La présence de micropolluants organiques dans l’environnement et notamment le milieu aquatique, est devenue une préoccupation grandissante au cours des années. En effet, les micropolluants sont éliminés de façon variable par les différents systèmes de traitement des eaux. Ainsi, les stations d’épuration constituent une voie majeure de dissémination de ces composés dans l’environnement. Ces substances chimiques doivent être suivis et traités car elles peuvent avoir des effets indésirables sur les organismes une fois rejetées dans l’environnement. La biodégradation étant un des mécanismes de transformation dominant pour les micropolluants, les procédés biologiques, et notamment les procédés hybrides (biomasse libre et fixée), semblent pertinents pour les éliminer efficacement. Dans ce travail, nous nous sommes focalisés sur la biodégradation de la carbamazépine (CBZ), du diclofénac (DCF) et du diuron (DIU) par des microorganismes sélectionnés en utilisant un bioréacteur hybride. La méthodologie proposée a reposé sur la mise en place de tests de biodégradation en batch afin de sélectionner des microorganismes pertinents pour la dégradation des molécules cibles, avant de travailler avec un bioréacteur hybride. Les souches sélectionnées ont permis de dégrader complètement le DCF en moins de 24 heures et ont montré des résultats encourageants en 72 heures pour les autres composés. L’efficacité des souches a ensuite été évaluée sur des bioréacteurs hybrides prototypes sous différentes conditions. Bien que l’élimination du DCF ait été importante en conditions stériles, la cinétique observée était plus faible. La CBZ et le DIU ont quant à eux été faiblement éliminés. / The occurrence of organic micropollutants in the environment and notably in the aquatic bodies has become a growing concern over the years. Indeed, micropollutants are variably eliminated with different wastewater treatment systems. Thus, wastewater treatment plants represent the main transfer pathways for micropollutants to enter the environment. Among these chemical substances present in the environment at very low concentrations, pharmaceutical compounds and pesticides are of a great concern because of their potential adverse effects to ecosystems. Since biodegradation is one of the predominant transformation pathway for micropollutants, biological processes and notably hybrid processes (combining free and supported biomasses), seem relevant to remove them efficiently. In this work, our interest focuses on the biodegradation of carbamazepine, diclofenac, and diuron by selected microorganisms using a hybrid bioreactor. The methodology developed in this work consisted in the implementation of batch degradation experiments in order to select efficient microorganisms able to break down target molecules, before evaluating their efficiency using a hybrid bioreactor. The selected strains allowed degrading completely diclofenac by a co-metabolism process in less than 24 hours, and showed encouraging results in 72 hours for the other compounds. Then, the efficiency of selected strains has been evaluated using hybrid bioreactors prototypes under different conditions. Even though the removal of diclofenac was very high under sterile conditions, the observed kinetic was lower. Carbamazepine and diuron showed low removal.

L'objectif de ce travail de thèse était de tester le textile lumineux en termes de performances photocatalytiques en milieu aqueux. La durabilité des textiles face à une exposition prolongée à une irradiation UVA a été testée. Les tests ont mis en évidence un problème de vieillissement des tissus enduits de TiO2, induisant l'apparition d'une inhomogénéité de l'émission de lumière sur la surface du textile. Un modèle mathématique a été développé afin d'exprimer et de prévoir ce vieillissement en fonction du temps d'exposition aux UVA. Le dépôt d'une couche protectrice de silice a permis de résoudre ce problème de vieillissement. Parallèlement, les textiles lumineux enduits de TiO2 ont été caractérisés. La localisation de SiO2 et TiO2 par MEBE et analyse EDX a été démontrée comme étant homogène sur la surface des fibres optiques, mise à part pour le dépôt de TiO2 P25 localise en amas. La quantité de photocatalyseur déposé sur les textiles ainsi que l'absorbance des dépôts ont été évaluées. L'étude de l'adhérence des dépôts a démontré la stabilité du TiO2. Enfin, les performances photocatalytiques des différents textiles enduits de photocatalyseur ont été testées sur la dégradation de deux polluants modèles, l'acide formique et le phenol, en réacteur ferme. L'étude de la vitesse de dégradation en fonction de la masse de TiO2 a permis de déterminer la masse optimum (environ 2mg cm-2). Des rendements photoniques de l'ordre de 30 à 55% dans le cas de l'acide formique et de 6 à 8% pour le phenol ont été obtenus. Un réacteur pilote plan, ouvert, a permis de confirmer les résultats obtenus et ouvre la voie à une configuration multicouche, en vue d'une application industrielle / The objective of this thesis was to test luminous textiles in terms of photocatalytic performances in aqueous medium. The durability of textile under long-time UVA irradiation was tested. Results showed the aging of luminous textile coated by TiO2, involving an inhomogeneity of light emission on the overall surface of the textile. A mathematical model was developed to express and predict the aging depending on the time of exposure to UVA. Also, a protective layer of silica allows avoiding the optical fiber aging. In parallel, luminous textiles coated by TiO2 were characterized. The location of SiO2 and TiO2 by ESEM and EDX analysis was shown to be uniform over the surface of optical fibers textiles, except for TiO2 P25 coating, located in clusters. The amount of photocatalyst deposited on the textiles, and the absorbance of the coatings were determined. Moreover, the study of coating adhesion demonstrated excellent adhesion and stability of the photocatalyst layer. Finally, the photocatalytic performances of the different TiO2 coatings were tested for degradation of two model pollutants, formic acid and phenol, in batch reactor. The study of the evolution of the degradation rate with the mass of photocatalyst was used to determine the optimum mass of TiO2 (about 2mg cm-2). Photonic yields ranging from 30 to 55% in the case of formic acid and 6 to 8% in the case of phenol were obtained. A continuous plan pilot reactor confirmed the results and opens the way for a multi-layer configuration, for industrial application

L'utilisation des microalgues dans le traitement des eaux usées est de plus en plus étudiée pour intégrer/remplacer les systèmes de traitement actuels permettant d'éliminer les nutriments et autres polluants. Cependant, l’utilisation des microalgues dans le traitement des eaux usées en est principalement au stade de la recherche, par exemple faible élimination des nutriments et croissance de la biomasse des microalgues. Le but de cette thèse était de permettre une élimination efficace des éléments nutritifs et de la matière organique des eaux usées par les microalgues tout en favorisant la production de biomasse de microalgues. C. vulgaris et S. acuminatus ont été cultivés dans des photobioréacteurs discontinus avec des digestats issus de la digestion anaérobie (AD) de boues biologiques de boue de vidange provenant d’une station d’épuration municipale (ADMW) et d’une usine de traitement des eaux usées d’une usine de pâtes et papiers (ADPP). Les rendements d’élimination de l’ammonium étaient supérieurs à 97% lorsque les deux microalgues étaient cultivées séparément dans de l’ADPP. Toutefois, 24 et 44% de l’ammonium ont été retirés de l’ADMW par C. vulgaris et S. acuminatus, respectivement. Les deux microalgues ont efficacement éliminé le phosphate (> 96%), tandis que la couleur (74–80%) et la DCO soluble (27–39%) ont été partiellement éliminées de ADMW et d'ADPP. La plus forte concentration de biomasse de S. acuminatus (7,8 à 10,8 g L-1 VSS) dans l'ADPP figure parmi les rendements les plus élevés signalés pour les microalgues dans les eaux usées réelles. Des rendements de biomasse supérieurs de S. acuminatus ont été obtenus dans de l'ADPP thermophile (10,2 ± 2,2 et 10,8 ± 1,2 g L-1) par rapport à de l'ADPP mésophile prétraité (7,8 ± 0,3 g L-1). En outre, les concentrations les plus élevées en biomasse et en méthane de microalgues ont été obtenues dans le même système intégré de culture de AD et de microalgues. Les concentrations de fer (0,1, 1,0 et 1,9 mg L-1) et de sulfure de soufre (3,7, 20 et 35,8 mg L-1) affectaient davantage l'efficacité de l'élimination de l'azote et la concentration de la biomasse de microalgues davantage dans les ammonium probablement dû à différents mécanismes d'assimilation de microalgues. Dans cette étude, le milieu contenant du nitrate comme source d'azote avec 1,0 mg de L-1 de fer et 35,8 mg de L-1 de sulfate et de soufre a permis d'obtenir la plus forte concentration de biomasse de microalgues. L'effet de la concentration en fer sur l'efficacité d'élimination des nitrates et la croissance des microalgues était plus significatif que la concentration en sulfate, alors que l'effet d'interaction entre le sulfate et le fer n'était pas observé. L'efficacité moyenne d'élimination de l'ammonium (14 à 30%) et la concentration en biomasse de microalgues (0,55 à 1,17 g de POC L-1) dans un photobioréacteur à membrane à flux continu ont été améliorées par addition de zéolite (0,5 g L-1). La zéolite fournissait probablement un habitat pour la croissance attachée de microalgues et une grande disponibilité d'ammonium pour la croissance à la surface de la zéolite en raison de l'adsorption d'ammonium par la zéolite. Une augmentation supplémentaire de la concentration en zéolite (de 0,5 à 1 et 5 g L-1) n’a pas amélioré l’efficacité de l’élimination de l’ammonium ni la concentration de la biomasse, probablement en raison de la turbidité accrue de la solution provoquée par la fragmentation de la zéolite ajoutée en particules plus fines, ce qui a réduit la disponibilité de lumière. Ces travaux ont montré la possibilité d'utiliser des microalgues dans le traitement des eaux usées pour éliminer efficacement les nutriments et les matières organiques, tout en favorisant la croissance des microalgues. La sélection d'espèces de microalgues adaptées aux eaux usées spécifiques pour éliminer les nutriments et les matières organiques est essentielle pour promouvoir les applications de traitement des eaux usées à base d'algues / Use of microalgae in wastewater treatment has been increasingly studied to integrate with or replace the present treatment systems for removal of nutrients and other pollu-tants. The potential advantages of this integration (wastewater treatment and microalgal cultivation) could be simultaneous recovery of nitrogen and phosphorus and the use of produced microalgal biomass as feedstock for e.g. biofuel, fertilizer and/or energy. However, the use of microalgae in wastewater treatment is mainly in research stage due to e.g. low nutrient removal and microalgal biomass growth. The aim of this thesis was to enable efficient nutrient and organic matter removal from wastewaters by mi-croalgae while promoting microalgal biomass production. Chlorella vulgaris and Scenedesmus acuminatus were successfully grown in batch photobioreactors with liquid digestates from anaerobic digestion (AD) of biosludge from a municipal wastewater treatment plant (ADMW) and a pulp and paper mill wastewater treatment plant (ADPP). The final ammonium removal efficiencies were above 97% when cultivating both microalgae separately in ADPP, however, only 24% and 44% of ammonium were removed from ADMW by C. vulgaris and S. acuminatus, respectively. Both microalgae efficiently removed phosphate (>96%), while color (74–80%) and sol-uble COD (27–39%) were partially removed from ADMW and ADPP. The obtained highest S. acuminatus biomass concentration (7.8–10.8 g L-1 VSS) in ADPP is among the highest yields reported for microalgae in real wastewaters. Higher S. acuminatus biomass yields were obtained in thermophilic ADPP (without and with pretreatment prior to AD: 10.2±2.2 and 10.8±1.2 g L-1, respectively) than in pretreated mesophilic ADPP (7.8±0.3 g L-1). In addition, the highest microalgal biomass concentration and methane yields were obtained in the same integrated AD and microalgal culti-vation system (thermophilic AD with pretreatment).The iron (0.1, 1.0, and 1.9 mg L-1) and sulfate-sulfur (3.7, 20, and 35.8 mg L-1) concen-trations were found to affect nitrogen removal efficiency and microalgal biomass con-centration more in the media with nitrate than with ammonium, probably due to different microalgal assimilation mechanisms for nitrate and ammonium. In this study, synthetic medium with nitrate as nitrogen source with 1.0 mg L-1 iron and 35.8 mg L-1 sulfate-sulfur enabled the highest microalgal biomass concentration. The effect of iron concentration on nitrate removal efficiency and microalgal growth was more significant than that of sulfate concentration, while the interaction effect between sulfate and iron was not observed. The average ammonium removal efficiency (14 to 30%) and microalgal biomass con-centration (0.55 to 1.17 g particulate organic carbon per L) in continuous-flow mem-brane photobioreactor were promoted by adding a low concentration of zeolite (0.5 g L-1). The zeolite likely provided a habitat for attached growth of microalgae and high availability of ammonium for growth on the surface of the zeolite due to ammonium adsorption to zeolite. Further increase in zeolite concentration (from 0.5 to 1 and 5 g L-1) did not improve ammonium removal efficiency or biomass concentration. This was likely due to the increased solution turbidity caused by breaking apart of added zeolite particles into finer particles, which reduced light availability.In summary, this work showed the possibility of utilizing microalgae in wastewater treatment to efficiently remove nutrients and organic matter, and simultaneously pro-mote microalgal growth. Selecting suitable microalgal species for the specific wastewater to remove nutrients and organic matter is essential to promote algae-based wastewater treatment applications

Les moteurs traditionnels offrent à l'utilisateur des résultats de plus en plus pertinents, mais, dans la plupart des cas, les résultats similaires ont tendance à se regrouper. L'utilisateur peut être intéressé pour retrouver des documents qui soient certes tous pertinents par rapport à sa requête, mais aussi qui soient différents les uns des autres. Dans cette thèse, nous considérons le problème de la diversité pour la recherche d'images. Nous avons focalisé notre attention sur la diversité par l'exploitation du clustering, plus spécialement par une approche hiérarchique (AHC), car sa hiérarchie de clusters peut bien correspondre à la nature hiérarchique de la diversité. De plus, nous proposons une nouvelle approche pour exploiter des ressources plus riches, telle qu'une « arborescence de concepts », pour augmenter la diversité. Différentes approches sont comparées sur trois benchmarks : un qui a été annoté manuellement et qui possède une haute pertinence; et deux publics assez différents et plus généraux. Les résultats montrent que l'exploitation hiérarchique des résultats de l'AHC augmente la diversité en comparaison avec des méthodes de clustering plat standard et avec une méthode de diversité par optimisation. Les résultats montrent aussi l'intérêt d'utiliser une arborescence de concepts comme descripteur pour augmenter la diversité. Enfin, nous avons développé un prototype complet avec la prise en compte des contraintes fortes de temps de calcul ce qui le rend adapté pour être utilisable dans le moteur de recherche de l'entreprise. / Conventional search engines return relevant results but often the retrieved items are similar. Moreover, the similar results tend to appear together. The user may be interested to find documents that are relevant and diverse at the same time.In this thesis, we consider the problem of the diversity in image retrieval. We have focused our attention on diversity by clustering, especially in an approach based on an agglomerative hierarchical clustering (AHC) to address the hierarchical nature of the diversity. Furthermore, we propose a novel approach for exploiting richer description resources, such as a «tree of concepts», to increase the diversity.The different approaches are compared on a highly relevant and manually annotated benchmark: the XiloDiv benchmark; and on the most general: ImageClef2008 and MediaEval2013 benchmarks. The experimental results show that a hierarchical exploitation of the results of the AHC increases the diversity in comparison with two flat clustering methods and a method of diversity by optimization. The results also show that it is better to use concept features than visual features from a diversity point of view. In addition, on the Mediaeval2013 benchmark, we show that an interesting strategy to improve diversity is to increase the relevance using the text, and then to exploit visual based clustering to diversify the results.Finally, we developed a complete prototype in particular taking into account the strong constraints of response time which makes it suitable to be used in the company's search engine.

La recherche menée durant cette thèse a comme objectif de développer un système de positionnement latéral d’un véhicule sur sa voie de circulation afin d’alerter le conducteur en cas de sortie involontaire de sa voie ou de fournir à un système de conduite autonome la position latérale du véhicule. Le système développé est basé sur une interaction de type hyperfréquence entre un module d’émission-réception embarqué dans le véhicule et des transpondeurs passifs intégrés dans la chaussée entre chaque voies de circulation. Ce système fonctionne dans la bande UHF. Les transpondeurs passifs contiennent chacun une antenne connectée à deux résonateurs à onde acoustique de surface ayant des coefficients de qualité élevés à leur fréquence de résonance. Chaque transpondeur reçoit l’onde émise par le module hyperfréquence puis la réémet en lui ajoutant une signature spécifique venant des résonateurs. Le module hyperfréquence embarqué dans le véhicule contient des antennes d’émission et de réception ainsi qu’une chaine de transmission et d’acquisition. Il fonctionne autour des deux fréquences centrales des résonateurs. Un algorithme de traitement du signal reçu permet de déterminer la distance latérale entre le véhicule et les transpondeurs en utilisant les déphasages d’arrivé du signal du transpondeur après l’avoir extrait du signal global reçu. Le système a été expérimenté en milieu extérieur et il présente une erreur d’estimation de la distance latérale d’environ 4cm. / The research carried out during this thesis aims to develop a lateral positioning system of a vehicle on its lane in order to alert the driver in case of an unintentional lane departure or to provide the lateral position of the vehicle for an autonomous driving system. The system developed is based on a hyperfrequency interaction between a transceiver module embedded in the vehicle and passive transponders integrated in the road. This system operates in the UHF band. Each passive transponder contains an antenna connected to two surface acoustic wave resonators that have a high quality coefficient at their resonant frequency. Each transponder receives the waves emitted by the hyperfrequency module and then retransmits it by adding a specific signature due to the resonators. The hyperfrequency module embedded in the vehicle contains transmitting and receiving antennas as well as a transmission and acquisition chain. It operates around the two center frequencies of the resonators. A received signal processing algorithm was devemoped to determine the lateral distance between the vehicle and the transponders by using the phase of the transponder signal after having extracted it from the received global signal. The system has been tested in an external environment and has an estimated lateral distance error of 4 cm.

L'objectif de cette thèse est de réunir les deux approches suivantes qui existent actuellement pour étudier une foule: ou bien à temps fixé on s'intéresse à la distribution spatiale des individus, ou bien on suit un seul individu à la fois au cours du temps. On se propose de construire des processus spatio-temporels, qui, comme leur nom l'indique, permettraient de rendre compte du caractère aléatoire des usages d'une foule dans un réseau de télécommunication, à la fois du point de vue spatial (modèles de route) et du point de vue temporel (déplacements sur ces routes, usages qui varient au cours de ces déplacements…). Une fois ces processus construits de manière rigoureuse, on étudie leur comportement d'une manière fine. Nous développons trois modèles différents qui chacun mènent à des formules analytiques fermées, ce qui permet de les utiliser d'une manière très confortable à des fins de dimensionnement. / This thesis consists in joining two approaches that currently exist when one wants to study crowds phenomena: either taking a snapshot by freezing time to study the spatial repartition of the individuals, or following one given individual over time.We build space-time processes that let us model random phenomena in a crowd, being on a spatial level (roads models) or a time level (movings on these roads, space-dependent behaviors…). Once we have built them in a rigorous manner, we study their properties, which let us obtain analytical closed formulas that can be widely used for dimensioning purposes.

Du fait de sa consommation en plein essor et d’une élimination partielle par les procédés conventionnels de traitement des eaux, l'ibuprofène, un médicament anti-inflammatoire non stéroïdien, a été détecté dans les ressources en eau, suscitant de plus en plus d'inquiétude quant à son impact possible sur l'environnement et la santé. Par ailleurs, les procédés d'oxydation avancée (POA), parmi lesquels la réaction Fenton, ont montré d’excellents résultats pour l'élimination de divers composés organiques. Traditionnellement basé sur l'utilisation du peroxyde d'hydrogène et des ions ferreux en solution, l'application à grande échelle de ce POA est encore limitée par une fenêtre de pH étroite (2 à 4) et une récupération difficile du catalyseur à base de fer. Ce travail a étudié l'oxydation Fenton de l'ibuprofène et l'activation de la réaction par irradiation ultrasonore (US) et rayonnement ultraviolet/visible (UV/Vis) et de manière à abaisser la concentration de fer dissous ou à améliorer l'activité de catalyseurs hétérogènes. A cet effet, on a d'abord évalué l'efficacité des POA individuels homogènes (sonolyse, photolyse, sono- et photo-oxydation avec H2O2, oxydation Fenton), en fonction de paramètres opératoires tels que la longueur d'onde lumineuse et la fréquence ultrasonore. Ensuite, on a examiné leurs combinaisons deux-par-deux et globale (sonophotolyse, oxydation sono-, photo- et sono-photo- Fenton) en mettant l'accent sur l'identification d'effets synergiques. En particulier, les oxydations US/Fenton et Vis/Fenton se sont révélées plus efficaces que la somme des procédés individuels grâce à la sono- et photo-régénération des ions ferreux. Ces résultats ont également servi de référence pour l'évaluation des systèmes hétérogènes. Parmi les solides testés, on a montré qu’une zéolite dopée au fer (de type Fe/ZSM5) était un catalyseur prometteur pour l'oxydation de l'ibuprofène par le peroxyde, en raison d'une efficacité élevée à pH naturel et d’une faible lixiviation du fer. Cependant, dans ce cas, on n’a observé au mieux qu'une addition d’effets des ultrasons ou de la lumière et de l'oxydation Fenton hétérogène. Outre la conversion du polluant et du carbone organique total (COT), la formation des principaux produits de dégradation a été suivie pour différents procédés et des voies possibles de dégradation ont été proposées. L’effet matrice a également été examiné en utilisant un effluent de station, qui a eu pour conséquence de réduire la performance de tous les procédés d'oxydation, en raison d'un pH tampon alcalin ou de l’atténuation de la lumière. / Due to booming consumption and only partial removal by conventional water treatment processes, ibuprofen, a non-steroidal anti-inflammatory drug, has been detected in water resources, raising increasing concerns for possible environmental and health impact. On the other hand, advanced oxidation processes (AOPs), among which Fenton reaction, have shown successful results forremoval of various organic compounds. Traditionally based on the use of hydrogen peroxide and ferrous ions in solution, large-scale application of this AOP is still limited by narrow pH window (2 to 4) and uneasy recovery of iron catalyst. This work investigated Fenton-based oxidation of ibuprofen, and reaction activation by ultrasound (US) irradiation and ultraviolet/visible light (UV/Vis) so as to lower the required concentration of dissolved iron catalyst or improve the activity of heterogeneous counterparts. To that purpose, the efficacy of individual homogeneous AOPs (sonolysis, photolysis, ultrasound/H2O2, light/H2O2, Fenton oxidation) was evaluated first, varying operating parameters such as light wavelength and ultrasound frequency. Then, their two-by-two and overall combinations (sonophotolysis, sono-Fenton, photo-Fenton and sono-photo-Fenton oxidation) were examined with emphasis on the identification of synergistic effects. In particular, combined US/Fenton and Vis/Fenton oxidation were found more effective than the sum of individualprocesses due to sono- and photo-regeneration of ferrous ions. These results also served as a reference for the assessment of heterogeneous systems. Among tested solids, iron-containing zeolite (Fe-ZSM5 type) was shown to be a promising catalyst for peroxide oxidation of ibuprofen due to high efficiency at natural pH and low iron leaching. However, in this case, no more than additive effects was observed between ultrasound/light irradiation and heterogeneous Fenton oxidation. Beside pollutant and Total Organic Carbon conversion, main degradation products were monitored for different processes and some plausible degradation pathways were proposed. Water matrix impact was also addressed using wastewater plant effluent, which resulted into hindered performance of all oxidation processes either due to alkaline buffer or light attenuation effect.

L’objectif principal de ce travail a été d’étudier le potentiel de mousses alvéolaires tridimensionnelles en carbure de silicium de forme béta (β-SiC) comme support de photocatalyseur, dans le but de mettre au point des réacteurs photocatalytiques structurés pour le traitement de l’air. Ces mousses alvéolaires de β-SiC de surface spécifique moyenne et de porosité très ouverte sont obtenues par la synthèse dite à mémoire de forme (Shape Memory Synthesis), consistant en la carburation contrôlée d’une mousse alvéolaire de polyuréthane préformée. Une étude de la dégradation de trois polluants sur des films minces en mode de lit léchant (la méthyléthylcétone, l’ammoniac et le sulfure d’hydrogène) a tout d’abord permis de sélectionner trois photocatalyseurs d’intérêt parmi six références commerciales avant d’être immobilisés sur les mousses de β-SiC. Après une étape d’optimisation en termes de taille d’alvéoles, de nature et quantité de photocatalyseur, le média photocatalytique TiO2/mousses de β-SiC a été caractérisé et ses performances comparées en mode mono-passage ainsi qu’en mode de recirculation du flux dans une enceinte de 2 m3, à celles d’un film mince de TiO2 et d’un média photocatalytique commercial de référence. Le média photocatalytique TiO2/mousses de β-SiC présente des performances nettement améliorées par rapport à celles du média référent. Les mousses jouent un rôle de mélangeur statique et permettent une meilleure utilisation du volume du réacteur, en augmentation la densité de photocatalyseur par unité de volume tout en maintenant une illumination du cœur du réacteur acceptable ainsi que des pertes de charge très limitées. / The main objective of this work was to study the potential of three-dimension beta silicon carbide (β-SiC) alveolar foams for use as photocatalyst support, targeting the implementation of structured photocatalytic reactors for air treatment. Medium surface area β-SiC alveolar foams were synthesized according to the Shape Memory Synthesis concept, consisting in the controlled carburization of a preshaped polyurethane foam. First, the degradation of three model pollutants (methylethylketone, ammonia and hydrogen sulfide) was performed over TiO2 thin layers in a flow-through reactor for selecting three photocatalysts of interest – Hombikat UV100, PC500 and P25 TiO2 – among six commercial standards. The powderly photocatalysts were further immobilized onto β-SiC foams. After an optimization step in terms of mean cell size, light transmission, photocatalyst nature and weight content as well as of the immobilization method, the TiO2/β-SiC foam photocatalytic media was characterized and its photocatalytic behaviour was compared in a single-pass mode as well as in a recirulation mode inside a 2 m3 chamber, to those obtained on a TiO2 thin layer and with a well-known commercial photocatalytic felt media made from quartz fibers supporting sol-gel TiO2. The photocatalytic media elaborated with β-SiC alveolar foams exhibited superior performances compared to that of the commercial felt standard. The foams acted as static mixing within the reactor and allowed a more efficient use of the reactor volume, by increasing the photocatalyst density per reactor volume unit, while maintaining however a suitable illumination within the reactor core as well as very low pressure drops.

L'objectif principal de cette thèse est de développer et optimiser les algorithmes caractérisant les propriétés physiques et biologiques des mini-faisceaux de protons pour la réalisation des traitements avec modulation d'intensité. Un modèle basé sur la superposition et décomposition des mini-faisceaux en faisceaux élémentaires a été utilisé. Un nouveau modèle de description des mini-faisceaux primaires a été développé à partir de la sommation de trois fonctions gaussiennes. Les algorithmes ont été intégrés dans un logiciel de planification de traitement, puis validés expérimentalement et par comparaison avec des simulations Monte Carlo. Des approximations ont été réalisées et validées afin de réduire les temps de calcul en vue d'une utilisation clinique. Dans un deuxième temps, un travail en collaboration avec les équipes de radiobiologie de l'institut Curie a été réalisé afin d'introduire des résultats radiobiologiques dans l'optimisation biologique des plans de traitement. En effet, les faisceaux balayés sont délivrés avec des débits de dose très élevés (de 10 à 100 Gy/s) et de façon discontinue, et l'efficacité biologique des protons est encore relativement méconnue vue la diversité d'utilisation de ces faisceaux : les différents modèles disponibles et notamment leur dépendance avec le transfert d'énergie linéique ont été étudiés. De bons accords (écarts inférieurs à 3 % et 2 mm) ont été obtenus entre calculs et mesures de dose. Un protocole d'expérimentation pour caractériser les effets des hauts débits pulsés a été mis en place et les premiers résultats obtenus sur une lignée cellulaire suggèrent des variations d'efficacité biologique inférieures à 10 %, avec toutefois de larges incertitudes. / The main objective of this thesis is to develop and optimize algorithms for intensity modulated proton therapy, taking into account the physical and biological pencil beam properties. A model based on the summation and fluence weighted division of the pencil beams has been used. A new parameterization of the lateral dose distribution has been developed using a combination of three Gaussian functions. The algorithms have been implemented into a treatment planning system, then experimentally validated and compared with Monte Carlo simulations. Some approximations have been made and validated in order to achieve reasonable calculation times for clinical purposes. In a second phase, a collaboration with Institut Curie radiobiological teams has been started in order to implement radiobiological parameters and results into the optimization loop of the treatment planning process. Indeed, scanned pencil beams are pulsed and delivered at high dose rates (from 10 to 100 Gy/s), and the relative biological efficiency of protons is still relatively unknown given the wide diversity of use of these beams: the different models available and their dependence with linear energy transfers have been studied. A good agreement between dose calculations and measurements (deviations lower than 3 % and 2 mm) has been obtained. An experimental protocol has been set in order to qualify pulsed high dose rate effects and preliminary results obtained on one cell line suggested variations of the biological efficiency up to 10 %, though with large uncertainties.

Au-delà des techniques conventionnelles de diagnostic et de suivi du cancer, l’analyse radiomique a pour objectif de permettre une médecine plus personnalisée dans le domaine de la radiothérapie, en proposant une caractérisation non invasive de l’hétérogénéité tumorale. Basée sur l’extraction de paramètres quantitatifs avancés (histogrammes des intensités, texture, forme) issus de l’imagerie multimodale, cette technique a notamment prouvé son intérêt pour définir des signatures prédictives de la réponse aux traitements. Dans le cadre de cette thèse, des signatures de la récidive des cancers du col utérin ont notamment été développées, à partir de l’analyse radiomique seule ou en combinaison avec des biomarqueurs conventionnels, apportant des perspectives majeures dans la stratification des patients pouvant aboutir à une adaptation spécifique de la dosimétrie.En parallèle de ces études cliniques, différentes barrières méthodologiques ont été soulevées, notamment liées à la grande variabilité des protocoles et technologies d’acquisition des images, qui entraîne un biais majeur dans les études radiomiques multicentriques. Ces biais ont été évalués grâce à des images de fantômes et des images multicentriques de patients pour l’imagerie TEP, et deux méthodes de correction de l’effet de stratification ont été proposées. En IRM, une méthode de standardisation des images par harmonisation des histogrammes a été évaluée dans les tumeurs cérébrales.Pour aller plus loin dans la caractérisation de l’hétérogénéité intra-tumorale et permettre la mise en œuvre d’une radiothérapie personnalisée, une méthode d’analyse locale de la texture a été développée. Adaptée particulièrement aux images IRM de tumeurs cérébrales, ses capacités à différencier des sous-régions de radionécrose ou de récidive tumorale ont été évaluées. Dans ce but, les cartes paramétriques d’hétérogénéité ont été proposées à des experts comme des séquences IRM additionnelles.À l’issue de ce travail, une validation dans des centres extérieurs des modèles développés, ainsi que la mise en place d’essais cliniques intégrant ces méthodes pour personnaliser les traitements seront des étapes majeures dans l’intégration de l’analyse radiomique en routine clinique. / Beyond the conventional techniques of diagnosis and follow-up of cancer, radiomic analysis allows to personalize radiotherapy treatments, by proposing a non-invasive characterization of tumor heterogeneity. Based on the extraction of advanced quantitative parameters (histograms of intensities, texture, shape) from multimodal imaging, this technique has notably proved its interest in determining predictive signatures of treatment response. During this thesis, signatures of cervical cancer recurrence have been developed, based on radiomic analysis alone or in combination with conventional biomarkers, providing major perspectives in the stratification of patients that can lead to dosimetric treatment plan adaptation.However, various methodological barriers were raised, notably related to the great variability of the protocols and technologies of image acquisition, which leads to major biases in multicentric radiomic studies. These biases were assessed using phantom acquisitions and multicenter patient images for PET imaging, and two methods enabling a correction of the stratification effect were proposed. In MRI, a method of standardization of images by harmonization of histograms has been evaluated in brain tumors.To go further in the characterization of intra-tumor heterogeneity and to allow the implementation of a personalized radiotherapy, a method for local texture analysis has been developed. Specifically adapted to brain MRI, its ability to differentiate sub-regions of radionecrosis or tumor recurrence was evaluated. For this purpose, parametric heterogeneity maps have been proposed to experts as additional MRI sequences.In the future, validation of the predictive models in external centers, as well as the establishment of clinical trials integrating these methods to personalize radiotherapy treatments, will be mandatory steps for the integration of radiomic in the clinical routine.