Afin d'étudier le fonctionnement des organes, les chercheurs utilisent l'imagerie médicale pour faire des observations d'une façon non invasive. Parmi les techniques d'imagerie les plus utilisées, on cite la tomographie d'émission par positrons (TEP) qui permet d'obtenir des informations fonctionnelles et métaboliques et la tomodensitométrie (TDM) qui fournit des informations sur l'anatomie. Le LabPET II est un scanner bimodal combinant les techniques TEP et TDM. Il est développé par le Centre d'Imagerie Moléculaire de Sherbrooke (CIMS) et le Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke (GRAMS), et dispose de plusieurs fonctionnalités innovantes qui le rendent unique dans sa résolution spatiale et sa qualité d'image. Il est également le premier scanner à intégrer totalement les modes TEP et TDM sur les mêmes détecteurs et dans un même système électronique. Ceci se fait grâce à un module détecteur composé d'une matrice de 64 cristaux scintillateurs couplés à 64 photodiodes à avalanche. L'acquisition des signaux se fait par un circuit intégré dédié composé de 64 canaux d'acquisition analogiques et d'un processeur numérique pour le traitement des données. Les travaux de ce projet ont pour but de réviser le circuit intégré à application spécifique (ASIC) incluant la chaîne d'acquisition et de stabiliser son fonctionnement, afin d'améliorer les performances du scanner dans les deux modes TEP et TDM. Ceci a été effectué à travers la conception de nouveaux circuits analogiques et la modification des circuits actuels. Des interventions ont été faites sur différents composants de l'ASIC. Au niveau du canal analogique, des modifications ont été apportées sur les sous-circuits, d'une part pour améliorer le taux de réjection de l'alimentation et ainsi baisser le niveau de bruit, et d'autre part pour augmenter les marges de stabilité et éliminer le risque d'oscillation à gain élevé. Au niveau des circuits auxiliaires de l'ASIC, le circuit de transmission différetielle basse-tension (LVDS) a été révisé pour corriger des défaillances constatées sur les versions précédentes et de nouvelles références de tension ont été conçues pour remplacer les sources précédentes qui souffraient d'instabilités face aux variations de la température et des paramètres du processus de fabrication. Ces travaux ont d'abord été validés par une série de simulations, puis un premier circuit intégré comportant une partie des modifications a été fabriqué avec la technologie CMOS 0,18 µm de la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). Ceci a permis de valider un premier lot de révisions et de faire des tests poussés avant de procéder à la mise à jour finale de l'ASIC. Une fois fonctionnel, ce circuit pourra fonctionner d'une façon stable dans les deux modes d'imagerie TEP et TDM et permettra ainsi de réaliser un premier prototype d'un scanner bimodal totalement intégré.

Il existe une variabilité interindividuelle de la relation dose - effet chez les patients atteints de maladies inflammatoires rhumatismales traités par les inhibiteurs du Tumor Necrosis Factor-alpha (TNF-a). Dans la première partie de cette thèse, la physiopathologie du TNF-a dans le processus inflammatoire est présentée. Ensuite, le travail se concentre sur la relation concentration-effet en utilisant la modélisation pharmacocinétique-pharmacodynamique (PK-PD) modèles. À la fin, après une discussion sur les biomarqueurs d'imagerie, la thèse traite de l'utilité d'une nouvelle technique permettant de détecter la réponse précoce au traitement, à savoir la tomographie par émission de positons (TEP). En résumé, ce travail décrit la relation PK-PD dans les maladies inflammatoires rhumatismales traitées par anticorps monoclonaux en utilisant les marqueurs cliniques et biologiques, et démontre également l'influence de fortes concentrations d'anticorps monoclonaux pour la maintenance au traitement. La TEP est une technique prometteuse pour identifier la réponse précoce aux antagoistes du TNF-a. / There is an interindividual variability of the dose - response relationship in patients with inflammatory rheumatic diseases treated by Tumor Necrosis Factor-alpha (TNF-a) inhibitors. In the first part of this thesis, the pathophysiology of TNF-a in inflammatory processes is presented. Then, the work focuses on the concentration-effect relationship using pharmacokinetic-pharmacodynamic (PK-PD) models. At the end, after discussion on imaging biomarkers, the thesis discusses the usefulness of a new technique to detect the early response to treatment, namely the positron emission tomography (PET). In summary, this work describes the PK-PD relationship in rheumatic inflammatory diseases treated by monoclonal antibodies using clinical and biological markers and demonstrates also the influence of high concentrations of monoclonal antibodies on maintenance to treatment. PET is a promising technique to identify early response to TNF-a antagonists.

La maladie veineuse thrombombolique (MVTE), associant thrombose veineuse profonde et embolie pulmonaire, peut être le premier signe d’un cancer jusque-là méconnu. Des études anciennes ont rapporté que 6 à 15% des patients étaient diagnostiqués d’un cancer occulte dans l’année suivant l’épisode de MVTE. L'identification précoce d’un cancer occulte au moment du diagnostic de la MVTE non provoquée est fondamentale car la présence d’un cancer va conditionner la prise en charge du patient, que ce soit au niveau de la thrombose ou du cancer. Actuellement, les recommandations préconisent un dépistage limité du cancer en cas de MVTE non-provoquée, basé sur un examen clinique complet (interrogatoire, examen physique), un bilan biologique de base, une radiographie thoracique ainsi que tous les examens communément admis pour le dépistage du cancer en fonction de l’âge et du sexe du patient (PSA chez les hommes, mammographie et examen gynécologique chez les femmes). La tomographie par émission de positon (TEP) au 18F-fluorodéoxyglucose (FDG) est une technique d’imagerie en pleine expansion depuis les années 2000. Elle est largement utilisée en routine clinique pour la détection des foyers tumoraux, leur bilan d’extension, l’évaluation des traitements ainsi que le bilan de possibles récidives. En revanche, aucune étude n’a aujourd’hui évalué l’intérêt de cette technique dans le dépistage du cancer chez les patients présentant une MVTE non provoquée. Afin de répondre à cette problématique, l’objectif de cette thèse a été spécifiquement d’étudier l’intérêt de la TEP au FDG pour la détection des néoplasies dans le bilan étiologique d’une MVTE non provoquée au travers des résultats de l'étude MVTEP, étude multicentrique randomisée comprenant une stratégie de dépistage limitée associée à une TEP au FDG à une stratégie limitée seule. / Venous thromboembolism (VTE), which encompasses deep vein thrombosis and pulmonary embolism, can occur as the first manifestation of an underlying occult malignancy. Previous studies reported that the incidence of undiagnosed cancer is 6% to 15% in the year following an unprovoked VTE épisode, i.e. VTE not provoked by a major risk factor.In patients with unprovoked VTE, extensive screening for cancer has been proposed in order to diagnose occult malignancy as early as possible in the hope of improving the prognosis. Current guidelines for occult cancer screening in patients with unprovoked VTE recommend limited cancer screening, including of a thorough medical history and physical examination, basic laboratory investigations, chest X-ray, as well as age-specific and gender-specific cancer screening (colon, breast, and prostate) according to national guidelines.18F-Fluorodesoxyglucose Positron Emission Tomography combined with Computed Tomography (FDG PET/CT) is routinely used for the diagnosis and staging of various malignancies. The use of FDG PET/CT might overcome the limitations of previous extensive screening strategies as it involves whole-body imaging using a single, non-invasive test. To date, there has been no formal assessment of the additional value of FDG PET/CT for occult malignancy screening in patients with unprovoked venous thromboembolism.To address this issue, we conducted a multicenter randomised controlled trial comparing a limited screening strategy to a strategy combining limited screening and FDG PET/CT in patients with unprovoked venous thromboembolism, and then assessed the additional value of FDG PET/CT in addition to a limited strategy.

Die Struktur des Knochenmaterials wird während des gesamten Lebens durch dynamische Prozessen verändert. Diese sind der Umbauprozess, bei dem existierendes Material entfernt und durch neues, vorerst weiches ersetzt wird. In dieses weiche Material wird im sog. Mineralisierungsprozess Mineral eingelagert und somit die Steifigkeit erhöht. Diese zwei Prozesse führen zu einem heterogenen Knochenmaterial. Das komplexe Zusammenspiel kann durch Knochenkrankheiten beeinflusst werden und zu einem mechanischen Versagen des Materials führen. Wie viel Einfluss dabei allein dem Umbauprozess und dem Mineralisierungsprozess zuzuschreiben sind, konnte bislang nicht geklärt werden. An diese Fragestellungen wird in der vorliegenden Dissertation mit physikalischen und numerischen Methoden herangegangen. Das heterogene Material ist das Ergebnis des Mineralisierungs- und Umbauprozesses und wird abkürzend BMDD (für bone mineralization density distribution) genannt, die für alle gesunden Menschen gleich ist und bei Knochenkrankheiten davon abweicht. Mittels Modellierung wird eine Störung in der Mineralisierung simuliert, die zu Verschiebungen in der BMDD führt. Diese Verschiebungen können verglichen werden mit einem veränderten Umbauprozess. Der unterschiedliche Einfluss der beiden Prozesse liegt im zeitlichen Verlauf. Die Mineralisierungskinetik im Knochen konnte durch die neuartige Auswertung von 3D in vivo micro-CT-Bildern von Mäusen erstmals quantifiziert werden. Die Auswertung bestätigte, die schnellere Mineralisierung im neugeformten und die langsamere in bereits vorhandenem Knochen. Wie der Umbauprozess im kompakten Knochen gesteuert sein kann, wurde mittels Anordnungsmechanismen der Osteone beschrieben. Für einen solchen Knochenbaustein war es verboten innerhalb einer definierten Zone eines anderen Bausteins gebildet zu werden. Diese Zone ließ sich am besten durch einen normalverteilten Radius, mit einer dazugehörigen Variabilität beschreiben. / The structure of the bone material is continuously changed during the life by dynamic processes. These are the remodeling process during which the existing material is replaced by new, initially soft material. In this soft material mineral is incorporated during the so called mineralization process, thus increasing the stiffness. These two processes lead to a heterogeneous bone material. Their interplay can be perturbed by bone diseases, which can lead to material failure. It remains unclear to which degree each of these two processes contributes during diseases. Yet, while the remodeling process is known to be mechanically controlled, it is unclear how mechanical stimuli affect the mineralization process. The heterogeneous mineral distribution in trabecular bone is the result of the complex interplay between the mineralization and the remodeling process and is called bone mineralization density distribution (BMDD). The BMDD is similar for all healthy adult humans. A deviation from this healthy distribution is indicative of bone diseases. With a mathematical model the influence of changed mineralization kinetics on the BMDD is investigated and compared to a remodeling change. The different influences lie in the time development. With a novel 3D analysis of in vivo micro-CT of the vertebra in a mouse tail the mineralization kinetics could be quantified for the first time. It could be e.g. shown that the bone is demineralized before it is completely resorbed. An algorithm was developed to understand how the remodeling process can be regulated. The arrangement of the building blocks could be described when such a block could only be placed within a defined zone of another building block. This zone could be best quantified when its radius was normally distributed with a corresponding standard deviation.

L’obésité et le surpoids ont été décrits comme une pandémie. L’obésité et le vieillissement vont conduire à des complications cardiovasculaires. De plus, l’obésité favoriserait un vieillissement cardiaque prématuré chez les adultes jeunes. L’hypothèse de ce travail est qu’un régime riche en graisses, démarré avant l’âge adulte, poursuivi sur une longue durée, pourrait entraîner un vieillissement « accéléré » cardiovasculaire et métabolique. Nous avons démontré, dans un modèle murin vieillissant, qu’un régime riche en graisses conduit à des troubles métaboliques ainsi qu’à une augmentation de la masse grasse et à une détérioration du métabolisme au niveau du tissu adipeux blanc. Ces troubles sont associés à des altérations au niveau cardiaque, malgré l’absence de modifications de la pression artérielle et de la fréquence cardiaque. Le vieillissement, chez les souris obèses, va conduire à un remodelage du ventricule gauche accompagné par une dysfonction systolique. Au niveau tissulaire cardiaque, le vieillissement et le régime précoce conduisent à l’augmentation de l’expression de gènes de fibrose confirmant ainsi le phénotype hypertrophique. Le vieillissement associé à un régime riche en graisses précoce conduit également à une up-régulation de GDF11. GDF11 peut alors être considéré comme un marqueur de vieillissement cardiaque accéléré. Ces résultats peuvent suggérer des voies thérapeutiques ou préventives, où l’inhibition de GDF11 améliorerait le pronostic et la survie cardiovasculaire des sujets obèses. L’étude de ce modèle nous a ainsi permis de mettre en évidence qu’un régime riche en graisses conduit à un vieillissement accéléré au niveau cardiaque / Obesity and being overweight have been described as a global pandemic. Both obesity and aging will lead to cardiovascular complications. In addition, it has been highlighted that obesity promotes premature cardiac aging in young adults. The hypothesis of this work is that a high fat diet begun before adulthood, pursued over a long period of time, could lead to “accelerated” cardiovascular and metabolic aging. We have demonstrated, in an aging mouse model, that an early high fat diet leads to metabolic disorders and to an increase in fat mass and a deterioration in metabolism of white adipose tissue. These disorders are associated with alterations in cardiac morphology and function, despite an absence of changes in blood pressure and heart rate. Ageing, in obese mice, leads to ventricular remodeling accompanied by systolic dysfunction. In cardiac tissue, aging and early diet lead to an increased expression of fibrosis genes confirming the hypertrophic phenotype. Aging associated with an early high fat diet led also to an up-regulation of GDF11. GDF11 may then be considered as a marker of accelerated cardiac aging. These results may suggest therapeutic or preventive pathways, where inhibition of GDF11 improves prognosis and survival in obese subjects with cardiovascular disease. The study of this model has allowed us to demonstrate that a high fat diet leads to accelerated aging at the level of the heart

Cette thèse est dédiée à la création d'un nouvel outil pour la mesure directionnelle du flux muonique basé sur une chambre de projection temporelle fine avec un plan de lecture Micromegas, afin d’obtenir un détecteur compact avec une résolution angulaire compatible avec les applications d’imagerie ou de monitoring en génie civil et géophysique. La principale motivation est de développer un détecteur capable de combler le vide technologique pour les applications ayant des contraintes d’encombrement et de transportabilité. Cette thèse fournit une revue des différentes technologies de détection de muons existantes et de leurs divers domaines d’application. Deux techniques de mesure de muons sont présentées : la muographie par transmission ou par diffusion. La muographie par transmission, mieux adaptée aux grandes cibles, est basée sur l'atténuation du flux naturel de muons cosmiques due à l'opacité des matériaux traversés. Cette technique passive et non-destructive fournit des informations originales qui pourront être intégrées dans une démarche d’imagerie. Le manuscrit présente la méthodologie utilisée pour la caractérisation du flux incident de muons à la fois en surface et dans des conditions souterraines. Une description détaillée des processus physiques déclenchés par le passage d'un muon à travers le détecteur est fournie. Les résultats des simulations des processus de formation du signal sont présentés et commentés pour justifier les choix du design des composants clés afin de répondre aux exigences de performance quant à résolutions temporelle, spatiale et angulaire. L'influence des paramètres opérationnels ou externes tels que le gain, la température ou la présence de contaminants est également traitée. La thèse étudie en détail les principales phases de conception et d'assemblage du détecteur MUST2, incluant (i) le design du plan de lecture Micromegas, (ii) le choix du gaz, (iii) le design d'un élément homogénéisateur de champ électrique (iv) le choix de l'instrumentation électronique et du signal de déclenchement associé au passage du muon, et (v) la création d'un système auxiliaire de gestion du gaz. La polyvalence du détecteur MUST2 a été prouvée avec l'utilisation réussie de différentes options de déclenchement et d’acquisition. Les données sont obtenues au travers d’un logiciel développé pour le système d’acquisition modulaire du CERN SRS, puis analysées avec un algorithme de reconstruction de la trajectoire, qui récupère le temps de passage, la position 2D, les angles zénith et azimut des muons qui traversent le détecteur. Les caractéristiques, les performances et les limites de la chaîne d'acquisition de données sont présentées et évaluées. Une série de directives visant à améliorer l’efficacité de la chaîne d'acquisition est proposée. Une série de tests de caractérisation a été effectuée dans différents environnements : faisceau contrôlé de muons, ciel ouvert, au fond d'une vallée et dans des conditions souterraines. Ces tests ont contribué à une meilleure compréhension des performances du détecteur et ont permis de régler ses paramètres opérationnels. Malgré les faibles statistiques des tests, les flux mesurés montrent une bonne corrélation avec les environnements ciblés. Une campagne de mesures en conditions réelles a été menée sur le barrage de Saint-Saturnin-les-Apt (Vaucluse). Les résultats expérimentaux obtenus, sont conformes aux valeurs anticipées par le modèle numérique, la transportabilité sur le terrain et la capacité à effectuer des mesures hors laboratoire à long terme ont été démontrées. En revanche, l’impact de la température externe sur l’acquisition des données devra être compensée pour obtenir une acquisition stable permettant de surveiller l’évolution temporelle du flux de muons. En conclusion, les bons résultats obtenus lors de ces tests permettent de valider la caméra MUST2 à des fins de muographie en transmission. / This thesis is dedicated towards the creation of a new direction-sensitive tool for muon flux measurement based on a thin time projection chamber with a Micromegas readout, to achieve a compact detector with an angular resolution compatible with civil engineering and geophysics imagery and monitoring applications. The main motivation is to develop a detector capable to fill the technological gap for applications with compactness and transportability constraints. The dissertation provides a review of the different existing muon detection technologies and their diverse fields of application. Two muon imaging techniques are introduced: transmission and scattering muography. Transmission muography, more suitable for big targets, is based on the attenuation of the natural-occurring cosmic-muon flux due to the opacity of the material they traverse. This non-destructive, passive technique provides original information that can be used for imaging purposes. The work covers the methodology used towards the characterization of the incidental muon flux both on the surface and in underground conditions. A detailed description of the physical processes triggered by the passage of a muon through the detector is provided. Results of the simulations of the signal formation processes are presented and discussed to justify the design choices of the key components so as to meet performance requirements in term of temporal, spatial and angular resolution. The influence of operational or external parameters such as the gain, temperature or presence of contaminants is covered as well. The thesis describes in detail the principal phases of design and assembly of the MUST2 detector, including: (i) the design of the Micromegas readout layout, (ii) the choice of gas, (iii) the conception of an electric field homogenizer, (iv) the choice of the electronics instrumentation and its trigger signal, and (v) the creation of an auxiliary system to manage the gas. The versatility of MUST2 has been proved with the successful use of different trigger options and electronics. The data is acquired by means of software developed for the CERN’s Scalable Readout System electronics and subsequently analyzed with a muon trajectory reconstruction algorithm, which retrieves the: time of passage, 2D position, zenith and azimuth angles of the muons traversing the detector. The characteristics, performance and limitations of the data acquisition chain are presented and evaluated, a series of guidelines towards the improvement of its efficiency of are provided. A series of characterization tests has been carried out in different environments: controlled muon beam, open sky, at the bottom of a valley and in underground conditions. These tests have enabled a better understanding of the performance of the detector and allowed to tune up its operational parameters. Despite the weak statistics of the test runs, the measured muon flux has shown a good correlation with the surrounding target volumes. A campaign of measurements in real field conditions has been carried out at the Saint-Saturnin-les-Apt (Vaucluse, France) dam. The experimental results obtained are in consonance with the values anticipated by the digital model, the field transportability and the capability to perform long-term out-of-lab measurements have been demonstrated. On the downside, the impact of the external temperature on the data acquisition should be balanced out to get a steady acquisition and monitor the temporal evolution of the muon flux. In conclusion, the successful proof-of-concept trial allows to validate the MUST2 camera for transmission muography purposes.

La tomographie par émission de positons (TEP) est une méthode d’imagerie fonctionnelle, utilisée en particulier lors du développement de nouveaux médicaments et pour imager les tumeurs. En TEP, l’estimation de la concentration plasmatique artérielle d’activité du traceur non métabolisé (nommée « fonction d’entrée ») est nécessaire pour l’extraction des paramètres pharmacocinétiques. Ceux-ci permettent de quantifier le comportement du traceur dans les tissus, ou plus précisément le traitement du traceur par les tissus. Cette thèse constitue une contribution à l’étude de la fonction d’entrée, par l’élaboration d’une méthode d’estimation de la fonction d’entrée peu invasive à partir des images TEP et de prélèvements veineux. L’exemple du traceur FDG (analogue du glucose) dans le cerveau humain a été choisi. La méthode proposée repose sur la modélisation compartimentale de l’organisme : elle déconvolue le modèle à trois compartiments utilisé pour le FDG. L’originalité de la méthode repose sur trois points : l’utilisation d’un grand nombre de régions d’intérêt ; l’utilisation d’un grand nombre de jeux de trois régions d’intérêt différentes; une estimation itérative. Pour la validation de la méthode, un soin particulier a été porté à la simulation d’images TEP (simulation d’acquisition, reconstruction, corrections) de plus en plus réalistes, depuis une image simple simulée avec un simulateur analytique jusqu’à une image la plus proche possible de la réalité, simulée avec simulateur Monte-Carlo. Une chaîne de pré-traitement (segmentation des IRM associés, recalage entre images TEP et IRM et correction de l’effet de volume partiel par une variante de la méthode de Rousset) a ensuite été appliquée à ces images afin d’extraire les cinétiques des régions d’intérêt, données d’entrée de la méthode d’estimation de la fonction d’entrée. L’évaluation de la méthode sur différentes données, simulées et réelles, est présentée, ainsi que l’étude de la sensibilité de la méthode à différents facteurs tels que les erreurs de segmentation, de recalage, de mesure de l’activité des prélèvements sanguins. / Positron Emission Tomography (PET) is a method of functional imaging, used in particular for drug development and tumor imaging. In PET, the estimation of the arterial plasmatic activity concentration of the non-metabolized compound (the "input function") is necessary for the extraction of the pharmacokinetic parameters. These parameters enable the quantification of the compound dynamics in the tissues. This PhD thesis contributes to the study of the input function by the development of a minimally invasive method to estimate the input function. This method uses the PET image and a few blood samples. In this work, the example of the FDG tracer is chosen. The proposed method relies on compartmental modeling: it deconvoluates the three-compartment-model. The originality of the method consists in using a large number of regions of interest (ROIs), a large number of sets of three ROIs, and an iterative process. To validate the method, simulations of PET images of increasing complexity have been performed, from a simple image simulated with an analytic simulator to a complex image simulated with a Monte-Carlo simulator. After simulation of the acquisition, reconstruction and corrections, the images were segmented (through segmentation of an IRM image and registration between PET and IRM images) and corrected for partial volume effect by a variant of Rousset’s method, to obtain the kinetics in the ROIs, which are the input data of the estimation method. The evaluation of the method on simulated and real data is presented, as well as a study of the method robustness to different error sources, for example in the segmentation, in the registration or in the activity of the used blood samples.

Avec la performance thermique croissante des bâtiments, les codes de simulation utilisés en conception requièrent des données de plus en plus précises sur les matériaux de construction. De plus, l’utilisation de matériaux biosourcés qui sont hygroscopiques (leur teneur en eau s’équilibre avec l’air humide ambiant) est en pleine expansion. Leur conductivité thermique et leur diffusivité massique doivent ainsi être caractérisées précisément. Un facteur essentiel affectant ces propriétés est la microstructure des matériaux. Ce travail de thèse propose de prédire les propriétés macroscopiques d’épicéa et de panneaux de fibres de bois (matériaux hétérogènes et anisotropes) à partir de leur morphologie réelle 3D. Celle-ci est obtenue par micro-tomographie synchrotron aux rayons X, outil très performant pour caractériser la structure interne d’un matériau de façon non destructive. Un traitement d’images permet de segmenter les phases solide et gazeuse. La méthode numérique choisie pour modéliser la diffusion de chaleur et de masse est la méthode Lattice Boltzmann car elle est simple à implémenter et à paralléliser et qu’elle peut facilement traiter des morphologies complexes. Les conductivités thermiques et diffusivités massiques équivalentes sont calculées dans trois directions orthogonales pour chaque matériau. Les résultats mettent en évidence l’influence de la structure interne et la forte anisotropie des matériaux étudiés (rapport 2 entre les directions tangentielle et longitudinale du bois en thermique et 30 en massique). La conductivité thermique transversale du panneau léger est de 0,04 W m−1 K−1. / As thermal performance of buildings is increasing, the simulation codes used during design require more accurate construction material data. Moreover, the use of bio-based materials which are hygroscopic (their moisture content balances with the ambient moist air) is booming. Their thermal conductivity and mass diffusivity must therefore be accurately characterized. A key factor affecting these properties is the microstructure of the materials. This work is dedicated to the prediction of macroscopic properties of spruce and fibreboards (heterogeneous and anisotropic materials) from their real 3D morphology. This is obtained by synchrotron X-ray microtomography, a powerful and nondestructive technique to characterize the internal structure of materials. Image processing allows the segmentation of the solid and gaseous phases. To model heat and mass diffusion, we choose the Lattice Boltzmann method because of its simple numerical development, suitability for parallel computing and easy processing of complex morphologies. The equivalent thermal conductivity and mass diffusivity are calculated in three orthogonal directions for each material. The results highlight the influence of the internal structure and the strong anisotropy of the materials studied (ratio of 2 between tangential and longitudinal directions of wood for heat diffusion and of 30 for mass diffusion). The transverse thermal conductivity of the lightweight board is about 0,04 W m−1 K−1.

Cette thèse presente des travaux et résultats d'expériences de fracturation dont l'origine est une génération interne de fluides induite par des réactions chimiques dans des échantillons de roches et des matériaux analogues. Les deux premiers articles portent sur une expérience avec des échantillons de schistes imagés par tomographie aux rayons X au cours du temps. Le premier article décrit la formation de fractures créées par l'augmentation de pression induite par la décomposition de matière organique lorsque les schistes sont chauffés. Le deuxième article porte sur la procédure expérimentale et l'analyse d'images, utilisées pour obtenir les résultats du premier article. Les deux autres articles concernent la fracturation d'une couche de gélatine contenant de la levure et du sucre, ce qui génère du CO2. Le troisième article décrit le mécanisme de formation d'un réseau de fractures au cours du drainage du CO2 contenu dans la gélatine. Le quatrième article concerne l'évolution du réseau de fractures au cours de ce drainage, ainsi que les mécanismes d'ouverture et fermeture des fractures. Le dernier article porte sur une étude par tomographie aux rayons X de la distribution de porosité d'échantillons endommagés d'andésite. Les méthodes développées dans ce projet peuvent s'appliquer à la déshydratation de sédiments, la formation de volcans de boue, l'exploration d'hydrates de méthane, la séquestration de CO2 et la fracturation de réservoirs non conventionnels. / This thesis presents the experimental work and the results on fracturing of rock samples and analogue materials due to internal fluid generation during chemical reaction. The first two papers concentrate on time-resolved 3D X-ray imaging experiment on organic-rich shale samples. Paper 1 describes fracture formation due to hydrocarbon generation in the shale induced by organic matter decomposition during heating. Paper 2 gives an overview of the experimental procedure and image analysis workflow, which were used to obtain results presented in the first paper. The other two papers are focused on fracturing of gelatin mixed with yeast and sugar, which generates CO2. Paper 3 describes the mechanism of fracture network formation during draining of CO2 out of a gelatine layer. Paper 4 focuses on the temporal evolution of the drainage network and the mechanism of fracture opening and closing. The last paper presents a study in which X-ray microtomography was used to characterize porosity distribution in weathered andesite samples. The scientific methods developed in this project have potential application in studying dehydration of sediments, formation of mud volcanoes, methane hydrate exploration and assessment, geological sequestration of carbon dioxide CO2 and hydraulic fracturing of unconventional reservoirs.

L'objectif de cette thèse est de construire un modèle d'atténuation sismique du manteau supérieur dela Terre en utilisant un jeu de données original construit par Debayle et Ricard (2012). Ce jeu dedonnées est l'un des plus complet au monde (plus de 375 000 sismogrammes analysés pour extrairel'atténuation et la vitesse de phase du mode fondamental et des cinq premiers harmoniques des ondesde Rayleigh).Les mesures d'atténuation sont tout d'abord traitées pour extraire les effets de l'expansion géométriqueet de la focalisation, minimiser les effets d'erreurs sur la source, écarter les mesures incertaines etregrouper les mesures redondantes. Elles sont ensuite régionalisées pour obtenir des cartes desvariations latérales de l'atténuation des ondes de Rayleigh pour chaque mode et chaque période. Ladernière étape est l'inversion en profondeur des cartes. Elle permet d'obtenir QsADR17, un modèle 3Dde l'atténuation des ondes S dans le manteau supérieur.QsADR17 est corrélé avec la tectonique de surface jusqu'à 200 km de profondeur, avec une faibleatténuation sous les continents et une forte atténuation sous les océans. Des anomalies de forteatténuation sont observées jusqu'à 150~km de profondeur sous les rides océaniques, et persistent à plusgrande profondeur jusque dans la zone de transition sous la plupart des points chauds. La présence delarges anomalies atténuantes situées à 150 km de profondeur sous l'océan Pacifique suggère queplusieurs panaches thermiques viennent s'étaler dans l'asthénosphère. Nous avons également détecté laprésence d'hétérogénéités de composition à la base des cratons et dans un certain nombre de régionsactives. / The aim of this study is to build a 3-D attenuation model of Earth's upper-mantle using a unique datasetbuilt by Debayle & Ricard (2012). This dataset is among the largest in the world: more than 375,000seismograms were analyzed to extract Rayleigh-wave attenuation and velocity measurements for thefondamental mode and the five first harmonics between 40 and 240 s periods.First, attenuation measurements are processed to extract the effects of geometrical attenuation and offocusing and defocusing, in order to minimize the influence of errors on the seismic source, to avoidpotentially incorrect data, and to cluster redondant measurements. Then, measurements are regionalizedto obtain Rayleigh-wave maps for each mode and each period. The last step is the inversion of thesemaps to obtain the depth dependent attenuation. Eventually, we obtain QsADR17, a 3-D model of Swaveattenuation in the upper mantle.QsADR17 is correlated with surface tectonics down to 200 km depth, with low attenuation under thecontinents and high attenuation under the oceans. High-attenuation anomalies are found under oceanicridges down to 150~km depth, and under most of the hotspots at larger depth down to the transitionzone. A large high-attenuation anomaly at 150~km depth under the Pacific ocean suggest that thermalplumes pound into the asthenosphere. We also detect compositional heterogeneities at the base of thecratons and in active areas.