangular fracturization pattern was observed during the second half of the delithiation, which vanished again during the lithiation. The third project investigates the influence of an artificial coating layer on the lithiation process. Again operando NR was chosen as analysis tool. The artificial coating decreased the formation of the SEI-layer within the first cycles, but did not suppress it completely. However, this layer degraded already in an early stage of cycling, resulting in the occurrence of side reactions afterward.

Ziel: Eine Optimierung medizinischer Bilddatenkompression. Evaluation des Einflusses unterschiedlicher Filter auf die Bildqualität waveletkomprimierter Röntgenbilder. Material und Methode: Im Rahmen von Vorstudien Optimierung der digitalen Bildbefundung anhand von ROC-Analysen. Auswahl geeigneter Kompressionsverfahren durch methodischen und ROC-gestützten Vergleich von Wavelet- mit fraktaler und JPEG-Kompression. Im Rahmen der Hauptstudie ROC-basierter und statistischer Vergleich von 4 unterschiedlichen Waveletfiltern verschiedener Komplexität mittels Prüfkörper für niedrigfrequente, gemischt-frequente und hochfrequente Bildinformation im schwellenwertnahen Bereich. Ergebnisse: Durch Einsatz unterschiedlicher Filter insbesondere im Niedrigfrequenzbereich entstehen signifikante Unterschiede des Rekonstruktionsergebnisses der Röntgenbilder. Trotz eines partiell uneinheitlichen Ergebnisses der visuellen Analyse fanden sich Vorteile für komplexere Filter. Für Details im hochfrequenten Bereich finden sich kaum signifikante Unterschiede. Schlußfolgerungen: Die durch die ROC-Analyse erhobenen Ergebnisse korrelierten in keiner Weise mit den gleichzeitig mathematisch erhobenen PSNR-Werten. Ursache hierfür ist, daß die Reduktion des Bildrauschens durch die Waveletkompression in der PSNR als negative Einflußgröße abgebildet wird. Bei medizinischen Röntgenbildern führt jedoch die Minimierung des Bildrauschens zu einer erhöhten Erkennbarkeit von Details insbesondere im schwellenwertnahen Bereich. Entsprechend verbesserten sich die Ergebnisse der schwellenwertnah durchgeführten ROC-Analyse ungleichsinnig zu den PSNR-Werten. Eine detaillierte Beschreibung des Einflusses der Komplexität von Waveletfiltern auf die Rekonstruktionsqualität medizinsicher Bilder findet sich im Diskussionsteil der Studie. / Aim: Optimisation of medical image compression. Evaluation of wavelet-filters for wavelet-compression. Materials and methods: Optimisation of image review applying ROC analysis. Analysis of medical image compression methods comparing wavelet-compression, fractal compression and JPEG by ROC analysis. Evaluation of 4 different wavelet-filters with different complexity applying phantoms for low frequency, high and mixed frequency information. Results: Application of filters with different complexity results in significant variations in the quality of image reconstruction after compression specifically in low frequency informatiin. Filters of high complexity proved to be advantagous despite of heterogenous results during visual analysis. For high frequency details, complexity of filters did not prove to be of significant impact on image quality after reconstruction. Conclusions: Results of ROC analysis did not correspond with PSNR values. Reduction of image noise in reconstructed images by wavelet-filtering is expressed negatively in PSNR values. In medical images, reduction of image noise enhances detection specifically of low contrast details. A detailed discussion of the influence of filter complexity on the reconstruction quality of medical images can be found in the discussion section of the study.

Pre-publication drafts are reproduced with permission and copyright © 2013 of the Journal of Orthopaedic Trauma [Mutch J, Rouleau DM, Laflamme GY, Hagemeister N. Accurate Measurement of Greater Tuberosity Displacement without Computed Tomography: Validation of a method on Plain Radiography to guide Surgical Treatment. J Orthop Trauma. 2013 Nov 21: Epub ahead of print.] and copyright © 2014 of the British Editorial Society of Bone and Joint Surgery [Mutch JAJ, Laflamme GY, Hagemeister N, Cikes A, Rouleau DM. A new morphologic classification for greater tuberosity fractures of the proximal humerus: validation and clinical Implications. Bone Joint J 2014;96-B:In press.] / Les fractures isolées de la Grosse Tubérosité (GT) de l’humerus proximal sont rares et peu étudiées. Trois problèmes importants existent: 1: Même si 5mm + de déplacement supérieur du GT est cité comme indication chirurgicale, les mesures basées sur radiographie peuvent errer de plus que 10mm. 2: Les classifications de Neer et l’AO décrivent seulement un type de fracture de GT (gros fragment, ligne de fracture verticale). Deux autres types de fracture existent: type fracture-avulsion avec petit fragment osseux et type Hill-Sachs très latéral. 3: On manque d’études de pronostic ou de traitement des fractures de GT selon la morphologie. Article 1 montre et évalue une méthode simple de mesurer le déplacement supérieur de la GT (le GT ratio) sur les radiographies standard; ceci corrèle très bien avec tomographie (CT). Article 2 introduit une méthode de classification Morphologique des fractures de GT (Avulsion, Split, Dépression) qui a une fiabilité de bonne à excellente. Les données échographiques, radiologiques, et cliniques de 54 patients porteurs de fracture de GT (suivie moyenne 2.5 années) sont aussi incluses. Les patients <50 ans ont eu plus de déchirures de la coiffe et ceux avec fractures déplacées (≥ 5mm) avaient plus d’atrophie du susépineux. Les déchirures complètes de la coiffe et l’atrophie du susépineux augmentaient l’atteinte permanente. La morphologie des fractures de GT n’a pas eu un impact significatif sur le pronostic. Cependant, l’âge, le sexe, et le taux de luxation glénohumérale étaient différents selon le type de fracture et ceci pourrait refléter la pathophysiologie. Une évaluation plus précise de l’impact de la Morphologie des fractures de GT sur le pronostic et traitement nécessitera une étude prospective multicentrique. / Isolated fractures of the Greater Tuberosity (GT) of the proximal humerus are rare and a challenge to study. Three main problems arise: 1: Though 5mm+ superior GT displacement is often a surgical indication, measurement errors on radiographs may surpass 10mm. 2: The Neer and AO classifications describe only one type of GT fracture (large fragment, vertical fracture line). Two other fracture types have been described: an avulsion-type (small fragment), and a very lateral Hill-Sachs-type. 3: There are no studies on the treatment or prognosis of GT fractures according to fracture morphology. Article 1 introduces and tests a simple method to measure superior GT displacement (the GT ratio) using standard radiographs; this correlates very well with computed tomography (CT). Article 2 presents the Morphologic classification for GT fractures. It describes three fracture types (Avulsion, Split, Depression) and has good to excellent reliability. The ultrasonographic, radiologic, and clinical results of 54 patients (average follow-up 2.5 years) with isolated GT fractures are then described. Patients <50 years had higher rates of rotator cuff tears and displaced (≥ 5mm) GT fractures were associated with supraspinatus atrophy. Both full rotator cuff tears and supraspinatus atrophy resulted in poor outcomes. The impact of fracture morphology on prognosis was not significant. However, age, sex, and associated glenohumeral dislocation differed by fracture type and this may reflect their pathophysiology. A more thorough evaluation of the prognosis and treatment of GT fractures by morphologic type would require a prospective multicenter study.

Nous avons étudié in situ et en temps réel la structure de grains du silicium multi-cristallin issue de la solidification dirigée en utilisant l’imagerie X synchrotron. La radiographie X permet de suivre l’évolution de l’interface solide/liquide et de caractériser sa dynamique et sa morphologie. La topographie X nous donne des informations sur la structure de grains formée, les contraintes et les défauts issus de la solidification. Nous avons montré l’importance la préparation de l’état initial de la solidification en particulier pour les expériences de reprise sur germe. L’analyse de la morphologie de l’interface solide/liquide nous a permis de caractériser la surfusion cinétique du front de solidification, de comprendre l’évolution des sillons de joints de grains et d’analyser les mécanismes de compétition de grains ainsi que de révéler l’impact des impuretés sur la structure de grains formée à l’issue de la solidification. Le phénomène de maclage a aussi été observé dans nos expériences et nous avons démontré que les macles dans le silicium multi-cristallin peuvent être des macles de croissance. Deux types de macles ont été identifiés et le phénomène de compétition de grains en présence de macles étudié. / We studied in situ and real-time the grain structure of multi-crystalline silicon from directional solidification using synchrotron X-ray imaging techniques. X-ray Radiography gives information on the evolution, dynamics and morphology of the solid/liquid interface. X- ray Topography gives more information on the grain structure, strains and defects that occur during solidification step. We showed the importance of the preparation of the initial stage of solidification in particular in the experiments where solidification is initiated from seed. The analysis of the solid/liquid interface morphology allowed us to characterize the kinetic undercooling of the solidification front, to understand the evolution of the grains boundary grooves and to analyze the mechanisms of grain competition and also to reveal the impurities impact on the grain structure formed at the end of the solidification. We also observed twinning phenomenon in our experiments and we demonstrated that twins in multi-crystalline silicon can be growth twins. Two kinds of silicon twins have been identified and the grain competition phenomenon with twins studied.

La radiographie X, synchrotron et avec une source de laboratoire, a été appliquée pour étudier des phénomènes en relation avec la solidification directionnelle d’alliages Al-Cu sous champs externes et dépendants du temps. La formation des microstructures de solidification a été analysée durant des campagnes des vols paraboliques dans le cadre du projet XRMON. Nous avons montré que les variations du niveau de gravité modifiait la couche solutale, et donc la surfusion du liquide devant l’interface solide/liquide. En particulier, l’accélération du niveau de gravité induit une transition Colonnaire-Equiaxe pour un alliage affiné. Pour un alliage non-affiné, la vitesse de croissance des dendrites varie suivant les variations du niveau de gravité durant chaque parabole. Le second volet de ma thèse concerne l'effet d'un champ magnétique permanent sur la solidification équiaxe dans un gradient de température. Nous avons établi que le couplage entre le champ magnétique et le gradient de température génère une force Thermo-Electro-Magnétique qui modifie la trajectoire des grains équiaxes au cours de leur sédimentation. L’action de cette force est bien décrite par le modèle analytique de Wang et al., moyennant des corrections associées au confinement et à la morphologie des grains. Certains effets du champ magnétique sur le liquide ont été également révélés. / X-ray radiography with synchrotron and laboratory source was applied to study phenomena related to the directional solidification of Al-Cu alloys under external fields and time-dependent. The solidification microstructures formation has been analyzed during parabolic flight campaigns in the framework of XRMON project. We have shown that the gravity level variations modified the solutal layer and then the liquid undercooling ahead of the solid/liquid interface. In particular, the acceleration of gravity level induces the Columnar-to-Equiaxed transition in a refined alloy. For a non-refined alloy, the dendrite growth velocity changes with respect to the gravity level variations during each parabola. The second part of this thesis relates to the effect of a permanent magnetic field on the equiaxed solidification in a temperature gradient. The coupling between the magnetic field and the temperature gradient generates a Thermo-Electro-Magnetic force that modifies the equiaxed grains trajectory during their sedimentation. The action of this force is well described by an analytical model proposed by Wang et al. with additional corrections associated to the wall confinement and the grain morphology. Effects of the magnetic field on the liquid have been also revealed.

Depuis plus d’un siècle, la radiographie sur film est utilisée pour le contrôle non destructif (CND) de pièces industrielles. Avec l’introduction de méthodes numériques dans le domaine médical, la communauté du CND industriel a commencé à considérer également les techniques numériques alternatives au film. La radiographie numérique (en anglais Computed radiography -CR) utilisant les écrans photostimulables (en anglais imaging plate -IP) est une voie intéressante à la fois du point de vue coût et facilité d’implémentation. Le détecteur (IP) utilisé se rapproche du film car il est flexible et réutilisable. L’exposition de l’IP aux rayons X génère une image latente qui est ensuite lue et numérisée grâce à un système de balayage optique par laser. A basse énergie, les performances du système CR sont bonnes ce qui explique son utilisation importante dans le domaine médical. A haute énergie par contre, les performances du système CR se dégradent à la fois à cause de la mauvaise absorption de l’IP mais également de la présence de rayonnement diffusé par la pièce qui, étant d’énergie plus faible, est préférentiellement absorbée par l’IP. Les normes internationales préconisent l’utilisation d’écrans métalliques pour améliorer la réponse des systèmes CR à haute énergie. Néanmoins, la nature et l’épaisseur de ces écrans n’est pas clairement définie et la gamme des configurations possibles est large. La simulation est un outil utile pour prévoir les performances d’une expérience et déterminer les meilleures conditions opératoires. Les méthodes Monte Carlo sont communément admises comme étant les plus précises pour simuler les phénomènes de transport de rayonnement, et ainsi comprendre les phénomènes physiques en jeu. Cependant, le caractère probabiliste de ces méthodes implique des temps de calcul importants, voire prohibitifs pour des géométries complexes. Les méthodes déterministes au contraire, peuvent prendre en compte des géométries complexes avec des temps de calcul raisonnables, mais l’estimation du rayonnement diffusé est plus difficile. Dans ce travail de thèse, nous avons tout d’abord mené une étude de simulation Monte Carlo afin de comprendre le fonctionnement des IP avec écrans métalliques à haute énergie pour le contrôle de pièces de forte épaisseur. Nous avons notamment suivi le trajet des photons X mais également des électrons. Quelques comparaisons expérimentales ont pu être menées à l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility). Puis nous avons proposé une approche de simulation hybride, qui combine l'utilisation de codes déterministe et Monte Carlo pour simuler l'imagerie d'objets de forme complexe. Cette approche prend en compte la dégradation introduite par la diffusion des rayons X et la fluorescence dans l'IP ainsi que la diffusion des photons optiques dans l'IP. Les résultats de différentes configurations de simulation ont été comparés. / For over a century, film-based radiography has been used as a nondestructive testing technique for industrial inspections. With the advent of digital techniques in the medical domain, the NDT community is also considering alternative digital techniques. Computed Radiography (CR) is a cost-efficient and easy-to-implement replacement technique because it uses equipment very similar to film radiography. This technology uses flexible and reusable imaging plates (IP) as a detector to generate a latent image during x-ray exposure. With an optical scanning system, the latent image can be readout and digitized resulting in a direct digital image. CR is widely used in the medical field since it provides good performance at low energies. For industrial inspection, CR application is limited by its poor response to high energy radiation and the presence of scattering phenomena. To completely replace film radiography by such a system, its performance still needs to be improved by either finding more appropriate IPs or by optimizing operating conditions. Guidelines have been addressed in international standards to ensure a good image quality supplied by CR system, where metallic screens are recommended for the case of using high energy sources. However, the type and thickness of such a screen are not clearly defined and a large panel of possible configurations does exist. Simulation is a very useful tool to predict experimental outcomes and determine the optimal operating conditions. The Monte Carlo (MC) methods are widely accepted as the most accurate method to simulate radiation transport problems. It can give insight about physical phenomena, but due to its random nature, a large amount of computational time is required, especially for simulations involving complex geometries. Deterministic methods, on the other hand, can handle easily complex geometry, and are quite efficient. However, the estimation of scattering effects is more difficult with deterministic methods. In this thesis work, we have started with a Monte Carlo simulation study in order to investigate the physical phenomena involved in IP and in metallic screens at high energies. In particular we have studied separately the behavior of X-ray photons and electrons. Some experimental comparisons have been carried out at the European Synchrotron Radiation Facility. Then, we have proposed a hybrid simulation approach, combining the use of deterministic and Monte Carlo code, for simulating the imaging of complex shapes objects. This approach takes into account degradation introduced by X-ray scattering and fluorescence inside IP, as well as optical photons scattering during readout process. Different simulation configurations have been compared.