München, Techn. Univ., Diss., 2003.

München, Techn. Univ., Diss., 2002.

Universiẗat, Diss., 2005--Karlsruhe.

Thesis (doctoral)--Technische Hochschule, Aachen, 1999.

L'estimation des pertes de précontrainte liées aux déformations différées des bétons est un sujet d'intérêt pour la maintenance à long terme d'ouvrages de génie civil tels que les enceintes de confinement des centrales nucléaires. L'objectif de ce travail de doctorat est d'améliorer la prise en compte des particularités morphologiques de la microstructure des bétons pour estimer le comportement à long terme des bétons précontraints. Cette étude est limitée au cadre de la mécanique des matériaux et à la théorie de l'homogénéisation : le béton y est décrit comme un matériau composite constitué de granulats élastiques enchâssés dans une matrice cimentaire viscoélastique linéaire vieillissante. Les outils novateurs mis en œuvre sont la tomographie par rayons X et la simulation numérique 3D.On distingue sur les images de tomographie les granulats, la matrice cimentaire et l'air occlus. Mais l'extraction de données morphologiques de ces images est une tâche difficile à systématiser. En revanche, la construction numérique de microstructures matrice-inclusions et la simulation numérique 3D en viscoélasticité linéaire se sont montrées assez robustes pour permettre l'étude de l'influence de paramètres morphologiques (fraction volumique, granulométrie et forme des inclusions) sur le comportement macroscopique estimé. Le schéma d'homogénéisation semi-analytique de Sanahuja dédié aux matériaux composites viscoélastiques linéaires vieillissants a été étendu aux cas d'inclusions ellipsoïdales pour étudier l'influence du rapport d'aspect des inclusions sur le comportement viscoélastique vieillissant d'un béton. Les estimations du comportement macroscopique par les simulations numériques 3D restent proches de celles obtenues par les schémas d'homogénéisation semi-analytiques. Ainsi, il reste difficile d'expliquer la dispersion des résultats expérimentaux de Granger par l'homogénéisation, dans la mesure où les bétons de Granger ont des formulations similaires. Enfin, les simulations numériques 3D permettent l'estimation des contraintes dans la matrice cimentaire lorsque l'on impose à un échantillon de béton une histoire de chargement similaire à celle rencontrée sur les ouvrages / Prestress losses due to creep of concrete is a matter of interest for long term operations of containment buildings. In the present study, the time-dependent strains of concretes are estimated starting from morphological details of the microstructure. X-ray tomography provide a new way to spot such details and 3D numerical simulations are performed to estimate the time-dependent strains. Concrete is described as a composite material made of aggregates embedded in a cementitious matrix. On X-ray tomography images, aggregates can be separated from the cementitious matrix and entrained air. But extracting morphological parameters remains a difficult task. Nevertheless, building numerical matrix-inclusion microstructures and performing 3D numerical simulations proved a reliable way to estimate the influence of morphological features such as a the volume fraction of aggregates or the sieve curve on the time-dependent strains of concretes. Moreover, the semi-analytic homogenization scheme of Sanahuja dedicated to linear aging viscoelastic composite materials has been extended to the case of ellipsoidal inclusions to study the influence of the aspect ratio of the aggregates on the time-dependent strains of concretes.3D numerical estimates of the overall time-dependent behavior of concrete are similar to the ones produced by semi-analytical homogenization schemes. Hence, explaining the differences between the experimental measurements of the time-dependent strains of concretes performed by Granger remains challenging given the similarities between their mix designs. Lastly, 3D numerical simulations are performed on a sample of concrete to estimate the local stress in the cementitious matrix, the history of loading being representative of the one experienced in a containment building

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du développement d’outils métrologiques avancés pour la mécanique des fluides, et en particulier pour les souffleries. La Background Oriented Schlieren (BOS) 3D, développée à l’ONERA, est une technique qui exploite la déviation des rayons lumineux par un milieu non homogène pour mesurer la masse volumique. Elle consiste à comparer l’image de référence d’un fond texturé avec l’image de ce même fond en présence d’un écoulement. La corrélation entre ces deux images permet de calculer la déviation des rayons lumineux. En réalisant une acquisition simultanée à partir de différents points de vue, il est possible de reconstruire le champ de masse volumique associé, par résolution d’un problème inverse. Afin de poursuivre le développement de la technique, nous avons tout d’abord développé une chaîne de traitement plus systématique puis amélioré la robustesse de notre algorithme de reconstruction. Après avoir réalisé une validation sur des données de synthèse, nous avons mise en œuvre notre méthode sur un banc d’essais comportant 12 caméras. Par la suite, la technique a été déployée pour la première fois en soufflerie sur un jet chaud subsonique. Lors de cette campagne, elle a été validée par comparaison avec des mesures de température. Des acquisitions couplées BOS 3D et stéréo PIV ont également été effectuées. Une démonstration à l’échelle d’une soufflerie industrielle a ensuite été réalisée dans la soufflerie S1MAde l’ONERA. Les problématiques rencontrées sur les écoulements compressibles lors de ces essais ont ensuite conduit à étudier de manière plus approfondie les écoulements présentant de forts gradients d’indice optique. Un banc de mesure BOS 3D a été conçu en laboratoire afin d’optimiser la mesure d’un jet sous-détendu. Sur cette configuration, de très bon accords ont été obtenus avec la littérature ainsi qu’avec une simulation DES. A travers cette étude, nous avons étendu le domaine d’application de la BOS 3D aux écoulements compressibles et démontré son utilisation en soufflerie. La qualité des résultats obtenus démontre le potentiel offert par la technique pour l’analyse physique des écoulements. / This PhD work is part of the development of advanced metrological tools for fluid dynamics, especially for wind tunnel applications. 3D Background Oriented Schlieren (BOS), which has been developed at ONERA, is a line-of-sight technique which takes advantage of light rays deviation through an inhomogenous index media to measure density. It consisted in comparing a reference image of a textured background with the image of the background with the flow in presence. Image correlation can then be used to compute light rays deviations. Performing such acquisition from multiple view points, allows to reconstruct the corresponding density field, by solving an inverse problem. In order to pursue the technique development, we first elaborate a systematic processing chain and improved the robustness of the reconstruction algorithm. After validating our method on synthetic data, we applied it on a 3DBOS bench equipped with 12 cameras. Thereafter, the technique has been set up for the first time in a wind tunnel environment, on a subsonic hot jet configuration. During this test campaign, the technique has been validated via thermocouples measurements.Moreover, 3DBOS and stereo-PIV coupled acquisitions have been performed. Thereafter, a demonstration in industrial wind tunnel has been performed in ONERA S1MA facility. Compressible flows issues encountered during those tests lead us to finer analysis high density gradient flows. A 3DBOS test bench has been built in laboratory in order to optimize underexpanded jet measurements. On this specific configuration, very good agreements have bee obtained in comparison with literature and with a DES simulation. This study has allowed the extension of 3DBOS application domain to compressible flows and it has demonstrated its use in a wind tunnel environment. The quality of the results highlights the technique potential for flows physical investigation.

La Tomographie Calculée (CT) est une technique non-invasive permettant de fournir des images de toutes les parties du corps humain sans superposition des structures adjacentes. Cette technique se base sur l'absorption de rayon X et permet la reconstruction d'images du corps humain. Les mesures avec CT à rayons X sont soumises à de nombreuses imperfections ou d'artefacts d'images qui comportent : bruit quantique, diffusion des rayons X par le patient, et des effets non linéaires de volume. Le traitement d'image est un outil indispensable pour améliorer le contraste et extraire d'une manière automatique les régions d'intérêts. L'analyse des données d'images CT est une aide à la décision pour l'apparition d'un cancer en phase naissante. La segmentation automatique de la tomographie calculée (CT) est une étape importante pour la chirurgie assistée qui requière à la fois une grande précision et une interaction minimale de l'utilisateur. Les tentatives d'utilisations de la segmentation, comprenant le seuillage (global et optimal), le filtrage, la segmentation par région de type watershead, et l'approche basée sur les contours actifs, ne sont pas pleinement satisfaisantes. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux techniques d'extraction automatique des régions représentant les zones cancéreuses dans des images obtenues par la CT. Un nouvel algorithme basé sur la programmation dynamique, est proposé pour l'ajustement automatique des paramètres des contours actifs. Dans notre nouvelle approche, nous utilisons l'entropie pour l'estimation des paramètres alpha et beta de l'énergie interne. Pour obtenir des images pour l'identification des régions malignes, qui soient de meilleure qualité en terme de contraste, nous avons utilisé la fusion d'images à partir de la Transformée en ondelettes. Toutes ces méthodes ont été implémentées sous forme de plugins dans le logiciel GIMP. / Computed Tomography (CT) is a non-invasive technique which provides images of the human body without superposing adjacent structures. This technique is based on the absorption of X-rays by the human body. Analysis from X-ray absorption is subject to a variety of imperfections and image artifacts including quantum noise, X-rays scattered by the patient (absorptive environment), beam hardening, and nonlinear volume effects. Image processing is a crucial tool for contrast enhancement and region analysis. Analysis of CT images is a decision-making tool for cancer formation at an incipient phase. Segmentation of computed tomography (CT) images is an important step in image-guided surgery that requires both high accuracy and minimal user interaction. Previous attempts include thresholding (global and optimal), region growing (region competition, watershed segmentation), edge tracing, and parametric active contour (AC) approaches for segmentation, are not fully satisfying. In this dissertation we have been interested in the CT image processing methods to detect and analyze cancerous regions in phase II and III. A new algorithm, which hinges on dynamic programming, has been proposed for automatically extracting region of interest using adapted active contours. In our new approach, Entropy is used to estimate the parameters alpha and beta of the active contour internal energy. In order to enhance the image quality in terms of contrast and to understand more the regions of interest, image fusion is used. Image fusion is a process of combining multiple images into a single image containing more relevant information. We use Wavelet Transform and a specific Fusion Rule to identify and select relevant information of the process. All these methods have been implemented as plugins in GIMP software.

La tomographie de fluorescence est une méthode d'imagerie préclinique et clinique permettant de localiser des traceurs fluorescents préalablement injectés ou naturellement présents dans un organisme vivant. Ce travail de thèse à consisté, dans un premier temps, à définir l'architecture et les conditions d'utilisation optimales d'un tomographe de fluorescence continu appliqué à l'observation de tissus de faible épaisseur. On s'est en particulier attaché à traiter le problème de l'observation de tissus hétérogènes et d'organes fortement absorbants. Dans un deuxième temps, pour observer des tissus de plus grande épaisseur, nous avons montré l'apport de la mesure du temps de vol moyen des photons pour améliorer la localisation d'inclusions fluorescentes. Les performances de deux types de systèmes capables de réaliser ce type de mesure ont été comparées et nous avons proposé un protocole permettant d'en optimiser les principaux paramètres. Notre procédé a été appliqué à la problématique du guidage de biopsies prostatiques. Il pourra aussi être utilisé pour visualiser d'autres pathologies moyennant une simple adaptation. / Fluorescence tomography is a preclinical and clinical imaging method which aims to localize fluorescent probes injected into a living organism. In this thesis work, we defined the optimal design and parameters of a continuous wave fluorescent tomograph applied to thin tissue observation. We handled the problem of observing heterogeneous and highly absorbing organs. Secondly, we showed the advantage of time of flight measurement for inclusion detection through thicker tissues. The detection performances of two types of system capable of these measurements were compared and we proposed a protocol to optimize their main parameters. This process was applied to the problematic of prostatic biopsy guiding. It would also be used to detect and localize other pathologies by means of a simple adaptation.

Ces travaux de thèse sont motivés par le développement de techniques d’imagerie alternatives pour le diagnostic précoce du cancer du sein. Parmi celles-ci, l’imagerie photoacoustique couple potentiellement les avantages de deux modalités d’imagerie non-invasives, à savoir la quantification de contrastes physiologiques du fait de l’excitation optique et la haute résolution du fait d’un sondage acoustique.Le but de ces travaux est de proposer une modélisation multiondes du phénomène photoacoustique, et d’incorporer ce modèle dans un algorithme de reconstruction efficace pour résoudre le problème inverse. Celui-ci se rapporte à la reconstruction de cartes de propriétés physiques (optique et/ou acoustiques) de l’intérieur du sein. La Méthode des Eléments Finis (MEF) a été retenue pour résoudre l’équation de propagation optique. Pour la résolution de l’équation de propagation acoustique, une méthode semi-analytique, basée sur des calculs par transformées de Fourier (méthod k-space), a été choisie. Pour la résolution du problème inverse, deux approches ont été étudiées : i) un sondage passif, permettant de remonter à la distribution de pression initiale, à l’aide de la méthode de retournement temporel ; ii) un sondage actif, où l’on interroge le milieu sélectivement sous différentes excitations, permettant de remonter quantitativement aux propriétés optiques du milieu. On appelle cette dernière approche Tomographie PhotoAcoustique Quantitative (TPAQ). Une étude spécifique sur le protocole d’illumination/détection a été conduite, prenant également en compte les contraintes expérimentales. / The present work was motivated by the development of alternative imaging techniques for breast cancer early diagnosis, that is photoacoustic imaging, which potentially couples the merits of optical imaging and ultrasound imaging, that is high optical functional contrasts brought by optical probing and high spatial resolution by ultrasound detection. Our work aims at modeling the photoacoustic multiwave phenomenon and incorporate it in an efficient reconstruction algorithm to solve the inverse problem. The inverse problem consists in the recovery of interior maps of physical properties of the breast. The forward model couples optical and acoustic propagations. The Finite Element Method (FEM) was chosen for solving the optical propagation equation, while a semi-analytical method based on Fourier transforms calculations (k-space method) was preferred for solving the acoustic propagation equation. For the inverse model, time reversal method was adopted to reconstruct the initial pressure distribution, an active approach of the inverse problem was also achieved, which decoupled the optical properties from measured photoacoustic pressure, this approach is called quantitative photoacoustic tomography (QPAT), in this approach, illumination/detection protocol was studied, and the experimental set up is also take into consideration. In the last step, photoacoustic pressure measurements obtained from experiment and simulation are studied and compared.

Les hautes pressions sont précieuses à plusieurs disciplines scientifiques. Ce sera le cas dans cette thèse avec le développement d'un nouvel appareil permettant des possibilités inédites de tomographie et de déformation sous haute pression et haute température. Il apporte la possibilité de nouvelles études scientifiques dans les différents champs disciplinaires que sont les sciences de la Terre, la chimie mécanique, la physique des matériaux et la physique des liquides. / High pressures are essential in several scientific field. This will be the case in this thesis with the development of a new device enabling new possibilities tomography and deformation under high pressure and high temperature. It brings the possibility of further scientific studies in the various disciplines that are Earth science, mechanical chemistry, physics of materials and liquids physics.