Apprentissage par dictionnaire pour la synthèse des détails de surface d'une simulation de fluide par particules

En infographie, la modélisation de phénomènes naturels, tels que les fluides, est une tâche plutôt complexe et nécessite des temps de calcul importants. De plus, la mise en valeur des détails fins de simulations de fluide, telles que les forces de turbulence en surface, est un sujet actif de recherche dans le domaine des effets visuels. L’intérêt de ces recherches est notamment de conserver ces détails, particulièrement à la surface du fluide. Il peut être parfois difficile d’obtenir le résultat désiré avec de telles simulations. D’ailleurs, le comportement d’une simulation est fortement dépendant du nombre de particules. Certains éléments importants peuvent ressortir simplement en augmentant le nombre de particules d’une simulation. L’énergie cinétique et les forces de turbulence sont aussi des facteurs importants qui peuvent influencer le comportement d’un fluide. L’approche présentée dans ce mémoire a pour but de recréer l’apparence en surface d’une simulation en haute résolution à partir d’une simulation en basse résolution, et ce, à l’aide d’un apprentissage par dictionnaire. L’apprentissage est fait à partir d’un dictionnaire couplé, c’est-à-dire généré à partir de la concaténation de trois dictionnaires. Les dictionnaires permettent d’établir une correspondance entre la géométrie de la surface des exemples appris et certaines propriétés physiques. Les exemples appris sont représentés par des parcelles en surface du fluide. Notre méthode considère ces parcelles comme des champs de hauteurs. Le spectre d’énergie cinétique et les forces de vorticité sont aussi évalués par parcelle afin de conserver certaines propriétés physiques du fluide. La modélisation des nouvelles parcelles est formulée comme un problème d’optimisation sous contraintes géométriques et physiques. Le résultat de la minimisation permet d’obtenir une combinaison linéaire pondérée des atomes du dictionnaire. Ce vecteur creux pondéré est utilisé pour obtenir une représentation à haute résolution de chaque parcelle à basse résolution en entrée. Enfin, un terme de cohérence spatiale doit être ajouté pour forcer les bordures d’une parcelle à être alignées avec celles de ses voisins. Cette approche permet de modéliser l’aspect général de la surface d’un fluide en haute résolution, et ce, uniquement à partir de quelques milliers de particules. De plus, ce traitement est fait en une fraction du temps nécessaire pour générer la simulation en haute résolution. Malgré le fait que les objectifs ne soient pas les mêmes qu’avec des méthodes de synthèse de détail par vortex, notre approche peut être utilisée en complément avec ces dernières

Automatisation de la création de scénarios pour les scènes de la visualisation scientifique

RÉSUMÉ Bien que l’automatisation de la génération des chemins de caméra soit une pratique courante dans le cinéma et le jeu vidéo, elle fait preuve d’un retard important dans le milieu de la visualisation scientifique. La taille, la nature, la densité du maillage ainsi que l’absence de notions scénaristiques telles que les personnages et les actions font que l’opération d’import de règles de composition issues de domaines artistiques comme le cinéma ou la photographie ainsi que l’application des règles du montage deviennent plus complexe. Ce mémoire introduit une méthodologie qui propose une métamodélisation des attentes des scientifiques vis-à-vis de leurs données ainsi qu’une modélisation des comportements de données qui peuvent les intéresser. Ces modèles permettent de bâtir plus facilement des chemins de caméra pour des scènes numériques issues de simulations ou d’acquisitions. L’application des règles issues de la composition et du montage dans le but de produire des déplacements de caméra préservent l’intention du scientifique deviennent alors plus simple. La méthode a été expérimentée sur un ensemble de scènes issues de la mécanique des fluides et du génie biomédical; les résultats obtenus sur ces scènes nous ont permis de valider le fonctionnement de la méthodologie. Sont également proposés par la méthode un ensemble de paramètres de contrôle afin de modifier le processus de génération pour mieux l’adapter aux besoins précis que peut avoir un scientifique vis-à-vis d’une scène.----------ABSTRACT Automatic camera path generation is a common practice in film making and video games. However, it demonstrated a significant delay in scientific visualization due to the size, the nature, the mesh density and the lack of scriptwriting notions such as characters and actions. In this case, importing cinematography composition, photography composition and match cut rules becomes a more complex operation. This thesis presents a methodology that provides meta-models for the scientists' visualization expectations regarding their data and for the data behaviors that may interest them. These models make the camera paths generation process more intuitive. The application of composition and match cut rules, in order to produce camera moves that preserves the scientist's intention, becomes simpler. The method was tested on a set of scenes from fluid mechanics and biomedical engineering; the obtained results showed that our approach is a simple and efficient way for producing presentation videos. A set of control parameters are also provided by this method, in order to adapt the generation process to the specific needs that a scientist can have regarding his data

”Haptic Processor Unit” : vers une Plate-Forme Transportable pour la Simulation Temps-Réel Synchrone Multisensorielle

This work is related to the field of Human-Computer Interaction, and particularly to the field of multisensory instrumental simulation, as conceptualized by the research group ACROE & ICA, and which needs a strong coupling between the human and the instrument.The first part of this thesis presents various degrees of the integration of gesture in computer uses, then develops a functional approach of force feedback technologies. This analysis elicits the mainstreams that are currently sharing the field of haptics research. We then present a study of the hardware and software components that are used in haptic simulation, and the various approaches used to connect a force feedback device to a real time modelling system. The analysis of the role of each of the components in the simulation chain and their relationships allowed us to conceptualize the “Haptic Processor Unit”. This component guarantees in particular the conditions of reactivity that are required for multisensory simulation. The new simulation architecture that we designed in this work, named ERGON_X, implements the concept of HPU. ERGON_X is a compact and transportable simulator, and handles simulation frequencies up to 44 100Hz. The third part presents the validation of the simulation platform ERGON_X. It mainly focuses on the design of new models, which were used in the framework of the research carried on by ACROE & ICA about instrumental interaction. The “E” is a model demonstrating the capabilities of the ERGOS technology, which is now fully exploitable thanks to this new simulation architecture. The models of tapping and of deformable paste allowed us to bring new results on human-object interaction, and validate the simulator as a tool for psychophysical experimentation. The Enactive Emblematic Scenarii “Ergotic Sounds” and “Pebble Box” illustrate the conception of Enaction. They validate the use of our simulation architecture as an experimental platform and lead us to a paradigm shift from “instrumental interaction” to “enactive interaction”Ce travail se situe dans le domaine de l’Interaction Personne-Système, et plus particulièrement dans celui de la simulation instrumentale multisensorielle telle que conceptualisée par le groupe de recherche ACROE & ICA, qui nécessite un couplage fort homme-instrument.La première partie de cette thèse présente les différents degrés d’intégration du geste dans l’ordinateur, puis propose une approche fonctionnelle des technologies pour le retour d’effort. Nous dégageons de cette analyse les grandes approches qui se partagent actuellement le champ de la recherche « haptique ».Nous présentons ensuite une étude sur les différents composants matériels et logiciels nécessaires à la chaîne de simulation haptique, ainsi que les différentes approches utilisées pour connecter un système à retour d’effort à un processus de simulation en temps réel. L’analyse du rôle des composants de la chaîne de simulation et de leurs relations permet de formaliser le concept de « Haptic Processor Unit ». Ce composant permet en particulier de garantir les conditions de réactivité propres à la simulation multisensorielle. La nouvelle architecture de simulation multisensorielle que nous avons réalisée, ERGON_X, met en œuvre le concept de HPU.ERGON_X est un simulateur compact et transportable, et permet d’utiliser des fréquences de simulation jusqu’à 44 100Hz. La dernière partie présente la validation de la plate-forme de simulation ERGON_X. Elle est essentiellement orientée vers l’implantation de nouveaux modèles, utilisés dans le cadre d’un travail de recherche sur la situation instrumentale médiatisée. Le « E » est un modèle de démonstration des performances de la technologie ERGOS que la nouvelle architecture de simulation permet d’exploiter pleinement. Les modèles de tapping (percussion) et de pâtes déformables ont permis d’avancer des résultatssur l’interaction homme-objet, et valident le simulateur comme un outil pour l’expérimentation psychophysique. Les Enactive Emblematic Scenarii « Ergotic Sounds » (frottement d’archet) et « Pebble Box » (la boîte à cailloux) sont des illustrations du concept de l’Enaction. Elles valident l’utilisation de l’architecture de simulation comme une plate-forme pour l’expérimentation et ouvrent de nouvelles perspectives de recherche sur l’enaction et la notion de présence en simulation interactive

Exploration et analyse immersives de données moléculaires guidées par la tâche et la modélisation sémantique des contenus

In structural biology, the theoretical study of molecular structures has four main activities organized in the following scenario: collection of experimental and theoretical data, visualization of 3D structures, molecular simulation, analysis and interpretation of results. This pipeline allows the expert to develop new hypotheses, to verify them experimentally and to produce new data as a starting point for a new scenario.The explosion in the amount of data to handle in this loop has two problems. Firstly, the resources and time dedicated to the tasks of transfer and conversion of data between each of these four activities increases significantly. Secondly, the complexity of molecular data generated by new experimental methodologies greatly increases the difficulty to properly collect, visualize and analyze the data.Immersive environments are often proposed to address the quantity and the increasing complexity of the modeled phenomena, especially during the viewing activity. Indeed, virtual reality offers a high quality stereoscopic perception, useful for a better understanding of inherently three-dimensional molecular data. It also displays a large amount of information thanks to the large display surfaces, but also to complete the immersive feeling with other sensorimotor channels (3D audio, haptic feedbacks,...).However, two major factors hindering the use of virtual reality in the field of structural biology. On one hand, although there are literature on navigation and environmental realistic virtual scenes, navigating abstract science is still very little studied. The understanding of complex 3D phenomena is however particularly conditioned by the subject’s ability to identify themselves in a complex 3D phenomenon. The first objective of this thesis work is then to propose 3D navigation paradigms adapted to the molecular structures of increasing complexity. On the other hand, the interactive context of immersive environments encourages direct interaction with the objects of interest. But the activities of: results collection, simulation and analysis, assume a working environment based on command-line inputs or through specific scripts associated to the tools. Usually, the use of virtual reality is therefore restricted to molecular structures exploration and visualization. The second thesis objective is then to bring all these activities, previously carried out in independent and interactive application contexts, within a homogeneous and unique interactive context. In addition to minimizing the time spent in data management between different work contexts, the aim is also to present, in a joint and simultaneous way, molecular structures and analyses, and allow their manipulation through direct interaction.Our contribution meets these objectives by building on an approach guided by both the content and the task. More precisely, navigation paradigms have been designed taking into account the molecular content, especially geometric properties, and tasks of the expert, to facilitate spatial referencing in molecular complexes and make the exploration of these structures more efficient. In addition, formalizing the nature of molecular data, their analysis and their visual representations, allows to interactively propose analyzes adapted to the nature of the data and create links between the molecular components and associated analyzes. These features go through the construction of a unified and powerful semantic representation making possible the integration of these activities in a unique interactive context.En biologie structurale, l’étude théorique de structures moléculaires comporte quatre activités principales organisées selon le processus séquentiel suivant : la collecte de données expérimentales/théoriques, la visualisation des structures 3d, la simulation moléculaire, l’analyse et l’interprétation des résultats. Cet enchaînement permet à l’expert d’élaborer de nouvelles hypothèses, de les vérifier de manière expérimentale et de produire de nouvelles données comme point de départ d’un nouveau processus.L’explosion de la quantité de données à manipuler au sein de cette boucle pose désormais deux problèmes. Premièrement, les ressources et le temps relatifs aux tâches de transfert et de conversion de données entre chacune de ces activités augmentent considérablement. Deuxièmement, la complexité des données moléculaires générées par les nouvelles méthodologies expérimentales accroît fortement la difficulté pour correctement percevoir, visualiser et analyser ces données.Les environnements immersifs sont souvent proposés pour aborder le problème de la quantité et de la complexité croissante des phénomènes modélisés, en particulier durant l’activité de visualisation. En effet, la Réalité Virtuelle offre entre autre une perception stéréoscopique de haute qualité utile à une meilleure compréhension de données moléculaires intrinsèquement tridimensionnelles. Elle permet également d’afficher une quantité d’information importante grâce aux grandes surfaces d’affichage, mais aussi de compléter la sensation d’immersion par d’autres canaux sensorimoteurs.Cependant, deux facteurs majeurs freinent l’usage de la Réalité Virtuelle dans le domaine de la biologie structurale. D’une part, même s’il existe une littérature fournie sur la navigation dans les scènes virtuelles réalistes et écologiques, celle-ci est très peu étudiée sur la navigation sur des données scientifiques abstraites. La compréhension de phénomènes 3d complexes est pourtant particulièrement conditionnée par la capacité du sujet à se repérer dans l’espace. Le premier objectif de ce travail de doctorat a donc été de proposer des paradigmes navigation 3d adaptés aux structures moléculaires complexes. D’autre part, le contexte interactif des environnements immersif favorise l’interaction directe avec les objets d’intérêt. Or les activités de collecte et d’analyse des résultats supposent un contexte de travail en "ligne de commande" ou basé sur des scripts spécifiques aux outils d’analyse. Il en résulte que l’usage de la Réalité Virtuelle se limite souvent à l’activité d’exploration et de visualisation des structures moléculaires. C’est pourquoi le second objectif de thèse est de rapprocher ces différentes activités, jusqu’alors réalisées dans des contextes interactifs et applicatifs indépendants, au sein d’un contexte interactif homogène et unique. Outre le fait de minimiser le temps passé dans la gestion des données entre les différents contextes de travail, il s’agit également de présenter de manière conjointe et simultanée les structures moléculaires et leurs analyses et de permettre leur manipulation par des interactions directes.Notre contribution répond à ces objectifs en s’appuyant sur une approche guidée à la fois par le contenu et la tâche. Des paradigmes de navigation ont été conçus en tenant compte du contenu moléculaire, en particulier des propriétés géométriques, et des tâches de l’expert, afin de faciliter le repérage spatial et de rendre plus performante l’activité d’exploration. Par ailleurs, formaliser la nature des données moléculaires, leurs analyses et leurs représentations visuelles, permettent notamment de proposer à la demande et interactivement des analyses adaptées à la nature des données et de créer des liens entre les composants moléculaires et les analyses associées. Ces fonctionnalités passent par la construction d’une représentation sémantique unifiée et performante rendant possible l’intégration de ces activités dans un contexte interactif unique

Modélisation et quantification 3D de la taille des superficies corporelles brûlées

Pour des patients grands brûlés, une estimation précise du pourcentage des superficies brûlées (%TBSA) est cruciale pour l’évaluation du pronostic vital et fonctionnel, la planification appropriée de traitements et pour minimiser les complications médicales et chirurgicales. Les méthodes cliniques actuelles manquent de précision et de fiabilité pour estimer des patients de morphologies différentes. Les approches de modélisation 2D/3D des brûlures approximent l’évaluation du %TBSA et sont imprécises. Seule la modélisation paramétrique satisfait aux exigences cliniques particulières aux grands brûlés (temps limité, patients inconscients, environnement restreint). Afin de répondre au besoin de personnalisation 3D de la morphologie des patients, il est suggéré d’utiliser le logiciel open source MakeHuman (MH). Ainsi, cette thèse propose une approche de modélisation 3D personnalisée de la morphologie des patients à partir d’un nombre de mesures anthropométriques limité pour l’estimation précise du %TBSA. D’abord, avec des performances prédictives supérieures à 98%, plusieurs analyses de régression ont permis de démontrer qu’un nombre limité de mesures anthropométriques est suffisant pour une modélisation 3D de la surface corporelle (BSA) précise. Ensuite, la pertinence de personnaliser les modèles 3D MH à la morphologie du patient pour une meilleure évaluation du %TBSA a été démontrée. En utilisant une interface de rendue 3D développée pour la représentation et le calcul du %TBSA, six patrons de brûlures ont été appliqués automatiquement à l’ensemble de 15 paires de modèles 3D ayant la même BSA, mais des morphologies différentes. Des petites variations dans la morphologie de 0.04 m2 ± 0.01 (caractérisée par le pourcentage de surface brûlée) ont induit des surestimations dans le %TBSA. 8 experts et 6 non-experts ont évalué le %TBSA de patrons de brûlures simulés sur 4 mannequins commerciaux avec la méthode clinique puis en 3D avec l’interface. La méthode clinique a obtenu une erreur moyenne de 34 % ± 11 tandis que l’approche proposée est plus précise, plus répétable et reproductible avec une erreur moyenne de 5 % ± 1. Enfin, à partir d’un échantillon stratifié de 50 000 morphologies générées aléatoirement, plusieurs algorithmes d’apprentissage machine ont été utilisés afin d’identifier les ensembles de 3 à 4 mesures anthropométriques les plus pertinentes pour une modélisation 3D précise de la morphologie. La précision de la modélisation 3D a été validée sur 8 sujets saints. Les algorithmes d’apprentissage machine ont mis en évidence la taille et les circonférences du buste, du cou, des hanches et du tour de taille comme étant les meilleures mesures anthropométriques pour une modélisation 3D des surfaces corporelles. Les modèles 3D des sujets saints modélisés à partir de 3 à 4 mesures anthropométriques ont montré une géométrie proche de celle des scans 3D avec une distance d’erreur moyenne de 1.1 cm ± 0.4 et une distance maximale moyenne de 7.4cm ± 1.1. La contribution de ce projet est de réduire à terme les complications médicales et chirurgicales des grands brûlés en diminuant l’erreur d’estimation du %TBSA. Ainsi, il est possible d’améliorer les chances de survie du patient et de son pronostic par la personnalisation de sa prise en charge et de son pronostic

Mesure d’un champ de masse volumique par Background Oriented Schlieren 3D. Étude d’un dispositif expérimental et des méthodes de traitement pour la résolution du problème inverse

Ces travaux consistent à mettre en place un dispositif expérimental BOS3D permettant la reconstruction du champ de masse volumique instantané d'un écoulement ainsi qu'à développer un algorithme de reconstruction permettant une mise à disposition rapide des résultats ainsi qu'une robustesse liée à un nombre faible de points de vue. La démarche a consisté dans un premier temps à développer un algorithme de reconstruction BOS3D applicable à toutes les configurations expérimentales. Pour cela, le problème direct a été reformulé sous forme algébrique et un critère a été défini. Cette formulation ainsi que les équations issues des méthodes d'optimisation nécessaires à la minimisation du critère ont été parallélisés pour permettre une implémentation sur GPU. Cet algorithme a ensuite été testé sur des cas de références issus de calcul numérique afin de vérifier si le champ reconstruit par l'algorithme était en accord avec celui fourni. Dans ce cadre, nous avons développé un outil permettant de simuler numériquement une BOS3D afin d'obtenir les champs de déviation associées aux écoulements numériques. Ces champs de déviation ont ensuite été fournis comme entrée au code et nous ont permis d'étudier la sensibilité de notre algorithme à de nombreux paramètres tels que le bruit sur les données, les erreurs de calibration, la discrétisation du maillage... Ensuite, afin de tester notre code sur des données réelles nous avons mis en place un banc expérimental BOS3D pour la reconstruction du champ de masse volumique instantané. Cela a nécessité l'étude d'un nouveau moyen de mesure, faisant appel à des techniques de calibrage multi-caméras et de nouvelles stratégies d'illumination su fond. Finalement les données issues de l'expérimentation ont été utilisées comme entrée de notre algorithme afin de valider son comportement sur données réelles

Système microfluidique d'analyse sanguine en temps réel pour l'imagerie moléculaire chez le petit animal

De nouveaux radiotraceurs sont continuellement développés pour améliorer l'efficacité diagnostique en imagerie moléculaire, principalement en tomographie d'émission par positrons (TEP) et en tomographie d'émission monophotonique (TEM) dans les domaines de l'oncologie, de la cardiologie et de la neurologie. Avant de pouvoir être utilisés chez les humains, ces radiotraceurs doivent être caractérisés chez les petits animaux, principalement les rats et les souris. Pour cela, de nombreux échantillons sanguins doivent être prélevés et analysés (mesure de radioactivité, séparation de plasma, séparation d'espèces chimiques), ce qui représente un défi majeur chez les rongeurs à cause de leur très faible volume sanguin (-1,4 ml pour une souris). Des solutions fournissant une analyse partielle sont présentées dans la littérature, mais aucune ne permet d'effectuer toutes les opérations dans un même système. Les présents travaux de recherche s'insèrent dans le contexte global d'un projet visant à développer un système microfluidique d'analyse sanguine complète en temps réel pour la caractérisation des nouveaux radiotraceurs TEP et TEM. Un cahier des charges a tout d'abord été établi et a permis de fixer des critères quantitatifs et qualitatifs à respecter pour chacune des fonctions de la puce. La fonction de détection microfluidique a ensuite été développée. Un état de l'art des travaux ayant déjà combiné la microfluidique et la détection de radioactivité a permis de souligner qu'aucune solution existante ne répondait aux critères du projet. Parmi les différentes technologies disponibles, des microcanaux en résine KMPR fabriqués sur des détecteurs semiconducteurs de type p-i-n ont été identifiés comme une solution technologique pour le projet. Des détecteurs p-i-n ont ensuite été fabriqués en utilisant un procédé standard. Les performances encourageantes obtenues ont mené à initier un projet de maîtrise pour leur optimisation. En parallèle, les travaux ont été poursuivis avec des détecteurs du commerce sous forme de gaufres non découpées. Un premier dispositif intégrant des canaux en KMPR sur ces gaufres a permis de valider le concept démontrant le grand potentiel de ces choix technologiques et incitant à poursuivre les développements dans cette voie, notamment en envisageant des expériences animales. L'utilisation prolongée des canaux avec du sang non dilué est cependant particulièrement exigeante pour les matériaux artificiels. Une passivation à l'albumine a permis d'augmenter considérablement la compatibilité sanguine de la résine KMPR. Le concept initial, incluant la passivation des canaux, a ensuite été optimisé et intégré dans un système de mesure complet avec toute l'électronique et l'informatique de contrôle. Le système final a été validé chez le petit animal avec un radiotraceur connu. Ces travaux ont donné lieu à la première démonstration d'un détecteur microfluidique de haute efficacité pour la TEP et la TEM. Cette première brique d'un projet plus global est déjà un outil innovant en soi qui permettra d'augmenter l'efficacité du développement d'outils diagnostiques plus spécifiques principalement pour l'oncologie, la cardiologie et la neurologie

Sphincter artificiel contrôlé et alimenté en énergie sans fil

RÉSUMÉ L’incontinence urinaire est un trouble qui touche aussi bien les hommes que les femmes, les personnes âgées aussi bien que les jeunes. N’ayant pas une définition universellement admise, son incidence varie considérablement. Être incontinent implique l’impossibilité pour la personne de se retenir. Cela la place dans des situations très inconfortables. Appelée aussi « La maladie de la honte », elle a des répercussions psychologiques et sociales très importantes. Elle peut limiter les activités physiques et perturber la vie sexuelle et professionnelle. Grâce à la médecine moderne l’incontinence est soignable. Elle est initialement traitée avec la médication, l’hygiène de vie, ou la rééducation. Mais si ces mesures sont insuffisantes, l’urologue fait le plus souvent appel aux dispositifs implantables tels que l’AMS 800™. En l’état actuel des connaissances, l’implantation du sphincter urétral artificiel AMS 800™ est en effet le traitement standard pour l’incontinence urinaire sévère (Gold standard) due à une insuffisance sphinctérienne. Le dispositif en question est un implant hydromécanique mimant le comportement d’un sphincter urétéral sain. Il exerce une pression constante sur l’urètre du patient pour fermer sa lumière et garder l’urine dans la vessie. Pour uriner, le patient contrôle l’ouverture de son urètre en pressant sur une pompe manuelle située dans le scrotum ou la Labia Majora. Malgré le principe simple et l’efficacité de cet implant, les études cliniques lui attribuent certaines limitations. Certains patients à dextérité réduite (Parkinsoniens, âgés, obèses, etc.) ont des difficultés à localiser et actionner la pompe manuelle. Par ailleurs et bien que faisable chez les femmes, l’implantation de l’AMS 800 est compliquée. La pression constante appliquée sur l’urètre provoque l’atrophie et l’érosion. La pompe est sujette à des pannes mécaniques. Ces évènements peuvent engendrer le retour de l’incontinence, affecter la qualité de vie du patient, et nécessiter une chirurgie de révision. L’objectif de nos recherches est de développer une nouvelle génération de sphincters artificiels intelligents, dans le but de corriger ces limitations, et développer les capacités des sphincters actuels dont la conception est âgée de plus de 30 ans.---------- ABSTRACT Urinary incontinence is a complication that affects both men and women, the elderly as well as young people. Without a universally accepted definition, its incidence varies widely. Being incontinent implies the impossibility for the patient to control his micturition, which makes him very uncomfortable. Also called "the shameful disease", urinary incontinence has negative psychological and social impacts. It may limit physical activities and disrupt sexual and professional life. Thanks to modern medicine, urinary incontinence is treatable. It is initially treated with medication, lifestyle changes, or rehabilitation. If these measures are insufficient, the urologist recommends the use of implantable devices such as the AMS 800 ™. In the current state of knowledge, the implantation of the artificial urinary sphincter AMS 800 ™ is the gold standard treatment for severe urinary incontinence due to intrinsic sphincter deficiency. This device is a hydro-mechanical implant imitating the behavior of a healthy urethral sphincter. It exerts a constant pressure on the patient's urethra to close it, and keeps urine in the bladder. To urinate, the patient opens his urethra by pressing a manual pump located in the scrotum or Labia Majora. Despite the simple mechanism and the effectiveness of this implant, clinical studies report certain limitations. Some patients with limited dexterity (Parkinson, aged, obese, etc.) have difficulties to locate and operate the manual pump. Furthermore and although it is feasible in women, the implantation of the AMS 800 is complicated. The constant pressure applied on the urethra causes atrophy and erosion. The pump is subject to mechanical failure. These events can cause the return of incontinence, affect the patient's quality of life, and may require revision surgery. The aim of our research is to develop a new generation of intelligent artificial sphincters, in order to correct the limitations and extend the capabilities of current sphincters that are over 30 years old. Our hypothesis assumes that, an artificial urinary sphincter equipped with embedded electronics and precise micro-actuators allows the remote control of the implant and the variation of the pressure exerted on the urethra

Simulation numérique directe et analyse des transferts de chaleur dans les lits de particules fixes et mobiles

Ces travaux de recherche s'intéressent à la caractérisation des transferts thermiques dans les milieux fluide-particules, et en particulier, les lits fluidisés au sein desquels un solide divisé est mis en suspension par un fluide. La grande diversité d'échelles spatiales et temporelles dans ces procédés nécessite d'étudier les interactions hydrodynamiques, thermiques et/ou chimiques entre les particules et le fluide à l'aide d'une approche multi-échelles. Une étude des transferts thermiques dans des lits fixes puis fluidisés, est réalisée à deux échelles : locale (Particle Resolved Simulation) et moyennée (Discrete Element Method-Computional Fluids Dynamics). L'étude PRS permet de caractériser les couplages locaux des transferts thermiques entre particules ainsi que la dynamique de ces transferts dans les configurations fluidisées. Une étude comparative entre les échelles met en évidence les limites du modèle DEM-CFD à capter les fluctuations des transferts thermiques observées dans les simulations PRS. Dans un dernier temps, les fermetures du modèle DEM-CFD sont améliorées de manière à réintroduire les fluctuations perdues par le changement d'échelles

Mesure d’un champ de masse volumique par Background Oriented Schlieren 3D. Étude d’un dispositif expérimental et des méthodes de traitement pour la résolution du problème inverse

Ces travaux consistent à mettre en place un dispositif expérimental BOS3D permettant la reconstruction du champ de masse volumique instantané d'un écoulement ainsi qu'à développer un algorithme de reconstruction permettant une mise à disposition rapide des résultats ainsi qu'une robustesse liée à un nombre faible de points de vue. La démarche a consisté dans un premier temps à développer un algorithme de reconstruction BOS3D applicable à toutes les configurations expérimentales. Pour cela, le problème direct a été reformulé sous forme algébrique et un critère a été défini. Cette formulation ainsi que les équations issues des méthodes d'optimisation nécessaires à la minimisation du critère ont été parallélisés pour permettre une implémentation sur GPU. Cet algorithme a ensuite été testé sur des cas de références issus de calcul numérique afin de vérifier si le champ reconstruit par l'algorithme était en accord avec celui fourni. Dans ce cadre, nous avons développé un outil permettant de simuler numériquement une BOS3D afin d'obtenir les champs de déviation associées aux écoulements numériques. Ces champs de déviation ont ensuite été fournis comme entrée au code et nous ont permis d'étudier la sensibilité de notre algorithme à de nombreux paramètres tels que le bruit sur les données, les erreurs de calibration, la discrétisation du maillage... Ensuite, afin de tester notre code sur des données réelles nous avons mis en place un banc expérimental BOS3D pour la reconstruction du champ de masse volumique instantané. Cela a nécessité l'étude d'un nouveau moyen de mesure, faisant appel à des techniques de calibrage multi-caméras et de nouvelles stratégies d'illumination su fond. Finalement les données issues de l'expérimentation ont été utilisées comme entrée de notre algorithme afin de valider son comportement sur données réelles. ABSTRACT : This thesis consists in implementing a scientific experimental apparatus BOS3D (Background Oriented Schlieren 3D) at ONERA for the reconstruction of the density field of instantaneous flow and to develop a robust reconstruction algorithm allowing rapid provision of results considering a small number of views . First, we have developed a reconstruction algorithm BOS3D applicable to all experimental configurations . To do so, the direct problem, that is to say, the equation of the light deflection through a medium of inhomogeneous optical index was reformulated in algebraic form. experiment is then defined. This formulation and the equations resulting from optimization methods necessary for the minimization of the criterion have been parallelized to allow implementation on GPU. This algorithm was then tested with reference cases from numerical calculation to check whether the reconstructed field was consistent with the one provided. In this context, we developed a tool for simulating a virtual BOS3D to obtain the deflection fields associated with numerical flows. These deflection fields were then provided as input to the code of reconstruction and allowed us to study the sensitivity of our algorithm to many parameters such as noise on the data, mesh discretization, the type of regularization and positioning of the cameras. In parallel with the study of the reconstruction method by simulation, we have gained experience in the effective implementation of the BOS technique in experimental facilities, participating in several test campaigns . This has enabled us to contribute to the design and implementation of experimental apparatus dedicated to the BOS technique. The main result of this work is the realization of the experimental apparatus BOS3D in DMAE, which is designed to reconstruct instantaneous density fields. These experimental developments ultimately allow us to obtain 3D reconstructions of instantaneous and mean density fields from experimental data. In addition , analysis of the behavior of the BOS3D numerical method is proposed according to the nature of the observed flows and the acquisition configuratio