Academic literature on the topic 'Méthode d’imagerie'

Cette thèse porte sur un problème de calibration d'un modèle électromécanique de cœur, personnalisé à partir de données d'imagerie médicale 3D+t ; et sur celui - en amont - de suivi du mouvement cardiaque. A cette fin, nous adoptons une méthodologie fondée sur l'apprentissage statistique. Pour la calibration du modèle mécanique, nous introduisons une méthode efficace mêlant apprentissage automatique et une description statistique originale du mouvement cardiaque utilisant la représentation des courants 3D+t. Notre approche repose sur la construction d'un modèle statistique réduit reliant l'espace des paramètres mécaniques à celui du mouvement cardiaque. L'extraction du mouvement à partir d'images médicales avec quantification d'incertitude apparaît essentielle pour cette calibration, et constitue l'objet de la seconde partie de cette thèse. Plus généralement, nous développons un modèle bayésien parcimonieux pour le problème de recalage d'images médicales. Notre contribution est triple et porte sur un modèle étendu de similarité entre images, sur l'ajustement automatique des paramètres du recalage et sur la quantification de l'incertitude. Nous proposons une technique rapide d'inférence gloutonne, applicable à des données cliniques 4D. Enfin, nous nous intéressons de plus près à la qualité des estimations d'incertitude fournies par le modèle. Nous comparons les prédictions du schéma d'inférence gloutonne avec celles données par une procédure d'inférence fidèle au modèle, que nous développons sur la base de techniques MCMC. Nous approfondissons les propriétés théoriques et empiriques du modèle bayésien parcimonieux et des deux schémas d'inférence<br>This thesis focuses on the calibration of an electromechanical model of the heart from patient-specific, image-based data; and on the related task of extracting the cardiac motion from 4D images. Long-term perspectives for personalized computer simulation of the cardiac function include aid to the diagnosis, aid to the planning of therapy and prevention of risks. To this end, we explore tools and possibilities offered by statistical learning. To personalize cardiac mechanics, we introduce an efficient framework coupling machine learning and an original statistical representation of shape &amp; motion based on 3D+t currents. The method relies on a reduced mapping between the space of mechanical parameters and the space of cardiac motion. The second focus of the thesis is on cardiac motion tracking, a key processing step in the calibration pipeline, with an emphasis on quantification of uncertainty. We develop a generic sparse Bayesian model of image registration with three main contributions: an extended image similarity term, the automated tuning of registration parameters and uncertainty quantification. We propose an approximate inference scheme that is tractable on 4D clinical data. Finally, we wish to evaluate the quality of uncertainty estimates returned by the approximate inference scheme. We compare the predictions of the approximate scheme with those of an inference scheme developed on the grounds of reversible jump MCMC. We provide more insight into the theoretical properties of the sparse structured Bayesian model and into the empirical behaviour of both inference schemes

High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) est un réseau de cinq télescopes à imagerie Cherenkov atmosphérique, localisé dans l’hémisphère sud, ayant pour but principal l’étude de rayons cosmiques couvrant une gamme d’énergie de 30 GeV à plusieurs dizaines de TeV. La technique de détection Cerenkov ainsi que les spécificités de la méthode de reconstruction employée par H.E.S.S. I (première phase de l’expérience H.E.S.S.), sont décrites dans cette thèse. Après plus de dix ans d’activité, l’expérience H.E.S.S. a enregistré une quantité de données importante. En plus des régions d’intérêts sondées par ces détecteurs, où des sources astrophysiques ont déjà été dévoilées, l’étude d’événements collectés permet d’améliorer la compréhension de leur environnement sous-jacent. En effet, des émissions diffuses encore non-comprises se superposent aux rayonnements provenant de sources actives. Elles sont pourtant d’un intérêt significatif en astrophysique, physique des particules, cosmologie et même dans certains domaines de physique au-delà des modèles standards, tel que la recherche de matière noire. Les émissions diffuses et leurs précédentes études sont présentées dans cette thèse, ainsi que leurs possibles origines, depuis les mécanismes d’accélération de rayons cosmiques jusqu’à la production de rayon gamma dans les sources actives ou encore par des processus secondaires impliquant les interactions de rayons cosmiques avec le milieu interstellaire. Dans ce travail, des outils pour étudier les émissions diffuses ont été développés. L’approche choisie permet de distinguer les différentes composantes dans les données étudiées et extraire une estimation de leur poids dans le spectre. Elle prend en compte deux aspects, expliqués séparément dans cette thèse. Dans un premier temps, la morphologie de la source active présente dans le champ de vue est utilisée pour la modéliser et obtenir son spectre. Ensuite, pour distinguer les différentes contributions du fond, la méthode se base sur des fonctions de densité de probabilité construites à partir de variables discriminantes. L’étude et manipulation préliminaires nécessaires des variables discriminantes sont également détaillées. Des sources astrophysiques connues sont utilisées comme référence pour l’analyse. Les spectres résultants pour la source active, les électrons et hadrons diffus sont présentés et discutés, ainsi qu’une limite supérieure sur le flux de l’émission diffuse gamma extragalactique. Les erreurs systématiques associées ont été estimées. Une technique de "unfolding" a été mise en place et utilisée pour vérifier les résultats pour les émissions diffuses<br>The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is an array of five Imaging Atmospheric \v{C}erenkov Telescopes (IACT) located in the Southern Hemisphere, whose primary goal is the study of cosmic gamma-rays in the 30 GeV - few tens of TeV energy range. The detection technique used by IACT as well as the specificities of the reconstruction method of H.E.S.S. I (first phase of the H.E.S.S. experiment) are fully described in this thesis. After more than ten years of activity the H.E.S.S. experiment has registered a large amount of data. In addition to the regions of interest that its detectors probe and where astrophysical sources were unveiled, many events collected provide useful information on their surrounding environment. Indeed, acting as a background to the active sources, one can find the diffuse emissions, which are not well understood and yet are of significant interest for astrophysics, particle physics, cosmology and even physics beyond standard models, such as the search for dark matter. The diffuse emissions and their previous studies are presented in this thesis, as well as their possible origin, starting from the acceleration of cosmic-rays mechanism and the gamma-ray production in the active sources or from secondary process involving cosmic-rays interactions in the interstellar medium.In this work, tools to investigate the diffuse emissions were developed. The approach aims at disentangling the different components of the studied data so as to extract an estimation of their weight in the spectrum. It takes into account two aspects, explained separately in this thesis. On the one hand, the morphology of the active source in the studied field of view is used to modelize it and obtain its spectrum. Then, to disentangle the different contributions in the background, the method is based on probability density functions (PDF) built with discriminant variables. The necessary preliminary study and manipulation of the discriminant variables is also detailed. Well known astrophysical sources are used as benchmarks for the analysis. The resulting spectra for the active source, diffuse electrons and hadrons are presented and discussed, in addition to an upper limit on the extragalactic diffuse gamma-ray emission flux. The associated systematic errors were estimated

Ce travail repose sur les techniques d’imagerie photographique et thermographique qui permettent de mieux comprendre les échanges radiatifs d’une scène urbaine en donnant des résultats visuels et quantitatifs. Deux types d’image sont construits et exploités : des panoramas sphériques, couvrant un angle solide de 4π stéradians, et des perspectives urbaines.Les études de scènes urbaines effectuées dans des conditions différentes, Bayonne en hiver et Cordoue en été, sont présentées à travers deux applications. La première est centrée sur le confort thermique urbain et la seconde sur les échanges thermiques entre les surfaces d’une rue.Dans la première application, l’étude se concentre sur le rayonnement incident en un point provenant de toutes les directions. Le rayonnement est mesuré dans les spectres visible et infrarouge, puis extrapolé à l’ensemble du spectre. L'image 4π qui en résulte représente la distribution spatiale du rayonnement et sert à calculer la température moyenne de rayonnement. Ce résultat est validé par des comparaisons avec les mesures utilisant le globe noir, considéré comme la méthode de référence. La méthode 4π offre une mesure rapide, indépendante des effets de convection, avec une discrimination spectrale en deux bandes. Elle sert à jauger une ville à partir de peu de points de mesure, mais aussi à obtenir des informations spatialisées précises. Ainsi, l'étude réalisée à Cordoue montre que la rugosité du sol dans deux scènes analysées dans des conditions similaires influence le confort thermique du piéton.Pour la deuxième application, l'étude est concentrée sur les températures de surface. Un modèle 3D simplifié est combiné à du lancer de rayons pour corriger la thermographie en filtrant les flux parasites. Le résultat est validé sur une rue en perspective par comparaison avec le résultat de plusieurs thermomètres de contact. Cette comparaison, qui ne peut être que ponctuelle et limitée à certaines surfaces, donne des résultats satisfaisants qui permettent d'étendre la correction à l'ensemble de l'image.Les thermographies corrigées révèlent des phénomènes qui n'étaient pas visibles auparavant, les écarts de température des fenêtres étant les plus remarquables. En effet, le verre, matériau à haute transmittance thermique, met en évidence d’importantes pertes d'énergie lors de sa traversée. Ces pertes sont particulièrement visibles lors d'une froide journée d'hiver, lorsque le chauffage est en fonctionnement. Dans une rue de type canyon, l'étude qualitative du rayonnement séparément dans deux bandes spectrales montre l'intérêt d'en inclure une troisième pour mieux comprendre le passage de la réflexion diffuse à la réflexion spéculaire. Cette bande serait celle de l'infrarouge proche. Les deux applications apportent des connaissances fondamentales sur le paysage radiatif de la ville et montrent bien la relation entre la géométrie et le rayonnement. Ce n'est qu'à travers cette relation qu'il est possible d'identifier les phénomènes physiques qui doivent être pris en compte pour la simulation thermique urbaine<br>This work relies on imagery, photographic and thermographic, allowing a better understanding of the radiative exchanges of an urban scene by giving both visual and quantitative results. Two types of images are constructed and exploited: spherical panoramas, referred to as 4π as they cover a solid angle of 4π steradians, and urban perspectives.The study of urban scenes in different places and conditions, Bayonne in winter and Cordoba in summer, are presented through two applications. The first focuses on urban thermal comfort and the second on heat exchanges between the surfaces of a street.In the first application, the study focuses on the incident radiation coming from all directions at a single point. The radiation is measured in both the visible and infrared range and then extrapolated to the whole spectrum. The resulting image 4π represents the radiative spatial distribution and is used to calculate the mean radiant temperature. This result is validated by comparisons with measurements performed using the black globe, accepted as the reference method. The 4π method offers a fast, convection-independent measurement with spectral discrimination in two bands. It serves to evaluate a city from few measurement points, but also to obtain precise spatialized information. The study carried out in Cordoba shows that the roughness of the ground in two scenes evaluated under similar conditions influences the thermal comfort of the pedestrian.For the second application, the study focuses on surface temperatures. We use a simplified 3D model combined with ray tracing to correct the thermography by filtering parasitic fluxes. The result is validated on a perspective street by comparison with the result of several contact thermometers. This comparison, which can only be punctual and limited to certain surfaces, gives satisfactory results that allow us to extend the correction to the entire image.A corrected thermogram reveals phenomena that were formerly not visible, the temperature difference of the windows being the most remarkable. Indeed, glass, a material with high heat transmission, exhibits the heat loss that occurs through its surface. This is particularly noticeable on a cold winter's day when the heating is in operation. In a canyon-type street, the qualitative study of the radiation discriminated in two spectral bands shows the interest of including a third one, that of the near infrared, to better understand the passage from diffuse to specular reflection. These two applications provide fundamental knowledge on the radiative landscape of the city and show the relationship between geometry and radiation. Only through this relationship is it possible to identify the physical phenomena that must be accounted in an urban thermal simulation<br>Este trabajo se basa en el uso de la imagen: fotográfica y termográfica. Esta permite una mejor comprensión de los intercambios radiativos de la escena urbana al proporcionar un resultado tanto visual como cuantitativo mediante la construcción y manipulación de dos tipos de imágenes: las panorámicas esféricas, llamadas 4π porque cubren un ángulo sólido de 4π estereorradianes, y las perspectivas urbanas.El estudio de escenas urbanas bajo diferentes condiciones ambientales, Bayona en invierno y Córdoba en verano, se presenta a través de dos aplicaciones. La primera se centra en el confort térmico urbano y la segunda en los intercambios térmicos entre las superficies de una calle.En la primera aplicación, el estudio se enfoca en la radiación incidente en un punto proveniente de todas las direcciones. La radiación se mide en dos rangos del espectro, el visible y el infrarrojo, y se extrapola a todo el espectro. La imagen 4π resultante representa la distribución espacial de la radiación y se utiliza para calcular la temperatura media radiante. Este resultado se valida mediante comparaciones con mediciones utilizando el globo negro, considerado como método de referencia. El método 4π ofrece una medición rápida e independiente de la convección con una discriminación espectral en dos bandas. Ésta sirve para evaluar una ciudad a partir de pocos puntos de medición, pero también para obtener información espacializada precisa. El estudio realizado en Córdoba muestra que la rugosidad del suelo en dos escenas evaluadas en condiciones similares influye en el confort térmico del peatón.En la segunda aplicación, el estudio se concentra en las temperaturas de la superficie. Nos servimos de un modelo 3D simplificado en combinación con el trazado de rayos para corregir la termografía filtrando los flujos parásitos. El resultado se valida en la perspectiva de una calle comparándolo con el resultado de varios termómetros de contacto. Esta comparación, que sólo puede ser puntual y limitada a ciertas superficies, da resultados satisfactorios que permiten extender la corrección a toda la imagen.Una termografía corregida revela fenómenos que antes no eran visibles, destacándose la diferencia de temperatura de las ventanas. Efectivamente, el vidrio, un material con una alta transmitancia térmica, pone en evidencia la energía que se pierde a través de su superficie. Esto es particularmente visible en un día frío de invierno, cuando la calefacción está en funcionamiento. En el caso de una calle tipo cañón, el estudio cualitativo de la radiación discriminada en dos bandas espectrales muestra el interés de incluir una tercera para comprender mejor el paso de la reflexión difusa a la especular, la del infrarrojo cercano. Las dos aplicaciones proporcionan conocimientos fundamentales sobre el paisaje radiativo de la ciudad y muestran el vínculo entre la geometría y la radiación. Es sólo a través de esta relación que es posible identificar los fenómenos físicos que deben ser tenidos en cuenta para una simulación térmica urbana

L'accident vasculaire cérébral et la sclérose en plaques figurent parmi les maladies neurologiques les plus destructrices du système nerveux central. L'accident vasculaire cérébral est la deuxième cause de décès et la principale cause de handicap chez l'adulte dans le monde alors que la sclérose en plaques est la maladie neurologique non traumatique la plus fréquente chez l'adulte jeune. L'imagerie par résonance magnétique est un outil important pour distinguer le tissu cérébral sain du tissu pathologique à des fins de diagnostic, de suivi de la maladie, et de prise de décision pour un traitement personnalisé des patients atteints d'accident vasculaire cérébral ou de sclérose en plaques. La prédiction de l'évolution individuelle de la maladie chez les patients atteints d'accident vasculaire cérébral ou de sclérose en plaques constitue un défi pour les cliniciens avant de donner un traitement individuel approprié. Cette prédiction est possible avec des approches statistiques appropriées basées sur des informations cliniques et d'imagerie. Toutefois, l'étiologie, la physiopathologie, les symptômes et l'évolution dans l'accident vasculaire cérébral et la sclérose en plaques sont très différents. Par conséquent, dans cette thèse, les méthodes statistiques utilisées pour ces deux maladies neurologiques sont différentes. Le premier objectif était l'identification du tissu à risque d'infarctus chez les patients atteints d'accident vasculaire cérébral. Pour cet objectif, les méthodes de classification (dont les méthodes de machine learning) ont été utilisées sur des données d'imagerie mesurées à l'admission pour prédire le risque d'infarctus à un mois. Les performances des méthodes de classification ont été ensuite comparées dans un contexte d'identification de tissu à haut risque d'infarctus à partir de données humaines codées voxel par voxel. Le deuxième objectif était de regrouper les patients atteints de sclérose en plaques avec une méthode non supervisée basée sur des trajectoires individuelles cliniques et d'imagerie tracées sur cinq ans. Les groupes de trajectoires aideraient à identifier les patients menacés d'importantes progressions et donc à leur donner des médicaments plus efficaces. Le troisième et dernier objectif de la thèse était de développer un modèle prédictif pour l'évolution du handicap individuel des patients atteints de sclérose en plaques sur la base de données démographiques, cliniques et d'imagerie obtenues a l'inclusion. L'hétérogénéité des évolutions du handicap chez les patients atteints de sclérose en plaques est un important défi pour les cliniciens qui cherchent à prévoir l'évolution individuelle du handicap. Le modèle mixte linéaire à classes latentes a été utilisé donc pour prendre en compte la variabilité individuelle et la variabilité inobservée entre sous-groupes de sclérose en plaques<br>Stroke and multiple sclerosis are two of the most destructive neurological diseases of the central nervous system. Stroke is the second most common cause of death and the major cause of disability worldwide whereas multiple sclerosis is the most common non-traumatic disabling neurological disease of adulthood. Magnetic resonance imaging is an important tool to distinguish healthy from pathological brain tissue in diagnosis, monitoring disease evolution, and decision-making in personalized treatment of patients with stroke or multiple sclerosis.Predicting disease evolution in patients with stroke or multiple sclerosis is a challenge for clinicians that are about to decide on an appropriate individual treatment. The etiology, pathophysiology, symptoms, and evolution of stroke and multiple sclerosis are highly different. Therefore, in this thesis, the statistical methods used for the study of the two neurological diseases are different.The first aim was the identification of the tissue at risk of infarction in patients with stroke. For this purpose, the classification methods (including machine learning methods) have been used on voxel-based imaging data. The data measured at hospital admission is performed to predict the infarction risk at one month. Next, the performances of the classification methods in identifying the tissue at a high risk of infarction were compared. The second aim was to cluster patients with multiple sclerosis using an unsupervised method based on individual clinical and imaging trajectories plotted over five 5 years. Clusters of trajectories would help identifying patients who may have an important progression; thus, to treat them with more effective drugs irrespective of the clinical subtypes. The third and final aim of this thesis was to develop a predictive model for individual evolution of patients with multiple sclerosis based on demographic, clinical, and imaging data taken at study onset. The heterogeneity of disease evolution in patients with multiple sclerosis is an important challenge for the clinicians who seek to predict the disease evolution and decide on an appropriate individual treatment. For this purpose, the latent class linear mixed model was used to predict disease evolution considering individual and unobserved subgroup' variability in multiple sclerosis

La muographie est une technique d’imagerie en physique des particules où les muons atmosphériques traversant une cible sont utilisés pour déterminer des informations de l’intérieur de la cible : distribution de la densité ou composition chimique via le numéro atomique. En fonction de l’énergie des muons et de la quantité de matière à traverser, il y en a qui vont survivre et d’autres qui vont être arrêtés par la cible. Et, la diffusion des muons dépend, en première approximation, de leur impulsion et du numéro atomique moyen le long de leur parcours de vol. La muographie propose, à partir de la mesure de la transmission et/ou de la diffusion des muons à travers la cible, de fournir des informations sur son intérieur.Il existe actuellement deux types de muographie : la muographie par transmission où le flux transmis des muons à travers la cible est mesuré pour inférer la distribution de densité de la cible et la muographie par diffusion où la diffusion des muons à travers la cible est utilisée pour déterminer la distribution du numéro atomique de la cible. Cette thèse traite de la muographie par transmission pour radiographier les volcans.Dans le cas de la muographie par transmission, un télescope à muons est utilisé pour mesurer le flux transmis des muons atmosphériques à travers la cible. Ce flux est, en première approximation, une fonction bijective de la quantité de matière rencontrée par les muons. L’idée est d’inverser le nombre de muons mesurés en une estimation de la densité de la cible.Il existe d’autres méthodes d’imagerie en géophysique permettant de reconstruire la densité d’une cible. C’est le cas, par exemple, de la gravimétrie et de l’imagerie par sismicité. Ces méthodes dites conventionnelles présentent des faiblesses. Pour ces méthodes, le problème d’inversion est soit mal posé, c’est-à-dire il n’existe pas de solution unique ou la solution présente de grandes variations pour de petites variations des paramètres dont elle dépend. Un ensemble de contraintes supplémentaires sont alors ajoutées pour enlever la non-unicité.En muographie par contre, le problème d’inversion est bien posé et la solution est unique. Les méthodes conventionnelles en géophysique ne permettent pas, à elles seules, de déterminer la densité de la cible. Jointes avec la muographie, elles présentent de gros potentiel, soit en fournissant d’autres informations sur la roche et/ou sur la nature de l’eau, soit en améliorant la précision sur la reconstruction de la densité de la cible.Plusieurs expériences utilisent l’approximation CSDA (Continuous Slowing Down Approximation) pour estimer la probabilité de survie des muons à travers une cible. Le fait d’utiliser cette approximation, donc de négliger le caractère stochastique de l’interaction des muons avec la matière, sous-estime la probabilité de survie des muons et par conséquent induit des effets systématiques sur la reconstruction de la densité. Dans les kilomètres de roche standard l’effet est de 3% - 8% en fonction de la modélisation de l’interaction des muons de hautes énergies avec la matière. En outre, une mauvaise estimation du bruit de fond des muons de basse impulsion qui affectent la mesure du signal résulte en une sous-estimation de la densité de la cible par rapport à la gravimétrie. Cela vient probablement de l’utilisation de l’approximation analytique pour simuler la propagation des muons à travers la cible et de la difficulté de rejeter dans la mesure ceux de basse impulsion. Pour ces raisons, dans l’expérience MIM (Muon IMaging) (où cette thèse a été réalisée), nous utilisons un traitement Monte Carlo pour simuler le transport des muons à travers la cible. Dans ce cas, nous pouvons estimer précisément l’effet de ces muons de basse impulsion sur la reconstruction de la densité. (...)<br>Muography is an imaging technique in particle physics where atmospheric muons passing through a target are used to determine information about the interior of the target : density distribution or chemical composition via the atomic number. Depending on the energy of the muons and the amount of matter they have to cross, some of them will survive and others will be stopped by the target. And, the diffusion of the muons depends, to a first approximation, on their momentum and the average atomic number along their flight path. Muography proposes, from the measurement of the transmission and/or diffusion of muons through a target, to provide information about its interior.There are currently two types of muography : transmission muography, where the transmitted flux of muons through the target is measured to infer the density distribution of that target, and diffusion muography, where the diffusion of muons through the target is used to determine the distribution of the atomic number of the target. This thesis discusses transmission muography in order to radiography volcanoes.In the case of transmission muography, a muon telescope is used to measure the transmitted flux of atmospheric muons through the target. This flux is, to a first approximation, a bijective function of the amount of matter encountered by the muons. The idea is to invert the measured number of muons into a density estimation of the target.There are other imaging methods in geophysics that can be used to reconstruct the density of a target. This is the case, for example, of gravimetry and seismic imaging. These so-called conventional methods have weaknesses. For these methods, the inversion problem is either ill-posed, i.e. there is no unique solution, or the solution presents large variations for small variations of the parameters on which it depends. A set of additional constraints are then added to remove the non-uniqueness.In muography however, the inversion problem is well posed and the solution is unique. Conventional geophysical methods alone cannot determine the density of a target. Combined with muography, they have great potential, either by providing other information on the rock and/or on the nature of the water, or by improving the accuracy of the target density reconstruction.Several experiments use the CSDA (Continuous Slowing Down Approximation) approximation to estimate the survival probability of muons through a target. Using this approximation, thus neglecting the stochastic character of the interaction of muons with matter, underestimates the muon survival probability and therefore induces systematic effects on the density reconstruction. In standard rock kilometers the effect is 3% - 8% depending on the modeling of the interaction of high energy muons with matter. In addition, a bad estimation of the background of the low momentum muons affecting the measurement of the signal results in an underestimation of the density of the target with respect to the gravimetry. This probably comes from the use of the analytical approximation to simulate the propagation of the muons through the target and the difficulty of rejecting in the measurement those with low momentum. For these reasons, in the Muon IMaging (MIM) experiment (where this thesis was conducted), we use a Monte Carlo treatment to simulate the muon transport through the target. In this case, we can accurately estimate the effet of these low momentum muons on the density reconstruction. One of the techniques used in our experiment, to make the low momentum muons scatter so that they can be statistically rejected, is to insert a thickness of lead between the telescope detection planes. (...)

Les piles à combustible sont des dispositifs qui transforment l'énergie stockée dans un oxydant et un réducteur en électricité grâce à des réactions électrochimiques. La technologie la plus mature pour réaliser cette conversion est la pile à hydrogène à membrane échangeuse de protons (PEMFC), mais d'autres systèmes alternatifs émergent. En particulier, les piles à combustible microfluidiques (PCM) ont permis de s’affranchir des problématiques liées à l’utilisation d’une membrane et du stockage gazeux grâce à l’utilisation de réactifs liquides à température et pression ambiante. Les dimensions du canal (1-5 mm de large et 20-100 µm de haut) permettent un écoulement co-laminaire des deux réactifs et de l’électrolyte liquides dans un micro-canal contenant les électrodes. Les PCMs n'ont donc pas de membrane et leurs performances sont dirigées par le transport de charges et de masse.À ce jour, il est difficile de caractériser expérimentalement tous les phénomènes physiques qui ont lieu dans la PCM car les méthodes existantes sont plutôt basées sur la caractérisation électrochimique. Ces méthodes permettent d'avoir une caractérisation globale du système mais ne fournissent pas d'informations précises sur les phénomènes de transport de masse dans le canal. Pour étudier le transport de masse, la modélisation numérique est généralement utilisée et permet de simuler le champ de concentration et les performances de la PCM pour différentes architectures et conditions opératoires. Toutefois, l'utilisation de ces modèles repose sur la connaissance de paramètres in-situ tels que le coefficient de diffusion D et le coefficient de réaction k0. Dans les travaux numériques, ces paramètres sont généralement approximés, ce qui permet une appréhension plutôt qualitative des phénomènes de transport. De plus, ces études numériques n'ont à ce jour pas été vérifiées avec des études expérimentales.Ainsi, le principal verrou scientifique de cette thèse repose sur le développement de méthodes d'imagerie quantitatives pour la caractérisation du champ de concentration dans une PCM en fonctionnement.Pour répondre à ce besoin, une plateforme d'imagerie basée sur la spectroscopie ainsi que trois méthodes de caractérisation ont été développées dans cette thèse. Dans un premier temps, les travaux se sont concentrés sur le développement d'un banc de spectroscopie pour étudier le phénomène d'interdiffusion. Cette étude a permis d'estimer le coefficient de diffusion du permanganate de potassium dans l'acide formique. Ces solutions ont été spécifiquement choisies car ceux sont celle utilisées dans la PCM développées pour la suite de l’étude.Le banc de spectroscopie a ensuite été adapté pour étudier le champ de concentration 2D en régime permanent d'une PCM en fonctionnement. Un modèle analytique du transfert de masse (advection/réaction/diffusion) couplé au champ de concentration 2D a ainsi permis de déterminer le taux de réaction. Les variations de concentration mises en jeu étant parfois très faibles (quelques micro-moles), une autre technique de caractérisation a été mis en place pour diminuer le bruit de mesure.Afin d'améliorer le rapport signal sur bruit, une méthode basée sur la modulation du champ de concentration a été développée. La démodulation du signal a permis de réduire significativement le bruit et des concentrations de 20 µM ont ainsi été estimées. Un modèle analytique décrivant le champ modulé a été établi afin d'implémenter une méthode inverse. La méthode proposée a permis de retrouver le taux de réaction associé à la variation de concentration.En conclusion, les méthodes de caractérisation proposées dans cette thèse permettent d'estimer quantitativement le transfert de masse et la cinétique de réaction à partir du champ de concentration 2D d'une PCM en fonctionnement. Cette technique a été appliquée au PCM, mais elle peut être transférée à un système micrométrique dans lequel les phénomènes de diffusion-advection-réaction ont lieu<br>Fuel cells are devices that convert the energy stored in an oxidant and a reductant into electricity through electrochemical reactions. The most mature technology for this conversion is the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), but other alternative systems are emerging. In particular, microfluidic fuel cells (MFCs) have overcome the problems associated with the use of a membrane and gas storage by using liquid reagents at ambient temperature and pressure. The dimensions of the channel (1-5 mm wide and 20-100 µm high) allow co-laminar flow of the two liquid reagents and the electrolyte in a microchannel containing the electrodes. Therefore, PCMs do not need membrane to separate reactants and performances are driven by charge and mass transport.Experimental characterization of all the physical phenomena involved in PCMs is difficult because actuals methods are more based on electrochemical characterisation. These methods provide an overall characterisation of the system but they do not give precise information on the mass transport phenomena occurring in the channel. To investigate concentration field, numerical modelling is generally used. Numerical methods evaluate the impact of the geometry or the operating conditions on MFC performances. However, the use of these models relies on the knowledge of in-situ parameters such as the diffusion coefficient D and the reaction rate k0. In numerical studies, these parameters are generally approximated leading to a qualitative understanding of the transport phenomena. Furthermore, these numerical studies have not yet been verified by experimental studies.Thus, the main scientific challenge of this thesis is to develop quantitative imaging methods for characterising the concentration field in an operating PCM.To meet this need, an imaging platform based on spectroscopy and three characterisation methods were developed in this thesis. First of all, the work focused on developing an experimental setup based on spectroscopy to study the interdiffusion phenomenon. This study reports the estimation of the diffusion coefficient of potassium permanganate in formic acid. These solutions were specifically chosen because they are used in the PCM developed for the rest of the study.The imaging plateform was then adapted to study the in operando MFC 2D concentration field in steady-state. An analytical mass transfer model (advection/reaction/diffusion) coupled to the 2D concentration field was used to determine the reaction rate. As the concentration variations involved can be very small (few micro-moles), another characterisation technique was implemented to reduce the measurement noise.To improve the signal-to-noise ratio, a method based on modulation of the concentration field was developed. Demodulation of the signal significantly reduced the noise and concentrations of 20 µM were estimated. An analytical model describing the modulated field was established in order to implement an inverse method. The proposed method made it possible to recover the reaction rate associated with the concentration variation.To conclude, the proposed characterisation methods enable the estimation of the mass transfer and the reaction kinetics using the 2D concentration field from an in operando MFC. This technique has been applied to the MFC, but it can be transferred to a micrometric system in which diffusion-advection-reaction phenomena take place

L’industrie pétrolière s’intéresse désormais à des régions de la terre de plus en plus difficiles d’accès et il est essentiel de proposer des techniques permettant de garantir l’efficaité d’un forage. Parmi ces techniques, la Reverse Time Migration (RTM) est connue pour sa précision. Elle utilise les ondes réfléchies pour reconstruire une carte du sous-sol représentant les interfaces géophysiques. Elle peut être décrite en trois étapes : (i) propager le champs émis par les sources durant la campagne d’acquisition; (ii) pour chaque source, propager le champ enregistré par les récepteurs; (iii) obtenir une image du sous-sol en appliquant une condition d’imagerie à chaque pas de temps et pour chaque source. Cette technique requiert de très grosses capacités de calcul et il est encore difficile d’imager des milieux réalistes 3D, même avec l’aide du calcul haute performance. Nous avons choisi la méthode de Galerkine discontinue pour modéliser la partie propagation car elle permet d’obtenir des solutions précises et est adaptable au calcul parallèle. La quantité d’information à sauvegarder pour faire une corrélation étant importante, on se doit de trouver un algorithme de calcul d’images du sous-sol réduisant ce coût. Nous avons utilisé l’algorithme de Griewank, appelé “Optimal Checkpointing”. Ce problème de coût étant réglé, on se doit de considérer l’efficacité des ondes élastiques incluant des champs multiples pour améliorer la précision de l’image. La condition traditionnelle de J. Claerbout ne prend pas en compte les conversions d’ondes, et n’est alors surtout utile que dans le cas acoustique. De plus, les ondes P et S interagissant entre elles, il est intéressant de trouver une condition d’imagerie utilisant ce fait. Cela a été abordé dans le cadre de la méthode de l’état adjoint dans les travaux de A. Tarantola et J. Tromp et ce travail en propose utilisation dans le cadre de la RTM. Nous proposons une nouvelle condition d’imagerie prenant en compte les paramètres élastiques du milieu considéré et permettant de supprimer les artefacts numériques. Nous illustrons les images sur des cas industriels<br>Since a large number of sedimentary basins have been explored, oil exploration is now interested in investigating regions of the Earth which are hostile. Among existing methods for seismic imaging, Reverse Time Migration (RTM) is a technique known by industry to be efficient. The RTM uses reflected waves and is able to construct a map of the subsurface which is depicted by the interfaces limiting the geophysical layers. The algorithm of RTM can be described as a three-step procedure: (i) compute the wavefields emitted by the sources used during the seismic acquisition campaign; (ii) for each source, compute the so-called “backpropagated wavefield”, which is the wavefield obtained by using as sources the signals recorded at the receivers during the acquisition campaign and by reversing the time; (iii) get an image of the subsurface by applying an imaging condition combining the propagated and the backpropagated wavefields at each time step of the numerical scheme and for each source. This technique is computationnaly intensive and it is still difficult to image realistic 3D elastic media, even with the help of HPC. We have thus chosen to consider high-order Discontinuous Galerkin Methods which are known to be well-adapted to provide accurate solutions based upon parallel computing. As we need to correlate a lot of wavefields, we need to find an algorithm reducing the CPU time and the storage : this is the Griewank’s algorithm, so-called “Optimal Checkpointing”. The traditional imaging condition, proposed by J. Claerbout, does not take wave conversions into account and since P-wave and S-wave interact with each other, it might be relevant to use an imaging condition including these interactions. In fact, this has been done successfully by A. Tarantola and J. Tromp for seismology applications based upon the inversion of the global Earth. In this work, we propose a new imaging condition using the elastic parameters which attenuates numerical artifacts. We illustrate the properties of the new imaging condition on industrial benchmarks like the Marmousi model. In particular, we compare the new imaging condition with other imaging conditions by using as criteria the quality of the image