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Modulation impulsionnelle et lithotritie laser endocorporelle : impact des lasers dopes au thulium
No full textThis work aimed to compare the Ho:YAG laser, the reference for endocorporeal laser lithotripsy (ELL), with thulium-doped lasers (thulium fiber laser (TFL) and pulsed thulium:YAG (p-Tm:YAG)), by comparing fiber output parameters, mechanisms of laser to stone interaction, and both in vitro and in vivo efficiency. Unlike Ho:YAG, TFL and p-Tm:YAG have uniform pulse profiles. The p-Tm:YAG shows peak powers ranging from 564 to 2199W, while the maximum peak power of TFL is 500W. Similar to TFL, p-Tm:YAG does not present a risk of fiber fracture while bending the. During the laser-stone interaction, the photothermal phenomenon seems predominant, especially with TFL. With laser fibers of equivalent diameters (270µm), p-Tm:YAG showed higher ablation rates (mm3/min) than TFL and Ho:YAG against hard synthetic stones in Fragmentation and Dusting settings, except in Dusting versus TFL (Dusting: 57.56mm3/min vs 57.29mm3/min vs 16.7mm3/min, Fragmentation: 95.09mm3/min vs 66.93mm3/min vs 32.73mm3/min respectively). Against soft synthetic stones, p-Tm:YAG and TFL had similar ablation rates but higher than Ho:YAG in Dusting and Fragmentation (Dusting: 57.56mm3/min vs 58.78mm3/min vs 22.70mm3/min, Fragmentation: 75.01mm3/min vs 67.40mm3/min vs 37.99mm3/min respectively). Across all pulse energies, TFL had higher ablation volumes per pulse than other laser sources against Calcium Oxalate Monohydrate stones (p=0.01), whereas Ho:YAG had the best ablation volumes per pulse against Uric Acid (p=0.0005) and Cystine (p=0.09) stones. In vivo, the stone-free rates (SFR) of Ho:YAG, TFL, and p-Tm:YAG groups were similar (69.8-75%), while TFL had a zero-residual fragment rate twice as high as p-Tm:YAG. "Kidney Stone Calculator" reliably and reproducibly predicts ELL duration, but more accurately with TFL compared to the other two laser sources (r=0.94, p<0.0001). The difference between estimated and effective ELL duration (mean 18.8%) was significantly influenced by the laser source (p=0.01), with TFL showing the smallest difference (14%). Among the evaluated Machine Learning models to improve this prediction, the « Automatic Relevance Determination » model reduced this difference to 3,9%. Thulium-doped lasers, using lower peak powers than Ho:YAG and having uniform pulse profiles, are more effective than Ho:YAG, especially in vitro. In vivo, TFL and p-Tm:YAG ablation rates are higher than Ho:YAG, but their SFR remains similar. It is now possible to accurately predict the duration of endocorporeal laser lithotripsy during flexible ureteroscopy.Ce travail visait à comparer le laser Ho:YAG, référence pour la lithotritie laser endocorporelle(LLE), avec les lasers dopés au thulium (laser thulium fibré (TFL) et thulium :YAG pulsé(p-Tm:YAG), par une comparaison des paramètres en sortie de fibre, des mécanismes de l’interaction laser-calcul urinaire et de l’efficacité in vitro et in vivo. Contrairement à l’Ho:YAG, les TFL et p-Tm :YAG présentent des profils impulsionnels uniformes. Le p-Tm :YAG présente des puissances crêtes variant de 564 à 2199W alors que la puissance crête maximale du TFL est de 500W. De manière similaire au TFL, le p-Tm :YAG ne présente pas de risque de fracture de fibre lorsque celle-ci est incurvée. Lors de l’interaction laser-calcul urinaire, le phénomène photo-thermique semble prédominant, notamment avec le TFL. A fibres lasers de diamètres équivalents (270µm), le p-Tm:YAG présentait des débits d’ablation (mm3/min) supérieurs aux TFL et Ho :YAG contre calculs synthétiques durs en réglages Fragmentation et Dusting, sauf en Dusting versus TFL (Dusting: 57,56mm3/min vs 57,29mm3/min vs 16,7mm3/min, Fragmentation: 95,09mm3/min vs 66,93mm3/min vs 32,73mm3/min respectivement). Contre calculs synthétiques tendres, les p-Tm:YAG et TFL présentaient des débits d’ablation similaires, mais supérieurs à l’Ho:YAG en Dusting et Fragmentation (Dusting: 57,56mm3/min vs 58,78mm3/min vs 22,70mm3/min, Fragmentation: 75,01mm3/min vs 67,40mm3/min vs 37,99mm3/min respectivement). Toutes énergies confondues, le TFL présentait des volumes d’ablation par impulsion supérieurs aux autres sources lasers contre calcul d’Oxalate de Calcium Monohydraté (p=0,01), alors que l’Ho:YAG présentait les meilleurs volumes d’ablation par impulsion contre calculs d’Acide Urique (p=0,0005) Cystine (p=0,09). In vivo, les taux de sans fragment résiduel (SFR) des groupes Ho :YAG, TFL et p-Tm :YAG étaient similaires (69,8-75%), alors que le TFL présentait un taux de zéro fragment résiduel deux fois plus élevé que le p-Tm :YAG. « Kidney Stone Calculator » prédit de manière sure et reproductible la durée de LLE, mais de manière supérieure avec le TFL par rapport aux deux autres sources lasers (r= 0,94, p<0,0001). La différence entre durée estimée et effective de LLE (moyenne 18,8%) était significativement influencée par la source laser (p=0,01), le TFL présentant la plus faible différence (14%). Parmi les modèles de Machine Learning évalués pour améliorer cette prédiction, le modèle « Automatic Relevance Determination » permettait de diminuer cette différence à 3,9%. Les lasers dopés au Thulium, utilisant des puissances crêtes plus faibles que l’Ho:YAG et ayant des profils impulsionnels uniformes, sont plus efficaces que l’Ho:YAG, notamment in vitro. In vivo, les débits d’ablation des TFL et p-Tm :YAG sont supérieurs à ceux de l’Ho:YAG mais leur SFR reste similaire. Il est désormais possible de prédire précisément la durée de LLE au cours d’une urétéroscopie souple
La végétalisation des milieux transformés par les projets d'aménagement Organisation des acteurs, évolution des pratiques et écologie des communautés végétales
No full textThe role of vegetation in large-scale development projects has evolved over time. Beyond its landscape and technical functions, revegetation is increasingly valued for mitigating biodiversity impacts. This led to the creation of a wild and local seed production sector, spearheaded, in France, by the Végétal local brand.The central issue of this thesis addresses the revegetation of areas transformed by development projects, specifically highway embankments. It examines historical and current practices, barriers and potential improvements that would allow them to better integrate into actions to promote biodiversity. The first part of this thesis is based on the analysis of qualitative data from semi-structured interviews with key stakeholders (prescribers, developers, seed producers, and Végétal local representatives). A historical approach reveals that expectations surrounding revegetation in major development projects have evolved over time. While the goals of landscape integration and soil protection through erosion control has persisted, new demands relative to biodiversity have been added the revegetation imperatives. However, the evolution of practices to address these demands is slow, partly due to a lack of ecological expertise among motorway project practitioners, but also due to budgetary and logistical constraints. The Végétal local brand supports the development of a production chain for wild and local seeds that favours biodiversity, offering tools to better integrate these considerations into development projects. However, the absence of certain seed quality criteria, their higher cost, and the relative difficulty of sourcing them remain barriers to the wider use of wild and local seeds by stakeholders, who are constrained by the technical and budgetary aspects of development projects. In the second part, through a number of experiments, both ex situ in greenhouse conditions, and in situ on road embankments, we evaluate the ability of different revegetation mixtures, varying in richness and origin (cultivar vs. wild and local), to meet technical needs while contributing to floral diversity. Our findings show that wild and local seed mixtures produce more roots than cultivars, potentially offering beneficial effects for soil protection against erosion. We also confirm the effectiveness of seeding immediately after earthwork operations to limit the germination of invasive exotic species seeds on bare soil. On embankments, rich and local revegetation mixtures - although containing a lower proportion of grasses and sown at half the rate - provide vegetation cover and density comparable to standard mixtures selected for this function. Although much of the observed floristic diversity comes from spontaneous vegetation, sowing species-rich mixtures significantly increases local diversity.Based on our findings, we encourage project developers and practitioners to adopt the use of wild and local seeds more widely. This constitutes the application of a certain form of precautionary principle, maximizing the conservation of functional aspects of introduced flora and minimizing the risk of maladaptation of the seeded communities, or the introduction of potentially harmful non-local genotypes or alien species. Achieving this will require continued growth in the wild and local seed production sector and a shift in developer practices to respect the necessary value chain for proper seed use.La problématique centrale de cette thèse concerne la végétalisation des espaces remaniés par les aménagements, et en particulier les talus d'autoroute. Nous étudions les pratiques passées et actuelles, les freins à leur intégration à des actions en faveur de la biodiversité, et les pistes d'amélioration. La première partie de la thèse est basée sur l'analyse de données qualitatives issues d'entretiens semi-directifs auprès de prescripteurs, des aménageurs, des producteurs de semences et des représentants de la marque Végétal local. Par une approche historique, nous montrons que les attentes autour de la végétalisation au sein des grands projets d'aménagement ont évolué au cours du temps. La nécessité d'intégration paysagère des ouvrages et de protection des sols par la réduction des processus d'érosion ont persisté jusqu'à aujourd'hui, mais que de nouvelles demandes relatives à la biodiversité sont venues s'ajouter aux attentes de végétalisation. Toutefois, l'évolution des pratiques de végétalisation est lente, d'une part du fait d'un manque de compétences en écologie chez les prescripteurs et les aménageurs autoroutiers, mais aussi en raison des contraintes budgétaires et logistiques inhérentes aux projets. La marque Végétal local contribue à la constitution d'une filière de production de semences sauvages et locales a priori favorables à la biodiversité, et propose des outils pour une meilleure intégration des enjeux de biodiversité aux projets d'aménagement. Néanmoins, l'absence de certains critères de qualité des semences, leur coût plus élevé, et la relative difficulté d'approvisionnement, représentent un frein à l'utilisation plus répandue des semences sauvages et locales par les acteurs de l'aménagement, contraints par les aspects techniques et budgétaires des chantiers.A travers plusieurs dispositifs expérimentaux ex situ en serre et in situ sur talus autoroutiers, nous évaluons dans une seconde partie la capacité de différents mélanges de végétalisation, variant par leur niveau de richesse et par leur origine (cultivar vs. sauvage et local), à répondre aux impératifs techniques tout en contribuant à la diversité floristique des milieux, et en évitant l'établissement d'espèces exotiques envahissantes. Nous montrons que les mélanges de semences d'écotypes sauvages et locaux produisent plus de racines que les cultivars, avec de potentiels effets bénéfiques pour la protection des sols contre l'érosion. Nous confirmons également l'efficacité de semer dès la fin des opérations de terrassement pour limiter la germination des espèces exotiques envahissantes sur sol nu. Sur les talus, les mélanges de végétalisation riches et locaux, bien que contenant une proportion moindre de graminées et semés à des doses deux fois plus faibles, assurent un recouvrement et une densité de végétation équivalente aux mélanges standards spécifiquement sélectionnés pour cette fonction. Une grande part de la diversité floristique observée in situ émane d'une végétation spontanée, mais le semis de mélanges contenant un grand nombre d'espèces contribue à augmenter significativement la richesse locale observée.Au vu de nos résultats, nous incitons les porteurs de projets et les praticiens à adopter plus largement l'utilisation de semences sauvages et locales, qui constitue l'application d'une certaine forme de principe de précaution, en maximisant les chances de conservation des aspects fonctionnels de la flore introduite et en minimisant les risques de maladaptation des communautés semées ou d'introduction de génotypes non locaux ou d'espèces exotiques potentiellement impactants. Cela ne pourra se réaliser sans une poursuite de la croissance de la filière de production de ces semences, ni sans l'évolution des pratiques des aménageurs vers le respect de la chaîne de valeur nécessaire à leur bonne utilisation
Apport du lidar spatial pour le développement de méthodes d'inventaire forestier multisource adaptées à la gestion durable des forêts dans un contexte de changement global
No full textThe thesis focuses on the contribution of spaceborne lidar to the development of Multisource Forest Inventory (MFI) methods. In France, the National Forest Inventory (NFI) method addresses the requirements of public policies at regional and national levels. However, on smaller territories, precision is often insufficient to meet the needs of management activities. MFI methods better address these needs by combining inventory data with remote sensing data. This thesis aims to improve NFI accuracy at sub-regional to local scales by integrating data from the spaceborne lidar GEDI into multisource approaches.Unfortunately, this integration is complicated due to the lack of spatial correspondence between field samples (inventory plots) and GEDI footprints. Additionally, GEDI data are poorly georeferenced, making them difficult to integrate into certain MFI approaches. This thesis focuses on these issues and is divided into three main parts.As a first step, a method for improving GEDI georeferencing, based on a high-resolution reference digital elevation model (DEM) was developed. This method compares, for a series of positions around the location indicated in the GEDI products, the ground elevations of the GEDI footprints with those of the reference DEM, generating an error map according to X and Y offsets. Using a flow accumulation algorithm on this error map, an improved position minimizing the distance from the DEM is proposed for each GEDI footprint.Next, two approaches for using GEDI data with NFI data were developed. The study sites are located in the Vosges and use ∼ 500 IFN plots and over 100,000 GEDI footprints.The first approach is a double sampling for stratification (2SS) approach, based on common variables between GEDI and NFI, without requiring spatial correspondence of the two data sources. 2SS approaches are generally based on probabilistic data samples, which is not a priori the case for GEDI's sampling pattern. Thus, a preliminary analysis was required to understand the characteristics of the spatial distribution of the GEDI sample. The relevance of the chosen common variable, i.e. the maximum tree height, was also verified. Compared with estimates based only on NFI data, the 2SS approach improved the variance of growing stock volume estimates by up to 56%.The second approach is based on a link between GEDI data and NFI data, established indirectly by using spatially exhaustive data sources, the Sentinel-2 and Sentinel-1 images. To establish the model linking the different data sources, we chose to use the k-nearest neighbor (kNN) method combined with bagging (bootstrap aggregation). The aim is to propagate information from field plots to GEDI footprints in order to "densify" NFI plots by taking advantage of GEDI forest structure measurements, which are well correlated with the forest attributes of interest (e.g. growing stock volume). First, for each NFI plot, we looked for the GEDI footprints with the characteristics of the Sentinel link variables, supplemented or not with a height link variable, that are closest to those of the NFI point. Using a kNN-bagging approach, the set of GEDI variables is therefore estimated for each NFI plot. Next, a regression model is established by kNN-bagging to estimate the volume using the best predicted GEDI variables from the previous step and the Sentinel variables. The volume is estimated at the level of all GEDI footprints. The strategy supplemented by a height link variable performed best and reached a coefficient of determination of 58%. Subsequently, using the resulting dense sample of volume plots, standard methods for small area estimation (scale of the municipality or district) or high-resolution volume mapping can be implemented.En France, la méthode de l'Inventaire Forestier National (IFN) répond à des besoins de politique publique aux échelles nationales et régionales. Sur des plus petits territoires, la précision est souvent insuffisante pour répondre aux besoins des activités de gestion. Les méthodes IFM peuvent répondre à ce besoin en combinant des données d'inventaire et des données de télédétection. La thèse vise à améliorer la précision de l'IFN à des échelles subrégionales à locales en intégrant les données du système lidar spatial GEDI dans des approches multisources.Cependant, cette intégration se heurte à un verrou majeur, lié à l'absence de correspondance spatiale entre les échantillons sur le terrain (placettes d'inventaire) et les empreintes GEDI. Par ailleurs, les données GEDI sont mal géoréférencées, ce qui complexifie leur intégration dans certaines approches d'IFM. Cette thèse se concentre sur ces problématiques et est divisée en trois parties principales.Premièrement, une méthode d'amélioration du géoréférencement de GEDI a été développée en se basant uniquement sur un modèle numérique de terrain (MNT) de référence à haute résolution spatiale. Cette méthode compare, pour une série de positions autour de la localisation indiquée dans les produits GEDI, les élévations du terrain des empreintes GEDI avec celles du MNT de référence, générant une carte d'écarts en fonction des décalages en X et Y. En utilisant un algorithme d'accumulation de flux sur cette carte, une position améliorée qui minimise l'écart avec le MNT est proposée pour chaque empreinte GEDI.Ensuite, deux approches d'utilisation des données GEDI avec les données de l'IFN ont été élaborées. Les zones d'étude se situent dans les Vosges et utilisent environ 500 placettes IFN et plus de 100,000 empreintes GEDI. La première approche est une approche d'échantillonnage double pour la stratification (2SS), reposant sur des variables communes entre GEDI et IFN, sans nécessiter de coïncidence spatiale entre les deux sources de données. Les approches 2SS reposent généralement sur des échantillons de données probabilistes, ce qui n'est a priori pas le cas de l'échantillonnage de GEDI. Ainsi, une analyse préliminaire a été nécessaire pour comprendre les caractéristiques spécifiques de l'échantillon des mesures GEDI. La pertinence de la variable commune choisie, la hauteur maximale des arbres, a également été vérifiée. Par rapport aux estimations basées uniquement sur les données IFN, l'approche 2SS a amélioré la variance des estimations de volume de 56%.La deuxième approche utilise un lien entre données GEDI et données IFN établi indirectement en utilisant les images Sentinel-2 et Sentinel-1, avec la méthode des k-plus proches voisins (kNN) combinée avec du bagging (bootstrap aggregation). Il s'agit de propager l'information des placettes terrain au niveau des empreintes GEDI pour densifier les placettes IFN en tirant parti des mesures de structure forestière GEDI, bien corrélées aux attributs forestiers d'intérêt (ex. le volume de bois). Tout d'abord, en utilisant un kNN-bagging, on cherche pour chaque placette IFN les empreintes GEDI ayant les caractéristiques les plus proches de celles du point IFN pour des variables de lien Sentinel, complétées ou non avec une variable de lien supplémentaire de hauteur. On estime ainsi l'ensemble des variables GEDI pour chaque placette IFN. Ensuite, un modèle de régression est établi par kNN-bagging pour estimer le volume de bois à partir des variables GEDI les mieux prédites à l'étape précédente et les variables Sentinel. Le volume est estimé au niveau de toutes les empreintes GEDI. La stratégie complétée par une variable de lien de hauteur a atteint un coefficient de détermination de 58%. Par la suite, sur la base du réseau dense de placettes avec volume ainsi obtenu, des méthodes standards d'estimation sur de petites surfaces (small area estimation) ou de cartographie haute résolution, pourront être implémentés
Intégrer des Connaissances Expertes dans des méthodes d'apprentissage par renforcement profond pour la conduite autonome
No full textTwo decades after the first autonomous driving challenge, which had no winners successfully navigating a 240 kilometers desert road in Mojave, the advancement of machine learning has brought remarkable progress to this field. Notably, the creation of open-source simulators made research for autonomous driving easier by sidestepping regulatory constraints and providing an affordable way to collect data. This, combined with the rise of neural networks, has expedited development of increasingly efficient methods. Recent research for motion planning mostly focuses on imitation learning (IL) and, to a lesser extent, on reinforcement learning (RL). By learning from data, machine-learning based methods are more adaptable than rule-based ones as they rely less on perfect and consistent representation of the environment. Nevertheless, IL approaches remain limited in grasping the long term consequences of their actions and suffer robustness issues stemming from distribution mismatch. Conversely, RL incorporates long-term return information and successfully overcomes distribution mismatch by learning through trial-and-error. However, it suffers from sample inefficiency, instability during training, and lacks of convergence guarantees. This thesis aims to synergize the strengths of both approaches while mitigating their weaknesses by integrating expert knowledge with deep reinforcement learning methods for different autonomous driving applications.After recapitulating existing methods for autonomous driving, this thesis investigates how to introduce expert knowledge in reinforcement learning algorithms for several autonomous driving tasks. Firstly, we introduced a novel method for distilling expertise in model-free RL and applied it to end-to-end autonomous driving on the CARLA simulator. Secondly, we developed an approach leveraging an IL-based prior to guide a model-based RL algorithm in a partially learned model of the environment for mid-to-end autonomous driving on the nuPlan simulator. Finally, we designed a real-time mesoscale traffic forecasting module to be leveraged by a model-free RL centralized speed planner within a hierarchical control framework for real world traffic dissipation on highways leveraging a fleet of 100 Connected and Autonomous Vehicles (CAVs).Deux décennies après le premier défi de conduite autonome, qui n'a vu aucun gagnant réussir à naviguer 240 kilomètres de route désertique dans le désert de Mojave, les évolutions en apprentissage automatique ont permis d'importants progrès dans ce domaine. En particulier, la création de simulateurs open-source a facilité la recherche en matière de conduite autonome en permettant d'outrepasser les contraintes réglementaires et en offrant un moyen abordable de collecter des données. Cela, combiné à la montée des réseaux de neurones, a accéléré le développement de méthodes de plus en plus efficaces. Les recherches récentes en matière de planification de mouvement se concentrent principalement sur l'apprentissage par imitation et, dans une moindre mesure, sur l'apprentissage par renforcement. En apprenant à partir de données, les méthodes d'apprentissage automatique sont plus adaptables que celles basées sur des systèmes de règles, car elles dépendent moins d'une représentation parfaite et cohérente de l'environnement. Néanmoins, les approches par imitation restent limitées dans la compréhension des conséquences à long terme de leurs actions et rencontrent des problèmes de robustesse résultant d'une inadéquation de distribution. En revanche, l'approche par renforcement intègre des informations de retour à long terme et surmonte avec succès les problèmes de distribution en apprenant par essais et erreurs. Cependant, cette approche souffre d'inefficacité d'échantillonnage, d'instabilité pendant l'entraînement et d'un manque de garanties de convergence. Cette thèse vise à synergiser les points forts des deux approches tout en atténuant leurs faiblesses en intégrant des connaissances expertes avec des méthodes d'apprentissage par renforcement profond pour différentes applications liées à la conduite autonome.Après avoir récapitulé les méthodes existantes en matière de conduite autonome, cette thèse examine différentes facons d'introduire des connaissances expertes dans des algorithmes d'apprentissage par renforcement pour plusieurs tâches de conduite autonome. Tout d'abord, nous avons introduis une nouvelle méthode pour distiller de l'expertise dans un apprentissage par renforcement sans modèle et l'avons appliquée à la conduite autonome de bout en bout sur le simulateur CARLA. Ensuite, nous avons développé une approche tirant parti d'une base d'apprentissage par imitation pour guider un algorithme d'apprentissage par renforcement basé sur modèle dans un modèle partiellement appris de l'environnement pour la conduite autonome de milieu-à-fin sur le simulateur nuPlan. Enfin, nous avons conçu un module de prévision du trafic à l'échelle mésoscopique en temps réel, fait pour être utilisé avec un planificateur de vitesse centralisé basé sur l'apprentissage par renforcement sans modèle dans le cadre d'un controleur hiérarchique pour la dissipation du trafic en temps réel sur les autoroutes en utilisant une flotte de 100 véhicules connectés et autonomes
Une Pipeline Polyvalente d'Analyse de Cellules Individuelles pour le Criblage à Haut-Contenu par Vidéo-Microscopie
No full textThis thesis presents the development of a versatile image processing pipeline specifically designed for live-cell imaging within high-content screening (HCS) assays. The research was conducted as part of a industry-academic collaborative effort between the biotech company Cairn Biosciences and Mines Paris PSL. It addresses the unique challenges posed by non-traditional datasets generated by Cairn's experimental platform, which are characterized by the absence of fluorescent markers for segmentation and low temporal resolution over extended timeframes. The pipeline introduces adaptable methods that significantly reduce the need for extensive annotations and prioritize model reusability across various experiments, thereby enhancing single-cell segmentation and tracking capabilities. Traditionally, analysis requirements impose constraints on experimental design and data acquisition, such as the selection of specific markers or the necessity for high temporal resolution. This thesis introduces methods that relax these constraints while maintaining the robustness required for in-depth analysis of cellular processes in response to treatment. The pipeline's ability to accommodate diverse assay conditions while ensuring analytical accuracy makes it highly suited to the evolving demands of drug discovery and cellular research in an industrial context. By integrating comprehensive phenotypic profiling and advanced analytical frameworks, this thesis overcomes current limitations in the computational analysis of live-cell imaging data, expanding the potential of live-cell HCS assays in drug screening.Cette thèse présente le développement d'un pipeline polyvalente de traitement d'images spécialement conçu pour la vidéo-microscopie dans le cadre des essais de criblage à haut-contenu (HCS). Ce travail a été menée dans le cadre d'une collaboration entre l'entreprise biotechnologique Cairn Biosciences et Mines Paris PSL. Elle aborde les défis uniques posés par les jeux de données non conventionnels générés par la plateforme expérimentale de Cairn, caractérisés par l'absence de marqueurs fluorescents pour la segmentation et une faible résolution temporelle sur de longues périodes. La pipeline présente des méthodes adaptables qui réduisent considérablement le besoin d'annotations exhaustives et privilégient la réutilisabilité des modèles à travers diverses expériences, améliorant ainsi les capacités de segmentation et de suivi des cellules individuelles. Traditionnellement, les exigences en matière d'analyse imposent des contraintes sur la conception expérimentale et l'acquisition des données, comme le choix de certains marqueurs ou la nécessité d'une résolution temporelle élevée. Cette thèse propose des méthodes qui assouplissent ces contraintes tout en maintenant la robustesse nécessaire pour une analyse approfondie des processus cellulaires en réponse aux traitements. La capacité de la pipeline à s'adapter à diverses conditions d'essai tout en garantissant la précision analytique le rend particulièrement adapté aux besoins croissants de la découverte de médicaments et de la recherche cellulaire dans un contexte industriel. En intégrant un profilage phénotypique complet et des cadres analytiques avancés, cette thèse surmonte les limitations actuelles de l'analyse computationnelle des données de vidéo-microscopie, élargissant ainsi le potentiel des essais HCS pour le criblage de médicaments
Développements méthodologiques pour la simulation de l'adsorption des gaz simples dans les matériaux nanoporeux
No full textGas separation and purification is a crucial industrial issue, which is technologically addressed by fine-tuning the gas specificity of adsorbents. However, the experimental development of new adsorbents is a costly process, hence the need for preliminary computer simulations to test only the most promising candidates.These simulation techniques remain costly in themselves. In order to improve their performance, this thesis proposes and explores new methodological options across the different steps of the simulation. In particular, new algorithms and tools are presented to tackle the identification of the topology of crystalline materials, the location of cations in zeolitic frameworks, and the adsorption capacity of a gas in porous materials. The simulation results are then used to feed a database, which allows using a statistical approach to provide coarse but ultra-fast predictions of adsorption isotherms, paving the way for high-performance screening stratgies of nanoporous materials.La séparation et purification des gaz est un enjeu industriel majeur, qui nécessite l'emploi d'adsorbants spécifiques à certaines espèces moléculaires. Afin d'accélérer le développements de nouveaux adsorbants d'intérêt, il peut être utile d'avoir recours à des méthodes de simulations numériques permettant d'identifier des candidats potentiels.Ces méthodes restent cependant coûteuses en temps et en énergie. Pour tenter d'améliorer leurs performances, cette thèse propose et explore plusieurs avancées méthodologiques sur les différentes étapes de la simulation. En particulier, de nouveaux algorithmes et outils sont présentés pour l'identification de la topologie des matériaux cristallins, pour localiser les cations dans les charpentes zéolitiques, et pour déterminer la capacité d'adsorption d'un gaz dans un matériau poreux. Les résultats de simulation alimentent une base de donnée qui est aussi exploitée pour proposer une prédiction approximative mais ultra-rapide d'isothermes d'adsorption, ouvrant la voie à des stratégies de criblage de matériaux nanoporeux à haute performance
Écoute opportuniste des vibrations générées par les trains pour l'imagerie du sous-sol et la surveillance des voies ferrées
No full textRailways are prone to geotechnical hazards such as sinkholes. Seismic imaging methods can enhance the management of this risk. In this thesis, we develop a near-surface imaging method based on opportunistic recordings of train-induced vibrations, using a dense accelerometer array. We propose an imaging method tailored to train-induced vibrations, which produces a three-dimensional shear wave velocity model of the subsurface. This method relies on an empirical approximation of the seismic source. To overcome this approximation, we directly quantify the source from near-field seismic data. Through a non-linear inversion, we reconstruct the trajectory of each train axle (the kinematics), and provide a proxy for the track deflection caused by the passage of an axle. Once the train is well characterized, we simulate the vibrations induced by its passage, which are highly sensitive to small imperfections in both the track and the vehicle. These simulations validate the empirical apparent source models used for imaging. Finally, we demonstrate that the arrays used for imaging can serve additional purposes, such as detecting rockfalls threatening rail traffic.Les voies ferrées sont sujettes aux aléas géotechniques, tels que les fontis. Les méthodes d’imagerie sismique peuvent aider les gestionnaires d’infrastructures à mieux gérer ce risque. Dans cette thèse, nous développons une méthode d’imagerie de la proche surface à partir d’enregistrements opportunistes des vibrations générées par les trains, en utilisant une antenne dense d’accéléromètres. Nous proposons une méthode d’imagerie adaptée aux vibrations générées par les trains, qui détermine la vitesse de l’onde de cisaillement dans le sous-sol en trois dimensions. Cette méthode repose sur une approximation empirique de la source sismique. Pour éviter cette approximation, nous développons une approche de quantification de la source à partir des données sismiques. Cette inversion non-linéaire reconstruit la trajectoire de chaque essieu du train (la cinématique), et donne également un proxy de la déflexion de la voie causée par le passage d’un essieu. Une fois le train bien caractérisé, on peut simuler les vibrations induites par son passage, qui dépendent beaucoup de petites imperfections de la voie et du véhicule. Les simulations valident les modèles empiriques de source apparente utilisés pour l’imagerie. Finalement, on montre que les antennes utilisées pour l’imagerie peuvent avoir d’autres applications, comme la détection d’éboulements menaçant le trafic ferroviaire
Approche matricielle de la propagation des ultrasons dans les suspensions granulaires
No full textUltrasound follows particularly complex trajectories in granular media due to the frequency dispersion and multiple scattering induced by the disorder that reigns there. It is therefore particularly difficult to image intruders in this type of medium or to see through them. The aim of this thesis was to develop new tools for characterising and imaging reflections in these granular media. For this purpose, we use the reflection matrix measured using a matrix probe (1024 channels, 1-5 MHz). This matrix contains all the impulse responses measured between each element of the transducer array.The medium under investigation consists of a suspension of glass beads sedimented in water such that 0.5<ka<5, where k is the wave number in the water and a is the radius of the beads. This medium is first characterised by measuring the wave transport parameters using coherent wave and mean transmission intensity measurements. In particular, the frequency evolution of the phase velocity and the mean free path is investigated.Originally developed for ultrasound imaging, the principle of matrix imaging consists of projecting the reflection matrix and examining its properties on different bases depending on the issue at hand. For characterisation, this matrix is first projected into a focused base. We first show how important it is to consider the dispersion of the speed of sound. We then emphasise the rapid growth of the multiple scattering component. This observation gives us a non-invasive approach to a measurement of the mean free path in reflection, which is in good qualitative agreement with the reference measurement in transmission. The measured value for the mean free path is in the order of 1 mm around 3 MHz, which explains the difficulties in imaging a steel sphere buried in this scattering medium.To detect such an intruder, the first strategy is to exploit the spatio-temporal signature of the object to be detected. Thanks to the matrix projection of the measured reflection matrix onto a dictionary of reference matrices characteristic of previously characterised objects, we are able to selectively detect and localise two steel spheres at a depth far beyond the penetration depth possible with conventional ultrasound imaging.Second, we show how the correlations exhibited by the reflection matrix can be exploited to learn to focus through granular suspensions without prior calibration experience. By exploiting the chromato-angular memory effect, we learn to compensate for the frequency dispersion caused by the bead suspension to image a medium behind it. By exploiting the chromato-axial memory effect, we learn to transform a layer of beads into a scattering lens, that provides a much better resolution for the ultrasound image produced than that obtained in free space.Les ultrasons suivent des trajectoires particulièrement complexes dans les milieux granulaires du fait des phénomènes de dispersion fréquentielle et de diffusion multiple induits par le désordre qui y règne. Ainsi il est particulièrement difficile d’imager des intrus au sein de ce type de milieux ou de voir à travers ces derniers. L’objectif de cette thèse a été de développer de nouveaux outils de caractérisation et d’imagerie en réflexion dans ces milieux granulaires. À cette fin, nous exploitons la matrice de réflexion mesurée à l’aide d’une sonde matricielle (1024 voies, 1-5 MHz). Cette matrice contient l’ensemble des réponses impulsionnelles mesurées entre chaque élément du réseau de transducteurs.Le milieu étudié consiste en une suspension de billes de verres sédimentées dans l’eau telles que 0,5<ka<5, avec k le nombre d'onde dans l'eau et a le rayon des billes. Ce milieu est tout d’abord caractérisé par la mesure des paramètres de transport de l’onde à l’aide de mesures de l’onde cohérente et de l’intensité moyenne en transmission. Les évolutions fréquentielles de la vitesse de phase et du libre parcours moyen sont en particulier étudiées.Développée initialement dans le cadre de l’échographie ultrasonore, le principe de l’imagerie matricielle est de projeter la matrice de réflexion et d’étudier ses propriétés dans différentes bases en fonction du problème considéré. À des fins de caractérisation, cette matrice est tout d’abord projetée dans une base focalisée. Nous montrons tout d’abord l’importance de prendre en compte la dispersion de la vitesse du son. Nous mettons ensuite en évidence la croissance rapide de la composante de diffusion multiple. Cette observable nous permet d’accéder de manière non invasive à une mesure du libre parcours moyen en réflexion en bon accord qualitatif avec la mesure de référence en transmission. La valeur du libre parcours moyen mesurée est de l’ordre du mm autour de 3 MHz, ce qui explique la difficulté à imager une bille d’acier enfouie dans ce milieu diffusant.Pour détecter un tel intrus, une première stratégie consiste à exploiter la signature spatio-temporelle de l’objet à détecter. Grâce à la projection matricielle de la matrice de réflexion mesurée sur un dictionnaire de matrices de référence caractéristiques d’objets préalablement caractérisés, nous arrivons à détecter et localiser de manière sélective deux billes d’acier à des profondeurs bien plus importantes que la profondeur de pénétration permise par l’échographie ultrasonore conventionnelle.Dans un second temps, nous montrons comment les corrélations exhibées par la matrice de réflexion peuvent être exploitées pour apprendre à focaliser à travers des suspensions granulaires sans aucune expérience préalable de calibration. En exploitant l’effet mémoire chromato-angulaire, nous apprenons à compenser la dispersion fréquentielle induite par la suspension de billes afin d’imager un milieu placé derrière cette dernière. En exploitant l’effet mémoire chromato-axial, nous apprenons à transformer une couche de billes en une lentille diffusante, ce qui permet d’accéder à une bien meilleure résolution pour l’image ultrasonore formée que celle obtenue en espace libre
Modélisation numérique du comportement des matériaux cimentaires depuis le jeune-âge jusqu’à l’état durci : application au contrôle de l’impression 3D du béton
No full text3D concrete printing is a technology on the rise, promising to tackle two of the main issues in the construction industry today: low productivity and high environmental impact. Selective deposition of the material allows for optimal usage, thus reducing overall material consumption compared with traditional casting, while also alleviating the need for skilled labour.However, this new technology is faced with many critical issues stemming from the elimination of the formwork. Without the mechanical barrier of the formwork preventing fresh cement-based material from flowing out, the 3D-printed material must be able to sustain its self-weight at the very early age. The formwork also constitutes a protective layer against the environment, namely preventing drying from the concrete surface. In its absence, shrinkage cracking and other durability issues become of prime importance.The success of 3D printing with cement-based materials relies until now mainly on the practical knowledge of highly-skilled operators. To improve the consistency of the technology and enable a wider adoption in the industry, adequate modelling tools are required with the ability to analyse the feasibility and estimate the durability of 3D printed objects. The goal of the present work is to develop a comprehensive framework capable of serving this purpose. It is focused on two aspects: constitutive modelling at the scale of the material and structural-scale simulation of 3D printed objects.The proposed constitutive model constitutes an extension of previously developed poromechanics-based models for oil-well cementing purposes. The improvements include thermal couplings, viscoplasticity, and taking into account additional mechanisms relevant to materials and load cases in the context of 3D printing, such as the interaction between partial saturation and hydration kinetics. This model is fully encompassed in a general thermodynamical theoretical framework. It is validated against existing experimental results on early-age cement pastes involving hydromechanical couplings during hydration. The model can account for the effect of previous stress history on the material behaviour at a given time.Simulating 3D concrete printing also requires modelling of the printing process itself. To this end,a full simulation framework was developed based on open-source bricks.It includes a meshing tool which produces meshes based on robot printing paths associated with an FEM solver to create a ``digital twin'' of the printing process.Indeed, during printing, material is continuously being deposited so that the geometry of a print-piece is evolving in time, which is reproduced in the simulation. Process-related parameters, such as layer-pressing, are also taken into account.Using this framework, failure during the printing of complex geometries can be estimated, be it from plastic collapse or from elastic buckling.Beyond the printing phase alone, the thermo-hydro-chemical coupling mechanisms linked with evaporation at the surface of the fresh mortar can also be simulated to investigate the so-called ``cold-joint'' effect at interfaces or the gradient of hydration observed in the width of a layer.Ultimately, we show how an optimisation procedure can be integrated into the simulation framework to tailor some process parameters such as printing speed ahead of printing.In that way, it is possible to modulate process parameters in the time frame of printing to maximise productivity while steering away from the risk of collapse.L’impression 3D de béton est une technologie émergente avec pour promesse d’adresser deux enjeux actuels de l’industrie de la construction: une productivité en berne ainsi qu’un impact environnemental important. Une déposition sélective du matériau permet d’en faire un usage optimal, réduisant ainsi la quantité de matériau utilisée par rapport à la méthode traditionnelle par coffrage tout en diminuant le coût de main d’œuvre. Toutefois, cette nouvelle technologie fait face à de nombreux écueils provenant de l’absence de coffrage. Sans cette barrière mécanique empêchant le matériau cimentaire frais de couler, l’objet imprimé doit être capable de supporter son poids propre dès le très jeune âge. Le coffrage constitue également un couche protectrice vis-à-vis de l’environnement, empêchant notamment le séchage à la surface du béton. Sans lui, des problèmes de durabilité comme la fissuration de retrait deviennent d’importance capitale. Le succès d’une impression à base de matériau cimentaire est jusqu’alors conditionné par le savoir pratique d’opérateurs hautement qualifiés. Afin de rendre la technologie plus fiable et l’ouvrir à un public industriel plus large, des outils de modélisation adéquates pouvant analyser la faisabilité et estimer la durabilité d’objets imprimés sont requis. Le but de ce travail est de développer un outil numérique permettant de répondre à ces attentes. Il se focalise sur deux aspects : la modélisation du comportement à l’échelle du matériau et la simulation à l’échelle structurelle des objets imprimés. La loi de comportement proposée ici est une extension de développements précédents sur la modélisation basé sur la poromécanique des ciments de puits pétroliers incluant les couplages thermiques, la viscoplasticity ainsi qu’un certain nombre de mécanismes additionnels d’intérêt pour l’impression 3D, comme l’interaction entre saturation partielle des pores et hydratation. Ce modèle est dérivé dans un cadre théorique thermodynamique général. Il est validé à partir de données expérimentales existantes sur le comportement hydromécanique durant l’hydratation de pâtes de ciment, et montre sa capacité à prendre en compte l’effet de l’histoire de chargement sur le comportement à un temps donné. La simulation de l’impression 3D passe aussi par la modélisation du processus d’impression lui-même. Pour cela, un outil de simulation complet a été développé sur la base d’éléments en accès libre. Il comprend un outil produisant le maillage à partir de données du parcours robot, associé à un solveur éléments finis afin de créer un « jumeau numérique » de l’impression. Ce solveur permet de simuler la déposition continue du matériau durant l’impression en faisant évoluer la géométrie de l’objet avec le temps. Des paramètres liés au processus d’impression, comme l’écrasement des couches, sont également pris en compte. Grâce à cet outil, la ruine d’objets à géométrie complexe durant leur impression peut être estimée, qu’elle intervienne par effondrement plastique ou par flambement. Au-delà de la phase d’impression, les couplages thermo-hydro-chimiques liés à l’évaporation peuvent également être simulés afin d’investiguer le phénomène de « joint froid » et les hétérogénéités de propriétés dans l’épaisseur du cordon. Enfin, la possibilité d’utiliser cet outil afin d’optimiser certains paramètres liés au processus, comme par exemple la vitesse d’impression, est démontrée. De fait, il est possible de moduler ces paramètres durant l’impression pour maximiser la productivité tout en assurant ne pas être en danger de ruine de l’objet
Comportement à long terme des galeries excavées dans l'argilite du Callovo-Oxfordien : développement d'une démarche d'analyse pour le dimensionnement des ouvrages
No full textThe Underground Research Laboratory of Meuse/Haute-Marne (URL MHM) is being constructed by the French National Agency for Radioactive Waste Management (Andra) to study the feasibility of a geological repository in the Callovo-Oxfordian (COx) claystone. The URL MHM comprises a network of drifts excavated mainly in the direction of the main horizontal stresses. Instrumentation is used to monitor the behavior of the host rock, lining and support structures. The evaluation of these measurements provides a characterization of the time-dependent behavior of the drifts, which is essential information for the design of the future repository structures. The in-situ investigations carried out at the URL MHM have identified the development of an excavation-induced fracture zone whose horizontal and vertical extensions depend on the orientation of the drifts in relation to the state of stress. In addition, the monitoring of displacements at the wall and inside the rock indicates a highly anisotropic response intrinsically linked to the orientation of the fractured zones.The thesis project is based on two main axes: the direct analysis of in-situ measurements and the numerical modelling of several drifts with variations related in particular to excavation directions and types of lining and support. Among the evaluation of various auscultation data, particular attention is given to the analysis of the convergence. The approach used considers an elliptical evolution of the drifts' closure, which is approximated by the fitting of a semi-empirical convergence law. This allows us to identify the anisotropic ratios between vertical and horizontal convergences and to distinguish the influence of the excavation face advance and that of the time-dependent behavior of the rock on the observed response. For sections where it has not been possible to measure vertical convergence due to working site constraints, the evolution of convergence along this axis is estimated using the elliptical fitting. The convergence law curves are used to characterize the behavior of drifts over time and to extrapolate this behavior in the long term.A numerical model is established to simulate the behavior of structures excavated in COx claystone, using in situ data from the drifts to validate the modelling assumptions. An isotropic viscoelastic-plastic behavior is assigned to the rock mass using the CVISC model. The approach considers the explicit introduction of the fractured zone and the assumption that only its time-dependent behavior is distinct from that of the intact rock. The viscoelastic parameters of the intact and fractured rocks are calibrated independently, allowing the model to reproduce the global in-situ response inside the rock mass. In addition, simulations of different excavation scenarios (orientation, geometry, excavation methods, and support types) are considered. This allows us to assess the influence of structural elements, such as compressible wedges, on the behavior of the temporary and final supports. This work proposes a new analysis approach based on a correlation between the in-situ evolution of convergence at the wall and the extension of the fractured zone to be introduced into the numerical model. The application of this analysis could be useful for design studies of future galleries excavated in the COx due to its simple implementation in existing calculation tools and its ability to predict the long-term evolution of the response of structures.Le Laboratoire Souterrain de Meuse/Haute-Marne (LS MHM) est construit par l'Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (Andra) pour étudier la faisabilité d’un stockage géologique dans l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx). Le LS MHM est constitué d'un réseau de galeries excavées en majorité dans la direction des contraintes horizontales principales. Le suivi du comportement de la roche hôte, des soutènements et des revêtements des galeries est réalisé par l'instrumentation mise en place. L'évaluation de ces mesures permet de caractériser l'évolution de la réponse des galeries dans le temps, ce qui est une information essentielle pour le dimensionnement des futurs ouvrages de stockage. En effet, les investigations in situ menées au LS MHM ont identifié le développement d'une zone fracturée induite par l'excavation dont les extensions horizontales et verticales dépendent de l'orientation des galeries par rapport à l'état des contraintes en place. De plus, le suivi des déplacements à la paroi et à l'intérieur du massif a indiqué une réponse fortement anisotrope intrinsèquement liée à l'orientation des zones fracturées. Le projet de thèse est basé sur deux grands axes : l'analyse directe des mesures in situ et la modélisation numérique de plusieurs galeries avec des variations liées notamment aux directions d’excavation et aux types de soutènement et de revêtement. Parmi l'évaluation de différentes données d'auscultation, on s'intéresse particulièrement à l'analyse de la convergence. L’approche utilisée considère une évolution elliptique de la déformation de la section qui est approximée par le calage d’une loi semi-empirique de convergence. Cette procédure permet d'identifier les rapports d'anisotropie entre la convergence verticale et l'horizontale et de distinguer l'influence de l'avancement du front de taille et du comportement différé du massif dans la réponse observée. Pour des sections où la mesure de convergence verticale n'a pas pu être réalisée en raison de contraintes liées au chantier, l'évolution de la convergence sur cet axe est estimée à l'aide du calage elliptique. Les courbes de la loi de convergence permettent également d'établir une caractérisation du comportement des galeries dans le temps et d'extrapoler ce comportement à long terme. Un modèle numérique est établi pour simuler les galeries excavées dans l'argilite du COx en utilisant les données in situ des galeries pour valider les hypothèses de la modélisation. Le massif rocheux est modélisé par un comportement viscoélastique-plastique isotrope de type CVISC. L'approche considère l'introduction explicite de la zone fracturée et l'hypothèse que seul son comportement différé est distinct de celui de la roche saine. Les paramètres viscoélastiques de la roche saine et de la roche fracturée sont calés de manière indépendante, ce qui permet au modèle de reproduire la réponse globale in situ à l'intérieur du massif. De plus, l'étude permet d'explorer le comportement des galeries excavées suivant différents scénarios (orientation, géométrie, méthode d'excavation et types de soutènement et de revêtement) et d'évaluer l'influence des éléments structuraux, tels que les cales compressibles, dans le comportement du soutènement et du revêtement. On propose une nouvelle démarche d’analyse basée sur une corrélation entre l’évolution in situ de la convergence des parois et l'extension de la zone fracturée à introduire dans le modèle numérique. L'application de la démarche pourra être utile aux études de conception des futures galeries excavées dans le COx en raison de son implémentation simple dans les outils de calcul existants et de sa capacité à prédire l'évolution à long terme de la réponse des ouvrages