Les ``C-arm'' sont des systémes de radiologie interventionnelle fréquemment utilisés en salle d'opération ou au lit du patient. Des images 3D des structures anatomiques internes peuvent être calculées à partir de multiples radiographies acquises sur un ``C-arm mobile'' et isocentrique décrivant une trajectoire généralement circulaire autour du patient. Pour cela, la géométrie conique d'acquisition de chaque radiographie doit être précisément connue. Malheureusement, les C-arm se déforment en général au cours de la trajectoire. De plus leur motorisation engendre des oscillations non reproductibles. Ils doivent donc être calibrés au cours de l'acquisition. Ma thèse concerne la calibration intrinsèque d'un C-arm à partir de la détection de la projection du collimateur de la source dans les radiographies.Nous avons développé une méthode de détection de la projection des bords linéaires du collimateur. Elle surpasse les méthodes classiques comme le filtre de Canny sur données simulées ou réelles. La précision que nous obtenons sur l'angle et la position (phi,s) des droites est de l'ordre de: phi{RMS}=+/- 0.0045 degrees et s{RMS}=+/- 1.67 pixels. Nous avons évalué nos méthodes et les avons comparés à des méthodes classiques de calibration dans le cadre de la reconstruction 3D. / Mobile isocentric x-ray C-arm systems are an imaging tool used during a variety of interventional and image guided procedures. Three-dimensional images can be produced from multiple projection images of a patient or object as the C-arm rotates around the isocenter provided the C-arm geometry is known. Due to gravity affects and mechanical instabilities the C-arm source and detector geometry undergo significant non-ideal and possibly non reproducible deformation which requires a process of geometric calibration. This research investigates the use of the projection of the slightly closed x-ray tube collimator edges in the image field of view to provide the online intrinsic calibration of C-arm systems.A method of thick straight edge detection has been developed which outperforms the commonly used Canny filter edge detection technique in both simulation and real data investigations. This edge detection technique has exhibited excellent precision in detection of the edge angles and positions, (phi,s), in the presence of simulated C-arm deformation and image noise: phi{RMS} = +/- 0.0045 degrees and s{RMS} = +/- 1.67 pixels. Following this, the C-arm intrinsic calibration, by means of accurate edge detection, has been evaluated in the framework of 3D image reconstruction.

Une étude expérimentale systématique de la formation des microstructures de solidification d’alliages métalliques (Al-Cu) a été effectuée par application de la radiographie X synchrotron. La radiographie X-Synchrotron nous a donné accès à des observations in situ et en temps réel qui nous ont permis d’analyser de manière quantitative les phénomènes physiques impliqués au cours de la solidification (vitesse de croissance, redistribution du soluté, interaction entre grains équiaxes etc.). Elle nous a également permis de mettre en évidence l’influence de la convection naturelle et de la gravité sur ces différents paramètres physiques et par conséquent sur la formation de la microstructure de solidification. Nous avons comparé nos résultats expérimentaux avec des modèles de prédiction de la croissance dendritique et ensuite avons montré l’intérêt des expériences en microgravité. Nous avons enfin effectué des séries de tests du dispositif expérimental conçu et développé par SSC (Swedish Space Corporation) dans le cadre du projet XRMON (In situ X-Ray MONitoring of advanced metallurgical processes under microgravity and terrestrial conditions) de l'ESA-MAP en vue d’une expérience in situ et en temps réel de solidification en microgravité à bord d’une fusée sonde Maser12. Cette expérience prévue en Novembre 2011. Les résultats obtenus lors des séries de tests valident le dit dispositif en termes de comportement thermique et d’imagerie X par radiographie. / A systematic experimental study of the formation of solidification microstructures of metallic alloys (Al-Cu) was carried out by the application of synchrotron X-ray radiography. Synchrotron X-ray radiography gave access to in situ and real time observations which allowed us to quantitatively analyze the dynamical physical parameters involved in the solidification process (growth rate, solute redistribution, equiaxed grain interaction etc). It also allowed to show the influence of natural convection and gravity on these various physical parameters and consequently on the formation of the solidification microstructures. Our experimental results were compared with models predictions of the dendritic growth and the necessity of microgravity solidification experiments was evidenced. Finally series of tests were carried out on the experimental setup designed by the Swedish Space Corporation (SSC) in the framework of the project XRMON (In situ X-Ray MONitoring of advanced metallurgical processes under microgravity and terrestrial conditions) of ESA-MAP for in situ and real time solidification experiments under microgravity conditions on board a sounding rocket Maser12. Maser12 mission is scheduled for November 2011. The tests results validated the experimental setup in term of imaging and thermal behaviour.

Le transport de l'énergie dans le cadre du schéma d'allumage rapide pour la Fusion par Confinement Inertiel (FCI) se fait au moyen d'électrons relativistes ou d'ions rapides. Le transport des particules et le processus de dépôt d'énergie induisent une physique complexe dont la description détaillée requiert des calculs cinétiques multidimensionnels précis. Exigeant en ressources informatiques, ces modules de transport cinétiques sont peut compatibles avec les soucis d'efficacité des utilisateurs de codes hydrodynamiques.Un des enjeux actuels consiste à développer méthodes efficaces qui rendent compte des principales caractéristiques du processus de transport cinétique et qui soient suffisamment rapides pour être couplées à un calcul intégré d'assemblage de combustible et de combustion. J'ai étudié dans ce travail deux modèles de transport de particules chargées, qui tendent à répondre à ces besoins. Le premier modèle (Trumpet) est une extension à deux dimensions d'un modèle simplifié considérant un angle de diffusion moyen. Le second modèle (M1) est une simplification des équations de Fokker Planck basée sur une fermeture angulaire respectant le principe de minimisation d'entropie.Ces deux modèles ont été implémentés et intégrés dans le code hydrodynamique du CELIA (CHIC). Après avoir étudié les avantages et les limites de ces modèles, je les ai appliqué au calcul de dépôt d'ions énergétiques dans une cible compressée. Nous avons modélisé un diagnostic d'imagerie protonique d'une expérience de compression d'un cylindre par laser et analysé l'allumage d'une cible par des ions de deutérium tritium et de carbone accélérés au moyen d'impulsions ultra intense. / The energy transport in the Fast Ignition scheme within the framework of Inertial Confinement Fusion (ICF) is done by means of energetic charged particles, relativistic electrons or fast ions. The particle transport and energy deposition process is rather complicated and its detailed description requires large scale kinetic multidimensional calculations. These codes are CPU time consuming and cannot be easily implemented in radiation hydrodynamic codes that describe the fuel assembly, resulting energy deposition and the combustion. Reduced methods are needed that account for the main features of the kinetic transport process and are sufficiently fast and efficient to be introduced directly in an hydrodynamic module. We have developed two reduced models of charged particles transport, suitable for integration in hydro-codes. The first model, called Trumpet, is a two-dimensional extension of a simplified 1D model for the average scattering angle. The second model called M1 is a simplification of the Fokker Planck equation, based one the angular closure respecting the minimum entropy principle. These two models have been integrated in the CELIA hydrodynamic code (CHIC). After considering the advantages and limitations of these models, we used them to calculate the ion energy deposition in a compressed target. We have modelled the protonic radiography of a cylindrical laser-driven impulsion, and analyse a new fast ignition scheme with fast deuterium tritium and carbon ions accelerated by laser.

La radiographie X synchrotron ou avec une source microfocus a été appliquée pour étudier différents phénomènes dépendants du temps en relation avec la solidification directionnelle d'alliages Al-Cu. Les effets de la gravité ont été étudiés par comparaison d'expériences sur Terre et en microgravité dans le cadre du projet ESA-MAP XRMON. Les mouvements des fragments sont le sujet majeur de notre étude. Sur Terre, le mouvement des fragments est imposé par la poussée d'Archimède, avec une forte influence des effets de paroi et de la morphologie du fragment, alors qu'en microgravité, la force motrice pour le mouvement des fragments est l'écoulement du fluide interdendritique induit par la contraction du solide. L'effet d'un champ magnétique permanent sur la solidification des grains équiaxes dans un gradient de température a été également étudié. Nous avons montré qu'un couplage entre le gradient de température et le champ magnétique donne naissance à une force Thermo-électromagnétique qui agit sur les grains solides. Une bonne description a été obtenue en utilisant un modèle analytique pour une particule sphérique. Enfin, nous avons étudié l'évolution d'une zone pâteuse dans un gradient de température fixe. Trois régimes successifs ont été identifiés, suivant l'intensité de la diffusion du soluté dans la zone pâteuse et dans le bain fondu. L'analyse quantitative des radiographies par traitement d'image a clarifié le rôle de chaque phénomène de diffusion (TGZM, fermeture des canaux, murissement et diffusion du soluté dans le bain fondu). / X-ray radiography with synchrotron and microfocus sources was applied to investigate various time-dependent phenomena related to directional solidification of Al-Cu alloys. Gravity effects were investigated by a comparative study of ground and microgravity experiments in the framework of ESA-MAP XRMON project. Fragment motion was the major subject of our investigation. On Earth, fragmentation motion was imposed by buoyancy, with a strong dependency on wall influence and fragment morphology, whereas in microgravity conditions, the driving force for fragment motion is the interdendritic fluid flow induced by the solid shrinkage. The effect of a permanent magnetic field on the solidification of equiaxed grains in a temperature gradient was also studied. We have shown that a coupling between the temperature gradient and the magnetic field gives birth to a Thermo-Electro-Magnetic force that acts on the solid grains. A good description was obtained by using an analytical model for a spherical particle. Finally we studied the evolution of the mushy zone in a fixed temperature gradient. Three successive regimes were identified, depending on the relative magnitude of solute diffusion in the mushy zone and in the bulk liquid. Quantitative analysis of radiographs by image processing enlightened the role of each diffusion phenomena (TGZM, channel closure, coarsening and solute diffusion in the bulk liquid).

L'objectif de ce travail était de rendre compte d'une revue complète de la littérature comparant les différentes méthodes et techniques de mesure de la pente tibiale par la radiographie conventionnelle, le scanner et l'IRM pour aider les chirurgiens orthopédistes à établir une méthode de mesure standardisée et fiable. Le travail inclut aussi deux études rétrospectives mesurant la pente tibiale en utilisant des modalités différentes. Il a été rapporté que la pente tibiale postérieure (PTS) a une influence sur la cinématique du genou notamment le ligament croisé antérieur (LCA). Une meilleure compréhension de la signification de la PTS pourrait améliorer le développement du dépistage des lésions du LCA, et les programmes de prévention, et pourrait servir de base pour des programmes de réadaptation individuels adaptés après la reconstruction du LCA. De plus, dans plusieurs interventions orthopédiques telle que l'ostéotomie tibiale haute, la pente tibiale peut modifier la mécanique du genou. Dès lors, une mesure préopératoire exacte de la pente tibiale postérieure est obligatoire. Plusieurs méthodes sont utilisées sur des radiographies conventionnelles, des scanners et l’IRM, mais jusqu'à présent il n'y a aucune méthode standard validée. La première partie de ce travail consiste en une introduction générale des structures anatomiques d'intérêt impliquées dans cette étude, à savoir l'articulation du genou, les ligaments croisés antérieurs, les ménisques et le tibia. Cette partie d'introduction inclut une description de l'anatomie brute, de la structure microscopique, de la fonction et quelques considérations cliniques. La deuxième partie du travail est consacrée à une revue systématique des modalités et techniques disponibles dans la littérature. Les informations quant aux méthodes de mesure de la pente tibiale chez des sujets normaux et avec LCA-lésé ont été extraites de toutes les études incluses de manière systématique, et ont été classifiées selon la technique de mesure et les modalités utilisées. L'axe le plus utilisé était l'axe tibial anatomique proximal (PTAA), et la méthode Midpoint est la plus fréquemment utilisée pour calculer le PTAA. Les valeurs les plus grandes de la pente tibiale médiale (MTS) et de la pente tibiale latérale (LTS) ont été obtenues en utilisant l'axe du cortex tibial antérieur, tandis que les valeurs les plus faibles ont été obtenues avec l'axe tibial diaphysaire. En comparaison directe, la plus grande valeur de la MTS pour le genou pathologique a été trouvée par les études radiologiques, tandis que les études IRM ont présenté les plus petites valeurs. Par conséquent, pour la LTS, les valeurs IRM étaient plus petites que celles des études par CT. La troisième partie du travail était une étude de cas-contrôle, en utilisant l'IRM; les LTS, MTS et pentes des ménisque interne et externe (LMS, MMS) ont été comparés chez 100 patients avec un LCA-déchiré isolé et chez un groupe témoin de 100 patients avec une douleur patello-fémorale et un LCA intact. La découverte la plus importante de cette étude consiste en ce que les pentes tibiales augmentées, aussi bien osseuse que méniscales, sont des facteurs de risque pour la blessure du LCA. Comme le ménisque a tendance à corriger la pente observée vers l'horizontale, la perte du ménisque postérieur peut potentialiser cet effet en augmentant la pente fonctionnelle. La quatrième partie du travail visait à évaluer les effets des caractéristiques des patients, du délai entre la blessure et l’intervention (TFI) et de la pente tibiale postérieure sur les formes de lésions des ménisques. Chez les 362 patients ayant un LCA-déchiré, le site de la lésion méniscale le plus commun était la corne postérieure (PH) du ménisque médial (MM), suivi par la lésion impliquant le MM entier. L'âge du patient, le BMI (Body Mass Index) et le TFI ont été significativement associés à l'incidence de la lésion du MM... [etc] / The aim of this work was to report a comprehensive literature review comparing the different methods and techniques of measurement of the posterior tibial slope (PTS) among the conventional radiograph, computed tomography (CT), and magnetic resonance imaging (MRI) in order to help the orthopedic surgeons to establish a standard and reliable measurement method. The work also includes two retrospective studies measuring the tibial slope using different modalities. It has been reported that the PTS has an influence on the kinematics of the knee notably the anterior cruciate ligament (ACL). A better understanding of the significance of the PTS could improve the development of ACL injury screening and prevention programmes, and might serve as a basis for individual adapted rehabilitation programmes after ACL reconstruction. Additionally, in several orthopedic interventions such as high tibial osteotomy, the tibial slope can result in altered knee mechanics. Therefore, an exact preoperative measurement of the posterior tibial slope is mandatory. Several methods are used on conventional radiographs, CT and MRI, but until now there is no standard validated method. The first part of this work was a general introduction about the anatomical structures of interest involved in this study, namely the knee joint, the anterior cruciate ligaments, the menisci, and the tibia, this introduction part included the gross anatomy, the microscopic structure, function, and some clinical considerations. The second part of the work is dedicated to a systematic review of the available modalities and techniques in the literature. Information regarding methods of measurement of the tibial slope in normal and ACL-injury subjects was extracted from all the studies in a systematic fashion and classified according to the measurement technique and used modalities. The most common used axis was the proximal tibial anatomical axis (PTAA), and the midpoint method is the most frequently used method for calculating the PTAA. By direct comparison, the greatest value of the medial tibial slope (MTS) for the pathological knee was achieved by the radiological studies, while the MRI studies presented the smallest values. Consequently, for the pathological lateral tibial slope (LTS), the MRI values were smaller than that of the CT studies. The greatest values of the MTS and LTS were obtained by the anterior tibial cortex axis, while the minimum values were achieved by the tibial diaphyseal axis.This third part of the work was a case-control study, by using MRI, the bony slopes as well as the lateral and medial meniscal slopes (LMS, MMS) were compared in 100 patients with isolated ACL injury and a control group of 100 patients with patello-femoral pain and an intact ACL. The most important finding of this study is that the increased tibial slopes, both bony and meniscal, are risk factors for ACL injury. As the meniscus tends to correct the observed slope towards the horizontal, loss of the posterior meniscus may potentiate this effect by increasing the functional slope. The fourth part of the work is aimed to evaluate the effects of the patient characteristics, time from injury (TFI), and PTS on meniscal tear patterns. In the 362 ACL-injured analyzed patients; the most common tear location was the posterior horn (PH) of the medial meniscus (MM), followed by tear involving the whole MM. Patient age, BMI, and TFI were significantly associated with the incidence of MM tear. An increase in the tibial slope, especially of the lateral plateau, seems to increase the risk of tear of the lateral meniscus (LM), and of both menisci

La radiographie éclair par faisceau X intense est spécifique en ce sens qu'elle doit permettre de photographier la matière soumise à des conditions extrêmes de densification, de température et de vitesse de déplacement. Le succès de ce type de radiographie repose sur la qualité de la source X qui doit nécessairement être pénétrante (quelques MeV), intense (plusieurs rads), brève (quelques dizaines de ns) et de petite dimension (quelques mm). L'impulsion X est ainsi générée à partir du rayonnement de freinage émis lors de l'interaction avec une cible en métal d'un faisceau focalisé d'électrons de haute énergie (MeV) et de haute intensité (kA). Ce procédé lie très fortement les propriétés du faisceau d'électrons à ceux du faisceau X et donc à la qualité de la radiographie. Dans ce contexte, la thèse porte sur la compréhension de la dynamique du faisceau dans la diode à l'électron (c'est-à-dire juste avant son entrée dans la ligne accélératrice) ainsi que sur la caractérisation du plasma de velours dont sont issus les électrons qui composent le faisceau. Dans un premier temps, la dynamique du faisceau intense d'électrons a été étudiée à l'aide du code LSP reposant sur la méthode " Particle-In-Cell ". Les simulations réalisées ont été comparées avec des mesures effectuées sur l'injecteur d'un accélérateur linéaire à induction, implanté au CEA Valduc sur l'installation Epure. Grâce au modèle de simulation développé, une nouvelle diode à électrons mono-impulsion a été conçue, dimensionnée et réalisée pendant ce travail de thèse afin d'augmenter l'intensité du faisceau d'électrons de 2,0 kA à 2,6 kA permettant ainsi d'améliorer les performances radiographiques de l'installation. Dans un second temps, un modèle permettant d'étudier les mécanismes mis en jeu dans la production du faisceau d'électrons au niveau de plasma de cathode a été développé. Ce dernier est un modèle collisionnel-radiatif (MCR) 0D qui permet de décrire l'évolution de la densité des espèces d'un plasma dont la composition est directement liée aux molécules et atomes désorbés par la cathode de velours. Trois différents mélanges ont été étudiés impliquant de l'hydrogène, de l'oxygène et du carbone dont les proportions ont été estimées par des mesures LIBS (spectroscopie de plasma induit par laser).[...] / Intense X-ray flash radiography is used to take a stop-action picture of a material under extreme conditions like high densification, high temperature and high movement speed. The success of this kind of radiography is based on the quality of the X-ray source which must necessarily be penetrating (some MeV), intense (several rads), short (a few tens of ns) and small (a few mm). The X-ray pulse is generated from the bremsstrahlung radiation emitted during the interaction with a metal target of a focused electron beam of high energy (MeV) and high intensity (kA). This process strongly links the properties of the electron beam to those of the X-ray beam and thus to the quality of the radiography picture. In this context, the thesis is about the electron beam dynamics in the electron diode (i.e. just before electrons move towards the accelerator) as well as about the characterization of the velvet plasma from which electrons are extracted to form the beam. Firstly, the dynamics of the intense electron beam was studied using the LSP code based on the "Particle-In-Cell" method. The simulations were compared to measurements made on the injector of a linear induction accelerator, at the CEA Valduc center on the Epure facility. Based on the developed simulation model, a new single-pulse electron diode was designed, sized and realized during this thesis to increase the intensity of the electron beam from 2.0 kA to 2.6 kA, thus improving the radiographic performances of the facility. In a second step, a model allowing to study the mechanisms involved in the production of the electron beam from the cathode plasma was developed. This latter is a collisional-radiative model (CRM) 0D describing the evolution of the plasma species density of a plasma whose composition is directly related to the molecules and atoms desorbed by the velvet cathode. [...]