In der experimentellen Beanspruchungsanalyse ist der Einsatz von Dehnungsmessstreifen alltäglich. Besonders DMS-Rosetten mit übereinanderliegenden Messgittern bieten eine "punktgenaue" Auswertung des Dehnungszustandes an der Oberfläche eines Bauteiles. In numerischen und experimentellen Analysen wurde die Dehnungsübertragung in die übereinanderliegenden Messgitterschichten untersucht. Desweiteren wurde die Wärmeentwicklung der DMS-Rosetten auf verschiedenen Bauteilen untersucht.

Hintergrund: Im Rahmen intrakranieller Operationen kann die intraoperative Darstellung der Gehirndurchblutung die intraoperative Entscheidungsfindung unterstützen. Eine Alternative zu den etablierten Methoden der fluoreszenzgestützten Techniken und der Duplex-Sonographie stellt die intraoperative Perfusionsbildgebung auf Grundlage der Thermographie dar. Hiermit wird die temperaturabhängige, infrarote Strahlung des Gehirns gemessen, die annehmbar abhängig von der zerebralen Perfusion ist. Das Verfahren vereint die Vorteile des nebenwirkungsarmen, kontaktlosen, wiederholten und ökonomischen Einsatzes mit einem verhältnismäßig geringen apparativen Aufwand. Fragestellung/Hypothese: In der vorliegenden Arbeit sollen die intraoperativen Temperaturvariationen des Kortex thermographisch untersucht werden. Durch die intravenöse Applikation eines kalten Flüssigkeitsbolus kann ein systemischer Kältereiz erzeugt werden, der als thermographisches Kontrastmittel agiert. Die Untersuchung der Sensitivität der kortikalen Kältesignalerfassung in Abhängigkeit der Injektionsparameter des Flüssigkeitsbolus und anderer intraoperativer Variablen soll für die Etablierung eines robusten und klinisch nutzbaren Messaufbaus genutzt werden. Die gewonnenen Informationen sollen darüber hinaus zur Entwicklung eines Auswertungsalgorithmus für die automatisierte, thermographische Erfassung des kortikalen Kältesignals dienen. Abschließend werden potenzielle, klinische Anwendungsszenarien beschrieben. Material und Methoden: Die thermographischen Aufnahmen wurden mit ungekühlten Focal-Plane-Array-Kameras mit einer thermischen Auflösung von bis zu 20 mK durchgeführt. Es wurden 97 Patienten intraoperativ untersucht und insgesamt 210 Kältebolusinjektionen appliziert. Die zugrundeliegenden Pathologien waren größtenteils Glioblastome und zerebrale Metastasen sowie Gliome II°/III°, Hirninfarkte, arteriovenöse Malformationen und Aneurysmen. Nach chirurgischer Exposition des zerebralen Kortex wurde die thermographische Messung des Kortex gestartet. Es folgte die intravenöse Injektion der Kälteboli mit einer Temperatur von etwa 4°C aus physiologischer Kochsalzlösung und einem Volumen von 20 ml (59 % der Fälle) oder 50 ml (41 % der Fälle) über einen peripheren (76 % der Fälle) oder zentralen Venenkatheter (24 % der Fälle). Es wurden die Injektionsgeschwindigkeit und Vitalparameter registriert. Nachfolgend wurden die thermographischen Sequenzen einer Datenvorverarbeitung unterzogen, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Es folgte die Auswertung der resultierenden Temperatur-Zeit-Reihen zur Kältesignaldetektion mit der Hauptkomponentenanalyse nach Steiner et al., dem Bigauss-Algorithmus nach Hollmach und einer manuellen Analyse (Steiner et al., 2011; Hollmach, 2016). Die Qualität der Auswertungsalgorithmen wurden auf Basis von 10 parallelen Kältebolus-ICG-Injektionen überprüft. Die ICG-Signale wurden als Referenz für die Kältesignaldetektionen genutzt. Die Beschreibung der Kältesignale erfolgte anhand der Parameter twash-in, tmin(T), trise, ttransit und ΔT. Ergebnisse: Die Thermographie kann kleinste Temperaturvariation des Kortex von bis zu 20 mK aufzeichnen. Periodische Temperaturänderungen können zum Teil durch physiologische Prozesse wie Atmung und Herzaktion erklärt werden, während andere spontane Temperaturschwankungen bisher keinen pathophysiologischen Äquivalenten zugewiesen werden können. Das systemische Kältesignal in Form des intravenösen Kältebolus kann bei der kortikalen Passage thermographisch als Temperatursenke registriert werden. Die Sensitivität der Kältesignalerfassung wird wesentlich durch die Injektionsparameter Bolusvolumen, Applikationsort und -geschwindigkeit bestimmt und lässt sich durch eine periphervenöse, 50 ml umfassende Bolusinjektion mit einer Geschwindigkeit von ≥ 5,4 ml/s auf über 70 % steigern. Die Vitalparameter beeinflussen die Kältesignaldetektion nicht. Die Validierung der Kältesignaldetektionen mittels paralleler Kältebolus-ICG-Injektionen offenbarte, dass die präexistenten Auswertungsalgorithmen der Hauptkomponentenanalyse und des Bigauss-Algorithmus eine hohe Sensitivität von 90 % hinsichtlich anteilig richtig-positiver Kältesignaldetektionen erzielen. Jedoch wurden in 90 % der Referenzfälle falsch-positive Kältesignale erkannt, sodass eine geringe Spezifität und ein geringer positiv-prädiktiver Wert resultiert. Beide Algorithmen weisen eine hohe Fehleranfälligkeit auf und sind ungeeignet, um intraoperativ das systemische Kältesignal zuverlässig zu erfassen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen der manuellen Analyse der ICG-Kältebolus-Referenzfälle konnte der optimierte AKE-Auswertungsalgorithmus (Automatisierte Kältesignaldetektion nach Empirischem Vorwissen) entwickelt werden. Der AKE-Algorithmus besitzt in den Referenzfällen eine Sensitivität von 100 % und eine qualitativ deutlich verbesserte Spezifität. Der AKE-Algorithmus ist in der Lage, im intraoperativen Einsatz die Kältesignale innerhalb weniger Minuten nach der Kältebolusinjektion zuverlässig in Form zweidimensionaler Parameterkarten zu visualisieren. Auf Basis des AKE-Algorithmus wurden die Kältesignalerfassungen in verschiedenen intrakraniellen Pathologien untersucht. Die Kältesignalparameter in Glioblastomen präsentieren neben einer großen Heterogenität eine durchschnittlich erhöhte Perfusion im Vergleich zum peritumoralen Gewebe in Form einer verminderten twash-in und einer erhöhten ttransit. Jedoch ist eine Identifizierung der Tumorgrenzen anhand der Kältesignaldetektionen nicht möglich, weil die Kältesignalparameter intra- und peritumoralen Gewebes nicht signifikant differieren. Bei der thermographischen Untersuchung maligner Hirninfarkte können die Infarktkerne bereits als hypotherme Kortexregionen und durch eine negative Kältesignaldetektion erfasst werden. Kollateralkreisläufe werden registriert und die Kältesignalparameter korrelieren mit dem postoperativen NIHSS. Die Kältesignalerfassung gelingt zunehmend im Übergang von CT-morphologisch demarkierten zu nicht-demarkierten Hirnarealen und zeigt begleitend eine kürzere twash-in. Damit besteht potenziell die Möglichkeit, in weiteren Untersuchungen die Penumbra zu untersuchen und prognostische Informationen zu gewinnen. Die Kältesignalerkennung bei AVMs konnte sicher erfolgen und die Perfusion der pathologischen Gefäßanteile nachweisen. Somit kann die Thermographie die vollständige Ausschaltung oberflächlicher AVMs unterstützen und ist des Weiteren in der Lage, die Perfusion des umgebenden Parenchyms zu beurteilen. Ebenso kann die Kältesignaldetektion bei der Operation von Aneurysmen zur Erfolgskontrolle und zur Erfassung Clip-bedingter kortikaler Minderperfusionen dienen. Schlussfolgerungen: Die thermographische Detektion eines systemischen Kältereizes ist möglich und kann intraoperativ zusätzliche Informationen generieren, die in operative Entscheidungen oder wissenschaftliche Untersuchungen einfließen können. Um einen robusten und zuverlässigen, intraoperativen Einsatz der thermographischen Kältesignaldetektion zu ermöglichen, sollten zukünftig ausschließlich 50 ml Boli, periphervenöse Injektionen und eine Injektionsgeschwindigkeit ≥ 5,4 ml/s verwendet werden. Für eine schnelle und zuverlässige, intraoperative Ergebnisgenerierung und -darstellung sollte der AKE-Algorithmus bevorzugt werden. Die thermographische Kältesignaldetektion eignet sich insbesondere für die Untersuchung primär vaskulärer Pathologien, wie Hirninfarkte, AVMs oder Aneurysmen.:Inhaltsverzeichnis A Abbildungsverzeichnis B Tabellenverzeichnis C Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Medizinische Grundlagen 2.1 Präoperative Bildgebung in der Neurochirurgie 2.1.1 Konventionelles MRT, CT und Angiographie 2.1.1 Dynamisch-funktionelle MRT-Sequenzen 2.1.2 Neuronavigation 2.2 Intraoperative Bildgebung zur zerebralen Perfusionsvisualisierung 2.2.1 Fluoreszenzgestützte Techniken 2.2.2 Ultraschall 3 Thermographie 3.1 Physikalische Grundlagen 3.2 Anwendung der Thermographie in der Medizin 4 Zielstellung 5 Material und Methoden 5.1 Thermographische Messung 5.1.1 Messaufbau 5.1.2 Messinstrumentarium 5.1.3 Ablauf der Kältebolus-Messung 5.1.4 Simultane Erfassung des Infrarot- und ICG-Signals 5.2 Methoden der Datenverarbeitung 5.2.1 Vorverarbeitung der Daten 5.2.2 Hauptkomponentenanalyse 5.2.3 Bigauss-Algorithmus 5.3 Auswahl des Patientenkollektivs 6 Ergebnisse 6.1 Patientenkollektiv 6.2 Ergebnisse der Hauptkomponentenanalyse 6.3 Ergebnisse des Bigauss-Algorithmus 6.4 Manuelle Analyse und ICG-Fälle 6.4.1 Schlussfolgerungen der manuell analysierten ICG-Kälteboli 6.4.2 Ergebnisse aller manuell analysierten Kälteboli 6.5 Entwicklung des AKE-Algorithmus 6.6 Ergebnisse des AKE-Algorithmus 6.6.1 Allgemeine Kälteboluscharakteristik 6.6.2 Kältesignalparameter in Abhängigkeit der Injektionsparameter 6.6.3 Kältesignaldetektion als interpathologischer Vergleich 6.6.4 Kältesignaldetektion als intrapathologische Analyse 7 Diskussion 7.1 Vergleich der Verfahren der Kältesignaldetektion 7.2 Einflussfaktoren 7.2.1 Vitalparameter 7.2.2 Injektionsparameter 7.3 Bedeutung der Kältesignalparameter 7.4 Potential der Kältebolusdetektion in Pathologien mittels AKE-Algorithmus 7.4.1 Glioblastom 7.4.2 Maligner Hirninfarkt 7.4.3 Neurovaskuläre Pathologien 7.5 Thesen 8 Zusammenfassung / Summary 9 Literaturverzeichnis 10 Danksagung 11 Anlage 1 12 Anlage 2 / Background: In intracranial surgery, intraoperative imaging of cerebral blood flow can support intraoperative decision making. An alternative to established methods of fluorescence-based techniques and duplex sonography is intraoperative perfusion imaging based on thermography. It receives temperature-dependent, infrared radiation, which depends on cerebral perfusion. Thermography combines the advantages of low-side-effects, contactless, repeated and economical use with a relatively low outlay on equipment. Objective/Hypothesis: In the present work the intraoperative temperature variations of the cortex are to be examined thermographically. The intravenous application of a cold fluid bolus creates a systemic cold stimulus that acts as a thermographic contrast agent. By examining the sensitivity of the cortical cold signal acquisition depending on the injection parameters of the fluid bolus and other intraoperative variables, a robust and clinically usable measurement setup is to be established. The information obtained should also be used to develop an evaluation algorithm for the automated, thermographic detection of the cortical cold signal. Finally, potential clinical application scenarios are described. Material and Methods: The thermographic recordings were made with uncooled focal plane array cameras with a thermal resolution of up to 20 mK. 97 patients were examined intraoperatively and a total of 210 cold bolus injections were administered. The underlying pathologies were mostly glioblastomas and cerebral metastases as well as gliomas II° / III°, brain infarctions, arteriovenous malformations and aneurysms. After surgical exposure of the cerebral cortex, the thermographic measurement of the cortex was started. This was followed by intravenous injection of the cold 0,9% saline boluses with a temperature of about 4 °C and a volume of 20 ml (59% of cases) or 50 ml (41% of cases) via a peripheral (76% of cases) or central venous line (24% of cases). The injection rate and vital parameters were registered. The thermographic sequences were subsequently subjected to data preprocessing in order to improve the signal-to-noise ratio. The resulting temperature-time series are evaluated to find cold signals using the principal component analysis according to Steiner et al., the Bigauss algorithm according to Hollmach and a manual analysis (Steiner et al., 2011; Hollmach, 2016). The results were checked based on 10 parallel cold bolus ICG injections. The ICG signals were used as a reference for the cold signal detection. The cold signals were described by the parameters twash-in, tmin(T), trise, ttransit and ΔT. Results: Thermography can record smallest temperature variations of the cortex up to 20 mK. Periodic changes in temperature can be explained in part by physiological processes such as breathing and heart rate, while other spontaneous temperature fluctuations cannot yet be assigned to any pathophysiological equivalents. The systemic cold signal in the form of the intravenous cold bolus can be thermographically registered as a temperature drop during the cortical passage. The sensitivity of the cold signal detection is essentially determined by the injection parameters bolus volume, injection site and injection rate. It can be increased to more than 70% with a peripheral venous line, 50 ml bolus volume and an injection rate of ≥ 5.4 ml/s. The vital parameters do not influence the cold signal detection. The validation of the cold signal detection using parallel cold bolus and ICG injections revealed that the pre-existent evaluation algorithms of the principal component analysis and the Bigauss algorithm achieve a high sensitivity of 90 % with regard to proportionally correct-positive cold signal detection. However, false-positive cold signals were detected in 90% of the reference cases, resulting in low specificity and low positive-predictive value. Both algorithms are highly susceptible to errors and are unsuitable for reliably detection of the systemic cold signal intraoperatively. From the knowledge obtained from the manual analysis of the ICG - cold bolus reference cases, the optimized AKE evaluation algorithm (Automated Cold signal detection based on Empirical prior knowledge) was developed. In the reference cases, the AKE algorithm has a sensitivity of 100% and a qualitatively significantly improved specificity. The AKE algorithm is able to reliably visualize the cold signals in two-dimensional parameter maps within a few minutes after the cold bolus injection during intraoperative use. Based on the AKE algorithm, the cold signal recordings in various intracranial pathologies were examined. The cold signal parameters of glioblastomas showed a high degree of heterogeneity and on average an increased cerebral perfusion by reduced twash-in and increased ttransit compared to peritumoral tissue. However, an identification of the tumour borders based on the cold signal detection is not possible because the cold signal parameters of intra- and peritumoral tissue do not differ significantly. In the thermographic examination of malignant brain infarctions, the infarct cores can be detected as hypothermic cortex regions and by negative cold signal detection. Collateral circuits are registered thermographically and the cold signal parameters correlate with the postoperative NIHSS. The cold signal acquisition succeeds increasingly in the transition from CT-morphologically infarcted to non-infarcted brain areas and shows a smaller twash-in. Therefore, the cold bolus detection has the potential to investigate the penumbra and to obtain prognostic information. Cold signal detection in AVMs was carried out safely and the perfusion of the pathological vessels were demonstrated. Thus, thermography can support the complete elimination of superficial AVMs and is also able to assess the perfusion of the surrounding parenchyma. Cold signal detection can also be used in the operation of aneurysms to monitor complete elimination and clipping-related cerebral perfusion changes. Conclusions: The thermographic detection of the systemic cold stimulus is possible and can generate additional information intraoperatively, which can be incorporated into intraoperative decision making or scientific studies. In order to enable robust and reliable, intraoperative use of thermographic cold signal detection, further cold bolus examinations should be standardized with intravenous injection of 50 ml boluses via peripheral venous line and an injection rate ≥ 5.4 ml/s. The AKE algorithm should be preferred for fast and reliable, intraoperative result generation. Thermographic cold signal detection is particularly suitable for the investigation of primarily vascular pathologies such as brain infarctions, AVMs or aneurysms.:Inhaltsverzeichnis A Abbildungsverzeichnis B Tabellenverzeichnis C Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Medizinische Grundlagen 2.1 Präoperative Bildgebung in der Neurochirurgie 2.1.1 Konventionelles MRT, CT und Angiographie 2.1.1 Dynamisch-funktionelle MRT-Sequenzen 2.1.2 Neuronavigation 2.2 Intraoperative Bildgebung zur zerebralen Perfusionsvisualisierung 2.2.1 Fluoreszenzgestützte Techniken 2.2.2 Ultraschall 3 Thermographie 3.1 Physikalische Grundlagen 3.2 Anwendung der Thermographie in der Medizin 4 Zielstellung 5 Material und Methoden 5.1 Thermographische Messung 5.1.1 Messaufbau 5.1.2 Messinstrumentarium 5.1.3 Ablauf der Kältebolus-Messung 5.1.4 Simultane Erfassung des Infrarot- und ICG-Signals 5.2 Methoden der Datenverarbeitung 5.2.1 Vorverarbeitung der Daten 5.2.2 Hauptkomponentenanalyse 5.2.3 Bigauss-Algorithmus 5.3 Auswahl des Patientenkollektivs 6 Ergebnisse 6.1 Patientenkollektiv 6.2 Ergebnisse der Hauptkomponentenanalyse 6.3 Ergebnisse des Bigauss-Algorithmus 6.4 Manuelle Analyse und ICG-Fälle 6.4.1 Schlussfolgerungen der manuell analysierten ICG-Kälteboli 6.4.2 Ergebnisse aller manuell analysierten Kälteboli 6.5 Entwicklung des AKE-Algorithmus 6.6 Ergebnisse des AKE-Algorithmus 6.6.1 Allgemeine Kälteboluscharakteristik 6.6.2 Kältesignalparameter in Abhängigkeit der Injektionsparameter 6.6.3 Kältesignaldetektion als interpathologischer Vergleich 6.6.4 Kältesignaldetektion als intrapathologische Analyse 7 Diskussion 7.1 Vergleich der Verfahren der Kältesignaldetektion 7.2 Einflussfaktoren 7.2.1 Vitalparameter 7.2.2 Injektionsparameter 7.3 Bedeutung der Kältesignalparameter 7.4 Potential der Kältebolusdetektion in Pathologien mittels AKE-Algorithmus 7.4.1 Glioblastom 7.4.2 Maligner Hirninfarkt 7.4.3 Neurovaskuläre Pathologien 7.5 Thesen 8 Zusammenfassung / Summary 9 Literaturverzeichnis 10 Danksagung 11 Anlage 1 12 Anlage 2

Lorsqu'une structure est soumise à un chargement thermique hétérogène, des dilatations empêchées génératrices de contraintes surviennent. Lorsque ces sollicitations sont répétées un grand nombre de fois, un endommagement puis une fissuration du matériau peuvent apparaître. On parle alors de fatigue thermique du matériau. Ce phénomène, jugé responsable de différents incidents rencontrés dans les zones de mélange entre fluides chaud et froid des centrales nucléaires a fait l'objet de nombreuses études lancées au sein de projets successifs pilotés par EDF. Ces études portaient sur la détermination des chargements thermo-hydrauliques dans les zones de mélange, le transfert de chaleur à la structure, la résolution du problème thermomécanique permettant de connaître les champs de contrainte et de déformation en tout point de la structure et enfin la résistance du matériau (un acier inoxydable austénitique AISI 304L)soumis à de telles sollicitations. Concernant ce dernier aspect, plusieurs types d'essais ont été réalisés : d'une part, des essais de fatigue uniaxiaux et isothermes pour construire une courbe de fatigue mécanique du matériau et, d'autre part, des essais sur plusieurs dispositifs expérimentaux de fatigue thermique développés au sein d'organismes de recherche (CEA, EDF, JRC, JAEA,…) pour s'approcher des conditions de service. L'interprétation de ces derniers essais passe par l'estimation des champs de température et de déplacement dans la structure à partir de quelques mesures ponctuelles de température par thermocouples. On constate alors que les premières fissures s'amorcent en fatigue thermique pour un nombre de cycles sensiblement inférieur à celui estimé à partir des courbes de fatigue mécanique du matériau et de l'amplitude maximale de déformation équivalente estimée dans les essais de fatigue thermique. L'objet de ce travail de thèse consiste donc à concevoir et à réaliser des chocs thermiques sur un matériau de structure couplés à des mesures synchrones et sans contact de champs de température et de déplacement au niveau de la surface endommagée. Les chocs thermiques seront réalisés à l'aide d'un laser de puissance dont la longueur d'onde sort du spectre utilisé par la caméra infrarouge qui mesure le champ de température de surface de telle manière que le dépôt d'énergie n'affecte pas les mesures de température. Plusieurs pistes sont envisagées selon que les champs sont mesurés uniquement avec la caméra infrarouge ou en utilisant deux caméras, l'une travaillant dans l'infrarouge et l'autre dans le visible. Dans les deux cas de figure, l'absorptivité et l'émissivité de la surface soumise au choc thermique doivent être optimisées pour permettre d'avoir à la fois un dépôt d'énergie homogène par laser et une mesure précise des champs thermomécaniques. Une difficulté qu'il conviendra de surmonter est d'obtenir un champ d'émissivité de surface représentant un compromis acceptable entre une émissivité forte et homogène dans l'infrarouge pour des mesures de température et une émissivité hétérogène (dans l'infrarouge ou le visible selon la caméra utilisée) pour créer un contraste de niveau de gris indispensable aux mesures de déplacement par corrélation d'images. Parallèlement aux essais,des simulations numériques thermomécaniques seront également réalisées pour compléter ces champs en volume et tester l'influence des conditions aux limites. L'objectif final de la thèse est d'obtenir pour la première fois une mesure fiable des quantités d'intérêt dans une zone d'amorçage en fatigue thermique et ainsi pouvoir quantifier convenablement un éventuel effet aggravant des sollicitations de fatigue thermique. / Thermal fatigue occurs in nuclear power plant pipes. The temperature variations are due to the turbulent mixing of fluids that have different temperatures. Many experimental setups have been designed but the measured temperatures have only been punctual and out of the zone of interest (e.g., via thermocouples). The equivalent strain variation in the crack initiation region is calculated with numerical thermomechanical simulations. In many cases, the comparisons between numerical and experimental results have shown that the crack initiation predictions in thermal fatigue are non-conservative. A new testing setup is proposed where thermal shocks are applied with a pulsed laser beam while the thermal and kinematic fields on the specimen surface are measured with infrared (IR) and visible cameras, respectively. Experimental testings are performed and different measurement techniques for temperature and kinematic fields are used. IR camera and pyrometers allow to measure the temperature variations in the zone impacted by the laser beam. To estimate the absolute temperature, the surface emissivities at the respective wavelengths are determined by different methods. The absolute temperature field is then used to apply the actual thermal loading in a decoupled FE model after an identification process of the parameters of the laser beam. Once the thermal loading is generated based upon the experimental data, the stress and strain fields can be computed in the region of interest with an elastoplastic law.The experimental strain variations calculated from the DIC measurements are compared with the predictions obtained with the FE simulation.

Aspekte zur klinischen Anwendung der Infrarot-Thermographie in der Zoo- und Wildtiermedizin. Die Infrarot-Thermographie ist eine nichtinvasive Methode. Mit einer Infrarot-Kamera wird eine Messung der Körperoberflächen-Temperatur aus der Distanz durchgeführt und das Thermoprofil des Tieres als Thermogramm dargestellt. Es bedarf keines direkten Tierkontaktes und keiner Immobilisation. Viele Fallbeispiele belegen, dass die Infrarot-Thermographie eine erfolgversprechende neue Methode in der Zoo- und Wildtiermedizin ist. Schwerpunkte der Arbeit waren: - Erforschung artspezifischer Thermoregulation, besonders im Hinblick auf Tierhaltung und krankheitsauslösende Faktprem bei Zoo- und Wildtieren, - Reproduktionsforschung mittels Infrarot-Thermographie und - Entzündungsdiagnostik mittels Infrarot-Thermographie. Die meisten hier vorgestellten Ergebnisse sind Erstuntersuchungen weltweit. / Aspects of the clinical application of Infrared-Thermography in Zoo- and Wildlife Medicine Infrared-thermography is a non-invasive method. With an infrared-camera, the body surface temperature of an animal is measured from a distance and the thermoprofile of this animal is then displayed as a therogram. No direct animal contact or immobilization is necessary. Many case reports show that infrared-thermography is a promising new method in zoo and wildlife medicine. In this thesis threee topics are emphasized: - research in species-specific thermoregulation with regard to animal keeping and disease predisposing factors, - research in reproduction using infrared-thermography, and - inflammation diagnosis using infrared-thermography. Most of the presented results are from primary investigations worldwide.

L’évaluation non destructive (NDT) des matériaux composites est compliquée en raison de la vaste gamme de défauts rencontrés (y compris délaminage, microfissuration, fracture de la fibre, retrait des fibres, fissuration matricielle, inclusions, vides et dommages aux chocs). La capacité de caractériser quantitativement le type, la géométrie et l’orientation des défauts est essentielle. La thermographie infrarouge (IRT), en tant que technique de diagnostic d’image, peut satisfaire le besoin industriel croissant de NDT&E. Dans la thèse, la thermographie par excitation optique et mécanique a été utilisée pour étudier différents matériaux composites, dont 1) des préformes sèches en fibres de carbone, 2) des composites de fibres naturelles, 3) des composites hybrides de basalte-fibres de carbone soumis à une charge d’impact (séquence de type sandwich et séquence d’empilement intercalé), 4) des défauts micro-dimensionnés dans un composite polymère renforcé de fibre de carbone (CFRP) en 3D avec une couture de type « joint en T », et 5) des peintures sur toile qui peuvent être considérées comme des matériaux composites. Une nouvelle technique IRT de thermographie de ligne par micro-laser (micro-LLT) a été proposée pour l’évaluation des porosités submillimétriques dans le CFRP. La microscopie de points par micro-laser (micro-LST) et la micro-vibrothermographie (micro-VT) ont également été présentées avec l’utilisation de microlentilles. La thermographie pulsée (PT) et la thermographie modulée « à verrouillage » (LT) ont été comparées à la tomographie par rayons X (TC) pour validation. Le C-scan ultrasonore (UT) et l’imagerie par ondes tera-hertziennes en onde continue (CW THz) ont également été réalisés à des fins comparatives. L’inspection par techniques thermographiques est une question ouverte à discuter pour le public scientifique. En fait, la thermographie par impulsions (PPT) basée sur la transformation de phase a été utilisée pour estimer la profondeur des dommages. Pour traiter les données thermographiques, on a également utilisé la reconstruction de signal thermographique de base (B-TSR), la thermographie des composants principaux (PCT) et la thermographie des moindres carrés partiels (PLST). Enfin, une analyse complète et comparative basée sur le diagnostic d’images thermographiques a été menée en vue d’applications industrielles potentielles. / Non-destructive testing (NDT) of composite materials is complicated due to the wide range off laws encountered (including delamination, micro-cracking, fiber fracture, fiber pullout, matrix cracking, inclusions, voids, and impact damage). The ability to quantitatively characterize the type, geometry, and orientation of flaws is essential. Infrared thermography (IRT), as an image diagnostic technique, can satisfy the increasing industrial need for NDT&E. In the thesis, optical and mechanical excitation thermography were used to investigate different composite materials, including 1) carbon fiber dry preforms, 2) natural fiber composites, 3) basalt-carbon fiber hybrid composites subjected to impact loading (sandwich-like and intercalated stacking sequence), 4) micro-sized flaws in a stitched T-joint 3D carbon fiber reinforced polymer composite (CFRP), and 5) paintings on canvas which can be considered as composite materials. Of particular interest, a new IRT technique micro-laser line thermography (micro-LLT) was proposed for the evaluation of submillimeter porosities in CFRP. Micro-laser spot thermography (micro-LST) and micro-vibrothermography (micro-VT) were also presented with the usage of a micro-lens. Pulsed thermography (PT) and lock-in thermography (LT) were compared with x-ray computed tomography (CT) for validation. Ultrasonic C-scan (UT) and continuous wave terahertz imaging (CW THz) were also conducted for the comparative purpose. The inspection by thermographic techniques is an open matter to be discussed for the scientific audience. In fact, pulse phase thermography (PPT) based on phase transform was used to estimate the damage depth. Basic thermographic signal reconstruction (B-TSR), principal component thermography (PCT) and partial least squares thermography (PLST) (another more recent advanced image processing technique) were also used to pro-cess the thermographic data. Finally, a comprehensive and comparative analysis based on thermographic image diagnostics was conducted in view of potential industrial applications.

Die strukturelle Vielfalt von Metallphosphonaten macht sie zu vielversprechenden Kandidaten für vielzählige Anwendungen, erschwert aber zugleich eine planmäßige Synthese. Die Untersuchung der Bildungsmechanismen kristalliner Übergangs-metallphosphonate stellt Zusammenhänge zwischen Synthesebedingungen und resultierender Struktur her. In dieser Arbeit wurden unterschiedliche Phosphonsäuren mit divalenten Metallionen umgesetzt und so verschiedene Metallphosphonate mit diversen Strukturen erhalten. Die Kristallstrukturen neuer Verbindungen wurden mittels Röntgenpulver-diffraktometrie aufgeklärt. Systematische Untersuchungen zeigten einen direkten Zusammenhang zwischen bestimmten Strukturmotiven und Eigenschaften der Verbindungen. Das Bestreben nach umweltfreundlichen und wirtschaftlichen Synthesemethoden wird durch die Mechanochemie erfüllt. Die zugrundeliegenden Reaktions-mechanismen liegen im Dunkeln, sodass Mechanochemie größtenteils als „trial and error“-Methode funktioniert. In situ Untersuchungen mechanochemischer Reaktionen erlauben die Aufklärung der Reaktionswege und weitere Optimierung der Prozesse. Nach der Optimierung des experimentellen Aufbaus wurde in dieser Arbeit eine Kombination der Methoden Röntgenpulverdiffraktometrie und Thermographie zur Aufklärung der Bildungmechanismen von Metallphosphonaten eingesetzt. Die Ergebnisse der in situ Untersuchungen zeigen die Bildung von Metallphosphonaten als dreistufigen Prozess, der über einen nicht-kristallinen Zustand verläuft. / The structural diversity of metal phosphonates makes them promising candidates for numerous applications, but at the same time makes planned synthesis difficult. The study of the formation mechanisms of crystalline transition metal phosphonates establishes correlations between synthesis conditions and resulting structure. In this work, different phosphonic acids were reacted with divalent metal ions to obtain various metal phosphonates with diverse structures. The crystal structures of new compounds were solved by X-ray powder diffraction. Systematic studies showed a direct correlation between certain structural motifs and properties of the compounds. The search for environmentally friendly and economical synthesis methods is met by mechanochemistry. The underlying reaction mechanisms are unclear, so mechanochemistry functions largely as a "trial and error" method. In situ studies of mechanochemical reactions allow the elucidation of reaction pathways and further optimization of processes. After optimizing the experimental setup, a combination of X-ray powder diffraction and thermography methods was used in this work to elucidate the formation mechanisms of metal phosphonates. The results of the in situ investigations show the formation of metal phosphonates as a three-step process proceeding via a non-crystalline state.

Thèse ou mémoire avec insertion d’articles / De nos jours, les industries se concentrent davantage sur le développement de matériaux respectueux de l'environnement pour améliorer la sécurité, réduire le poids, augmenter l'efficacité énergétique et réduire la contamination. La fibre de carbone renforce les plastiques (CFRP) en raison de ses caractéristiques uniques telles qu'un rapport résistance / poids élevé, une bonne résistance à la corrosion et une résistance élevée à la fatigue elle fait partie des matériaux préférables dans l'industrie. En tant qu'outil de contrôle de la qualité et de gestion de l'assurance de la qualité, les Contrôle non destructif (CND) jouent un rôle vital dans des secteurs tels que l'aérospatiale, les pipelines et les ponts, car ils peuvent aider à prévenir les défaillances susceptibles de nuire à la sécurité, à la fiabilité et à l'environnement. La thermographie pulsée active (PT) est une technique de test non destructif pour l'inspection des matériaux et des structures dans la science et l'industrie. Plusieurs algorithmes de traitement ont été développés pour améliorer et valoriser les données thermographiques captées afin de détecter les anomalies et de les caractériser précisément. L'analyse robuste en composantes principales (RPCA) via la décomposition en matrices de faible rang et clairsemées présente un cadre puissant pour de nombreuses applications telles que le traitement d'images, le traitement vidéo et la vision par ordinateur 3D. Le Robust-PCA proposé est une approche de réduction de dimensionnalité et surpasse la méthode PCA. De plus, la matrice de bas rang extraite de Robust-PCA utilisant un multiplicateur de Lagrange augmenté inexact (IALM) réduit le bruit des données brutes. Différentes approches de traitement sont proposées pour détecter et caractériser les irrégularités des structures produites lors de la fabrication et en service. Robust-PCA via IALM peut être utilisé comme pré-traitement et post-traitement sur des approches de pointe (c'est-à-dire PCT, PPT et PLST) pour réduire le bruit sur les données thermographiques. Le contraste au bruit (CNR) et le coefficient de similarité s'améliorent nettement lorsque le RPCA est utilisé comme prétraitement. Cependant, le post-traitement sur la sortie PLST montre une amélioration des résultats finaux. En outre, des modèles d'apprentissage automatique tels que les auto-encodeurs (AE) pour la surveillance de données non linéaires complexes ont été étudiés. L'application d'un auto-encodeur sous-complet avec un accent sur la détection de défauts montre des résultats comparables aux approches traditionnelles, c'est-à-dire PCA. Afin d'augmenter la fiabilité et l'applicabilité de l'Thermographie Infrarouge pour une inspection structurelle efficace, la classification des défauts existants et l'estimation de la profondeur, le bag-of-feature (BoF) a été utilisé. Les résultats ont représenté que la méthode proposée peut avoir une estimation raisonnable des défauts et une classification parmi trois types de trous à fond plat, d'insert en Téflon et d'extraction. / Nowadays, industries are more focused on developing environmentally friendly materials to improve safety, reduce weight, increase fuel efficiency, and lower contamination. Carbon fiber reinforces plastics (CFRP) due to its unique features such as high strength-to-weight ratio, good corrosion resistance, and high fatigue resistance is among the preferable material in the industry. As a quality control and quality assurance management tool, NDT plays a vital role in industries such as aerospace, pipelines, and bridges, as it can help prevent failures that could harm safety, reliability, and the environment. Active pulsed thermography (PT) is a non-destructive testing technique for material and structure inspection in science and industry. Several processing algorithms have been developed to improve and enhance the captured thermographic data to detect anomalies and characterize them precisely. Robust principal component analysis (RPCA) via decomposition into low-rank and sparse matrices present a powerful framework for many applications such as image processing, video processing, and 3-D computer vision. The proposed Robust-PCA is a dimensionality reduction approach and outperforms the PCA method. Moreover, the extracted low-rank matrix from Robust-PCA using inexact augmented Lagrange multiplier (IALM) reduces the noise of raw data. Different processing approaches are proposed to detect and characterize the irregularities in structures produced during manufacturing and in-service. Robust-PCA via IALM can be used as pre-processing and post-processing on state-of-the-art approaches (i.e., PCT, PPT, and PLST) to reduce the noise on thermographic data. The contrast-to-noise ratio (CNR) and similarity coefficient clearly improve when RPCA is employed as pre-processing. However, post-processing on PLST output shows improvement in final results. Furthermore, machine learning models like autoencoders (AEs) for monitoring complex nonlinear data have been investigated. The application of an undercomplete-autoencoder with a focus on fault detection shows comparable results with traditional approaches, i.e., PCA. In order to increase the reliability and applicability of IRT for effective structural inspection, classification of existing defects, and depth estimation, bag-of-feature (BoF) has been utilized. Results have represented that the proposed method can have a reasonable estimation of defects and classification among three types of flat-bottom-hole, Teflon-insert, and pull-out.

L’évaluation non destructive (NDT) des matériaux composites est compliquée en raison de la vaste gamme de défauts rencontrés (y compris délaminage, microfissuration, fracture de la fibre, retrait des fibres, fissuration matricielle, inclusions, vides et dommages aux chocs). La capacité de caractériser quantitativement le type, la géométrie et l’orientation des défauts est essentielle. La thermographie infrarouge (IRT), en tant que technique de diagnostic d’image, peut satisfaire le besoin industriel croissant de NDT&E. Dans la thèse, la thermographie par excitation optique et mécanique a été utilisée pour étudier différents matériaux composites, dont 1) des préformes sèches en fibres de carbone, 2) des composites de fibres naturelles, 3) des composites hybrides de basalte-fibres de carbone soumis à une charge d’impact (séquence de type sandwich et séquence d’empilement intercalé), 4) des défauts micro-dimensionnés dans un composite polymère renforcé de fibre de carbone (CFRP) en 3D avec une couture de type « joint en T », et 5) des peintures sur toile qui peuvent être considérées comme des matériaux composites. Une nouvelle technique IRT de thermographie de ligne par micro-laser (micro-LLT) a été proposée pour l’évaluation des porosités submillimétriques dans le CFRP. La microscopie de points par micro-laser (micro-LST) et la micro-vibrothermographie (micro-VT) ont également été présentées avec l’utilisation de microlentilles. La thermographie pulsée (PT) et la thermographie modulée « à verrouillage » (LT) ont été comparées à la tomographie par rayons X (TC) pour validation. Le C-scan ultrasonore (UT) et l’imagerie par ondes tera-hertziennes en onde continue (CW THz) ont également été réalisés à des fins comparatives. L’inspection par techniques thermographiques est une question ouverte à discuter pour le public scientifique. En fait, la thermographie par impulsions (PPT) basée sur la transformation de phase a été utilisée pour estimer la profondeur des dommages. Pour traiter les données thermographiques, on a également utilisé la reconstruction de signal thermographique de base (B-TSR), la thermographie des composants principaux (PCT) et la thermographie des moindres carrés partiels (PLST). Enfin, une analyse complète et comparative basée sur le diagnostic d’images thermographiques a été menée en vue d’applications industrielles potentielles. / Non-destructive testing (NDT) of composite materials is complicated due to the wide range off laws encountered (including delamination, micro-cracking, fiber fracture, fiber pullout, matrix cracking, inclusions, voids, and impact damage). The ability to quantitatively characterize the type, geometry, and orientation of flaws is essential. Infrared thermography (IRT), as an image diagnostic technique, can satisfy the increasing industrial need for NDT&E. In the thesis, optical and mechanical excitation thermography were used to investigate different composite materials, including 1) carbon fiber dry preforms, 2) natural fiber composites, 3) basalt-carbon fiber hybrid composites subjected to impact loading (sandwich-like and intercalated stacking sequence), 4) micro-sized flaws in a stitched T-joint 3D carbon fiber reinforced polymer composite (CFRP), and 5) paintings on canvas which can be considered as composite materials. Of particular interest, a new IRT technique micro-laser line thermography (micro-LLT) was proposed for the evaluation of submillimeter porosities in CFRP. Micro-laser spot thermography (micro-LST) and micro-vibrothermography (micro-VT) were also presented with the usage of a micro-lens. Pulsed thermography (PT) and lock-in thermography (LT) were compared with x-ray computed tomography (CT) for validation. Ultrasonic C-scan (UT) and continuous wave terahertz imaging (CW THz) were also conducted for the comparative purpose. The inspection by thermographic techniques is an open matter to be discussed for the scientific audience. In fact, pulse phase thermography (PPT) based on phase transform was used to estimate the damage depth. Basic thermographic signal reconstruction (B-TSR), principal component thermography (PCT) and partial least squares thermography (PLST) (another more recent advanced image processing technique) were also used to pro-cess the thermographic data. Finally, a comprehensive and comparative analysis based on thermographic image diagnostics was conducted in view of potential industrial applications.

La fiabilité d'une technique d’Évaluation Non-Destructive (END) est l'un des aspects les plus importants dans la procédure globale de contrôle industriel. La courbe de la Probabilité de Détection (PdD) est la mesure quantitative de la fiabilité acceptée en END. Celle-ci est habituellement exprimée en fonction de la taille du défaut. Chaque expérience de fiabilité en END devrait être bien conçue pour obtenir l'ensemble de données avec une source valide, y compris la technique de Thermographie Infrarouge (TI). La gamme des valeurs du rapport de l'aspect de défaut (Dimension / profondeur) est conçue selon nos expériences expérimentales afin d’assurer qu’elle vient du rapport d’aspect non détectable jusqu’à celui-ci soit détectable au minimum et plus large ensuite. Un test préliminaire est mis en œuvre pour choisir les meilleurs paramètres de contrôle, telles que l'énergie de chauffage, le temps d'acquisition et la fréquence. Pendant le processus de traitement des images et des données, plusieurs paramètres importants influent les résultats obtenus et sont également décrits. Pour la TI active, il existe diverses sources de chauffage (optique ou ultrason), des formes différentes de chauffage (pulsé ou modulé, ainsi que des méthodes différentes de traitement des données. Diverses approches de chauffage et de traitement des données produisent des résultats d'inspection divers. Dans cette recherche, les techniques de Thermographie Pulsée (TP) et Thermographie Modulée(TM) seront impliquées dans l'analyse de PdD. Pour la TP, des courbes PdD selon différentes méthodes de traitement de données sont comparées, y compris la Transformation de Fourier, la Reconstruction du Signal thermique, la Transformation en Ondelettes, le Contraste Absolu Différentiel et les Composantes Principales en Thermographie. Des études systématiques sur l'analyse PdD pour la technique de TI sont effectuées. Par ailleurs, les courbes de PdD en TI sont comparées avec celles obtenues par d'autres approches traditionnelles d’END. / The reliability of a Non-Destructive Testing and Evaluation (NDT& E) technique is one of the most important aspects of the overall industrial inspection procedure. The Probability of Detection (PoD) curve is the accepted quantitative measure of the NDT& E reliability, which is usually expressed as a function of flaw size. Every reliability experiment of the NDT& E system must be well designed to obtain a valid source data set, including the infrared thermography (IRT) technique. The range of defect aspect ratio (Dimension / depth) values is designed according to our experimental experiences to make sure it is from non-detectable to minimum detectable aspect ratio and larger. A preliminary test will be implemented to choose the best inspection parameters, such as heating energy, the acquisition time and frequency. In the data and image processing procedure, several important parameters which influence the results obtained are also described. For active IRT, there are different heating sources (optical or ultrasound), heating forms (pulsed or lock-in) and also data processing methods. Distinct heating and data processing manipulations produce different inspection results. In this research, both optical Pulsed Thermography (PT) and Lock-in Thermography (LT) techniques will be involved in the PoD analysis. For PT, PoD curves of different data processing methods are compared, including Fourier Transform (FT), 1st Derivative (1st D) after Thermal Signal Reconstruction (TSR), Wavelet Transform (WT), Differential Absolute Contrast (DAC), and Principal Component Thermography (PCT). Systematic studies on PoD analysis for IRT technique are carried out. Additionally, constructed PoD curves of IRT technique are compared with those obtained by other traditional NDT& E approaches.

La vision par ordinateur est un domaine qui consiste à extraire ou identifier une ou plusieurs informations à partir d'une ou plusieurs images dans le but soit d'automatiser une tache, soit de fournir une aide à la décision. Avec l'augmentation de la capacité de calcul des ordinateurs, la vulgarisation et la diversification des moyens d'imagerie tant dans la vie quotidienne, que dans le milieu industriel, ce domaine a subi une évolution rapide lors de dernières décennies. Parmi les différentes modalités d'imagerie pour lesquels il est possible d'utiliser la vision artificielle cette thèse se concentre sur l'imagerie infrarouge. Plus particulièrement sur l'imagerie infrarouge pour les longueurs d'ondes comprises dans les bandes moyennes et longues. Cette thèse se porte sur deux applications industrielles radicalement différentes. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons une application de la vision artificielle pour la détection du moment de vêlage en milieux industriel pour des vaches Holstein. Plus précisément l'objectif de cette recherche est de déterminer le moment de vêlage en n'utilisant que des données comportementales de l'animal. À cette fin, nous avons acquis des données en continu sur différents animaux pendant plusieurs mois. Parmi les nombreux défis présentés par cette application l'un d'entre eux concerne l'acquisition des données. En effet, les caméras que nous avons utilisées sont basées sur des capteurs bolométriques, lesquels sont sensibles à un grand nombre de variables. Ces variables peuvent être classées en quatre catégories : intrinsèque, environnemental, radiométrique et géométrique. Un autre défit important de cette recherche concerne le traitement des données. Outre le fait que les données acquises utilisent une dynamique plus élevée que les images naturelles ce qui complique le traitement des données ; l'identification de schéma récurrent dans les images et la reconnaissance automatique de ces derniers grâce à l'apprentissage automatique représente aussi un défi majeur. Nous avons proposé une solution à ce problème. Dans le reste de cette thèse nous nous sommes penchés sur la problématique de la détection de défaut dans les matériaux, en utilisant la technique de la thermographie pulsée. La thermographie pulsée est une méthode très populaire grâce à sa simplicité, la possibilité d'être utilisée avec un grand nombre de matériaux, ainsi que son faible coût. Néanmoins, cette méthode est connue pour produire des données bruitées. La cause principale de cette réputation vient des diverses sources de distorsion auquel les cameras thermiques sont sensibles. Dans cette thèse, nous avons choisi d'explorer deux axes. Le premier concerne l'amélioration des méthodes de traitement de données existantes. Dans le second axe, nous proposons plusieurs méthodes pour améliorer la détection de défauts. Chaque méthode est comparée à plusieurs méthodes constituant l'état de l'art du domaine. / Abstract Computer vision is a field which consists in extracting or identifying one or more information from one or more images in order either to automate a task or to provide decision support. With the increase in the computing capacity of computers, the popularization and diversification of imaging means, both in industry, as well as in everyone's life, this field has undergone a rapid development in recent decades. Among the different imaging modalities for which it is possible to use artificial vision, this thesis focuses on infrared imaging. More particularly on infrared imagery for wavelengths included in the medium and long bands. This thesis focuses on two radically different industrial applications. In the first part of this thesis, we present an application of artificial vision for the detection of the calving moment in industrial environments for Holstein cows. More precisely, the objective of this research is to determine the time of calving using only physiological data from the animal. To this end, we continuously acquired data on different animals over several days. Among the many challenges presented by this application, one of them concerns data acquisition. Indeed, the cameras we used are based on bolometric sensors, which are sensitive to a large number of variables. These variables can be classified into four categories: intrinsic, environmental, radiometric and geometric. Another important challenge in this research concerns the processing of data. Besides the fact that the acquired data uses a higher dynamic range than the natural images which complicates the processing of the data; Identifying recurring patterns in images and automatically recognizing them through machine learning is a major challenge. We have proposed a solution to this problem. In the rest of this thesis we have focused on the problem of defect detection in materials, using the technique of pulsed thermography. Pulse thermography is a very popular method due to its simplicity, the possibility of being used with a large number of materials, as well as its low cost. However, this method is known to produce noisy data. The main cause of this reputation comes from the various sources of distortion to which thermal cameras are sensitive. In this thesis, we have chosen to explore two axes. The first concerns the improvement of existing data processing methods. In the second axis, we propose several methods to improve fault detection. Each method is compared to several methods constituting the state of the art in the field.