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Analyse cinématique et biomécanique de la main et du poignet par modélisation personnalisée. Effet de lésions et d’instrumentations
No full textThe architecture of the hand and wrist is a complex set of articulations enabling the efficient execution of all the gestures of daily life.Precision of movement and transmission of effector forces require optimal joint congruence and bone cohesion ensured by an organized ligament system.Any trauma resulting in articular step off (fracture) or loss of bone cohesion (ligament rupture) is likely to produce pathological kinematics within these joints. The result is pain, decrease range of motion and impaired overall function. Knowledge of the pathophysiological mechanisms leading to these disorders is essential on several levels: firstly, in a diagnostic context, to be able to identify and treat any injury, even a partial one. Secondly, to improve overall knowledge of the physiological and pathological kinematics of the hand and wrist. And lastly, as part of an innovation drive to propose new solutions (implants) to unresolved problems.The design of customized geometric and biomechanical models in the general context of the study of human joints provides answers to these types of questions. In preliminary work, linked to my Master's research and Stan Durand's thesis, biomechanical tests were carried out on anatomical parts to analyze the effect of a specific implant on the kinematic behavior of the wrist, and to design a method for personalized modeling of the hand and wrist using low-dose biplane X-rays.Following on from this project, this thesis has several objectives.The first objective is to validate our method of personalized hand and wrist modeling in living subjects, by comparing it with the reference technique of TDM segmentation.Secondly, we will apply this method to create a corridor of physiological displacement of certain carpal bones of interest (scaphoid, lunate, triquetrum), between two reference positions (wrist in neutral position or closed fist) among a population of volunteers free of ligament lesions. This corridor of normality is useful for comparing physiological and pathological displacements in clinical practice.Indeed, the third objective is to compare carpal kinematic data from patients with infra-radiological ligament lesions with this corridor of normality. The aim is to assess the diagnostic capabilities of the customized model. By analyzing pre- and post-operative data, a feasibility study will also investigate the field of objective follow-up of surgical restoration by suture or ligament re-anchoring.The aim of such a study is therefore to use geometric, kinematic and biomechanical models of the hand and wrist to assess normal and pathological kinematics (diagnosis), and to analyze current surgical implants in order to propose areas for improvement.L’architecture de la main et du poignet est un ensemble complexe d’articulations permettant la réalisation efficace de l’ensemble des gestes de la vie quotidienne.La précision des mouvements et la transmission des forces effectrices nécessitent une congruence articulaire optimale et une cohésion osseuse assurées par un système ligamentaire organisé.Tout traumatisme engendrant un écart articulaire (fracture) ou une perte de la cohésion osseuse (rupture ligamentaire) risque de produire des mouvements pathologiques au sein de ces articulations. Il apparaît alors des douleurs, une diminution des amplitudes de mouvements et une altération de la fonction globale. La connaissance des mécanismes physiopathologiques conduisant à ces troubles est essentielle à plusieurs niveaux : premièrement, dans un cadre diagnostic, pour pouvoir identifier une éventuelle lésion, même partielle, et la traiter ; deuxièmement, dans un cadre d’amélioration de la connaissance globale de la cinématique physiologique et pathologique de la main et du poignet ; et enfin, dans un cadre d’innovation afin de proposer de nouvelles solutions (implants) à des problèmes non résolus.La conception de modèles géométriques et biomécaniques personnalisés dans le contexte général de l’étude des articulations humaines permet de répondre à ce type de questions. Dans un travail préliminaire, lié à mon master recherche et à la thèse de Stan Durand, des essais biomécaniques ont été réalisés sur pièces anatomiques pour analyser l’effet d’un implant spécifique sur le comportement cinématique du poignet et concevoir une méthode de modélisation personnalisée de la main et du poignet par l’acquisition de radiographies biplanes faibles doses.Dans la continuité de ce projet, ce travail de thèse présente plusieurs objectifs.Le premier objectif est de valider notre méthode de modélisation de la main et du poignet personnalisée chez le vivant, en comparant cette méthode à la technique de référence de segmentation scannographique.Le deuxième objectif est d’appliquer cette méthode pour constituer un corridor de déplacement physiologique de certains os d’intérêt du carpe (scaphoïde, lunatum, triquétrum), entre deux positions de référence (poignet en position neutre ou poing fermé) parmi une population de volontaires indemnes de lésions ligamentaires. Ce corridor de normalité est utile pour comparer les déplacements physiologiques et pathologiques en pratique clinique.Le troisième objectif est de comparer les données de cinématiques carpiennes de patients atteints de lésions ligamentaires infra radiologique à ce corridor de normalité. Le but est d’évaluer les capacités diagnostic du modèle personnalisé. En analysant les données pré et post opératoire, une étude de faisabilité permet en outre d’investiguer le champ du suivi objectif de la restauration chirurgicale par suture ou réancrage ligamentaire.La finalité générale d’une telle étude est donc l’utilisation de modèles géométriques, cinématiques et biomécaniques de la main et du poignet dans le but d’évaluer la cinématique normale et pathologique (diagnostic) et d’analyser des implants chirurgicaux actuels afin de proposer des axes d’amélioratio
Lytic Polysaccharide Monooxygenases (LPMO) Fongiques : Mise en oeuvre en bioraffinerie et découverte de nouvelles enzymes aux propriétés atypiques
No full textPlant biomass represents an abundant reservoir of renewable carbon, stored in the form of polysaccharides embedded in a complex matrix constituting the plant cell wall. In the context of the bio-economy, the biorefinery concept aims to extract and valorize this carbon, notably through the use of enzymatic cocktails of fungal origin. However, the effectiveness of these cocktails on the most recalcitrant biomasses is still limited, impacting the economic viability of biorefinery processes. The discovery of Lytic Polysaccharide Monooxygenases (LPMOs), metallo-enzymes that boost biomass conversion, has led to a major advance in the effectiveness of these cocktails. However, their complex reaction mechanism and diverse substrate specificities hamper the control their activity in industrial processes. With millions of years of evolution, filamentous fungi are the master of the enzymatic biomass degradation, and learning from these biological systems represents a promising approach. Thus, the objectives of this thesis were mulitiple. First, to better control LPMO activity and thus improve conversion yields of several recalcitrant biomasses of industrial interest, we investigated the additional effect of cellobiose dehydrogenase, a well-know LPMO biological partner, on the efficiency of reconstituted enzymatic cocktails. Then, to identify new LPMOs with high industrial potential, we studied atypical LPMOs secreted by fungal wood-decayers, namely Polyporales. Unexpectedly, the latter led to the discovery of atypical properties hitherto unknown in the field of LPMOs, questioning the nature of their true biological function, which may go beyond the conversion of plant biomass.La biomasse végétale représente un réservoir abondant de carbone renouvelable, stocké sous forme de polysaccharides imbriqués dans une matrice complexe constituant la paroi végétale cellulaire. Dans le contexte de la bioéconomie, le concept de bioraffinerie vise à extraire et valoriser ce carbone, notamment via l'utilisation de cocktails enzymatiques d'origine fongique. Cependant, l'efficacité de ces cocktails sur les biomasses les plus récalcitrantes reste encore limitée impactant la viabilité économique des procédés de bioraffinerie. La découverte des « Lytic Polysaccharide MonoOxygenases » (LPMO), des métalloenzymes accélérant la conversion de la biomasse, a permis une avancée majeure dans l'efficacité de ces cocktails. Cependant, leur mécanisme réactionnel complexe ainsi que leur diversité de spécificité de substrats rend le contrôle de leur activité difficile à mettre en œuvre dans des procédés industriels. Des millions d'années d'évolution ayant conféré aux champignons filamenteux une maitrise quasi inégalée dans ladégradation enzymatique de la biomasse, apprendre de ces systèmes biologiques représente une approche prometteuse. Les objectifs de cette thèse furent doubles : Dans un premier axe, afin de mieux contrôler l'activité des LPMO et ainsi d'améliorer les rendements de conversion de plusieurs biomasses récalcitrantes d'intérêt industriel, nous avons étudié l'effet de l'addition d'un partenaire biologique des LPMO, la cellobiose déshydrogénase, sur l'efficacité de cocktails enzymatique reconstitués. En parallèle, dans un deuxième axe, afin d'identifier de nouvelles LPMO à fort potentiel industriel, nous avons étudié des LPMO atypiques sécrétés par des champignons dégradeurs de bois, à savoir des Polyporales. De manière imprévue, ce dernier axe a abouti à la découverte de propriétés atypiques jusqu'alors inconnues du domaine des LPMO, questionnant la nature de leur véritable fonction biologique, allant peut-être au-delà de la conversion de biomasse végétale
Développement d'une modélisation numérique et d'une méthodologie expérimentale dans le mécanisme de formation des copeaux : Application à la coupe orthogonale de l'alliage Ti6Al4V.
No full textThis thesis concerns a numerical and experimental approach for investigating the material removal of the titanium alloy Ti-6Al-4V by machining. As a result, it attempts to address a highly complicated problem on a macro-scale level where the thermo-mechanical elements involved during the alloy cutting evolves rapidly with the chip formation mechanism and related characteristics.Different important aspects of machining have been addressed, especially the segmented chip formation process, while considering the numerical modelling approach. Since, the accuracy of the numerical machining simulations primarily depends on the choice of adapted constitutive material behaviour model and parameters. The cutting process was modelled using finite element in the first section of the thesis, where the influence of the material parameters associated to a modified Johnson-Cook material model and thermal properties are studied based on chip segmentation analysis.The experimental part of this study has been targeted towards a more exact knowledge on the kinetics of the chip formation process during cutting process. Thus the second section of the thesis addresses the experiments are performed on an specialized instrumented cutting bench, which allowed cutting force measurement and chip geometry analysis during the orthogonal cutting process within a wide range of cutting speed and feed configuration. Based on these experimental insights it was possible to examine the influence of different cutting conditions on characteristics of chip morphology and forces evolution.The constructed FE model's resilience and predictive capability were demonstrated by numerical/experimental comparisons of chip morphology, machining forces and other machining characteristics. Finally, the findings of this study allowed for a thorough examination of material removal mechanisms, particularly in the case of speeds that are used in industrial applications for the Ti6Al4V alloys.Keywords : orthogonal cutting, machining, FE modelling, chip formation, chip segmentation, machining forces, Ti6Al4V.Le travail effectué dans cette thèse propose une approche numérique et expérimentale de la modélisation de l’usinage de l’alliage Ti-6Al-4V. La modélisation proposée porte en particulier sur la détermination des paramètres d’une loi de type Johnson-Cook modifiée (MJC) avec la prise en compte du phénomène d’adoucissement. Dans un premier temps une étude paramétrique de la sensibilité du modèle de lois de comportement proposé est réalisée. Elle a permis d’identifier les paramètres optimaux permettant de limiter les écarts du modèle numérique par rapport aux résultats expérimentaux obtenus en coupe orthogonale en termes de morphologie de copeau et de niveau d’efforts de coupe.Le volet expérimental proposé lors de ces travaux a permis une analyse détaillée de la cinématique du process de génération de copeau dans le cadre de la coupe orthogonale sur un banc expérimental multi-instrumenté dédié (platine dynamométrique et caméra rapide). Une analyse basée sur une mesure des efforts de coupe et un suivi par camera rapide de la génération du copeau a été réalisé pour une large gamme de conditions de coupe. Ces essais ont permis de mettre en évidence les différentes corrélations entre les paramètres opératoires et les géométries de copeau générées (phénomène de segmentation). Les analyses réalisées ont permis un recalage des paramètres de la loi de comportement MJC proposée.Le volet numérique, basé sur une modélisation par éléments finis, a été validé par confrontation à des résultats expérimentaux, en termes de géométrie de copeau, d’efforts de coupe et d’autres caractéristiques, pour différentes configurations de coupe simulées.Les simulations et les validations expérimentales réalisées ont permis de couvrir un large domaine de conditions de coupe incluant celles utilisées en environnement industriel. Les résultats obtenus permettent d’envisager une extension du modèle 2D au domaine 3D pour l’étude de l’usinage dans le cadre de configurations de coupe plus complexes (coupe oblique par exemple). Cette approche permettra de se rapprocher au mieux des conditions thermomécaniques générés lors de procédé réels d’usinage 3D tels que le perçage, tournage ou fraisage.Mots-clés : coupe orthogonale, usinage, modélisation FE, formation de copeaux, segmentation de copeaux, forces d'usinage, Ti6Al4V
Modélisation des impacts des arbres sur la qualité de l’air de l’échelle de la rue à la ville.
No full textTrees provide numerous ecosystem services in cities, helping to reduce some of the consequences of urbanization, such as the urban heat island and water run-off. Their thermo-radiative effect improves thermal comfort.Trees can also have an impact on urban air quality through various processes. The deposition of gaseous and particulate pollutants on tree leaves can help to reduce concentrations. However, the aerodynamic effect of trees modifies the airflow in street canyons and limits the dispersion of pollutants emitted in the street. Trees also emit biogenic volatile organic compounds (BVOCs), which can contribute to the formation of O3 and secondary organic aerosols. BVOC emissions vary depending on the tree species, and are influenced by climatic factors (temperature, radiation) and by the tree water status.The objective of this thesis is to quantify the impacts of these different processes on urban air quality. Numerical simulations are performed over the city of Paris during summer 2022 using the CHIMERE/MUNICH model chain in order to quantify the impact of trees on atmospheric concentrations of pollutants at the local and regional scales. The simulated concentrations are compared to measurements.Urban trees are not generally taken into account in air quality models, either at regional or street level. In order to integrate BVOC emissions into the CHIMERE regional model, an inventory is developed using the tree database of the city of Paris. A method is set up to estimate the characteristics of the trees, which are used as input data for the various models (leaf area, dry biomass, crown size, etc.). On average over the months of June and July 2022 in Paris, local biogenic emissions from trees lead to an increase of 1.0% in O3, 4.6% in organic PM1 and 0.6% in PM2.5. Biogenic emissions from urban trees strongly increase concentrations of isoprene and monoterpenes. Compared with measurements, terpene concentrations tend to be underestimated, given the uncertainties associated with emission factors and the missing part of the vegetation in the inventory. Terpene emissions from urban and suburban vegetation greatly influence the formation of organic particles, it is therefore important to characterize them properly in air quality models.The various effects of urban trees on air quality at street level are then added into the MUNICH street network model. The aerodynamic effect of street trees is parameterized using computational fluid dynamics simulations. It leads to an increase in the concentrations of compounds emitted into the street. This increase can reach +37% for NO2 in streets with a large leaf surface and high traffic. Deposition on tree leaves is computed using a resistive approach adapted to the scale of the tree in the street. However, its impact on concentrations remains limited for the gases and particles studied (< -3%).Finally, a coupling between the TEB (urban surface model), SPAC (soil-plant-atmosphere continuum model) and MUNICH models is developed. This coupling provides a better representation of the impacts of the urban micro-climate heterogeneities and of the thermo-radiative effect of trees on gas and particle concentrations. The effects of the micro-climate and of the tree water stress on BVOC emissions are also taken into account in order to refine the calculation of emissions.Les arbres apportent de nombreux services écosystémiques en ville, ils permettent de diminuer certaines conséquences de l’urbanisation comme l’îlot de chaleur urbain et le ruissellement de l’eau. Leur effet thermo-radiatif améliore le confort thermique. Les arbres peuvent également impacter la qualité de l’air en ville via différents processus. Le dépôt de polluants gazeux et particulaires sur les feuilles des arbres peut contribuer à la diminution des concentrations. Cependant, l’effet aérodynamique des arbres modifie l’écoulement dans les rues canyons et limite la dispersion des polluants émis dans la rue. Par ailleurs, les arbres émettent des composés organiques volatils biogéniques (COVb) qui peuvent participer à la formation d’O3 et d’aérosols organiques secondaires. Les émissions de COVb varient selon l’espèce d’arbre, et sont influencées par des facteurs climatiques (température, rayonnement) mais aussi par le statut hydrique des arbres. Cette thèse a pour objectif de quantifier les impacts de ces différents processus sur la qualité de l’air en ville. Des simulations numériques sont réalisées sur la ville de Paris pendant l’été 2022 avec la chaîne de modèles CHIMERE/MUNICH afin de quantifier l’impact des arbres sur les concentrations atmosphériques de polluants à l’échelle locale et régionale. Les concentrations simulées sont comparées à des mesures. Les arbres urbains ne sont généralement pas pris en compte dans les modèles de qualité l’air, aussi bien à l’échelle régionale qu’à l’échelle de la rue. Pour intégrer les émissions de COVb dans le modèle régional CHIMERE, un inventaire est réalisé à partir de la base de données des arbres de la ville de Paris. Une méthode est développée afin d’estimer les caractéristiques des arbres qui sont utilisées en données d’entrée des différents modèles (surface de feuille, biomasse sèche, taille de la couronne, etc.). En moyenne sur les mois de juin et juillet 2022 à Paris, les émissions biogéniques locales des arbres induisent une augmentation de 1,0% d’O3, 4,6% de PM1 organiques et 0,6% de PM2.5. Les émissions biogéniques des arbres urbains augmentent très fortement les concentrations d’isoprène et de monoterpènes. Par comparaison aux mesures, les concentrations de terpènes ont tendance à être sous-estimées, compte tenu des incertitudes liées aux facteurs d’émissions et à la part de végétation manquante dans l’inventaire. Les émissions de terpène de la végétation urbaine et suburbaine influencent fortement la formation de particules organiques, il est donc important de bien les caractériser dans les modèles de qualité de l’air. Les différents effets des arbres urbains sur la qualité de l’air à l’échelle de la rue sont ensuite ajoutés dans le modèle de réseau de rue MUNICH. L’effet aérodynamique des arbres dans les rues est paramétré à partir de simulations de mécanique des fluides. Il induit une augmentation des concentrations des composés émis dans la rue. Cette augmentation peut atteindre +37% pour le NO2 dans les rues avec une surface de feuilles importante et un trafic élevé. Le dépôt sur les feuilles des arbres est calculé à partir d’une approche résistive adaptée à l’échelle de l’arbre urbain dans la rue. Cependant, son impact sur les concentrations reste limité sur les gaz et particules étudiés (< -3%).Pour finir, un couplage entre les modèles TEB (modèle de surface urbaine), SPAC (modèle de continuum sol-plante-atmosphère) et MUNICH a été mis en place. Ce couplage permet de mieux représenter les impacts des hétérogénéités du micro-climat urbain et de l’effet thermo-radiatif des arbres sur les concentrations de gaz et de particules. L’effet de ce micro-climat et du stress hydrique des arbres sur les émissions de COVb est aussi pris en compte afin d’affiner le calcul des émissions
Imagerie ultrasonore de la stéatose hépatique préclinique
No full textThe work of this thesis aims to improve the diagnosis of non-alcoholic fatty liver disease. This chronic inflammatory disease begins with an accumulation of fat in the liver and progresses to fibrosis and severe cirrhosis in the final stage.This disease, which is now misdiagnosed, has become a significant public health problem due to its increasing incidence and its many impacts on the lives of patients.With the development of ultrafast ultrasound, new diagnostic approaches and sensitive ultrasound modalities were introduced, such as:- The ultrasensitive Doppler reveals the blood volume of the organ.- Super-resolution to image microcirculation and quantify liver vascular density.- Elastography to reveal the elasticity and hardness of the liver.- The speed of sound and the intensity of the backscatter these two values that are dependent on the amount of fat in the liver.Using its various non-invasive ultrasonic modalities, we seek to understand and predict the evolution of steatosis in preclinical models such as mice and miniature pigs. This study will also identify the ultrasonic modality most sensitive to the context of NASH.racheLes travaux de cette thèse visent à améliorer le diagnostic de la stéatose hépatique non alcoolique, une maladie chronique inflammatoire qui commence par une accumulation du gras dans le foie et évolue vers une fibrose, puis une cirrhose sévère en dernier stade.En fait, cette maladie, qui est aujourd’hui mal diagnostiquée, est devenue un problème de santé publique important en raison de l'augmentation de son incidence et de ses nombreux impacts sur la vie des patients.Avec le développement de l’échographie ultrarapide, des nouvelles approches diagnostiques et modalités échographiques sensibles ont été introduites :- Le doppler ultrasensible qui révéle le volume sanguin de l’organe.- La super résolution pour imager la microcirculation et quantifier la densité vasculaire du foie.- L'élastographie pour révéler l'élasticité et la dureté du foie.- La vitesse du son et l'intensité du backscatter, ces deux valeurs qui sont dépendantes de la quantité du gras dans le foie.À l'aide de ses différentes modalités ultrasonores non-invasives, on cherche à comprendre et à prédire l’évolution de la stéatose dans des modèles précliniques comme la souris et le petit cochon. Ainsi que, cette étude permettra d’identifier la modalité ultrasonore la plus sensible au contexte de la NASH
Analyse d'image non supervisée par synthèse
No full textThe goal of this thesis is to develop machine learning approaches to analyze collections of images without annotations. Advances in this area hold particular promises for high-impact 3D-related applications (e.g., reconstructing a real-world scene with 3D actionable components for animation movies or video games) where annotating examples to teach the machines is difficult, as well as more micro applications related to specific needs (e.g., analyzing the character evolution from 12th century documents) where spending significant effort on annotating large-scale database is debatable. The central idea of this dissertation is to build machines that learn to analyze an image collection by synthesizing the images in the collection. Learning analysis models by synthesis is difficult because it requires the design of a learnable image generation system that explicitly exhibits the desired analysis output. To achieve our goal, we present three key contributions.The first contribution of this thesis is a new conceptual approach to category modeling. We propose to represent the category of an image, a 2D object or a 3D shape, with a prototype that is transformed using deep learning to model the different instances within the category. Specifically, we design meaningful parametric transformations (e.g., geometric deformations or colorimetric variations) and use neural networks to predict the transformation parameters necessary to instantiate the prototype for a given image. We demonstrate the effectiveness of this idea to cluster images and reconstruct 3D objects from single-view images. We obtain performances on par with the best state-of-the-art methods which leverage handcrafted features or annotations.The second contribution is a new way to discover elements in a collection of images. We propose to represent an image collection by a set of learnable elements composed together to synthesize the images and optimized by gradient descent. We first demonstrate the effectiveness of this idea by discovering 2D elements related to semantic objects represented by a large image collection. Our approach have performances similar to the best concurrent methods which synthesize images with neural networks, and ours comes with better interpretability. We also showcase the capability of this idea by discovering 3D elements related to simple primitive shapes given as input a collection of images depicting a scene from multiple viewpoints. Compared to prior works finding primitives in 3D point clouds, we showcase much better qualitative and quantitative performances.The third contribution is more technical and consist in a new formulation to compute differentiable mesh rendering. Specifically, we formulate the differentiable rendering of a 3D mesh as the alpha compositing of the mesh faces in an increasing depth order. Compared to prior works, this formulation is key to enable us to learn 3D meshes without requiring object region annotations. In addition, it allows us to seamlessly introduce the possibility to learn transparent meshes, which we design to model a scene as a composition of a variable number of meshes.Le but de cette thèse est de développer des approches d'intelligence artificielle (IA) pour analyser des collections d'images sans annotations. Des avancées dans ce domaine sont prometteuses pour des applications à fort impact reliées à la 3D (e.g., reconstruire une scène avec des composantes 3D manipulables pour les films d'animation ou les jeux vidéos) où annoter des exemples pour entrainer l'IA est difficile, et aussi pour des applications plus spécifiques (e.g., analyser l'évolution des charactères dans des documents du 12ème siècle) où employer des efforts conséquents pour annoter de larges bases de données pose question. L'idée centrale de cette dissertation est de construire des IA qui apprennent l'analyse d'une collection d'images en synthétisant ces mêmes images. Apprendre des modèles d'analyse par synthèse est difficile car cela nécessite la conception d'un système de génération d'images apprenable qui exhibite explicitement l'analyse voulue. Pour atteindre notre but, nous présentons trois contributions clés.La première contribution de cette thèse est une nouvelle approche conceptuelle à la modélisation de catégorie. Nous proposons de représenter la catégorie d'une image, d'un objet 2D ou d'une forme 3D, avec un prototype qui est transformé via appprentissage profond pour modéliser les différentes instances au sein de la catégorie. Plus spécifiquement, nous introduisons des transformations paramétriques concrètes (e.g., des déformations géométriques ou des variations de couleurs) et utilisons des réseaux de neurones pour prédire les paramètres de transformations nécessaires pour instancier le prototype pour une image donnée. Nous démontrons l'efficacité de cette idée en regroupant des images et reconstruisant des objets 3D à part d'images d'une seule vue de l'objet. Nous obtenons des performances égales aux meilleures méthodes qui utilisent des représentations d'image ad-hoc ou des annotations.La deuxième contribution est une nouvelle manière de découvrir des éléments dans une collection d'images. Nous proposons de représenter une collection d'images par un ensemble d'éléments apprennables, composés pour synthétiser les images et optimisés par descente de gradient. Nous démontrons l'efficacité de cette idée en découvrant des éléments 2D reliées à des objets sémantiques représentés dans la collection d'images. Notre approche a des performances semblables aux meilleures méthodes qui synthétisent les images par réseaux de neurones, et est plus interprétable. Nous démontrons aussi son efficacité en découvrant des éléments 3D reliées à des formes primitives étant donnée une collection d'images illustrant une scène via différents points de vue. Comparé aux travaux précédents calculant des primitives dans des nuages de points 3D, nous obtenons des résultats qualitatifs et quantitatifs supérieurs.La troisième contribution est plus technique et consiste en une nouvelle formulation pour calculer le rendu differentiable d'un mesh. Plus spécifiquement, nous formulons le rendu différentiable d'un mesh 3D comme l'alpha composition des faces du mesh par ordre de profondeur croissante. Comparée aux travaux précédents, cette formulation est clé pour apprendre des meshes 3D sans utiliser des annotations représentant les régions d'objet. En outre, cette formulation nous permet de facilement introduire la possibilité d'apprendre des meshes transparents, que nous modélisons pour représenter une scène comme une composition d'un nombre variable de meshes
Noyaux et quasi-noyaux dans les graphes orientés
No full textAn important concept in directed graph theory is that of a kernel. This notion was introduced by Morgenstern and von Neumann for studying winning strategies in combinatorial games and now has numerous applications in various fields such as graph theory, game theory, economics, and logic.In a directed graph, D=(V,A), a kernel is a subset N of vertices that is both independent—no pair of vertices in N is connected by an arc—and absorbing—every vertex outside N is the origin of an arc pointing to an element in N. Not all graphs have a kernel, as demonstrated by the example of odd-length cycles. Deciding whether a graph has a kernel is NP-complete. However, there are graphs for which this decision problem is trivial: a directed perfect graph without directed cycles of length 3 always has a kernel. This is a consequence of a theorem by Boros and Gurvich, proved by them in 1996 (and conjectured by Berge and Duchet in 1980). However, the algorithmic complexity of finding a kernel is not known for this class, posing an important open question.The first part of this thesis focuses on studying this question. The polynomial result about some special cases had already been established, such as for triangulated graphs or bipartite graphs. We extend this list, including a generalization of comparability graphs.Chvátal and Lovász showed in 1974 that a slight modification of the kernel definition ensures its systematic existence: they proved that every directed graph has an independent subset N such that every vertex outside N has a path of length at most 2 to an element of N. Such a subset is a quasi-kernel. Their proof provides a polynomial-time algorithm to find one in any directed graph. However, a thorough algorithmic study of quasi-kernels had never been conducted before and constitutes an open question. This study answered natural questions, such as the existence of distinct quasi-kernels or the minimal size of a quasi-kernel, both motivated by a conjecture by Erdős and Székely from 1976.The second part of this thesis consists of the algorithmic study of quasi-kernels and specific cases related to the Erdős-Székely conjecture.Une notion importante de la théorie des graphes orientés est celle de noyau. Cette notion fut introduite par Morgenstern et von Neumann pour l'étude des stratégies gagnantes dans les jeux combinatoires et possède désormais de nombreuses applications, dans d'autres domaines de la théorie des graphes mais aussi en théorie des jeux, en économie ou en logique. Dans un graphe orienté D=(V,A), un noyau est un sous-ensemble N de sommets qui est à la fois indépendant -- aucune paire de sommets dans N n'est reliée par un arc -- et absorbant-- tout sommet hors de N est origine d'un arc vers un élément de N. Tous les graphes ne possèdent pas de noyau comme le montre l'exemple des circuits de longueur impaire. Décider si un graphe possède un noyau est d'ailleurs NP-complet. Il existe cependant des graphes pour lesquels ce problème de décision est trivial : un graphe parfait orienté sans circuit orienté de longueur 3 possède toujours un noyau. C'est la conséquence d'un théorème de Boros et Gurvich, prouvé par ces derniers en 1996 (et conjecturé par Berge et Duchet en 1980). Cependant, la complexité algorithmique de trouver un noyau n'est pas connue pour cette classe, et constitue une question ouverte importante. La première partie de cette thèse consiste en l'étude de cette question. Le caractère polynomial de quelques cas particuliers avait déjà été établi, comme les graphes triangulés ou étaient connu depuis longtemps, comme les graphes bipartis, et nous étendons cette liste avec notamment une généralisation des graphes de comparabilités.Chv'atal et Lov'asz ont montré en 1974 qu'une petite modification de la définition de noyau assurait son existence systématique : ils ont prouvé que tout graphe orienté possède un sous-ensemble N indépendant tel que tout sommet hors de N possède un chemin de longueur au plus 2 vers un élément de N. Un tel sous-ensemble est un quasi-noyau. Leur preuve fournit d'ailleurs un algorithme polynomial pour en trouver un dans tout graphe orienté. Mais une étude algorithmique approfondie des quasi-noyaux n'avait encore jamais été menée, et constitue. Cette étude a permis de répondre à des questions naturelles comme celle de l'existence de deux quasi-noyaux distincts ou celle de la taille minimale d'un quasi-noyau, toutes deux motivées par une conjecture d'Erdős et Székely de 1976.La deuxième partie de cette thèse est constituée de l'étude algorithmique des quasi-noyaux ainsi que l'étude de cas partiuliers relatifs à la conjecture Erdős et Székely
Théorème de la limite centrale pour des fonctionnelles non linéaires de la mesure empirique et pour le rééchantillonnage stratifié
No full textThis thesis is dedicated to the central limit theorem which is one of the two fundamental limit theorems in probability theory with the strong law of large numbers.The central limit theorem which is well known for linear functionals of the empirical measure of independent and identically distributed random vectors, has recently been extended to non-linear functionals. The main tool permitting this extension is the linear functional derivative, one of the notions of derivation on the Wasserstein space of probability measures.We generalize this extension by first relaxing the equal distribution assumptionand then the independence property to be able to deal with the successive values of an ergodic Markov chain.In the second place, we focus on the stratified resampling mechanism.This is one of the resampling schemes commonly used in particle filters. We prove a central limit theorem for the first resampling according to this mechanism under the assumption that the initial positions are independent and identically distributed and the weights proportional to a positive function of the positions such that the image of their common distribution by this function has a non zero component absolutely continuous with respect to the Lebesgue measure. This result relies on the convergence in distribution of the fractional part of partial sums of the normalized weights to some random variable uniformly distributed on [0,1]. More generally, we prove the joint convergence in distribution of q variables modulo one obtained as partial sums of a sequence of i.i.d. square integrable random variables multiplied by a common factor given by some function of an empirical mean of the same sequence. The limit is uniformly distributed over [dollar][0,1]^q[dollar]. To deal with the coupling introduced by the common factor, we assume that the common distribution of the random variables has a non zero component absolutely continuous with respect to the Lebesgue measure, so that the convergence in the central limit theorem for this sequence holds in total variation distance.Under the conjecture that the convergence in distribution of fractional parts to some uniform random variable remains valid at the next steps of a particle filter which alternates selections according to the stratified resampling mechanism and mutations according to Markov kernels, we provide an inductive formula for the asymptotic variance of the resampled population after n steps. We perform numerical experiments which support the validity of this formula.Cette thèse porte sur le théorème de la limite centrale, l'un des deux théorèmes limites fondamentaux de la théorie des probabilités avec la loi forte des grands nombres. Le théorème de la limite centrale usuel qui porte sur des fonctionnelles linéaires de la mesure empirique de vecteurs aléatoires indépendants et identiquement distribués a récemment été étendu à des fonctionnelles non linéaires par l'utilisation de la dérivée fonctionnelle linéaire sur l'espace de Wasserstein des mesures de probabilité. Nous généralisons cette extension à la mesure empirique de vecteurs aléatoires indépendants mais non identiquement distribués d'une part et à la mesure empirique des états successifs d'une chaîne de Markov ergodique d'autre part. Dans un second temps, nous nous intéressons au rééchantillonnage stratifié qui est couramment utilisé dans les filtres particulaires. Nous prouvons un théorème de la limite centrale pour le premier rééchantillonnage sous l'hypothèse que les positions initiales des particules sont indépendantes et identiquement distribuées et leurs poids sont proportionnels à une fonction positive des positions qui envoie leur loi commune sur une probabilité possédant une composante non nulle absolument continue par rapport à la mesure de Lebesgue. Ce résultat repose sur la convergence en loi de la partie fractionnaire des sommes partielles de poids normalisés vers une variable aléatoire uniforme sur [0,1]. Plus généralement, nous montrons la convergence en loi vers un vecteur aléatoire uniforme sur [dollar][0,1]^q[dollar] de q sommes partielles d'une suite de variables aléatoires i.i.d. de carré intégrable multipliées par une fonction de la moyenne empirique de cette suite. Pour traiter le couplage introduit par ce facteur commun, nous supposons que la loi commune a une composante non nulle absolument continue par rapport à la mesure de Lebesgue, ce qui assure la convergence en variation totale dans le théorème de la limite centrale pour cette suite. Sous l'hypothèse que la convergence en loi de la partie fractionnaire des poids normalisés reste vraie au étapes suivantes d'un filtre particulaire calculé en alternant des étapes de rééchantillonnage suivant le mécanisme stratifié et des mutations suivant des noyaux markoviens, nous obtenons une formule de récurrence pour la variance asymptotique des particules après n étapes. Nous vérifions la validité de cette formule au travers d'expériences numériques
Corrosion intergranulaire d'aciers austénitiques sensibilisés : étude par la méthode d'automates cellulaires
No full textModelling corrosion phenomena is a major challenge, on the one hand for a better understanding of the processes at play and on the other hand for the quantification of their impact on the ageing and the inflicted degradations on materials in the long run. The main objective of this doctoral work is to contribute, via the cellular automata (CA) modelling, to the understanding the link between the behavior in regards to corrosion and the microstructure of sensitized steels. These materials are characterized by the presence of chromium depleted zones in the vicinity of their grain boundaries, making them particularly prone to intergranular corrosion (IGC) in some aggressive environments.First, a modelling was developed granular microstructures of a steel in a representative way, using Voronoi tessellations. Then, the modelling was adapted to represent in a more realistic fashion the characteristic microstructure of a sensitized steel, according to two approaches. In one of them, the focus is put on the nature of the grain boundaries, which can be more or less susceptible to be sensitized, in relation with works of Grain Boundary Engineering (GBE). The main goal of GBE is to influence the energy distribution of materials to optimize resistance to phenomena such as IGC and/or stress cracking corrosion (SCC). In the other approach, we analyze the process of sensitization by considering the formation of chromium carbides inside the grain boundaries and the formation of chromium depleted zones at their vicinity.Lastly, the IGC behavior of the obtained sensitized steels was modelled and studied parametrically. In this study, we have determined percolation thresholds, which are parameters of interest for IGC and SCC. Compared to experimental results and theoretical models in this domain, these modelling by the cellular automata method can give a complementary critical look on the state of the art on the matter.La modélisation de la corrosion est un enjeu majeur, d'une part pour la compréhension fine des processus en jeu et d'autre part pour la quantification de leur impact sur le vieillissement et les dégradations subies par les matériaux à long terme. L'objectif principal de ce travail de thèse est de contribuer, via la modélisation par la méthode des automates cellulaires (AC), à comprendre le lien entre le comportement en corrosion et la microstructure des aciers sensibilisés. Ces derniers sont caractérisés par la présence en leur sein de zones déchromées, qui leur confèrent une sensibilité particulière à la corrosion intergranulaire (CIG) dans certains environnements agressifs.Dans une première étape, un modèle a été développé pour simuler des structures granulaires représentatives d'un acier à l'aide d'une tesselation de Voronoï. Dans une deuxième étape, le modèle a été adapté pour représenter de manière réaliste la microstructure caractéristique d'un acier sensibilisé, selon deux approches.Dans la première approche on se focalise sur le caractère plus ou moins propice à la sensibilisation des joints de grains (en rapport avec les travaux relatifs à la Grain Boundary Engineering (GBE), dont l'objectif principal est d'influer sur la distribution des énergies des joints de grain au sein des matériaux afin d'optimiser leur résistance à la CIG et/ou à la corrosion sous contraintes). On introduit dans un premier temps deux classes de joints de grains, respectivement de basse énergie (ie résistants à la CIG) et de haute énergie (non résistants), leur proportion étant un paramètre de l'étude. Dans un deuxième temps on raffine la description de la classe de joints de grains résistants en la décomposant en trois sous-classes de joints de grains de type CSL (Coincident Site Lattice). On caractérise les propriétés des réseaux de joints de grains obtenus, notamment sous l'angle de la résistance des jonctions triples.Dans la deuxième approche, on analyse le processus de sensibilisation en considérant la formation des carbures de chromes dans les joints de grains ainsi que la formation de zones déchromées en leurs voisinages. Les résultats obtenus sont analysés en termes de fraction (volumique ou linéaire) sensibilisée du réseau des joints de grains. Dans ce cadre, on s'est particulièrement intéressé à déterminer les seuils de percolation de la fraction des joints de grains de haute énergie, qui sont des paramètres critiques pour la corrosion intergranulaire.Enfin le comportement en CIG des aciers sensibilisés (selon chacune des deux approches) a été modélisé et étudié de manière paramétrique. Comparés aux résultats expérimentaux et modèles théoriques existants dans ce domaine, ces modélisations par la méthode des automates cellulaires permettent d'apporter un regard critique complémentaire à l'état des connaissances sur le sujet
Optimisation géométrique et biomécanique du remodelage fronto-orbitaire : Application aux craniosténoses
No full textCraniosynostoses are a group of rare diseases caused by the premature fusion of one or more sutures of the cranial vault. Trigonocephaly and anterior plagiocephaly are respectively caused by the premature fusion of the metopic and one of the coronal sutures. Without surgery, infants can develop cognitive impairment, vision loss and psycho-social difficulties. The chosen surgery at Hôpital Necker – Enfants Malades AP-HP is a fronto-orbital remodelling. Surgical planning has great potential to reduce surgical time, define the ideal normal skull for a particular patient and test multiple scenarios, but are little applied to craniosynostoses. The aim of this thesis is to gather and analyse clinical, geometrical and biomechanical requirements for surgical planning. Quantifying better the severity of the deformation can be an important factor to define the surgical plan. Shape analysis methods applied to segmented CT-scans are used to analyse the differences between trigonocephaly, anterior plagiocephaly and control skulls. Also, to analyse the evolution of severity during growth and to analyse the impact of the surgery schedule, a statistical growth model is developed. However, some parameters that could influence growth and deformation cannot be reliably extracted from imaging, such as the timing of suture fusion and bone mechanical properties. Thus, a parametric growth model is developed.Les craniosynostoses sont un groupe de maladies rares causées par la fusion prématuréed’une ou de plusieurs sutures de la voûte crânienne. Les trigonocephalies et les plagiocephalies antérieures sont respectivement causées par la fusion prématurée de la suture métopique et d’une des sutures coronales. Sans chirurgie, les nourrissons peuvent développer des troubes du comportement, des anomalies visuelles et des difficultés psycho-sociales. La chirurgie appliquée à l’Hôpital Necker - Enfants Malades AP-HP est un remodelage fronto-orbitaire. La planification chirurgicale a un grand potentiel pour réduire le temps opératoire, définir le crâne normal idéal pour un patient particulier et tester plusieurs scénarios, mais elle est peu appliquée aux craniosynostoses. L’objectif de la thèse est de rassembler et d’analyser les exigences cliniques, géométriques et biomécaniques pour la planification chirurgicale. La quantification plus précise de la sévérité de la déformation peut être un facteur important pour définir le plan chirurgical. Des méthodes d’analyse de forme appliquées aux segmentation de CT-scans sont utilisées pour analyser les différences entre les trigonocephalies, les plagiocephalies antérieures et les crânes contrôles. De plus, pour analyser l’évolution de la sévérité pendant la croissance et étudier l’impact du calendrier chirurgical, un modèle statistique de croissance est développé. Cependant, certains paramètres qui pourraient influencer la croissance et la déformation ne peuvent pas être extraits de manière fiable à partir d’imageries, comme le moment de la fusion des sutures et les propriétés mécaniques de l’os. Ainsi, un modèle paramétrique de croissance crânienne est développé pour simuler la croissance normale et pathologique