Thèses sur le sujet « Imaging a onde millimetriche »

Garantir la sécurité et la qualité des aliments est une préoccupation majeure dans l'industrie alimentaire, car la contamination physique peut présenter des risques importants pour la santé des consommateurs, nuire à la réputation de la marque et par là même conduire à des poursuites judiciaires. Les méthodes de détection actuelles, telles que l'inspection par rayons X, présentent des limites, notamment en ce qui concerne l'identification de contaminants tels que le plastique, le bois et le verre, qui ont une faible densité et peuvent être difficiles à détecter, ou encore lorsque les contaminants sont cachés dans le produit. Ce travail explore une solution alternative basée sur la détection par un système exploitant les microondes. L'avantage de cette solution réside dans le caractère non ionisant des signaux envoyés ainsi que dans la possibilité de réaliser un système à faible puissance injectée. Ainsi, identifier les contaminants dans les aliments pourra s'effectuer sans compromettre leur intégrité ni nécessiter de modifications importantes des chaînes de production existantes. De plus, ce système devra fonctionner en temps réel sur une ligne de production, sans que le processus de fabrication ne soit interrompu. Le principe de la détection repose sur l'analyse de l'interaction des signaux microondes avec différents matériaux, en tirant parti du contraste diélectrique entre les contaminants et les produits alimentaires. La matrice de diffraction collectée par les 6 antennes qui entourent la cible est traitée pour déterminer la présence de corps étrangers. Le système est conçu pour être compatible avec les contraintes des environnements industriels de transformation des aliments. La détection des contaminants dans les produits alimentaires et les boissons à l'aide des paramètres de diffusion implique la résolution d'un problème inverse, non linéaire et mal posé. Ce processus est coûteux en termes de calcul et difficilement compatible avec une détection sur une ligne de production opérant en temps réel. Dans ce travail de doctorat, nous intégrons des techniques d'apprentissage automatique pour surmonter les difficultés du problème inverse et automatiser le processus de classification. Nous étudions la robustesse et l'efficacité de différents classificateurs, tels que les machines à vecteurs de support (SVM) et les réseaux de perceptrons multicouches (MLP), en les entraînant sur des ensembles de données à grande échelle collectées lors de campagnes de mesure. Ces modèles apprennent à distinguer les aliments contaminés des aliments sains. Les classificateurs identifient avec succès une variété de matériaux étrangers, y compris différents types de plastique, de verre et de bois, sur des milliers de cas de test. En outre, nous étendons notre recherche à l'imagerie par ondes millimétriques (mmW), en étudiant l'intégration des systèmes mmW avec des outils de ML pour l'inspection de fruits à coque. Cette étude est motivée par les résultats prometteurs obtenus dans cette même gamme de fréquences sur des fruits à peau fine et contenant une grande quantité d'eau, comme les pommes et les pêches. Ici, la présence de la coque ainsi que le fait qu'elle renferme un fruit sec rend l'étude plus complexe. Les résultats obtenus dans ce travail de doctorat mettent en évidence le potentiel du système basé sur les microondes et les ondes millimétriques en tant que solution robuste, évolutive et efficace pour la détection en temps réel de la contamination des aliments et l'inspection agroalimentaire. En intégrant la détection par micro-ondes à l'apprentissage automatique, nous proposons une alternative puissante aux méthodes d'inspection traditionnelles, améliorant ainsi la sécurité et la qualité des aliments dans les environnements industriels
Ensuring food safety and quality is a major concern in the food industry, as physical contamination can pose significant health risks to consumers, damage brand reputation, and lead to legal consequences. Common detection methods, such as X-ray inspection, have limitations, particularly in identifying contaminants like plastic, wood, and glass, which have low density and can be difficult to detect. This work explores an alternative solution based on microwave sensing, introducing a novel approach to contamination detection. The proposed system leverages low-power, non-ionizing microwave signals to identify foreign bodies without compromising food integrity or requiring extensive modifications to existing production lines. It offers a cost-effective and real-time inspection method, capable of operating in-line without interrupting the manufacturing process. The detection principle relies on analyzing how microwave signals interact with different materials, taking advantage of the dielectric contrast between contaminants and food products. A set of antennas surrounding the target captures signal variations, which are then processed to determine the presence of foreign objects. The system is designed to acquire data efficiently while maintaining compatibility with the speed and constraints of industrial food processing environments. Detecting contaminants in food and beverage products using scattering parameters involves solving an inverse problem, which is nonlinear and ill-posed. This process is computationally expensive and may not be suitable for real-time, in-line detection. In this research, we integrate Machine Learning (ML) techniques to overcome the challenges of the inverse problem and to automate the classification process. We investigate the robustness and effectiveness of different classifiers, such as Support Vector Machines (SVM) and Multi-Layer Perceptron (MLP) networks, by training them on large-scale datasets collected from experimental trials. These models learn to distinguish between uncontaminated and contaminated food items. The classifiers successfully identifies a variety of foreign materials, including different types of plastics, glass, and wood, demonstrating high accuracy across thousands of test cases.Furthermore, we extend our research to millimeter-Wave (mmW) imaging, investigating the integration of mmW systems with ML tools for nut inspection. The promising results achieved using mmW imaging and ML classification in agrifood applications, particularly for soft fruits like apples and peaches, inspire us to evaluate the effectiveness of this approach for more challenging cases—specifically, in-shell seeds such as almonds and walnuts. The results obtained in this thesis highlight the potential of the microwave/mmW-based system as a robust, scalable, and efficient solution for real-time food contamination detection and agrifood inspection. By integrating microwave sensing with machine learning, this approach offers a powerful alternative to traditional inspection methods, improving food safety and quality in industrial settings
Garantire la sicurezza e la qualita degli alimenti e una delle principali preoccupazioni dell’industriaalimentare, poiche la contaminazione fisica puo comportare rischi significativi per la salute dei consumatori, danneggiare la reputazione del marchio e portare a conseguenze legali. I comuni metodi dirilevamento, come l’ispezione a raggi X, hanno dei limiti, in particolare nell’identificazione di contaminanticome plastica, legno e vetro, che hanno una bassa densita e possono essere difficili da rilevare. Questolavoro esplora una soluzione alternativa basata sul rilevamento a microonde, introducendo un nuovoapproccio al rilevamento della contaminazione. Il sistema proposto sfrutta segnali a microonde a bassapotenza e non ionizzanti per identificare i corpi estranei senza compromettere l’integrita degli alimentio richiedere modifiche alle linee di produzione esistenti. Offre un metodo di ispezione economico e intempo reale, in grado di operare in linea senza interrompere il processo di produzione. Il principio di rilevamento si basa sull’analisi del modo in cui i segnali a microonde interagiscono con i diversi materiali, sfruttando il contrasto dielettrico tra contaminanti e prodotti alimentari. Una schiera di antenne, che circondano il prodotto sotto analisi, cattura le variazioni di segnale, che vengono poi elaborate per determinare la presenza di oggetti estranei. Il sistema e progettato per acquisire dati in modo efficiente, mantenendo la compatibilita con la velocita e i vincoli degli ambienti industriali di lavorazione degli alimenti. Il rilevamento di contaminanti nei prodotti alimentari e nelle bevande utilizzando i parametri di diffusione comporta la risoluzione di un problema inverso, non lineare e malposto. Questo processo e computazionalmente costoso e potrebbe non essere adatto per il rilevamento in linea in tempo reale. In questa ricerca, integriamo tecniche di apprendimento automatico (ML) al problema inverso per automatizzare il processo di classificazione. Analizziamo la robustezza e l’efficacia di diversi classificatori, come le macchine a vettori di supporto (SVM) e le reti di percettori multistrato (MLP), addestrandoli su serie di dati su larga scala raccolti da prove sperimentali. Questi modelli imparano a distinguere tra alimenti non contaminati e contaminati. I classificatori identificano con successo una varieta di materiali estranei, tra cui diversi tipi di plastica, vetro e legno, dimostrando un’elevata precisione su migliaia di casi di test. Inoltre, estendiamo la nostra ricerca all’imaging a onde millimetriche (mmW), studiando l’integrazione di sistemi mmW con strumenti di ML per l’ispezione delle noci. I risultati promettenti ottenuti con l’imaging mmW e la classificazione ML in applicazioni agroalimentari, in particolare per frutti rossi come mele e pesche, ci hanno stimolato a valutare l’efficacia di questo approccio per casi piu impegnativi, in particolare per semi in guscio come mandorle e noci. I risultati ottenuti in questa tesi evidenziano il potenziale del sistema basato sulle microonde/mmW come soluzione robusta, scalabile ed efficiente per il rilevamento della contaminazione alimentare e l’ispezione agroalimentare in tempo reale. Integrazione del rilevamento a microonde con l’apprendimento automatico offre una potente alternativa ai metodi di ispezione tradizionali, migliorando la sicurezza e la qualita degli alimenti in ambito industriale

Le comunicazioni wireless di Quinta Generazione, le quali è assodato che vadano a ricoprire un ruolo chiave e centrale nel futuro delle comunicazioni mobili, hanno suscitato l’interesse e l’investigazione da parte delle maggiori organizzazioni ed enti di ricerca internazionali. Internet of Things, i cosiddetti Use Cases, gli indici KPI e le tecnologie candidate per lo sviluppo, sono tra gli altri, i maggiori aspetti su cui attualmente la ricerca pone la propria attenzione al fine di poter definire ed implementare la rete di Quinta Generazione. Non da meno, ricevono forte interesse anche una serie d’aspetti legati all’utilizzo delle elevate frequenze, in particolar modo le bande delle onde millimetriche, nello sviluppo delle comunicazioni per sistemi 5G. L’utilizzo delle onde millimetriche nel futuro delle comunicazioni mobili è ad oggi considerato il fulcro della ricerca per l’implementazione dell’ architettura di rete di Quinta Generazione. Lo sviluppo di comunicazioni basate sulle onde millimetriche per i sistemi 5G presentano sia delle opportunità ma anche importanti problematiche. Tra queste ultime, l’elevate attenuazioni registrate nelle bande delle onde millimetriche pongono severi limiti qualora si voglia stabilire una comunicazione a lungo raggio e tale è un aspetto critico che interesse fortemente i vari ambiti della ricerca per poter efficacemente porre le basi per il futuro della comunicazione mobile di Quinta Generazione.

In questa tesi si studiano i sistemi wireless dotati di tecnologia massive MIMO, cioè con un elevato numero di antenne, a onde millimetriche e con l'impiego di lenti elettromagnetiche. Tali lenti rappresentano una soluzione promettente per limitare la complessità dei sistemi MIMO tradizionali, grazie alla possibilità di realizzare in analogico delle operazioni solitamente eseguite in digitale e in banda base. Oltretutto, è possibile ottenere la stessa apertura d'array utilizzando un numero inferiore di antenne. Si analizza quindi il sistema in esame tramite lo studio di modelli riportati in letteratura, che vengono confrontati al fine di trovare quello più completo per descrivere il comportamento dell'array di antenne dotato di lente. In seguito, si valuta la risoluzione angolare in funzione del diametro della lente, del numero di antenne e della frequenza operativa attraverso simulazioni in MATLAB. Dai risultati si mostra come a onde millimetriche sia possibile ridurre la taglia del sistema, garantendo una elevata precisione angolare.

Questo elaborato tratta un argomento di futuro interesse ovvero la propagazione a onde millimetriche in ambiente indoor e il confronto tra due frequenze di sicuro interesse per i futuri sistemi radiomobili ovvero 27GHz e 38GHz. Dopo una breve introduzione sulle caratteristiche principali dei nuovi sistemi e della propagazione, sono riportati i risultati della campagna di misura svolta in ambiente industriale, in cui sono stati misurati valori di potenza ricevuta provenienti da varie angolazioni e successivamente graficati e analizzati nell’opportuno capitolo. Una seconda campagna di misure ha portato ad analizzare lo scattering da scaffali e da lastre di materiale. È evidente che in questi casi sia stato determinante il contributo dello scattering, ovvero la quota parte della potenza “sparpagliata”, e non riflessa in direzione speculare, da ogni elemento di superficie dei materiali. Tramite il simulatore 3-D Ray Tracing si è cercato il miglior accordo tra i dati raccolti e i risultati ottenuti in simulazione al variare di opportuni parametri.

La tesi tratta lo studio della propagazione in un ambiente indoor di tipo "large room" a tre diverse frequenze: 10GHz, 60GHz e 300GHz. Viene descritto l'ambiente delle misure, le modalità e il modello di ray-tracing utilizzato per le simulazioni. Viene analizzato il post processing delle misure effettuate a tutte tre le frequenze. Viene fatto il confronto con le simulazioni ottenute per mezzo del ray-tracing. Sono svolte delle operazioni di tuning per migliorare la previsione del ray-tracing al fine di riprodurre al meglio le misure. Sono riportati i confronti grafici tra il post processing delle misure e i risultati delle simulazioni.

L’elaborato è incentrato sul problema dello Human Blockage, e lo si è analizzato utilizzando tecniche di copertura radio, per ambienti indoor, basate sull’uso di array di antenne. In particolare si è dato enfasi alle tecniche Radiale, Single Beamforming e Multi Beamforming che sono state utilizzate per ottenere le performance in termini di CINR che hanno evidenziato le differenze tra scenari "statici" in cui le ostruzioni sono solo oggetti e "dinamici" i blockage sono costituiti da corpi umani.

In un circuito integrato a microonde complesso, oltre alle funzioni di amplificazione a basso rumore, di guadagno e di potenza le cui prestazioni vengono sempre più spinte al limite della tecnologia utilizzata, possono coesistere tutta una serie di funzioni altrettanto importanti che potrebbero essere classificate sotto il nome di funzioni di commutazione e condizionamento del segnale. Quasi sempre queste funzioni coincidono con la parte passiva del circuito complesso analizzato. Tra queste funzioni, le principali sono quelle realizzate da switch, attenuatori, sfasatori ed infine quelle realizzate dagli isolatori e dai circolatori. Negli ultimi anni si sta assistendo, soprattutto nel campo dei moduli T/R per applicazioni radar o di telecomunicazioni, ad una continua spinta all’integrazione su di un unico chip di queste funzioni insieme a quelle di amplificazione. Proprio per tale motivo si rende necessaria una rivisitazione teorica e pratica delle funzioni di commutazione e condizionamento del segnale finora utilizzate al fine di trovare soluzioni innovative che garantiscano una più facile integrazione di dette funzioni mantenendone invariate o, se possibile, migliorandone le prestazioni. Questo lavoro di tesi si prefigge proprio tale scopo. Nella prima parte di questo lavoro di tesi sono stati studiati i modulatori diretti, elementi in grado di sostituire contemporaneamente circuiti di condizionamento del segnale quali gli attenuatori e gli sfasatori digitali classici. Sono stati presentati due progetti di modulatori diretti monolitici in tecnologia GaAs a 70nm: uno bifase e l’altro vettoriale operanti in banda V (in particolare da 45 a 65 GHz) i quali sono stati entrambi realizzati e misurati. Nella seconda parte di questo lavoro è stata trattata una specifica classe di elementi di commutazione ossia gli switch di tipo SPST (Single Pole Single Through) ed SPDT (Single Pole Double Through). Più precisamente l’attenzione è stata focalizzata sulla tecnica della compensazione induttiva e resistivo-induttiva utilizzata per migliorare le prestazioni di isolamento di un FET in configurazione switch serie. Sono stati presentati due progetti di switch SPDT monolitici in tecnologia GaN a 0.25 µm: il primo operante in banda X ed il secondo operante nella banda 2-18GHz i quali sono stati entrambi realizzati e misurati. Nell’ultima parte di questo lavoro di tesi è stato dapprima condotto uno studio sullo stato dell’arte degli isolatori e dei circolatori passivi, successivamente lo stesso studio è stato condotto sugli isolatori, sui circolatori e sui quasi-circolatori attivi. E’ stato progettato un quasi-circolatore innovativo basato su un elemento, anch’esso sviluppato contestualmente a tale lavoro di tesi, che implementa uno sfasatore non reciproco attivo 0/90°. Entrambi i circuiti sono stati simulati e progettati in banda X ed utilizzando una tecnologia MMIC basata su pHEMT in GaAs a 0.18 µm.
In a complex microwave integrated subsystem, there are several functional blocks such as switches, attenuators, phase shifters and finally isolators and circulators that can coexist in addition to the classical functions of low noise, small-signal and power amplification, whose performance is increasingly being pushed to the limit of the selected technology. Such functions can be classified under the name of switching and signal conditioning circuits. These functional blocks are often coincident with the passive part of the complex subsystem. In recent years, especially if T/R modules for radar and telecommunications application are considered, a continuous increase in integration of such switching and signal conditioning building blocks with the amplifying ones can be noticed. This is the reason why a critical review of these functions is necessary to find innovative solutions, ensuring an easier integration while maintaining or, if possible, improving their performance. The goal of this work is exactly in such direction. In its first part, direct modulation elements have been studied. These circuits can replace both signal conditioning circuits, e.g. the classical attenuators and digital phase shifters. Two monolithic test vehicles in 70nm GaAs technology are presented for direct modulators: a biphase and a vector modulator, both operating in the V-band (in particular 45 to 65 GHz). Both circuits have been realized and measured. In the second part of this work, a class of switching elements have been studied: SPST (Single Pole - Single Through) switches and SPDT (Single Pole - Double Through) switches. More precisely, attention was focused on the inductive and resistive-inductive compensation technique used to improve the isolation performance of a FET in a series switch configuration. Two 0.25 μm GaN technology monolithic SPDT switches are presented as test vehicles: the first operates at X-band and the second in the 2-18GHz band. Both circuits have been realized and measured. At the end of this work, a study on the state-of-the-art of passive isolators and circulators is carried out, and then the same study is performed on active isolators, circulators and quasi-circulators. A quasi-circulator, based on an innovative element, also developed in parallel to this thesis, which implements a non-reciprocal active phase shifter has been designed. Both circuits are designed to operate at X-band and by using a 0.18 μm GaAs pHEMT technology.

Questo lavoro affronta gli aspetti riguardanti le metodologie e tecniche di analisi e progettazione per alcune funzionalità in front-end ricevitori a radiofrequenza ad elevata sensibilità e riconfigurabili. Tali funzionalità sono: l’amplificazione a basso rumore e il controllo dell’ampiezza di un segnale a RF. Infine, un’ulteriore investigazione ha focalizzato gli aspetti e le criticità in circuiti multi-funzione a elevata integrazione. E’ stata mostrata una metodologia per progettazione di amplificatori a basso rumore a microonde che ha portato a definire le relazioni di adattamento simultaneamente ottenibile in ingresso e uscita in un LNA. Il principale risultato di tale investigazione è l’individuazione di un grafico che permette di valutare in modo sinottico il guadagno di trasduzione e gli adattamenti I/O di una rete 2-porte amplificatrice una volta fissata l’impedenza di sorgente, e quindi il fattore di rumore del LNA. Sull’argomento degli amplificatori a basso rumore a onde millimetriche, è stato proposto un insieme di metodi analitici e sintetici che coprono le tematiche dalla scelta della tecnologia del dispositivo attivo al test del LNA realizzato. E’ stato ripreso il significato della Misura di Rumore nella progettazione a basso rumore a onde millimetriche investigando anche le tematiche della simulazione EM planare e 3D a onde millimetriche. All’interno della tematica sul controllo dell’ampiezza di un segnale a RF è stato investigato in profondità lo sfasamento parassita connesso al cambio di stato in attenuatori digitali a commutazione. E’ stata suggerita una tecnica circuitale e sono state ricavate equazioni di progetto che permettono di compensare tale sfasamento indesiderato, fornendo una relazione che consente di dimensionare l’elemento reattivo che compensa tale effetto sgradito. Infine, sulla materia della progettazione di circuiti-multi funzione a elevata integrazione è stata investigata la realizzabilità di un modulo contenente diverse funzionalità: controllo dell’ampiezza del segnale, amplificazione, scelta del modo T/R, controllo della fase del segnale e conversione seriale/parallelo dei dati di comando. Sono state presentate le procedure di progetto di alcuni sottosistemi nonché i criteri e i passi seguiti nella fase di integrazione.
This work deals with aspects relating to analysis and design methodologies and techniques for some circuits in high sensitivity and reconfigurable front-end RF receivers. These circuits are: low noise amplifier and RF attenuators. Finally, further investigation has focused aspects and issues of multi-function high integration circuits. A methodology for designing microwave low noise amplifiers is reported. The latter has led to define the I/O matching relationships simultaneously achievable in an LNA. The main result of this investigation is the identification of a chart that allows to synoptically evaluating the achievable gain and I/O matching of a 2-port amplifier, once the source impedance is fixed and consequently the LNA noise factor. A set of analytical and synthetic methods on millimetre wave low noise amplifiers has been proposed, covering topics from the active device technology selection to test the realized LNA. The meaning of the noise measure parameter is reprised for designing millimetre wave low-noise. The issues of and 3D planar EM millimetre wave simulation is also investigated. The parasitic phase shift in digital attenuators has been investigated in depth. Such parasitic effect is related to the change of state in digital switched attenuators. A technique has been suggested and circuit equations were derived that allow to compensate such unwanted phase shift, providing design relations that allows to estimate the value of the reactive element that compensates for this undesirable effect. Finally, in the field of multi-function high-integration circuits design, the feasibility of a module containing several functionalities has been investigated. The latter are: control of the signal amplitude, amplification, selection of Tx/Rx mode, control the phase of the signal and serial to parallel control data conversion. The design procedures of some sub-modules, together with the criteria and the steps followed in the process of integration, have been reported.

The purpose of this study is to develop and evaluate techniques that improve the spatial resolution of the channels already selected in the preliminary studies for Geostationary Observatory for Microwave Atmospheric Soundings (GOMAS). Reference high resolution multifrequency brightness temperatures scenarios have been derived by applying radiative transfer calculation to the spatially and microphysically detailed output of meteorological events simulated by the University of Wisconsin - Non-hydrostatic Model System (UW-NMS). Three approaches, Wiener filter, Super-Resolution and Image Fusion have been applied to some representative GOMAS frequency channels to enhance the resolution of antenna temperatures. The Wiener filter improved resolution of the largely oversampled images by a factor 1.5- 2.0 without introducing any penalty in the radiometric accuracy. Super-resolution, suitable for not largely oversampled images, improved resolution by a factor ~1.5 but introducing an increased radiometric noise by a factor 1.4-2.5. The image fusion allows finally to further increase the spatial frequency of the images obtained by the Wiener filter increasing the total resolution up to a factor 5.0 with an increased radiometric noise closely linked to the radiometric frequency and to the examined case study.

The purpose of this study is to develop and evaluate techniques that improve the spatial resolution of the channels already selected in the preliminary studies for Geostationary Observatory for Microwave Atmospheric Soundings (GOMAS). Reference high resolution multifrequency brightness temperatures scenarios have been derived by applying radiative transfer calculation to the spatially and microphysically detailed output of meteorological events simulated by the University of Wisconsin - Non-hydrostatic Model System (UW-NMS). Three approaches, Wiener filter, Super-Resolution and Image Fusion have been applied to some representative GOMAS frequency channels to enhance the resolution of antenna temperatures. The Wiener filter improved resolution of the largely oversampled images by a factor 1.5- 2.0 without introducing any penalty in the radiometric accuracy. Super-resolution, suitable for not largely oversampled images, improved resolution by a factor ~1.5 but introducing an increased radiometric noise by a factor 1.4-2.5. The image fusion allows finally to further increase the spatial frequency of the images obtained by the Wiener filter increasing the total resolution up to a factor 5.0 with an increased radiometric noise closely linked to the radiometric frequency and to the examined case study.

Nei prossimi anni è previsto un aumento del traffico dati, e la quinta generazione cellulare 5G dovrà fare affidamento su nuove tecnologie, come le onde millimetriche e il massive-MIMO, per soddisfare tale richiesta. Lo spettro di frequenze sotto i 6 GHz risulta infatti sovra-utilizzato, e le frequenze relative alle onde millimetriche promettono di garantire alte velocità di trasmissione dei dati, grazie alla grande disponibilità di banda, specialmente attorno ai 60 GHz. Nonostante questo aspetto favorevole, si ha però un elevato path loss e la difficoltà nel penetrare gli ostacoli. Per ovviare a tali problemi, l'utilizzo di tecniche di beamforming, ottenibili grazie all'uso congiunto di frequenze a onde millimetriche e massive-MIMO, permette di direzionare il pattern dell'antenna nelle direzioni spaziali desiderate, e di compensare il path loss grazie all'aumento della direttività. Considerando un sistema cellulare 5G, una comunicazione di tipo direttivo impone che i beam dell'utente e della stazione radio base debbano essere allineati per garantire la comunicazione, introducendo possibili ritardi nella fase di accesso iniziale. Di conseguenza, lo studio di algoritmi ad-hoc, progettati per velocizzare questa fase rappresenta un sfida importante per l'ottimizzazione dei futuri sistemi 5G. Nell'ottica quindi di velocizzare l'accesso iniziale nelle reti 5G, in questa tesi prima di tutto mostriamo gli approcci proposti nello stato dell'arte, mettendo in evidenza gli aspetti che possono essere migliorati. Successivamente viene spiegato il simulatore che abbiamo implementato su Matlab, e infine viene introdotto un nuovo algoritmo. In particolare, l'algoritmo proposto si basa sulla memoria degli utenti visti per settore e sull'utilizzo di diverse configurazioni dei beam. Questi due aspetti combinati tra loro risultano innovativi rispetto allo stato dell'arte. I risultati numerici ottenuti dimostrano la bontà della tecnica proposta negli scenari 5G considerati.

In questa tesi si è deciso di focalizzarsi sui segnali a onde millimetriche e banda-ultra larga (UWB), i quali rappresentano, con ogni probabilità, i componenti fondamentali delle future reti di 5° generazione(5G). Sono state eseguite delle misure per poter analizzare il comportamento di questi segnali in ambienti diversi utilizzando un drone. Lo scopo del mio elaborato consiste nella sincronizzazione delle missioni del drone con le operazioni di acquisizione degli strumenti di misura. Per poter realizzare il sistema di sincronizzazione è stato utilizzato il software di elaborazione di calcolo Matlab.

2013/2014
Questa tesi di Dottorato rappresenta la prosecuzione e l'approfondimento delle ricerche che ho iniziato nell'ambito della tesi di Laurea Specialistica in Fisica, nella quale ho studiato a livello numerico e sperimentale le modalità di propagazione di onde di Rayleigh ultrasoniche su superfici metalliche e in mezzi stratificati. Nel presente lavoro di tesi ho approfondito le tecniche di deconvoluzione basate su filtri di Wiener con l'obiettivo di estenderne l'applicazione al trattamento degli ecogrammi ultrasonici caratteristici dei controlli non distruttivi. In questo contesto, ho elaborato una versione ottimizzata dell'algoritmo di spiking deconvolution, che si è dimostrata efficace nelle riduzione del riverbero degli ecogrammi sperimentali. Il lavoro di ricerca relativo al trattamento del segnale è stato complementato da uno studio sperimentale che mi ha consentito di approfondire alcuni aspetti fondamentali della fisica e della tecnologia degli ultrasuoni. In particolare, ho dedicato una parte consistente del lavoro di ricerca alla costruzione e all'ottimizzazione di sonde a ultrasuoni per la generazione di onde longitudinali e di Rayleigh; ho potuto selezionare i materiali ottimali nel corso di uno studio dedicato, condotto in collaborazione con il gruppo di ricerca del Prof. Cesàro, attivo presso il Dipartimento di Scienze della Vita dell'Università degli Studi di Trieste: lo studio ha permesso di analizzare le proprietà termiche dei diversi materiali costituenti le sonde tramite misure di calorimetria differenziale a flusso di calore (DSC). Dopo la fase di costruzione, caratterizzazione e ottimizzazione, ho utilizzato le sonde ultrasoniche per studiare sperimentalmente le modalità di generazione, propagazione e ricezione degli ultrasuoni in sistemi stratificati multifase, costituiti da domini solidi e liquidi. In particolare, ho approfondito il meccanismo di interazione delle onde di volume e di Rayleigh ultrasoniche con una lega bassofondente allo stato liquido. Lo studio sperimentale mi ha permesso di acquisire la sensibilità operativa e critica necessaria per una corretta interpretazione dei segnali misurati, creando la premessa per la successiva analisi dedicata al trattamento del segnale e all'elaborazione di un algoritmo per la riduzione del riverbero. L'algoritmo è stato implementato in Matlab e validato su segnali sintetici e sperimentali, dimostrandone l'efficacia nella riduzione del riverbero e nell'aumento della risoluzione temporale del segnale. I risultati ottenuti potranno essere sviluppati ulteriormente in uno studio successivo, nel quale potranno essere applicati alla ricostruzione tomografica di interfacce complesse di interesse nell'ambito dei controlli non distruttivi.
XXVII Ciclo
1985

La mesure des champs electromagnetiques diffractes est essentielle pour la mise en oeuvre de l'imagerie microonde. Le but de cette these a ete de presenter la realisation d'un multiplexeur planaire qui sera l'element de base d'un recepteur microonde integre pour la mesure du champ diffracte. Deux prototypes sont testes en technologie microruban, avec trois et quatre soies d'entree. Les principales caracteristiques des multiplexeurs etudies sont les faibles pertes d'insertion entre les entrees et la voie commune, ainsi que l'adaptation permanente des entrees

Le but de ce travail est de quantifier le potentiel et les capacités de la technologie térahertz à contrôler des colis afin de détecter les menaces telles que les armes et les explosifs, sans avoir besoin d'ouvrir le colis.Dans cette étude, nous présentons la spectroscopie térahertz résolue en temps et l'imagerie multi-spectrale pour la détection des explosifs. Deux types d’explosifs, ainsi que leurs mélanges binaires sont analysés. En raison de la complexité de l'extraction des informations face à tels échantillons, trois outils de chimiométrie sont utilisés: l’analyse en composantes principales (ACP), l'analyse des moindres carrés partiels (PLS) et l'analyse des moindres carrés partiels discriminante (PLS-DA). Les méthodes sont appliquées sur des données spectrales térahertz et sur des images spectrales pour : (i) décrire un ensemble de données inconnues et identifier des similitudes entre les échantillons par l'ACP ; (ii) créer des classes, ensuite classer les échantillons inconnus par PLS-DA ; (iii) créer un modèle capable de prédire les concentrations d’un explosif, à l'état pur ou dans des mélanges, par PLS.Dans la deuxième partie de ce travail, nous présentons l'imagerie par les ondes millimétriques pour la détection d'armes dans les colis. Trois techniques d'imagerie différentes sont étudiées : l'imagerie passive, l’imagerie active par des ondes continues (CW) et l’imagerie active par modulation de fréquence (FMCW). Les performances, les avantages et les limitations de chacune de ces techniques, pour l’inspection de colis, sont présentés. En outre, la technique de reconstruction tomographique est appliquée à chacune de ces trois techniques, pour visualiser en 3D et inspecter les colis en volume. Dans cet ordre, un algorithme de tomographie spécial est développé en prenant en considération la propagation gaussienne de l'onde
The aim of this work is to demonstrate the potential and capabilities of terahertz technology for parcels screening and inspection to detect threats such as weapons and explosives, without the need to open the parcel.In this study, we first present terahertz time-domain spectroscopy and spectral imaging for explosives detection. Two types of explosives as well as their binary mixture is analyzed. Due to the complexity of extracting information when facing such mixtures of samples, three chemometric tools are used: principal component analysis (PCA), partial least square analysis (PLS) and partial least squares-discriminant analysis (PLS-DA). The analyses are applied to terahertz spectral data and to spectral-images in order to: (i) describe a set of unknown data and identify similarities between samples by PCA; (ii) create a classification model and predict the belonging of unknown samples to each of the classes, by PLS-DA; (iii) create a model able to quantify and predict the explosive concentrations in a pure state or in mixtures, by PLS.The second part of this work focuses on millimeter wave imaging for weapon detection in parcels. Three different imaging techniques are studied: passive imaging, continuous wave (CW) active imaging and frequency modulated continuous wave (FMCW) active imaging. The performances, the advantages and the limitations of each of the three techniques, for parcel inspection, are exhibited. Moreover, computed tomography is applied to each of the three techniques to visualize data in 3D and inspect parcels in volume. Thus, a special tomography algorithm is developed by taking in consideration the Gaussian propagation of the wave

Ce travail de thèse est axé sur le domaine du traitement d’images biomédicales. L’objectif de notre étude est l’estimation des paramètres traduisant les propriétés mécaniques de l’artère carotide in vivo en imagerie échographique, dans une optique de détection précoce des pathologies cardiovasculaires. L’étude des comportements dynamiques de l’artère pour le dépistage précoce de l’athérosclérose constitue à ce jour une piste privilégiée. Cependant, malgré les avancées récentes, l’estimation du mouvement de la paroi carotidienne reste toujours difficile, notamment dans la direction longitudinale (direction parallèle au vaisseau). L’élaboration d’une méthode innovante permettant d’étudier le mouvement de la paroi carotidienne constitue la principale motivation de ce travail de thèse. Les trois contributions principales proposées dans ce travail sont i) le développement, la validation, et l’évaluation clinique d’une méthode originale d’estimation de mouvement 2D adaptée au mouvement de la paroi carotidienne, ii) la validation en simulation, et expérimentale de l’extension à la 3D de la méthode d’estimation proposée, et iii) l’évaluation expérimentale de la méthode proposée, en imagerie ultrasonore ultra-rapide, dans le cadre de l’estimation locale de la vitesse de l’onde de pouls. Nous proposons une méthode d’estimation de mouvement combinant un marquage ultrasonore dans la direction latérale, et un estimateur de mouvement basé sur la phase des images ultrasonores. Le marquage ultrasonore est réalisé par l’intermédiaire d’oscillations transverses. Nous proposons deux approches différentes pour introduire ces oscillations transverses, une approche classique utilisant une fonction de pondération spécifique, et une approche originale par filtrage permettant de contrôler de manière optimale leurs formations. L’estimateur de mouvement proposé utilise les phases analytiques des images radiofréquences, extraites par l’approche de Hahn. Ce travail de thèse montre que la méthode proposée permet une estimation de mouvement plus précise dans la direction longitudinale, et plus généralement dans les directions perpendiculaires au faisceau ultrasonore, que celle obtenue avec d’autres méthodes plus traditionnelles. De plus, l’évaluation expérimentale de la méthode sur des séquences d’images ultrasonores ultra-rapides issues de fantômes de carotide, a permis l’estimation locale de la vitesse de propagation de l’onde de pouls, la mise en évidence de la propagation d’un mouvement longitudinal et enfin l’estimation du module de Young des vaisseaux
This work focuses on the processing of biomedical images. The aim of our study is to estimate the mechanical properties of the carotid artery in vivo using ultrasound imaging, in order to detect cardiovascular diseases at an early stage. Over the last decade, researchers have shown interest in studying artery wall motion, especially the motion of the carotid intima-media complex in order to demonstrate its significance as a marker of Atherosclerosis. However, despite recent progress, motion estimation of the carotid wall is still difficult, particularly in the longitudinal direction (direction parallel to the probe). The development of an innovative method for studying the movement of the carotid artery wall is the main motivation of this thesis. The three main contributions proposed in this work are i) the development, the validation, and the clinical evaluation of a novel method for 2D motion estimation of the carotid wall, ii) the development, the simulation and the experimental validation of the 3D extension of the estimation method proposed, and iii) the experimental evaluation of the 2D proposed method in ultra-fast imaging, for the estimation of the local pulse wave velocity. We propose a motion estimation method combining tagging of the ultrasound images, and a motion estimator based on the phase of the ultrasound images. The ultrasonic tagging is produced by means of transverse oscillations. We present two different approaches to introduce these transverses oscillations, a classic approach using a specific apodization function and a new approach based on filtering. The proposed motion estimator uses the 2D analytical phase of RF images using the Hahn approach. This thesis work shows that, compared with conventional methods, the proposed approach provides more accurate motion estimation in the longitudinal direction, and more generally in directions perpendicular to the beam axis. Also, the experimental evaluation of our method on ultra-fast images sequences from carotid phantom was used to validate our method regarding the estimation of the pulse wave velocity, the Young’s modulus of the vessels wall, and the propagation of a longitudinal movement

Le travail mené dans cette thèse s’inscrit dans la continuité des recherches sur l’élastographie par onde de cisaillement. Après un rappel bibliographique, la présentation d’une étude expérimentale montre que la résolution en élastographie par ultrasons est du même ordre de grandeur que la résolution en échographie et que sa limite dépasse la longueur d’onde de cisaillement. L’originalité de ce travail repose sur l’utilisation d’un réseau de sources mécaniques pour la génération et le contrôle des ondes de cisaillement. Un miroir à retournement temporel de six vibreurs est d’abord mis en place. Ce dispositif montre un contrôle spatio-temporel du champ élastique dans un gel gélatine-graphite. Comparé à l’utilisation d’un seul vibreur, le réseau de sources, proposé dans ce travail, améliore de 10dB le rapport signal sur bruit. L’application de cette méthode sur un modèle du crâne humain montre la possibilité de délivrer et contrôler les ondes de cisaillement dans le cerveau par conduction osseuse. Enfin, l’application de cette méthode à l’élastographie des couches abdominales est présentée par une étude sur un modèle synthétique et in vivo sur un volontaire sain
This thesis is in line with shear-wave elastography research. After, a bibliographic review, an experimental study shows that the resolution on ultrasound elastography is of the same order of magnitude of the echography resolution and its limit exceeds the shear-wavelength. The original aspect of this work is the use of a phased array of mechanical sources to generate and control shear waves. A time reversal mirror of six shakers is set up. This device shows a space-time control of shear-wave field in gelatin-graphite phantom. Compared to the use of a single source, this phased array of shear-wave improves by 10dB the signal to noise ratio. Using this method on human skull model shows the possibility to deliver and control shear waves in brain using bone conduction. Finally, the application of this method on shear-wave elastography of abdominal layers is shown by a study on synthetic model and in vivo on a healthy volunteer

Ce travail concerne l'imagerie micro-onde en vue d'application à l'imagerie biomédicale. Cette technique d'imagerie a pour objectif de retrouver la distribution des propriétés diélectriques internes (permittivité diélectrique et conductivité) d'un objet inconnu illuminé par une onde interrogatrice connue à partir des mesures du champ électrique dit diffracté résultant de leur interaction. Un tel problème constitue un problème dit inverse par opposition au problème direct associé qui consiste à calculer le champ diffracté, l'onde interrogatrice et l'objet étant alors connus.La résolution du problème inverse nécessite la construction préalable du modèle direct associé. Celui-ci est ici basé sur une représentation intégrale de domaine des champs électriques donnant naissance à deux équations intégrales couplées dont les contreparties discrètes sont obtenues à l'aide de la méthode des moments. En ce qui concerne le problème inverse, hormis le fait que les équations physiques qui interviennent dans sa modélisation directe le rendent non-linéaire, il est également mathématiquement mal posé au sens de Hadamard, ce qui signifie que les conditions d'existence, d'unicité et de stabilité de la solution ne sont pas simultanément garanties. La résolution d'un tel problème nécessite sa régularisation préalable qui consiste généralement en l'introduction d'information a priori sur la solution recherchée. Cette résolution est effectuée, ici, dans un cadre probabiliste bayésien où l'on introduit une connaissance a priori adaptée à l'objet sous test et qui consiste à considérer ce dernier comme étant composé d'un nombre fini de matériaux homogènes distribués dans des régions compactes. Cet information est introduite par le biais d'un modèle de « Gauss-Markov-Potts ». De plus, le calcul bayésien nous donne la distribution a posteriori de toutes les inconnues connaissant l'a priori et l'objet. On s'attache ensuite à déterminer les estimateurs a posteriori via des méthodes d'approximation variationnelles et à reconstruire ainsi l'image de l'objet recherché. Les principales contributions de ce travail sont d'ordre méthodologique et algorithmique. Elles sont illustrées par une application de l'imagerie micro-onde à la détection du cancer du sein. Cette dernière constitue en soi un point très important et original de la thèse. En effet, la détection du cancer su sein en imagerie micro-onde est une alternative très intéressante à la mammographie par rayons X, mais n'en est encore qu'à un stade exploratoire
This work concerns the problem of microwave tomography for application to biomedical imaging. The aim is to retreive both permittivity and conductivity of an unknown object from measurements of the scattered field that results from its interaction with a known interrogating wave. Such a problem is said to be inverse opposed to the associated forward problem that consists in calculating the scattered field while the interrogating wave and the object are known. The resolution of the inverse problem requires the prior construction of the associated forward model. This latter is based on an integral representation of the electric field resulting in two coupled integral equations whose discrete counterparts are obtained by means of the method of moments.Regarding the inverse problem, in addition to the fact that the physical equations involved in the forward modeling make it nonlinear, it is also mathematically ill-posed in the sense of Hadamard, which means that the conditions of existence, uniqueness and stability of the solution are not simultaneously guaranteed. Hence, solving this problem requires its prior regularization which usually involves the introduction of a priori information on the sought solution. This resolution is done here in a Bayesian probabilistic framework where we introduced a priori knowledge appropriate to the sought object by considering it to be composed of a finite number of homogeneous materials distributed in compact and homogeneous regions. This information is introduced through a "Gauss-Markov-Potts" model. In addition, the Bayesian computation gives the posterior distribution of all the unknowns, knowing the a priori and the object. We proceed then to identify the posterior estimators via variational approximation methods and thereby to reconstruct the image of the desired object.The main contributions of this work are methodological and algorithmic. They are illustrated by an application of microwave imaging to breast cancer detection. The latter is in itself a very important and original aspect of the thesis. Indeed, the detection of breast cancer using microwave imaging is a very interesting alternative to X-ray mammography, but it is still at an exploratory stage

L'élastographie ondulatoire est une méthode d'imagerie visant à mesurer l'élasticité des tissus biologiques de façon non-invasive et quantitative. Récemment, la transposition de la technique à petite échelle baptisée micro-élastographie dynamique a permis de réaliser de premières mesures d'élasticité cellulaire par ondes de cisaillement grâce à un microscope optique. Cette thèse s'attache à en comprendre les limites et à développer de nouvelles méthodes de micro-élastographie, à tester de nouvelles sources d'ondes mais également des applications potentielles de la technique. Dans un premier temps, la dispersion d'ondes de cisaillement a été étudiée sur des gels de gélatine. Deux régimes distincts d'ondes élastiques guidées et d'ondes de cisaillement ont été identifiés. La limite haute fréquence de propagation des ondes a également été explorée, permettant d'établir l'existence d'une fréquence de coupure expliquant l'absence d'imagerie ultrasonore de cisaillement. La même approche a ensuite été appliquée à des fluides visco-élastiques faisant apparaître deux fréquences de coupure et permettant de revisiter les études déjà menées sur la rhéologie et la propagation d'ondes dans ce type de milieux. Puis, l'objectif initial étant de réaliser de la micro-élastographie sur des cellules uniques et les expériences précédemment réalisées avec des micro-pipettes présentant certains défauts, une méthode originale de micro-élastographie cellulaire a été développée. Une micro-bulle oscillante est utilisée comme source d'ondes de cisaillement sans contact à 15 kHz, pour réaliser des expériences sur des cellules sanguines appelées mégacaryocytes dont le diamètre est d'environ 15 µm. Il s'agit en fait des plus petits objets jamais explorés par élastographie. Des objets plus gros, des amas cellulaires de quelques dizaines de milliers de cellules ont également été étudiés. En effet, l'élastographie ultrasonore de ces modèles tumoraux d'environ 800 µm de diamètre étant impossible, la micro-élastographie optique est une technique adaptée. Ces échantillons contiennent des nano-particules magnétiques, donc une impulsion magnétique a pu être utilisée comme source d'ondes. Auparavant, des preuves de concept sur des gels à la fois macroscopiques (en élastographie ultrasonore) et microscopiques (en micro-élastographie optique) ont été menées pour valider l'utilisation de cette source de champ diffus. Enfin, des mesures d'ondes de pouls ont été réalisées sur des artères rétiniennes d'environ 50 µm de diamètre à partir d'acquisitions d'holographie Doppler laser réalisées in vivo. L'application d'algorithmes de corrélation monochromatiques a permis de mesurer la vitesse d'ondes guidées révélant l'existence d'une deuxième onde de pouls, une onde antisymétrique de flexion. Cette onde guidée, beaucoup plus lente que l'onde de pouls axisymétrique étudiée jusqu'à présent, a également été observée sur l'artère carotide grâce à des acquisitions ultrasonores ultrarapides
Dyanmic elastography is an imaging method to measure the elasticity of biological tissues in a non-invasive and quantitative way. Recently, the transposition of the technique to a small scale has been called dynamic micro-elastography and has allowed the first measurements of cellular elasticity by shear waves using an optical microscope. This thesis aims to undetstand the limits of this technique and to develop new micro-elastography methods, to test new wave sources but also potential applications of the technique. In a first step, the dispersion of shear waves was studied on gelatin phantoms. Two distinct regimes of guided elastic waves and shear waves were identified. The high-frequency limit of wave propagation was also explored, establishing the existence of a cutoff frequency which explains the absence of ultrasonic shear imaging. The same approach was then applied to visco-elastic fluids, revealing two cutoff frequencies and revisiting previous studies on rheology and wave propagation in this type of medium. Then, the initial objective being to carry out micro-elastography on single cells and the experiments previously carried out with micro-pipettes presenting certain defects, an original method of cellular micro-elastography was developed. An oscillating microbubble is used as a contactless shear wave source at 15 kHz to perform experiments on blood cells whose diameter is about 15 µm. These are the smallest objects ever explored by elastography. Larger objects, cell clusters of a few tens of thousands of cells have also been studied. Indeed, since ultrasound elastography of these tumour models of about 800 µm in diameter is impossible, optical micro-elastography is a suitable technique. These samples contain magnetic nanoparticles, so a magnetic pulse could be used as a wave source. Previously, proofs of concept on both macroscopic (in ultrasonic elastography) and microscopic (in optical micro-elastography) phantoms were conducted to validate the use of this diffuse field source. Finally, pulse wave measurements were performed on retinal arteries of about 50 µm in diameter using laser Doppler holography acquisitions performed in vivo. The application of monochromatic correlation algorithms allowed the measurement of guided wave velocities, finally revealing the existence of a second pulse wave, an antisymmetric bending wave. This guided wave, much slower than the axisymmetric pulse wave studied so far, was also observed on the carotid artery thanks to ultrafast ultrasound acquisitions

Le travail mené dans cette thèse s’inscrit dans la continuité des recherches sur l’élastographie par onde de cisaillement. Après un rappel bibliographique, la présentation d’une étude expérimentale montre que la résolution en élastographie par ultrasons est du même ordre de grandeur que la résolution en échographie et que sa limite dépasse la longueur d’onde de cisaillement. L’originalité de ce travail repose sur l’utilisation d’un réseau de sources mécaniques pour la génération et le contrôle des ondes de cisaillement. Un miroir à retournement temporel de six vibreurs est d’abord mis en place. Ce dispositif montre un contrôle spatio-temporel du champ élastique dans un gel gélatine-graphite. Comparé à l’utilisation d’un seul vibreur, le réseau de sources, proposé dans ce travail, améliore de 10dB le rapport signal sur bruit. L’application de cette méthode sur un modèle du crâne humain montre la possibilité de délivrer et contrôler les ondes de cisaillement dans le cerveau par conduction osseuse. Enfin, l’application de cette méthode à l’élastographie des couches abdominales est présentée par une étude sur un modèle synthétique et in vivo sur un volontaire sain
This thesis is in line with shear-wave elastography research. After, a bibliographic review, an experimental study shows that the resolution on ultrasound elastography is of the same order of magnitude of the echography resolution and its limit exceeds the shear-wavelength. The original aspect of this work is the use of a phased array of mechanical sources to generate and control shear waves. A time reversal mirror of six shakers is set up. This device shows a space-time control of shear-wave field in gelatin-graphite phantom. Compared to the use of a single source, this phased array of shear-wave improves by 10dB the signal to noise ratio. Using this method on human skull model shows the possibility to deliver and control shear waves in brain using bone conduction. Finally, the application of this method on shear-wave elastography of abdominal layers is shown by a study on synthetic model and in vivo on a healthy volunteer

L’imagerie moléculaire optique joue maintenant un rôle essentiel dans le diagnostic pré-clinique et le développement de médicaments. En effet, c’est un outil précieux dans la détection et le suivi de cellules vivantes que ce soit en utilisant de simples agents de marquage ou des sondes plus développées, dites « intelligentes » et activées uniquement par une interaction spécifique avec le bio-analyte ciblé. Ce travail de thèse a consisté à développer des outils synthétiques innovants afin d’optimiser les paramètres physico-chimiques et les propriétés optiques des sondes luminescentes. Ceci dans le but de répondre à la problématique complexe de l’imagerie dans le contexte in vivo. Nous avons notamment travaillé sur des aspects de pro-fluorescence et de chémiluminescence. De nouveaux pro-fluorophores à phénol basés sur une architecture originale de type bis-coumarinique ont été développés. De plus, nous avons mis en place une méthode d’hydrosolubilisation généralisable aux fluorophores à phénol de type coumarine et xanthène. Nos recherches en chémiluminescence ont permis la synthèse de nouveaux chémiluminophores couplés à des fluorophores organiques afin d‘augmenter l’efficacité d’émission de chémiluminescence dans le rouge. Enfin, nos travaux ont permis de mettre en place les premières « cassettes » chémiluminescentes basées sur une architecture de type 1,2-dioxétane
Optical molecular imaging is now playing a pivotal role both in pre-clinical diagnosis and drug development. Indeed, this is a valuable tool for the real time detection and monitoring of living cells either through the use of structurally simple labels or more recently by means of sophisticated fluorescent probes, called “smart” probes and only activatable upon specific interaction with the targeted bio-analyte. The aim of this PhD work was the design of new synthetic tools aimed at optimizing physico-chemical and optical properties of fluorescent probes intended for challenging in vivo imaging applications. We have focused on the pro-fluorescence and chemiluminescence approaches. New phenol-based pro-fluorophores have been developed by using an original bis-coumarinic scaffold. In the context of the chemistry of fluorophores, we have also investigated a general method for the water-solubilisation of phenol-based fluorophore belonging to the coumarin and xanthene families. Our research in chemiluminescence has led the synthesis of new chemiluminophores covalently linked to fluorescent organic dyes aimed at increasing the emission efficiency in the red region of such chemiluminophores. Thus, the first chemiluminescent “energy transfer cassettes” based on a 1,2-dioxetane scaffold have been obtained

Cette thèse est consacrée à la mise en place d'un système hyperfréquence dédié à l'imagerie du proche sous-sol. L'analyse de l'onde mesurée après interaction de l'onde incidente avec le milieu permet de remonter aux propriétés électromagnétiques de la structure illuminée. Ici, nous choisissons d'utiliser une seule fréquence en s'appuyant sur une configuration multistatique pour garantir une meilleure diversité de l'information.L'imagerie quantitative exige un calibrage minutieux des données mesurées après correction des erreurs expérimentales. Un calibrage a été donc proposé, basé sur la mesure du diagramme de rayonnement de chaque antenne. Celles-ci sont modélisées quantitativement en champ proche grâce à une combinaison de fils sources adéquatement optimisée. Ce calibrage, rapide et simple, ne nécessite pas d'objets de calibrage supplémentaires. Il a été d'abord testé dans le cas de la diffraction par des objets 2D en espace libre, puis dans le cas d'objets faiblement enfouis. Les champs calibrés servent de données d'entrée à des algorithmes d'inversion. En terme de localisation, les résultats obtenus sont très satisfaisants. Quant à la caractérisation, la configuration stratifiée apparaît bien moins propice que la configuration en espace libre, de part la faible quantité d'information disponible. Des changements ont été apportés à la configuration (différentes antennes avec ou sans orientation) dans l'optique d'améliorer le rapport signal à bruit. Bien que les reconstructions des permittivité soient encore perfectibles, les premiers résultats sont intéressants d'autant plus que les algorithmes n'exploitent aucune information a-priori sur la cible
This thesis is devoted to the development of a microwave system dedicated to subsurface imaging applications. The analysis of the measured wave after the interaction with the medium allows to retrieve the electromagnetic properties of the probed structure. Here, we choose a single frequency operating mode combined with a multistatic configuration in order to improve the information diversity.Quantitative imaging requires a high-precision calibration of the measured data even after a careful correction of experimental errors. Thus, a calibration method is proposed, exploiting the measurement in free-space of the radiation pattern of each antenna. These patterns are quantitatively modeled thanks to an optimized linear combination of elementary sources positioned on the antenna's aperture. This simple and efficient calibration avoids additional measurements with calibration objects. This method provides successful results in a 2D free space scattering problem, as well as in the shallowly buried targets case.The calibrated data serve as inputs to inversion algorithms. As localization is concerned, very satisfactory detection results are obtained. Regarding the characterization aspects, the results indicate that the stratified configuration is less suitable than the free space configuration, due to its lack of spatial information. In order to improve the signal-to-noise ratio, some amendments are made to the experimental configuration (different antennas with or without orientation). Although the permittivity reconstructions are perfectible, the first results are promising especially since no a-priori on the targets has been inserted in the inversion algorithm so far

L'élastographie-IRM du sein (MRE) est une technique d'imagerie fonctionnelle non invasive utilisant les propriétés visco-élastiques des tissus et qui permet comme en élastographie-échographie d'évaluer la rigidité d'une lésion. Il est également possible, à la différence de l'élastographie-échographie, d'évaluer le degré de viscosité d'une lésion, et ainsi grâce à la combinaison élasticité/viscosité, comparée à l'analyse des paramètres IRM classiques comme la morphologie ou la cinétique de rehaussement, d'améliorer la caractérisation lésionnelle. Très peu d'études en élastographie-IRM du sein ont été menées à ce jour, essentiellement du fait d'une problématique instrumentale et de mise à disposition d'une antenne dédiée sein équipé d'un dispositif de génération des ondes de cisaillement dans le sein. Dans un premier temps, nous avons pu établir et optimiser une séquence élasto-IRM du sein sur une série de 10 volontaires saines. Cette séquence basée sur un principe de séquence Spin Echo EPI-MRE 3D, a permis l'acquisition de 50 coupes en 10 minutes sur un sein, compatible avec la pratique clinique en IRM du sein. Une approche multifréquence à 37,5 Hz, 75 Hz et 112,5 Hz a été ensuite testée sur les trois dernières volontaires puis transférées à notre population de patientes. Cette séquence multifréquence permettait la continuité de diffusion des ondes dans le sein. 50 patientes présentant des lésions indéterminées ou suspectes du sein (37 cancers, 13 bénins) ont ensuite été incluses dans ce protocole et examinées par IRM du sein classique avec séquence supplémentaire élasto-IRM. Certaines patientes étaient aussi examinées en élasto-échographie. Les données IRM morphologiques, dynamiques et de visco-élasticité IRM ont été corrélées à l'histologie. Nous avons pu montrer que les paramètres visco-élastiques IRM étaient fortement corrélés avec le score de malignité d'une lésion (Bi-RADS ACR) et avec le caractère différentiel bénin/malin. C'est notamment le paramètre Gd qui représente l'élasticité, qui était plus faible en cas de lésion suspecte BI-RADS 5. Le paramètre Gl était plus élevé dans les lésions malignes par rapport aux lésions bénignes, avec un niveau de viscosité statistiquement supérieur dans les lésions malignes. Le meilleur paramètre semble être le rapport y (Gl/Gd) qui était aussi significativement élevé dans les lésions malignes par comparaison avec les lésions bénignes du sein, et qui a été analysé comme un facteur indépendant. En pratique, l'ajout de la séquence MRE à un examen IRM du sein classique a permis dans notre étude d'améliorer significativement la sensibilité de l'IRM (de 78 à 91 %) sans perte de spécificité, celle-ci étant initialement très bonne dans cette étude. Nous n'avons pas en revanche établi de lien entre la fibrose, la quantification vasculaire ou la nécrose pour expliquer ces phénomènes de visco-élasticité des tumeurs. En conclusion, l'élasto-IRM peut s'avérer utile pour améliorer le diagnostic de lésions du sein en IRM. Une poursuite des travaux avec optimisation de la séquence pour qu'elle puisse permettre l'analyse des deux seins sera nécessaire pour sa diffusion en pratique clinique. Ce travail pourrait idéalement se poursuivre sur une plus grande série de patientes.

L'évaluation de la fibrose hépatique est une source d'information essentielle pour le clinicien lors du diagnostic, traitement et suivi de maladies chroniques du foie. La société Echosens propose un appareil médical d'élastographie impulsionnelle ultrasonore, appelé Fibroscan. Cette technique consiste à mesurer la vitesse de propagation d'une onde de cisaillement dans le tissu hépatique engendrée par une sollicitation mécanique. La vitesse de cisaillement est directement reliée au degré de fibrose. Nous avons dans un premier temps développé des outils numériques basés sur la méthode des éléments finis pour étudier l'élastographie impulsionnelle, de façon à disposer d'observations dans des conditions expérimentales contrôlées. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés à des pré-traitements temps réel du signal ultrasonore rétro-diffusé. Deux applications concrètes étaient visées : (i) l'estimation de la distance entre la sonde du Fibroscan et le parenchyme hépatique, (ii) la détection automatique d'une zone homogène du tissu hépatique. Enfin, nous avons analysé de façon détaillée la capacité de ces paramètres spectraux à discriminer les stades de fibrose vis à vis de l'élasticité. L'ensemble des résultats a été obtenu sur une cohorte de 181 volontaires. Dans une troisième partie, nous nous sommes intéressés au problème lié à la méconnaissance de l'angle d'observation de la sonde par rapport à la direction de propagation de l'onde de cisaillement. Nous sommes partis sur une approche souvent associée au retournement temporel ou au filtrage adapté. Une autre façon d'aborder le problème est d'utiliser une approche paramétrique par maximum de vraisemblance.

L'exocytose régulée, est un processus qui permet la communication entre les cellules à travers la sécrétion des hormones et des neurotransmetteurs. Dans les neurones et les cellules neuroendocrines, l'exocytose est strictement contrôlée par des signaux extracellulaires tels que le potentiel trans-membranaire et la fixation des ligands sur des récepteurs. Des progrès substantiels ont été effectués afin de comprendre le mécanisme moléculaire de l'exocytose. Les composants majeurs de la machinerie de sécrétion ont été dévoilés. Maintenant, la question qui émerge concerne le rôle de la plateforme de protéines qui semble avoir une action coordonnée entre chaque protéine. Dans le cas de la famille des annexines, qui est bien connue pour son action dans l'exocytose, leurs modes d'interactions séquentielles ou concertées avec d'autres protéines ainsi que leurs effets régulateurs sur l'exocytose ne sont pas encore bien établis. Des résultats précédents indiquent que l'Annexine A6 (AnxA6) affecte l'homéostasie du calcium et la sécrétion de la dopamine à partir des cellules PC12, utilisées comme un modèle cellulaire de neurosécrétion (Podszywalow Bartnicka et al., 2010). Afin de déterminer l'effet inhibiteur de l'AnxA6 sur l'exocytose de la dopamine, nous cherchons des partenaires moléculaires de l'AnxA6 dans les cellules PC12. Nous faisons l'hypothèse que l'AnxA6 interagit avec la PLD1, une enzyme active dans l'étape de la fusion des vésicules avec la membrane plasmique. En utilisant la microscopie confocale et la microscopie à onde évanescente, nous avons trouvé que l'isoforme 1 de l'AnxA6 et la PLD1 sont tous les deux recrutés sur la surface des vésicules au cours de la stimulation des cellules PC12. AnxA6 inhibait l'activité de la PLD comme indiqué par notre méthode d'analyse enzymatique au moyen de la spectroscopie infrarouge. En conclusion, nous proposons que l'AnxA6 n'est pas seulement impliquée dans la réorganisation des membranes par ses capacités à se lier avec des phospholipides négativement chargés et avec le cholestérol, mais elle influence également l'activité de la PLD1, changeant la composition lipidique des membranes
The regulated exocytosis is a key process allowing cell-cell communication through the release of hormone and neurotransmitters. In neurons and neuroendocrine cells, it is strictly controlled by extracellular signal such as transmembrane potential and ligand bindings to receptors. Substantial progress has been made to understand the molecular mechanism of exocytosis. Major components of secretory machinery have been brought to light. Now the emergent question concerns the role of scaffolding proteins that are thought to coordinate the action of each other. In the case of annexin family well known to be involved in exocytosis, their modes of –sequential or concerted- interactions with other proteins, and their regulatory effects on exocytosis are not very well established. Previous findings indicated that Annexin A6 (AnxA6) affected calcium homeostasis and dopamine secretion from PC12 cells, used as cellular model of neurosecretion (Podszywalow-Bartnicka et al., 2010). To determine the inhibitory effect of AnxA6 on exocytosis of dopamine, we were looking for molecular partners of AnxA6 in PC12 cells. We hypothesized that AnxA6 interacts with phospholipase D1 (PLD1), an enzyme involved in the fusion step. By using confocal microscopy and total internal reflection fluorescence microscopy, we found that isoform 1 of AnxA6 and Phospholipase D1 are both recruited on the surface of vesicles upon stimulation of PC12 cells. AnxA6 inhibited phospholipase D activity as revealed by our enzymatic assay based on infrared spectroscopy. To conclude, we propose that AnxA6 is not only implicated in membrane organization by its capacity to bind to negative charged phospholipids and to cholesterol, but AnxA6 is also affecting PLD1 activity, changing membrane lipids composition

Ce travail de thèse propose une description originale de la fragmentation aérodynamique d’une goutte d’eau, induite par une onde de choc plane, pour des régimes à la frontière entre les modes gouvernés par l’instabilité de Rayleigh-Taylor et ceux dominés par l’instabilité de Kelvin-Helmholtz. Un banc expérimental composé d’un tube à choc couplé à des diagnostics d’imagerie rapide est exploité pour caractériser les processus de fragmentation. Les résultats expérimentaux sont complétés par des simulations numériques réalisées à partir du code multiphasique compressible open-source ECOGEN. L’effet de l’onde de choc sur la goutte est évalué grâce à une modélisation théorique basée sur l’acoustique géométrique permettant de décrire la dynamique spatio-temporelle des réflexions d’onde à l’intérieur de la goutte et de prédire le lieu des points de plus haute densité d’énergie. Le champ de pression est résolu à partir de simulations numériques qui indiquent que la tension de rupture de l’eau est atteinte pour une onde de choc évoluant à un nombre de Mach de 1.7. Dès lors, un processus de cavitation dont les conséquences sur la dynamique de la fragmentation pourraient être significatives, est possible. Concernant la dynamique interfaciale, les expériences comme les simulations révèlent le développement d’une perturbation azimutale transverse à l’origine d’une structure ligamentaire périodique. Une analyse de Fourier des résultats numériques 3-D suggère que l’initiation de cette déstabilisation est indépendante des effets capillaires, à l’inverse de sa croissance. La dynamique ligamentaire apparaît être un processus cyclique dont la fréquence est celle du lâché de vortex dans le sillage del a goutte. Ce schéma récurrent cesse après quatre cycles. Il s’en suit alors la perte de l’intégrité structurelle du corps résiduel de la goutte des suites du développement d’une cavité gazeuse, dans le liquide, qui agit comme une région de fragilité et donc, facilite la fragmentation
This thesis proposed a groundbreaking description of the shock-induced aerodynamic fragmentation of a water droplet at the transition of the Rayleigh-Taylor Piercing and the Shear-Induced Entrainment regimes. An experimental facility consisting of a shock tube and high-speed imaging diagnostics is used to investigate the fragmentation processes. Experimental results are supported with numerical simulations performed with the open-source code ECOGEN dedicated to multiphase compressible flows. The shock wave effect on the droplet is assessed by a theoretical modelling based on geometrical acoustics which allows for the description of the wave spatio-temporal dynamics and enables to predict the time-dependent location of the highest energy density. Pressure fields are determined using numerical simulations. It appears that the water tensile rupture is reached for a shock wave Mach number of 1.7 from which bubble cloud cavitation may occur by causing signification changes in the fragmentation dynamics. As regards to the interfacial dynamics, both experiments and numerical simulations show the development of a transverse azimutal modulation resulting in the periodic ligament structure at the droplet surface. Contrary to the modulation growth, its initiation seems to be independent of the capillary effects as revealed by a Fourier analysis of the 3-D numerical results. The ligament dynamics is a cyclic process driven by the vortex shedding process in the wake of the droplet. Four cycles have been observed before the residual droplet core breaks up owing to the growth of an air cavity inside the droplet that acts as weak spot, and thus facilitating the droplet split-off

Pour fixer en parallèle des milliers de biomolécules (ADN, ARN, protéines, etc.) à la surface des puces à ADN ou àprotéines, il faudrait choisir parmi une multitude de méthodes, selon la biomolécule à fixer et la nature du support, elle-mêmeconditionnée par la méthode de détection utilisée. Jusque-là, l'immobilisation de biomolécules sur une puce en utilisantla microfluidique continue présentait l'avantage d'un greffage en mode dynamique. Dans ce mode, les biomolécules sontcontinuellement transportées, via des microcanaux, à proximité de la puce. La volonté continue d'augmenter le nombredes zones immobilisées nécessite l'emploi de la microfluidique discrète pour cette fonction biologique. En effet, en modespotting (simple dépôt de gouttes contenant les biomolécules) le nombre de zones immobilisées est uniquement limité parle volume de liquide minimum pouvant être déposé. Cependant, en choisissant cette méthode fluidique, il fallait, jusque là,renoncer à une réaction en mode dynamique : le greffage s'effectue ainsi en mode passif. Ces travaux de thèse présententune méthode pour créer une dynamique à l'intérieure des gouttes porteuses des biomolécules durant l'opération de greffagemoléculaire. Nous avons choisi d'utiliser un générateur de vibration de basse fréquence permettant d'induire simultanémentdes écoulements dans plusieurs gouttes. De la conception, la réalisation et la caractérisation des générateurs de vibration àla caractérisation et la modélisation de l'écoulement induit par ce dispositif dans le liquide, ou encore à la caractérisation del'opération biologique visée, nous démontrons l'efficacité des vibrations basses fréquences dans ce domaine.

Ces travaux s'inscrivent dans la continuité des recherches académiques du Labtau (Laboratory of therapeutic applications of ultrasound) et de l’ ISTerre (Institut des sciences de la terre) à l'interface entre imagerie médicale et sismologie, deux disciplines reposant sur la propagation des ondes élastiques. La nature de la propagation des ondes élastiques dans des milieux complexes est étudiée à travers l'imagerie ultrasonore ultrarapide - également connue sous le nom d'imagerie d’ondes de cisaillement. Cette technique d'imagerie médicale permet de récupérer un champ d'onde de cisaillement se propageant dans un milieu élastique mou. Elle est habituellement utilisée comme modalité d’imagerie cartographiant les élasticités d’organes tels que le foie ou le sein. La première partie se penche sur le comportement des ondes dans des milieux poreux. La dispersion de l'onde de cisaillement et de l'onde de compression secondaire dans des matériaux imitant le poumon est analysées expérimentalement, puis comparées à la théorie de poro-élasticité de Biot. Les résultats quant à l'onde de cisaillement sont conformes à la théorie, et ceux de l’onde de compression y correspondent qualitativement. Pour conclure, dans le cas des milieux mous, poreux et élastiques, la dispersion des ondes élastiques est gouvernée par les propriétés du fluide visqueux. Ainsi, les résultats présentés au cours de cette thèse pourraient consolider la théorie nécessaire à une imagerie de l’élasticité pulmonaire. Potentiellement d’autres organes pourraient en bénéficier : en effet, le foie et la rate sont constitués d'un pourcentage élevé de sang. Ce fluide non-Newtonien présente une forte variabilité de la viscosité. Celle-ci implique la nécessité d’étudier le rôle du sang vis-à-vis de l'élastographie du foie, pas encore expliquée par les modèles visco-élastique. En outre, la preuve expérimentale de l'onde de compression secondaire est utile dan l’étude de la propagation d'ondes poro-élastiques. Il est important de noter que l’onde de compression secondaire a été objet principal d’études approfondies en géophysique et n’a été observée que dans quelques rares cas. La partie suivante s’intéresse à une problématique de la géophysique explorée au moyen de l’imagerie de l’onde de cisaillement : Que pourrait révéler sur la nature de la rupture dynamique d’une instabilité de friction l’étude du champs d’onde élastique ? Comment la rupture, le processus responsable des tremblements de terre, est générée? En observant la carte du champ d’onde de cisaillement pendant la rupture d’une aspérité granulaire au point source et dans le milieu, il est possible d’acquérir une meilleure compréhension de la propagation de la rupture. L’expérience qui se base sur l’utilisation de fantômes mous et élastiques montre une multitude de phénomènes qui sont aussi présents dans la friction des roches en laboratoire, ainsi que dans la Terre. Par exemple, les ruptures supershear, sub-Rayleigh, une phase de nucléation et la friction du type stick-slip ont été observés. Toutefois, ni un mécanisme de source d’une force unique, ni un double-couple n’arrivent à expliquer l’ensemble des ruptures observées. De plus, pour analyser la complexité spatio-temporelle des ruptures de cette expérience, un workflow semi-automatique intègrant la segmentation d’image et la vision numérique est suggéré
This thesis is part of the research at Labtau (Laboratory of therapeutic applications of ultrasound) and ISTerre (Institut des sciences de la terre - earth science institute) at the interface of medical imaging and seismology, two research disciplines that are based on the propagation of elastic waves. It investigates the nature of elastic wave propagation in complex conditions by ultrafast ultrasound imaging, also known as transient elastography or shear wave imaging. This medical imaging technique allows for retrieval of the dynamic shear wave field inside a soft elastic material and is commonly applied in hospitals for elasticity mapping in, e.g., the liver and breast. In the present manuscript, two research questions of interest for bio- and geophysics are tackled. The first part treats elastic wave propagation in porous materials. The dispersion of the shear and secondary compression wave in lung-mimicking materials is analyzed experimentally and compared to Biot's theory of poro-elasticity. The results show a good agreement for the shear wave and qualitative agreement for the secondary compression wave. This has direct implications for elasticity imaging: the properties of the viscous fluid govern the shear wave dispersion in highly porous soft elastic materials. The thesis thus contributes to the emerging branch of lung elasticity imaging. The results could have clinical implications for other organs as well. The liver and spleen contain a high percentage of blood, a non-Newtonian fluid which exposes a highly varying viscosity. The conclusions drawn from the comparison of the experimental results and poro-elastic theory imply, that the role of the pore-filling fluid should be investigated in liver elastography: The clinically observed dispersion of shear waves in the liver remains partly unexplained by purely visco-elastic models. Furthermore, the experimental proof of the secondary compression wave is of general interest for poroelasticity. Originally, this wave has been the object of geophysical studies and has scarcely been shown experimentally. In the second part, the ultrafast ultrasound shear wave imaging technique is applied to a geophysical research question. What does the elastic wavefield, which is emitted by a frictional instability, reveal about the nature of dynamic rupture propagation? How does rupture, the process behind earthquakes, nucleate? By mapping the shear wave-field during rupture of a granular asperity at the source point and in the medium, unique insights into rupture nucleation are gained. The experimental setup, which relies on soft elastic phantoms, is shown to reproduce many characteristics of sliding friction that have been show for real rocks in the earth and the laboratory. These include supershear and sub-Rayleigh rupture propagation, a nucleation phase and stick-slip friction. Neither a singular-force nor a double-couple source mechanism explain the entirety of observed rupture modes. Finally, in order to statistically analyze the complex spatio-temporal evolution of the presented experiment, a semi-automated data analysis workflow, taking advantage of image segmentation and computer vision, is suggested

L'élastographie transitoire est une technologie médicale de caractérisation qui permet d'estimer la rigidité des tissus mous biologiques. En visualisant la propagation de l'onde de cisaillement dans le tissu, on peut déduire le module de cisaillement µ. Au cours de la dernière décennie, cette technique a été utilisée avec succès pour étudier diverses pathologie, en particulier la fibrose, le cancer. Cependant, de nombreux facteurs, comme par exemple, la réflexion des ondes, les conditions aux limites et la précontrainte perturbent les mesures en élastographie, la qualité de la caractérisation mécanique du tissu peut alors être altérée. De plus, les tissus présentent des propriétés mécaniques plus complexes, dont la viscosité, la nonlinéarité et l'anisotropie, dont la caractérisation peut améliorer la valeur diagnostique de l'élastographie. Les simulations de propagation d'onde par Eléments Finis (EF) apparaissent alors prometteuses puisqu'elles permettent d'étudier l'influence des paramètres mécaniques intrinsèques et extrinsèques sur les vitesses de propagation et ainsi, de permettre l'identification de propriétés mécaniques complexes dans les cas de mesure réels. Dans ce travail, nous développons un modèle d'éléments finis pour la propagation d'ondes non-linéaires dans les tissus mous. Les modèles numériques ont été validés à partir d'expériences d'élastographie issues de la littérature et ensuite utilisés pour évaluer l'identifiabilité des paramètres d'un modèle de comportement non-linéaire dans l'élastographie: la loi de Landau. En mesurant les ondes d'amplitude finie et les ondes de faible amplitude autour d'un état pré-déformé, une méthode pratique et robuste est proposée pour identifier la nonlinéarité des tissus homogènes en utilisant l'expérience d'élastographie. La problématique du coût de calcul est également étudiée dans ce travail. En effet, la quasi-incompressibilité des tissus biologiques rend la vitesse de l'onde de pression extrêmement élevée, ce qui limite le pas de temps d'un calcul formulé en dynamique explicite. Pour faire face à cette difficulté, différentes méthodes numériques sont présentées, dans lesquelles l'incrément de temps est limité par la vitesse d'onde de cisaillement au lieu de la vitesse d'onde de compression. Divers exemples numériques sont testés dans le cadre de l'élastographie dynamique, il a été montré que les méthodes sont précises pour ces problèmes et une réduction significative du temps CPU est obtenue
Transient elastography is a medical characterization technology that estimates the stiffness of biological soft tissues. By imaging the transient propagation of shear wave in tissues, one can deduce the shear modulus µ. In the last decade, this technique has been used successfully to study various pathologies, particularly fibrosis and cancers. However, numerous factors such as wave reflection, boundary conditions and pre-stress disturb elastography measurements, and the quality of the mechanical characterization of the tissue can be altered. Moreover, the tissues exhibit more complex mechanical properties, including viscosity, nonlinearity and anisotropy, the characterization of which can improve the diagnostic value of elastography. Simulations of wave propagation by finite element (FE) appear promising since they make it possible to study the influence of intrinsic and extrinsic mechanical parameters on the propagation speeds and thus to allow the identification of complex mechanical properties in the real measurement cases. In this work, we develop a FE model for the propagation of nonlinear waves in soft tissues. The numerical models are validated from elastographic experiments taken from the literature, and then used to evaluate the identifiability of the parameters of a nonlinear model in elastography, \emph{i.e.}, Landau's law. By measuring finite amplitude waves and low amplitude waves in pre-deformed states, a practical and robust method is proposed to identify the nonlinearity of homogeneous tissues using elastography experiment. The problem of the cost of computation is also studied in this work. In fact, the quasi-incompressibility of biological tissues makes the compressional wave speed extremely high, which limits the time step of a simulation formulated in explicit dynamics. To deal with this difficulty, different numerical methods are presented, in which the time step is controlled by the shear wave speed instead of the compressional wave speed. Various numerical examples are tested in the context of dynamic elastography, it has been shown that the methods are precise for these problems and a significant reduction of the CPU time is obtained

Les équations de Maxwell en régime harmonique comportent plusieurs difficultés lorsque la fréquence est élevée. On peut notamment citer le fait que leur formulation variationnelle n’est pas définie positive et l’effet de pollution qui oblige à utiliser des maillages très fins, ce qui rend problématique la construction de solveurs itératifs. Nous proposons une stratégie de solution précise et rapide, qui associe une discrétisation par des éléments finis d’ordre élevé à des préconditionneurs de type décomposition de domaine. La conception, l’implémentation et l’analyse des deux méthodes sont assez difficiles pour les équations de Maxwell. Les éléments finis adaptés à l’approximation du champ électrique sont les éléments finis H(rot)-conformes ou d’arête. Ici nous revisitons les degrés de liberté classiques définis par Nédélec, afin d’obtenir une expression plus pratique par rapport aux fonctions de base d’ordre élevé choisies. De plus, nous proposons une technique pour restaurer la dualité entre les fonctions de base et les degrés de liberté. Nous décrivons explicitement une stratégie d’implémentation qui a été appliquée dans le langage open source FreeFem++. Ensuite, nous nous concentrons sur les techniques de préconditionnement du système linéaire résultant de la discrétisation par éléments finis. Nous commençons par la validation numérique d’un préconditionneur à un niveau, de type Schwarz avec recouvrement, avec des conditions de transmission d’impédance entre les sous-domaines. Enfin, nous étudions comment des préconditionneurs à deux niveaux, analysés récemment pour l’équation de Helmholtz, se comportent pour les équations de Maxwell, des points de vue théorique et numérique. Nous appliquons ces méthodes à un problème à grande échelle qui découle de la modélisation d’un système d’imagerie micro-onde, pour la détection et le suivi des accidents vasculaires cérébraux. La précision et la vitesse de calcul sont essentielles dans cette application
The time-harmonic Maxwell’s equations present several difficulties when the frequency is large, such as the sign-indefiniteness of the variational formulation, the pollution effect and the problematic construction of iterative solvers. We propose a precise and efficient solution strategy that couples high order finite element (FE) discretizations with domain decomposition (DD) preconditioners. High order FE methods make it possible for a given precision to reduce significantly the number of unknowns of the linear system to be solved. DD methods are then used as preconditioners for the iterative solver: the problem defined on the global domain is decomposed into smaller problems on subdomains, which can be solved concurrently and using robust direct solvers. The design, implementation and analysis of both these methods are particularly challenging for Maxwell’s equations. FEs suited for the approximation of the electric field are the curl-conforming or edge finite elements. Here, we revisit the classical degrees of freedom (dofs) defined by Nédélec to obtain a new more friendly expression in terms of the chosen high order basis functions. Moreover, we propose a general technique to restore duality between dofs and basis functions. We explicitly describe an implementation strategy, which we embedded in the open source language FreeFem++. Then we focus on the preconditioning of the linear system, starting with a numerical validation of a one-level overlapping Schwarz preconditioner, with impedance transmission conditions between subdomains. Finally, we investigate how two-level preconditioners recently analyzed for the Helmholtz equation work in the Maxwell case, both from the theoretical and numerical points of view. We apply these methods to the large scale problem arising from the modeling of a microwave imaging system, for the detection and monitoring of brain strokes. In this application accuracy and computing speed are indeed of paramount importance

Les diagnostics cliniques des maladies cardio-vasculaires sont principalement effectués à l’aide d’échographies Doppler-couleur malgré ses restrictions : mesures de vélocité dépendantes de l’angle ainsi qu’une fréquence d’images plus faible à cause de focalisation traditionnelle. Deux études, utilisant des approches différentes, adressent ces restrictions en utilisant l’imagerie à onde-plane, post-traitée avec des méthodes de délai et sommation et d’autocorrélation. L’objectif de la présente étude est de ré-implémenté ces méthodes pour analyser certains paramètres qui affecte la précision des estimations de la vélocité du flux sanguin en utilisant le Doppler vectoriel 2D. À l’aide d’expériences in vitro sur des flux paraboliques stationnaires effectuées avec un système Verasonics, l’impact de quatre paramètres sur la précision de la cartographie a été évalué : le nombre d’inclinaisons par orientation, la longueur d’ensemble pour les images à orientation unique, le nombre de cycles par pulsation, ainsi que l’angle de l’orientation pour différents flux. Les valeurs optimales sont de 7 inclinaisons par orientation, une orientation de ±15° avec 6 cycles par pulsation. La précision de la reconstruction est comparable à l’échographie Doppler conventionnelle, tout en ayant une fréquence d’image 10 à 20 fois supérieure, permettant une meilleure caractérisation des transitions rapides qui requiert une résolution temporelle élevée.
Clinical diagnosis of cardiovascular disease is dominated by colour-Doppler ultrasound despite its limitations: angle-dependent velocity measurements and low frame-rate from conventional focusing. Two studies, varying in their approach, address these limitations using plane-wave imaging, post-processed with the delay-and-sum and autocorrelation methods. The aim of this study is to re-implement these methods, investigating some parameters which affect blood velocity estimation accuracy using 2D vector-Doppler. Through in vitro experimentation on stationary parabolic flow, using a Verasonics system, four parameters were tested on mapping accuracy: number of tilts per orientation, ensemble length for single titled images, cycles per transmit pulse, and orientation angle at various flow-rates. The optimal estimates were found for 7 compounded tilts per image, oriented at ±15° with 6 cycles per pulse. Reconstruction accuracies were comparable to conventional Doppler; however, maintaining frame-rates more than 10 to 20 times faster, allowing better characterization of fast transient events requiring higher temporal resolution.

Le cancer du sein est le cancer le plus fréquent chez la femme. Il demeure la cause de mortalité la plus importante chez les femmes âgées entre 35 et 55 ans. Au Canada, plus de 20 000 nouveaux cas sont diagnostiqués chaque année. Les études scientifiques démontrent que l'espérance de vie est étroitement liée à la précocité du diagnostic. Les moyens de diagnostic actuels comme la mammographie, l'échographie et la biopsie comportent certaines limitations. Par exemple, la mammographie permet de diagnostiquer la présence d’une masse suspecte dans le sein, mais ne peut en déterminer la nature (bénigne ou maligne). Les techniques d’imagerie complémentaires comme l'échographie ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM) sont alors utilisées en complément, mais elles sont limitées quant à la sensibilité et la spécificité de leur diagnostic, principalement chez les jeunes femmes (< 50 ans) ou celles ayant un parenchyme dense. Par conséquent, nombreuses sont celles qui doivent subir une biopsie alors que leur lésions sont bénignes. Quelques voies de recherche sont privilégiées depuis peu pour réduire l`incertitude du diagnostic par imagerie ultrasonore. Dans ce contexte, l’élastographie dynamique est prometteuse. Cette technique est inspirée du geste médical de palpation et est basée sur la détermination de la rigidité des tissus, sachant que les lésions en général sont plus rigides que le tissu sain environnant. Le principe de cette technique est de générer des ondes de cisaillement et d'en étudier la propagation de ces ondes afin de remonter aux propriétés mécaniques du milieu via un problème inverse préétabli. Cette thèse vise le développement d'une nouvelle méthode d'élastographie dynamique pour le dépistage précoce des lésions mammaires. L'un des principaux problèmes des techniques d'élastographie dynamiques en utilisant la force de radiation est la forte atténuation des ondes de cisaillement. Après quelques longueurs d'onde de propagation, les amplitudes de déplacement diminuent considérablement et leur suivi devient difficile voir impossible. Ce problème affecte grandement la caractérisation des tissus biologiques. En outre, ces techniques ne donnent que l'information sur l'élasticité tandis que des études récentes montrent que certaines lésions bénignes ont les mêmes élasticités que des lésions malignes ce qui affecte la spécificité de ces techniques et motive la quantification de d'autres paramètres mécaniques (e.g.la viscosité). Le premier objectif de cette thèse consiste à optimiser la pression de radiation acoustique afin de rehausser l'amplitude des déplacements générés. Pour ce faire, un modèle analytique de prédiction de la fréquence de génération de la force de radiation a été développé. Une fois validé in vitro, ce modèle a servi pour la prédiction des fréquences optimales pour la génération de la force de radiation dans d'autres expérimentations in vitro et ex vivo sur des échantillons de tissu mammaire obtenus après mastectomie totale. Dans la continuité de ces travaux, un prototype de sonde ultrasonore conçu pour la génération d'un type spécifique d'ondes de cisaillement appelé ''onde de torsion'' a été développé. Le but est d'utiliser la force de radiation optimisée afin de générer des ondes de cisaillement adaptatives, et de monter leur utilité dans l'amélioration de l'amplitude des déplacements. Contrairement aux techniques élastographiques classiques, ce prototype permet la génération des ondes de cisaillement selon des parcours adaptatifs (e.g. circulaire, elliptique,…etc.) dépendamment de la forme de la lésion. L’optimisation des dépôts énergétiques induit une meilleure réponse mécanique du tissu et améliore le rapport signal sur bruit pour une meilleure quantification des paramètres viscoélastiques. Il est aussi question de consolider davantage les travaux de recherches antérieurs par un appui expérimental, et de prouver que ce type particulier d'onde de torsion peut mettre en résonance des structures. Ce phénomène de résonance des structures permet de rehausser davantage le contraste de déplacement entre les masses suspectes et le milieu environnant pour une meilleure détection. Enfin, dans le cadre de la quantification des paramètres viscoélastiques des tissus, la dernière étape consiste à développer un modèle inverse basé sur la propagation des ondes de cisaillement adaptatives pour l'estimation des paramètres viscoélastiques. L'estimation des paramètres viscoélastiques se fait via la résolution d'un problème inverse intégré dans un modèle numérique éléments finis. La robustesse de ce modèle a été étudiée afin de déterminer ces limites d'utilisation. Les résultats obtenus par ce modèle sont comparés à d'autres résultats (mêmes échantillons) obtenus par des méthodes de référence (e.g. Rheospectris) afin d'estimer la précision de la méthode développée. La quantification des paramètres mécaniques des lésions permet d'améliorer la sensibilité et la spécificité du diagnostic. La caractérisation tissulaire permet aussi une meilleure identification du type de lésion (malin ou bénin) ainsi que son évolution. Cette technique aide grandement les cliniciens dans le choix et la planification d'une prise en charge adaptée.
Breast cancer is the most frequent cancer in women and the leading cause of death for women between 35 and 55 years old. In Canada, more than 20,000 new cases are diagnosed each year. Most of the previous works have shown that life expectancy is closely related to the precocity of diagnosis. Current diagnostic imaging methods such as mammography, sonography, MRI present limitations such as irradiation (mammography), low specificity and low resolution (sonography) and high cost (MRI). For example, about 95% of abnormalities detected by mammography are proven to be benign lesions after complementary examinations (biopsy). Sonography is useful as a complementary examination but the low resolution of its images, its low specificity (54% for women less than 50 years) and its operator dependent interpretation seriously limit the use of this modality alone. MRI is a non-invasive technique with a relatively high sensitivity (86% for women below 50 years), but its limitations are the high cost and the waiting time for medical examination, which dedicate it as a monitoring technique in high-risk patients. It is therefore necessary to examine new noninvasive and cost effective methods. In this context, dynamic elastography is a promising approach. It is an emerging quantitative medical imaging technique inspired from palpation and based on the determination of elastic properties (stiffness) of tissues. This thesis aims the development of a novel dynamic ultrasound elastography method for early detection of breast lesions. One of the main problems of dynamic elastography techniques using remote palpation (acoustic radiation force) is the strong attenuation of shear waves. After few wavelengths of propagation, displacement amplitudes considerably decrease and their tracking becomes difficult even impossible. This problem greatly affects biological tissue characterization. Moreover, these techniques give only the information about elasticity while recent studies show that some benign lesions have the same elasticity as malignant lesions which affect the specificity of these techniques and motivate investigation of other physical parameters (e.g. viscosity). The first objective of this thesis is to optimize the acoustic radiation force using frequency adaptation to enhance the amplitude of displacements. An analytical model has been developed to predict the optimal frequency for the generation of the radiation force. Once validated on phantoms (in vitro), this model was used for the prediction of the optimal frequencies for the generation of the radiation force in tissue mimicking phantoms and ex vivo human breast cancer samples obtained after total mastectomy. Gains in magnitude were between 20% to158% for in vitro measurements on agar-gelatin phantoms, and 170% to 336% for ex vivo measurements on a human breast sample, depending on focus depths and attenuations of tested samples. The signal-to-noise ratio was also improved by more than four folds with adapted sequences. We conclude that frequency adaptation is a complementary technique that is efficient for the optimization of displacement amplitudes. This technique can be used safely to optimize the deposited local acoustic energy, without increasing the risk of damaging tissues and transducer elements. In the second part of this thesis, a prototype of an ultrasound probe for the generation of a specific type of adaptive shear waves called ''adaptive torsional shear waves'' has been developed. The goal was to use the optimized radiation force (developed in the first part) to generate adaptive torsional shear wave, and prove their utility in improving the amplitude of displacement. During their inward propagation, the amplitude of displacement generated by torsional shear waves was enhanced and the signal to noise ratio improved due to the constructive interferences. Torsional shear waves can also resonate heterogeneities which further enhance the displacement contrast between suspicious masses and its surrounding medium. Finally, in the context of assessment of mechanical proprieties of tissue, the last step of this thesis is to develop an inverse problem based on the propagation of adaptive torsional shear waves to estimate the viscoelastic parameters. A finite element method (FEM) model was developed to solve the inverse wave propagation problem and obtain viscoelastic properties of interrogated media. The inverse problem was formulated and solved in the frequency domain and its robustness was evaluated. The proposed model was validated in vitro with two independent rheology methods on several homogeneous and heterogeneous breast tissue mimicking phantoms over a broad range of frequencies (up to 400Hz). The obtained results were in good agreement with reference rheology methods with discrepancies between 8% and 38% for shear modulus and from 9% to 67% for loss modulus. The robustness study showed that the proposed inverse problem solution yielded a good estimation of the storage (19%) and loss moduli (32%) even with very noisy signals.