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Mfd, une protéine impliquée dans la virulence de B. cereus et une nouvelle cible pour le développement d'antibiotiques
No full textMfd is a conserved bacterial protein implicated in various processes such as DNA repair, mutagenesis and virulence.Bacillus cereus is a bacteria known to cause food-borne outbreaks but it is also an opportunistic pathogen responsible for severe local and systemic infections in immunocompromised humans and neonates. B. cereus pathogenicity is multifactorial and the Mfd protein is implicated in virulence. With the study of environmental and clinical strains, we were able to show an essential role of Mfd in the clinical strains' virulence. Its role seems to be linked to the Mfd sequence and structure and its modification could induce a variation in the pathogenicity of a strain. These data contribute to a better understanding of the mechanisms underlying B. cereus virulence and allow to suggest Mfd as a potential universal virulence factor.Due to its role in virulence and mutagenesis, Mfd is a promising target for the development of new antimicrobial drugs. We identified an inhibitor of Mfd called NM102 showing an antimicrobial activity against K. pneumonia and P. aeruginosa exclusively in a context of infection, without inducing toxicity to the host. Furthermore, NM102 also inhibits Mfd's function in mutagenesis leading to a decrease of antimicrobial resistance. This represents a promising alternative therapeutic strategy to fight against antimicrobial resistance which constitutes an urgent and alarming health issue.Mfd est une protéine bactérienne fortement conservée et impliquée dans de nombreux processus comme la réparation de l'ADN, la mutagénèse ou encore la virulence.Bacillus cereus est une bactérie responsable d'intoxications alimentaires, mais également un pathogène opportuniste pouvant causer des infections non gastro-intestinales sévères chez les personnes immunodéprimées comme les nouveau-nés prématurés. La pathogénie de B. cereus est multifactorielle, un des facteurs impliquée dans sa virulence est la protéine Mfd. Par l'étude de souches cliniques et environnementales de B. cereus, nous avons pu montrer que Mfd joue un rôle majeur dans la virulence des souches cliniques et que son implication semble être étroitement liée à sa séquence / structure fonctionnelle. Une modification de cette dernière pourrait engendrer une variation dans la virulence d'une souche. Ces données contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes de virulence de B. cereus et permettent de suggérer Mfd comme un facteur global de virulence.Grâce à son rôle dans la virulence et la mutagénèse, Mfd est une cible prometteuse pour le développement de nouveaux antibiotiques. Nous avons montré qu'un inhibiteur de Mfd, le NM102, a une activité antimicrobienne sur K. pneumonia et P. aeruginosa exclusivement dans un contexte d'infection sans induire de toxicité dans l'hôte. En plus de cette activité, le NM102 est aussi capable d'inhiber la fonction de Mfd dans la mutagénèse ce qui réduit la fréquence d'apparition de résistance aux antibiotiques. Ces résultats permettent de proposer une alternative prometteuse pour lutter contre la résistance des bactéries aux antibiotiques qui constituent un problème de santé global et alarmant
Gérer les flux de voyageurs en gare : de l’observation au contrôle en passant par la simulation
No full textIn metropolitan settings, railway systems hace an important development, enabling the mobility of massive amounts of travellers at high frequency (urban rail mass transit). However, pedestrian flow related incidents can decrease quality of service, delay vehicles, or even lead to extremely dangerous crowd crushes. How can real-time flow management contribute to improve the quality of service of urban rail mass transit?This PhD has been conceived as action-oriented research and aims to give a framework that can be used in operational context. Its results must be tested by the actual implementation of the proposed system.Railway station is a complex system where different interests coexist. Those interests can be potentially affected by any flow management intervention. Chapter 1 offers a systemic analysis of a station. It also highlights retroaction loops and ways to mitigate those loops.The flow management challenge looks very important for an urban rail mass transit such as SNCF, but the complexity of that challenge represents a barrier. In the chapter 4, we analyse how the company functions, and show that flows are only partially considered. We also show that this consideration lacks theoretical and operational tools.In the chapter 5, we identify global issues of flow management in stations: safety, comfort, performance, relation to urban environment and accessibility. The question of rentability also strikes: it could be obtained by reporting investments, thanks to the improvement of dynamic pedestrian management.Flow management levers are numerous but still insufficiently discernible. Chapter 6 defines and distinguish these levers, then focuses on levers that can be used in real-time in the operation context of stations. Eight levers are usable in our context, for instance inverting escalators or using a dynamic signage.Simulate those levers can help to know their potential efficiency in real-time. We realise an extensive analysis of different modelling solutions in chapter 3. Using this analysis, we choose a solution to simulate the effects of the levers in the station of Bibliothèque François Mitterrand. The results are presented in chapter 7. They show that each lever can improve flow management according to certain indicators (density, travel time, dwelling time), but then decreases the results for other indicators. Choosing one lever or another should then depend on operational goals.In chapter 8, we draft how could be shaped a common governance of flow management. Implying the different actors could help to an appropriation of flow management by travellers themselves. We notably propose a game-based method, enabling each actor to explicit their own priorities and reach a consensual mode of operation.Our analysis in chapter 5 confirms that measuring pedestrian is complicated, but recent dynamic measuring systems are now more and more mature. That could lead to the implementation of an operational flow management system. However, the possibility of a “black swan” (very unlikely event of exceptional impact, that is generally underestimated in risk analysis) encourages to not put the different actors in a situation of dependency to this system. Such a dependency could be reduced by centring the system on training and knowledge acquisition.In the final chapter 9, we propose a modular architecture, enabling the creation of a pedestrian flow management in systems being at a same time a training system, a learning tool, a governance tool, and a decision-helper system.En territoire métropolitain, le transport ferroviaire se développe de façon importante, permettant de transporter une importante masse de voyageurs à haute fréquence (mass transit). Mais des incidents liés aux flux peuvent dégrader la qualité de service, retarder les trains, ou même mener à des mouvements de foule extrêmement dangereux. Comment la gestion des flux en temps réel peut-elle contribuer à une meilleure qualité du transport ferroviaire en zone dense ?Positionnée en tant que recherche orientée vers l’action, cette thèse vise à donner un cadre utilisable en contexte opérationnel. Ses résultats ont vocation à être testés par l’implémentation réelle du système proposé. La gare est un système complexe où coexistent des intérêts différents liés aux flux, qui peuvent être affectés par toute intervention de gestion des flux. Le chapitre 1 propose donc une analyse systémique de la gare. Il met également au jour des boucles de rétroaction et des moyens pour maîtriser celles-ci. L’enjeu de gestion des flux est de premier ordre pour un opérateur de mass transit comme la SNCF, mais la complexité de celle-ci représente un obstacle. Les fonctionnements de l’entreprise, analysés au chapitre 4, attestent que la prise en compte des flux reste partielle et manque d’outils, théoriques comme opérationnels. L’analyse des enjeux présentée dans le chapitre 5 replace la gestion des flux dans un contexte plus global, en identifiant cinq enjeux majeurs : sécurité, confort, performance, relation à l’environnement urbain et accessibilité. Se pose également la question de la rentabilité, qui pourrait être obtenue par le report d’investissement que permet une meilleure gestion dynamique. Les leviers de gestion des flux sont nombreux mais encore insuffisamment discernés. Le chapitre 6 vise à mieux les définir et à les classer. Il se concentre sur des leviers actionnables en contexte opérationnel en gare, avec des décisions prises en temps réel. Huit leviers sont utilisables dans notre contexte d’étude, par exemple l’inversion d’escaliers mécaniques ou l’utilisation de signalétique dynamique. Simuler ces leviers peut déjà permettre de connaître leur efficacité potentielle en temps réel. Sur la base d’une analyse poussée des solutions de modélisation piétonne (chapitre 3), un simulateur est choisi puis utilisé afin de mesurer les effets en gare des différents leviers. Les résultats (chapitre 7) montrent que chaque levier peut améliorer la gestion des flux selon certains indicateurs (densité, temps de parcours, temps d’embarquement) mais en dégrade alors d’autres. Le choix des leviers est donc très dépendant des objectifs opérationnels. Le chapitre 8 esquisse les contours d’une gouvernance de la gestion des flux. Une telle gouvernance, en impliquant les différents acteurs, pourrait servir une appropriation de la gestion des flux par les voyageurs eux-mêmes. Nous proposons notamment une méthode ludique, qui permet à chaque acteur d’expliciter ses priorités et d’aboutir à un fonctionnement consensuel. Notre analyse (chapitre 2) confirme que la mesure du flux est complexe, mais que certaines solutions récentes de mesure dynamique sont à présent matures. Cela pourrait permettre la mise en place un système opérationnel de gestion des flux. Néanmoins, l’éventualité d’un « cygne noir » (événement très improbable, mais d’impact exceptionnel, et qui a tendance à être sous-évalué dans l’analyse des risques) incite à ne pas placer les acteurs dans une situation de dépendance à ce système. Une telle dépendance peut être réduite par un système centré sur la formation et l’acquisition de connaissances. Nous proposons (chapitre 9) une architecture modulaire, permettant la création d’un système de gestion des flux qui soit à la fois un outil de formation, un outil apprenant, un outil de gouvernance et un outil de prise de décision
Les bactériophages : un facteur biotique à prendre en compte pour comprendre les successions microbiennes en surface du fromage et mieux maîtriser l'affinage
No full textCheese is a fermented food whose production involves various microorganisms. Their controlled succession ensures the production of a high-quality product. Among these microorganisms, bacteria play a major role in milk acidification, allowing coagulation and curd production, and in the ripening process, where they are known to contribute to sensory properties such as colour, odour, taste and texture. However, in cheese they are subject to predation by bacterial viruses, also called bacteriophages or phages. These natural parasites are well known to disturb the milk acidification step, but their ecological impact on the microbial community of cheese during ripening remains under-explored. Recent work has shown the presence of phages on the surface of several ripened cheeses. In addition, viral metagenomics analysis of the surface of a smear-ripened cheese allowed the detection of diverse phage genomic sequences related to phages known to infect bacteria belonging to taxa typically present on the cheese rind. In this work, two complementary approaches were used to explore the viral community of a smear-ripened cheese. Their characterisation also provided first clues as to their mode of action in the cheese ecosystem. In particular, all are virulent and have a narrow host range. Secondly, we used a viral metagenomics approach to monitor the phage community on the cheese surface during the ripening process. This revealed a dynamic, both in terms of composition of this community and in terms of the abundances of the different phages detected. This result indicates that phages do infect bacteria during the ripening process, and suggests that they are likely to influence microbial successions in the cheese ecosystem. Finally, the composition of the viral community of cheeses collected from productions separated by several years was studied by the same approach. We observed that the most abundant phages on the cheese surface persist for a long time in the cheese production environment. In conclusion, this work provides new insights into the microbial ecology of cheese, highlighting the potential importance of phages during the ripening process. It also offers new avenues of research to better control this key step of cheese production.Le fromage est un aliment fermenté : sa fabrication fait intervenir divers microorganismes, dont la succession contrôlée aboutit à un produit fini de qualité. Parmi les acteurs de la fermentation, les bactéries jouent un rôle majeur lors de l'acidification du lait, qui conduit à la formation du caillé, et de l'affinage, où elles contribuent à la génération des propriétés sensorielles du produit dont la couleur, l'odeur, le goût ou encore la texture. Cependant, au sein de l'écosystème fromager, elles sont soumises à la prédation des bactériophages, également appelés phages, qui sont des virus de bactéries. Si ces parasites naturels sont bien connus pour perturber l'étape d'acidification du lait, leur impact écologique sur les communautés microbiennes lors de l'affinage du fromage reste à déterminer. De précédents travaux en rapport avec cette question ont permis d'observer la présence de phages à la surface de plusieurs fromages affinés. L'analyse du métavirome de la surface d'un fromage à pâte molle et à croûte lavée (PMCL) a également permis de détecter des séquences génomiques phagiques. Leurs homologues dans les bases de données correspondent à des génomes de phages connus pour infecter des bactéries appartenant à des taxons classiquement retrouvés lors de l'affinage de ce type de fromage. Sur cette base, deux approches complémentaires ont été mises en place au cours de ce travail, afin de poursuivre l'exploration des communautés virales d'une variété de fromage PMCL. Dans un premier temps, une approche culture-dépendante a permis d'isoler cinq phages infectant des bactéries d'affinage à partir de la surface de ce fromage, dont quatre sont totalement nouveaux. Leur caractérisation a également fourni de premiers indices sur leur fonctionnement dans l'écosystème fromager. En particulier, les phages isolés sont virulents et ont un spectre d'hôtes étroit. Dans un second temps, le suivi de la communauté phagique au cours de l'affinage de ce fromage par une approche de métagénomique virale a permis de mettre en évidence une dynamique, tant en termes de composition de cette communauté qu'en termes d'abondance des différents phages détectés. Ce résultat suggère que les phages infectent effectivement des bactéries lors de l'affinage et qu'ils sont donc susceptibles d'influer sur la dynamique microbienne de l'écosystème fromager. Enfin, l'étude de la composition de la communauté virale de ce fromage à partir d'échantillons provenant de productions séparées de plusieurs années a permis d'observer que les phages les plus abondants à la surface du fromage persistent sur le long terme. Ce travail apporte ainsi de nouvelles connaissances relatives à l'écologie microbienne du fromage, en soulignant l'importance potentielle des phages pendant la phase d'affinage. Il offre également de nouvelles pistes de recherche pour mieux maîtriser cette étape clé de la production fromagère
Hygroscopicité et transferts de fluides
No full textWood is a popular choice for construction due to its versatility and its mechanical properties. It is also a good thermal insulator and humidity regulator. However, its ability to absorb water from its environment, in particular in the form of bound water inside the cell walls thanks to hydrogen bonds, can also be a limiting factor for its use. Here we study, either with wood or model materials, a series of physical questions related to the presence or transport of this bound water in the system: its impact on the wettability, the diffusion of bound water, the propagation of cracks in such a wet system.We first show that the apparent angle of contact of a liquid drop deposited on a wood surface progressively decreases over time, from a large to low value, before absorption. Reproducing the phenomenon with a model material (hydrogel) we demonstrate that this effect results from the deformation of the solid surface at larger distance as the water diffuses farther from the drop, through the gel.With usual techniques for studying bound water a coupling with vapor and free water transport can exist, which precludes a relevant appreciation of the diffusion properties of bound water alone. Here, we prevent vapor and free water transport by filling wood with oil and we follow the bound water transport with the help of Nuclear Magnetic Resonance, diffusion coefficient was thus obtained in all three directions of the wood. The diffusion coefficient in the three directions of the wood can be thus determined unequivocally. We also show that fibers can be subsequently filled from bound water transport.Through microscopic observation of cracks in soft colloidal gels during drying, we relate the particular shape of the crack tip to the rheological characteristics of the material. In addition to the cracking gel and the invading air-filled crack, we observe a third, wedge-shaped region filled with pure water, ahead of the crack tip. We show that in these gels, the fracture energy is determined by the water-air interface, while the mechanical properties of the gel determine the morphology of the water phase.Le bois est un matériau de choix pour la construction en raison de sa polyvalence et de ses propriétés mécaniques. C'est également un bon isolant thermique et un régulateur d'humidité. Cependant, sa capacité à absorber l'eau de son environnement, notamment sous forme d'eau liée à l'intérieur des parois cellulaires grâce à des liaisons hydrogène, peut également être un facteur limitant pour son utilisation. Nous étudions ici, avec du bois ou des matériaux modèles, une série de questions physiques liées à la présence ou au transport de cette eau liée dans le système : son impact sur la mouillabilité, la diffusion de l'eau liée, la propagation des fissures dans un tel système humide. Nous montrons d'abord que l'angle de contact apparent d'une goutte de liquide déposée sur une surface de bois diminue progressivement au cours du temps, d'une grande à une faible valeur, avant absorption. En reproduisant le phénomène à l'aide d'un matériau modèle (hydrogel), nous démontrons que cet effet résulte de la déformation de la surface solide à une distance plus grande lorsque l'eau diffuse plus loin de la goutte, à travers le gel. Avec les techniques habituelles d'étude de l'eau liée, un couplage avec le transport de vapeur et d'eau libre peut exister, ce qui empêche une appréciation pertinente des propriétés de diffusion de l'eau liée seule. Ici, nous empêchons le transport de vapeur et d'eau libre en remplissant le bois d'huile et nous suivons le transport de l'eau liée à l'aide de la résonance magnétique nucléaire, le coefficient de diffusion a ainsi été obtenu dans les trois directions du bois. Le coefficient de diffusion dans les trois directions du bois peut ainsi être déterminé sans équivoque. Nous montrons également que les fibres peuvent être remplies ultérieurement par le transport d'eau liée. Grâce à l'observation microscopique de fissures dans des gels colloïdaux mous pendant le séchage, nous établissons un lien entre la forme particulière de la pointe de la fissure et les caractéristiques rhéologiques du matériau. En plus du gel qui se fissure et de la fissure remplie d'air qui l'envahit, nous observons une troisième région remplie d'eau pure, en avant de la pointe de la fissure. Nous montrons que dans ces gels, l'énergie de rupture est déterminée par l'interface eau-air, tandis que les propriétés mécaniques du gel déterminent la morphologie de la phase remplie d’eau
Vers une modélisation de l'écoulement des suspensions de phosphate à l'aide de la technique CFD
No full textThe transportation of slurries through pipelines is widely used in various industries due to its high efficiency and en- vironmentally friendly nature. This is particularly true for the transportation of raw phosphate, which is conveyed from extraction points to fertilizer processing plants. To design effective slurry pipeline systems, it is essential to have a thor- ough understanding of the specific physical features of slurry transport and to be able to predict the physics of the slurry flow. In recent years, Computational Fluid Dynamics (CFD) has become a commonly-used approach due to the technical and economic burden of experimental tests, and the limited generalizability of many simplified physically-based models. The aim of this thesis is twofold. Firstly, it aims to develop a generalized slurry flow model using CFD to improve our un- derstanding of phosphate slurry flow and approach it through direct numerical simulation. The two-fluid CFD models are the only possible way to simulate dense slurry flows, however, simulating real slurry pipe flows is challenging due to their high computational costs. Therefore, developing surrogate models can be useful in operations simulation and monitoring tools. A new two-phase pressure drop correlation based on numerical computations is proposed, and its performance is assessed via comparisons with experimental data from the industrial plant. Secondly, careful calibration of several physical parameters and their interplay to minimize energy losses is crucial to optimize and secure pipeline operations. Moreover, numerical solutions for slurry flows are frequently subject to uncertainties arising from the initial and boundary conditions in the mathematical models employed. In this study, polynomial chaos expansions (PCE) are proposed to estimate the uncertainty inherent in the desired slurry flow and perform a sensitivity analysis of flow energy efficiency. This comprehensive analysis that addresses uncertainty quantification (UQ) and sensitivity analysis (SA) is essential to improve prediction reliability. The findings reveal that variations in slurry velocity and particle size play a pivotal role in determining energy efficiency. Therefore, controlling these factors represents a critical step in ensuring the efficient and safe transportation of slurry through pipelines.Le transport de boues par pipelines est une méthode courante dans diverses industries en raison de son efficacité et de son caractère écologique. Cela est particulièrement vrai pour le transport de phosphate brut, qui est acheminé des sites d’extraction vers les usines de transformation en engrais. Pour concevoir des systèmes de canalisation de boues efficaces, il est essentiel de comprendre les caractéristiques physiques spécifiques du transport des boues et de pouvoir prédire la dynamique de l’écoulement des boues. La dynamique des fluides numérique (CFD) est devenue une méthode largement utilisée dans les industries pour éviter les coûts et les contraintes techniques des essais expérimentaux, ainsi que les limitations des modèles simplifiés basés sur la physique. Cette thèse a un double objectif. Premièrement, elle vise à développer un modèle généralisé d’écoulement des boues à l’aide de la CFD pour améliorer notre compréhension de l’écoulement des boues de phosphate et essayer de l’approcher par le biais d’une simulation numérique directe. Les modèles CFD bi-fluides sont le seul moyen possible de simuler les écoulements de boues denses, mais leur simulation est difficile et coûteuse. Par conséquent, le développement de modèles de substitution peut être utile pour la simulation et le contrôle des opérations. Une nouvelle corrélation de la perte de charge pour les écoulements solide-liquide basée sur des calculs numériques est proposée, et sa performance est évaluée par des comparaisons avec des données expérimentales provenant de l’industrie OCP. Deuxièmement, un calibrage minutieux des paramètres physiques est crucial pour optimiser l’exploitation des pipelines, et les simulations numériques peuvent être sujettes à des incertitudes. Dans cette étude, des expansions polynomiales du chaos (PCE) sont proposées pour estimer l’incertitude inhérente à l’écoulement de la boue et effectuer une analyse de sensibilité de l’efficacité énergétique. Les résultats soulignent l’importance de la vitesse de la boue et de la taille des particules dans l’efficacité énergétique, ce qui montre la nécessité de contrôler ces facteurs pour assurer un transport sûr et efficace de la boue dans les pipelines
Étude de la découpe des biocomposites par un jet d'azote cryogénique pur et additionné de charges particulaires abrasives
No full textThis Ph.D project is focused on the study of a new machining technology based on a cryogenic nitrogen jet for the cutting of biocomposites. This machining technique is promising for synthetic composites. However, applying such a cutting technology to a material whose structure is multiscale and complex requires an in-depth study to determine the characteristics of the tool/material contact as well as its impact on the machined material. This Ph.D work proposes first an exploratory study to validate the feasibility of this cutting process in the case of biocomposite machining by considering a jet of pure nitrogen and a jet of nitrogen charged with abrasive particles. A statistical study is then conducted to analyze the effect of the process parameters on the machinability of biocomposites. The most significant parameters of the nitrogen jet cutting process were considered at the end of this Ph.D work to conduct an experimental thermomechanical analysis on an instrumented bench in order to be able to identify the physical phenomena that are the origin of the cutting behavior of biocomposites in a cryogenic environment. The results of this work showed the necessity of introducing abrasive particles to increase the material removal rate and improve the biocomposite machinability by the addition of the abrasion mechanism to that of erosion. During a cutting operation by a cryogenic fluid jet, the stiffening of the different biocomposite phases through a thermomechanical effect contributes to an improvement in its machinability by increasing the efficiency of the fibers' shearing while making it less dependent on the size of the contact with the abrasive tool. Nevertheless, the cryogenic temperatures reached during the nitrogen jet cutting contribute also to the embrittlement of the interfaces between the fibers and the matrix, which favors their break under a thermomechanical cutting load.Ce projet de thèse s’intéresse à l’étude d’une nouvelle technologie d’usinage basée sur la découpe par jet d’azote cryogénique pour le parachèvement des biocomposites. Cette technique d’usinage s’avère prometteuse pour les composites synthétiques. En revanche, l’application d’une telle technologie de découpe à un matériau dont la structure est multi-échelle et complexe nécessite une étude approfondie pour déterminer les caractéristiques du contact outil / matière ainsi que son impact sur la matière usinée. Ce travail de thèse propose dans un premier temps une étude exploratoire pour valider la faisabilité d’un tel procédé dans le cas de l’usinage des bio-composites en considérant un jet d’azote pur et un jet d’azote chargé de particules abrasives. Une étude statistique est conduite ensuite pour analyser l’effet des paramètres de ce procédé sur l’usinabilité des bio-composites. Les paramètres les plus significatifs du procédé de découpe par jet d’azote ont été retenus à la fin de cette thèse pour mener une analyse expérimentale thermomécanique sur banc instrumenté afin de pouvoir identifier les phénomènes physiques à l’origine du comportement de coupe des biocomposites dans un environnement cryogénique. Les résultats de ces travaux ont montré la nécessité d’introduire des particules abrasives pour augmenter le taux d’enlèvement de matière et améliorer l’usinabilité du biocomposite en additionnant le mécanisme d’abrasion à celui de l’érosion. Lors d’une opération de découpe par un jet de fluide cryogénique, la rigidification des différentes phases du biocomposite par effet thermomécanique contribue à une amélioration de son usinabilité en augmentant l’efficacité du cisaillement des fibres tout en la rendant moins dépendante de la taille du contact avec l’outil abrasif. Néanmoins, les températures cryogéniques atteintes lors du passage du jet d’azote participent aussi à une fragilisation des interfaces entre les fibres et la matrice, ce qui favorise leur rupture sous un chargement thermomécanique de coupe
Contrôle spatiotemporel de front d’onde pour l'imagerie super-résolue
No full textMany imaging devices are based on wave physics. Among them, the microscope occupies a special place, being an ancient tool that has become indispensable for observing small objects in many scientific fields, especially in biology. However, there is a limit to the size of objects that can be observed with a microscope. It is related to the fact that we cannot collect all the waves emitted by the observed sample; it is the diffraction limit. There are now numerous methods to overcome this limit by using fluorescent molecules. Since these methods are complex and invasive, it would be interesting to overcome this limit by using physical properties inherent to wave physics.In this dissertation, we propose to improve the resolution of a particular type of microscope: the confocal microscope. Instead of a constant illumination, we use a spatio-temporal modulation of the field sent to the object and detected by the microscope that we choose as a field rotating around the focal point. For each scan point, a time-dependent signal is acquired instead of a single scalar.This rotating illumination singles out the optical axis compared to other points: only an emitter on the optical axis returns a constant monochromatic wave while an off-axis emitter backscatters a signal modulated in frequency by the Doppler effect. This signal can be written as a frequency comb centered on the illumination frequency, the spacing between each peak is the rotation frequency. Each of these frequencies can be used to build a different image of the object expressed as a convolution of the object and a different point spread function (PSF). Except at the carrier frequency, these PSFs are phase vortices. Given the diversity of information obtained about the object and the topological stability of the vortices, we implement a noise-robust deconvolution procedure to reconstruct an object beyond the diffraction limit.We demonstrate the feasibility of producing these phase vortices with a rotating illumination as well as the viability of this dynamic confocal imaging approach using an acoustic experiment. With this experiment, we demonstrated a 70% improvement in the resolution of the confocal microscope after deconvolution. This method even allows us to obtain super-resolved images thanks to the information richness that all these images bring.To apply this experiment to optics, we add a spatial light modulator (SLM), here a digital micro-mirror device (DMD), to a confocal microscope on the illumination or imaging path in the Fourier plane of the sample. This device allows spatiotemporal wavefront shaping of the sample’s illumination. Using computations and numerical simulations, we calculate the PSFs associated with any rotating sequence sent to the DMD. We show that these PSFs are again phase vortices that carry different but redundant information about the object. The high spatial frequencies, which are usually below the noise level in confocal microscopy, are better transmitted. This leads to the same super-resolution effect in optics as in acoustics. Given the large number of degrees of freedom offered by the DMD, there are many ways to illuminate the sample with a rotating wavefront. Through numerical simulation we develop several of these possibilities. For one of these possibilities, we have experimentally obtained these signals and an improvement in confocal resolution of about 30%.In perspective, we show that it is possible to further enrich the information extracted from the object, consider a similar experiment without DMD, or apply these concepts to astronomy.De nombreux dispositifs d’imagerie reposent sur la physique des ondes pour leur fonctionnement. Parmi ceux-ci, le microscope occupe une place privilégiée car c’est un outil ancien devenu incontournable dans de nombreux domaines scientifiques notamment en biologie pour observer de petits objets. Cependant, il existe une limite à la taille des objets observables à l’aide de cet outil. Elle est liée au fait que l’on ne peut pas collecter la totalité des ondes émises par l’échantillon observé, c’est la limite de diffraction. De nombreuses méthodes existent désormais pour dépasser cette limite en utilisant des molécules fluorescentes. Ces méthodes étant complexes et invasives, il serait intéressant de pouvoir dépasser cette limite en utilisant des propriétés physiques intrinsèques à la physique des ondes.Dans cette thèse, nous proposons d’améliorer la résolution d’un type particulier de microscope : le microscope confocal. Au lieu d’une illumination constante, nous utilisons une modulation spatiotemporelle du champ envoyé sur l’objet et collecté par le microscope, que nous choisissons comme un champ tournant autour du point focal. Pour chaque point de balayage, on collecte un signal dépendant du temps au lieu d’un scalaire.Cette illumination tournante singularise l’axe optique en comparaison des autres points : seul un émetteur sur l’axe optique renvoie une onde monochromatique constante tandis qu’un émetteur excentré renvoie un signal modulé en fréquence par effet Doppler. Ce signal s’écrit sous la forme d’un peigne de fréquences centré sur la fréquence d’illumination et d’espacement égal à la fréquence de rotation. Chacune de ces fréquences permet de construire une image différente de l’objet qui s’exprime comme la convolution de l’objet et d’une fonction d’étalement du point (PSF) différente. Hormis à la fréquence porteuse, ces PSF s’expriment comme des vortex de phase. Etant donné la diversité d’information acquise sur l’objet et la stabilité topologique des vortex, nous implémentons une procédure de déconvolution robuste au bruit grâce à laquelle nous reconstruisons un objet au-delà de la limite de diffraction.Nous démontrons la possibilité de fabriquer ces vortex de phase avec une illumination tournante ainsi que la viabilité de cette approche d’imagerie confocale dynamique grâce à une expérience d’acoustique. Cette expérience nous a permis de démontrer une amélioration de 70% de la résolution du microscope confocal après déconvolution. Cette méthode permet même d’obtenir des images super-résolues grâce à la diversité d’information apportée par toutes ces images.Pour transposer cette expérience à l’optique, nous ajoutons à un microscope confocal un modulateur spatial de lumière (SLM), ici une matrice de micro-miroirs (DMD), dans le plan de Fourier de l’échantillon. Il est ainsi possible de façonner spatio-temporellement le front d’onde de l’illumination de l’échantillon. Par le calcul et la simulation numérique, nous pouvons calculer les PSF associées à n’importe quelle séquence envoyée au DMD. Nous montrons que ces PSF sont à nouveau des vortex de phase qui transportent des informations différentes et partiellement redondantes sur l’objet. Les hautes fréquences spatiales qui sont habituellement sous le niveau de bruit en microscopie confocale sont mieux transmises. Cela mène au même effet de super-résolution en optique qu’en acoustique. Etant donné le grand nombre de degrés de libertés fournis par le DMD, il existe de nombreuse manière d’illuminer l’échantillon avec un front d’onde tournant. Par la simulation numérique nous développons plusieurs de ces possibilités. Pour l’une de ces possibilités, nous avons expérimentalement obtenu ces signaux et une amélioration de la résolution confocale d’environ 30%.En perspectives, nous montrons qu’il est possible d’enrichir encore l’information extraite de l’objet, d’envisager une expérience similaire en se passant de DMD ou d’appliquer ces concepts à l’astronomie
Apprentissage machine appliqué à l’échographie ultrarapide pour la caractérisation vasculaire et fonctionnelle du cerveau
No full textUltrafast ultrasound is a recent imaging modality derived from conventional medical ultrasound. It relies on the coherent compounding of backscattered echoes resulting from successive ultrasonic plane wave emissions, which enables high spatio-temporal resolution. In particular, ultrafast ultrasound is used for ultrafast Doppler imaging (uDoppler), which enables the visualization and characterization of blood flow with an exceptional sensitivity. With a technique known as functional ultrasound (fUS), uDoppler is capable of indirectly measuring neuronal activity in the brain, making it a powerful tool for neurosciences. Initially implemented in 2D, fUS is now being developed for 3D imaging of the whole brain, resulting in a considerable amount of data to be analyzed. Yet, fUS research remains limited by positioning uncertainty and variable image quality, making it difficult to analyze and compare the large volume of data obtained from different recording sessions. Machine learning algorithms, in particular convolutional neural networks (CNNs), which have demonstrated the capacity to perform complex visual tasks, could offer a solution to assist and automate the analysis of fUS data. This PhD thesis focuses on the development and validation of robust tools for automated fUS data processing, based on machine learning techniques. First, we improved image quality for real-time visualization in 2D uDoppler transcranial images of the brain, for which the skull attenuates the ultrasonic waves, increasing noise and lowering the sensitivity to small blood vessels. For this, we proposed and evaluated a turn-key solution based on a CNN specifically designed to improve blood vessel perception in real-time (0.05 s). We showed that this automatic solution outperforms standard image enhancement methods both by increasing contrast and preserving high resolution for small vessels. Then, we adapted an existing operator dependent registration pipeline for vascular network alignment in 3D, with an automatic key point localization strategy based on semantic segmentation. This enables accurate misalignment correction within 0.8 s, removing the operator dependency for registration, as well as improving the robustness to pathological or largely misaligned data. Hence, we suggested a novel registration pipeline for software designed for fUS studies, so as to allow for rapid and accurate comparison of temporal time points. Finally, we attempted to apply the machine learning approach to describe cerebral states of the behaving animal in a study of volition in non-human primates. Our trained CNN was successfully able to classify single 2D fUS frames into two different cerebral states. Additionally, the information learned by the network was used to propose a characterization of the cerebral blood volume change patterns spatially and sequentially during voluntary initiation of free movement. This approach, which is yet to be fully validated, may offer an automatic analysis framework of the cerebral mechanisms involved in intentionality, studied in the whole target field of view, beyond manual ROI-based analysis.L’échographie ultrarapide est une nouvelle méthode d’imagerie utilisant des ondes planes à très haute cadence, permettant l’observation de tissus biologiques avec une excellente résolution spatiale. Appliquée à l’imagerie Doppler, elle permet l’observation et la caractérisation des flux sanguins avec une très grande sensibilité. Elle est également utilisée pour mesurer indirectement l’activité cérébrale. Initialement appliquée à l'imagerie cérébrale 2D, l’imagerie fonctionnelle par ultrasons (fUS) se développe maintenant en 3D, ce qui engendre une quantité phénoménale de données à analyser. Cependant, l’imagerie fUS reste limitée par la qualité variable des images produites, conduisant à des difficultés de positionnement, ce qui complexifie l’analyse et la comparaison des données. Il est donc crucial de développer des outils puissants d’analyse automatique. L’apprentissage machine pourrait apporter une solution à ce problème. En particulier, les réseaux de neurones artificiels convolutifs, capables de réaliser des tâches visuelles complexes à une vitesse surhumaine, pourraient nous permettre d'améliorer et d’automatiser l’analyse des données fUS. Ainsi, durant cette thèse nous proposons de développer puis de valider des algorithmes d’apprentissage machine dans l’objectif de faciliter l'examen des données fUS. Dans un premier temps nous nous sommes intéressés à l'amélioration d’images vasculaires de mauvaise qualité. Nous avons conçu et entraîné un réseau de neurones convolutifs dans le but d'accentuer notre perception des petits vaisseaux sanguins, initialement peu visibles en imagerie transcrânienne. Notre approche, qui fonctionne en temps réel (0.05 s), surpasse les techniques classiques d’amélioration d’image, en augmentant le contraste tout en préservant les détails les plus fins du réseau vasculaire. Ensuite, nous avons étudié l’efficacité d’un algorithme de détection automatique de points de repère pour le recalage vasculaire de volumes cérébraux. Ainsi, nous avons pu aligner plusieurs volumes vasculaires, même pathologiques ou fortement éloignés, en moins d’une seconde (0.8 s), avec une très grande précision, sans intervention manuelle. Suite à cette étude, nous proposons une nouvelle modalité de recalage automatique en 3D pour faciliter et accélérer la comparaison de différents enregistrements fUS espacés dans le temps. Enfin, nous avons entrepris d’appliquer les méthodes d’apprentissage automatique à l’identification d’états cérébraux chez le primate non humain, durant une tâche oculomotrice cognitive. Nous avons montré qu’un simple réseau de neurones convolutifs permet la classification de deux états de consciences : un état actif et un état passif. De plus, nous nous sommes intéressés aux mécanismes de décision mis en jeu par notre réseau de neurones, pour essayer de comprendre quelles structures cérébrales sont liées à la reprise volontaire d’une tâche après une pause. Cette approche, qui reste encore très expérimentale, pourrait nous aider à mieux concevoir le fonctionnement des procédés cérébraux impliqués dans l’expression de la volonté
Etude des caractéristiques des poudres à base d'aluminium pour leur adaptation à la projection dynamique à froid « Cold Spray »
No full textCold Spray is one of the most innovative thermal spraying processes. In the last decade, it has developed considerably in the industry. However, considerable progress is still to be expected from a better match between the characteristics of the powders used and those of the process through the dynamic mechanisms of deposition and densification that it involves. Up to now, the powders used in cold spray are most often chosen from those tailored for hot thermal spraying (plasma, flame, etc.), the principles of which are quite different from those of cold spray. The powder particle in cold spray remains, in particular, in the solid state, whereas it passes to the molten state (at least partially) and is homogenised in hot spray processes. The scientific objective of the thesis is to determine the characteristics of the powders (based on Al in the study) on which to act in order to make them suitable for promoting the adhesion mechanisms between particles and the stacking of these same particles during a cold spray deposit. This type of approach being relatively recent in this process, the objective of the thesis was to develop the tests and calculation methods necessary to determine those characteristics. They are of a metallurgical, physico-chemical and mechanical nature. The main points addressed are the following:•Creation of an experimental unitary particle impact bench and associated calculation methods•Carrying out micro-compression tests on isolated particles with his simulation•Study of the metallurgical characteristics (EBSD, DRX)•Study of the local mechanical properties of the powder by nano-indentationLa projection dynamique par gaz froid est l'un des procédés de projection thermique les plus innovants. Dans cette dernière décennie, elle s'est considérablement développée dans l'industrie. Des progrès considérables sont, cependant, encore à attendre d'une meilleure adéquation entre les caractéristiques des poudres utilisées et celles du procédé au travers des mécanismes dynamiques de dépôt et de densification qu'il impose. Jusqu'alors, le plus souvent, les poudres employées en cold spray sont choisies parmi celles commercialisées pour la projection thermique à chaud (plasma, flamme, etc.) dont les principes sont bien différents de celui du cold spray. La particule de poudre en cold spray reste, en particulier, à l'état solide, alors qu'elle passe à l'état fondu (au moins partiellement) et s'homogénéise en projection à chaud. L'objectif scientifique de la thèse est de déterminer les caractéristiques des poudres (à base d'Al dans l'étude) sur lesquelles agir pour les rendre propres à favoriser les mécanismes d'adhésion entre particules et d'empilement de ces mêmes particules au cours d'un dépôt cold spray. Ce type d'approche étant relativement récent dans ce procédé, l'objectif de la thèse a été de développer les essais et méthodes de calculs nécessaire à la détermination de ses caractéristiques. Elles sont d'ordre : métallurgique, physico-chimique, et mécanique. Les principaux points abordés sont les suivants :•Création d'un banc expérimentale d'impact unitaire de particules et les méthodes de calculs associées•Réalisation d'essais de microcompression sur des particules isolées avec la simulation de l'essai•Études des caractéristiques métallurgiques (EBSD, DRX)•Étude des propriétés mécaniques locales de la poudre par nano-indentatio
Etude du comportement thermo-mécanique et de fissuration d'oxydes de fer à température ambiante et à haute température
No full textDuring the hot rolling process, a thin layer of oxide scale forms on the surface of steel slabs, leading to surface defects. Descaling, by applying high-pressure water to the steel surface, helps limit the thickness of the oxide and improve surface quality. This study aims to enhance the understanding of the phenomena involved in secondary descaling. Several low-carbon steel grades, characterised by differences in descaling, have been selected to analyse their discrepancies in industrial configurations. The behaviour of the oxide scale is evaluated through in situ high-temperature X-ray diffraction, enabling control over oxidation. This analysis includes both phase and stress evaluations to observe transitions in the behaviour of the oxide, particularly the relaxation of internal stresses above 700°C. Mechanical properties of the oxide are determined through indentation tests conducted at both room temperature and elevated temperatures. At lower temperatures (<600°C), indentation-induced cracks manifest in different patterns, consistent with a model of a hard film (the oxide) bending on a soft substrate (the metal), such as circular cracks and delamination. As the temperature increases, the oxide becomes ductile. Concurrently, numerical finite element simulations (FEM) of the indentation process are conducted to elucidate the mechanisms of fracture within the oxide layer. These simulations aim to extract essential fracture properties of the oxide layer and its interface. The acquired data will be used to develop a comprehensive model for hydraulic descaling.Lors du laminage à chaud, une couche d'oxyde, la calamine, se forme à la surface des brames d'acier, responsable de défauts de surface. Le décalaminage, en envoyant de l'eau à haute pression à la surface de l'acier, permet de limiter l'épaisseur de l'oxyde, et donc d'améliorer la qualité de surface. L'objectif de cette étude est d'améliorer la compréhension des phénomènes mis en jeu lors du décalaminage secondaire à l'entrée du finisseur. Plusieurs nuances d'acier à faible teneur en carbone, caractérisées par des différences de décalaminage, sont choisies en vue d'analyser leurs disparités sur le plan industriel. Le comportement de la calamine est évalué par diffraction des rayons X à haute température de manière in situ, ce qui permet de reproduire un refroidissement contrôlé. Cette analyse comprend à la fois l'analyse des phases et des contraintes afin d'observer les transitions dans le comportement de l'oxyde, notamment la relaxation des contraintes internes au-delà de 700°C. Les propriétés mécaniques de l'oxyde sont évaluées par des essais d'indentation à température ambiante et à haute température. À faible température (<600°C), plusieurs familles de fissures se forment en indentations, compatibles avec un modèle de flexion d'une plaque dure (l'oxyde) sur un substrat mou (le métal) : fissures circulaires, délamination. À plus haute température, l'oxyde devient ductile. En parallèle, des simulations numériques par éléments finis (FEM) du processus d'indentation sont réalisées à l'aide du logiciel Abaqus® afin de mieux comprendre le mécanisme de fissuration et de délamination de l'oxyde. Ces simulations visent également à extraire les propriétés de fissuration de l'oxyde et de son interface. Ces données vont par la suite être utilisées pour une future modélisation complète du décalaminage hydraulique