Élaboration d'une méthode tomographique de reconstruction 3D en vélocimétrie par image de particules basée sur les processus ponctuels marqués

The research work fulfilled during this thesis fits within the development of optical measurement techniques for fluid mechanics. They are particularly related to 3D particle volume reconstruction in order to infer their movement. This volumetric measurement technic, called Tomo-PIV has appeared on 2006 and has been the subject of several works to enhance the reconstruction, which represents one of the most important steps. The proposed methods in Literature don’t necessarily take into account the particular form of objects to reconstruct and they are not sufficiently robust to deal with noisy images. To deal with these challenges, we propose a tomographic reconstruction method, called (IODPVRMPP), which is based on marked point processes. Our method allows solving the problem in a parsimonious way. It facilitates the introduction of prior knowledge and solves memory problem, which is inherent to voxel-based approaches. The reconstruction of a 3D particle set is obtained by minimizing an energy function, which defines the marked point process. To this aim, we use a simulated annealing algorithm based on Reversible Jump Markov Chain Monte Carlo (RJMCMC) method. To speed up the convergence of the simulated annealing, we develop an initialization method, which provides the initial distribution of 3D particles based on the detection of 2D particles located in projection images. Finally, this method is applied to simulated fluid flows or real ones produced in an open channel flow behind a turbulent grid. The results and the comparisons of this method with a state-of-art algebraic algorithm show the great interest of this parsimonious approach.Les travaux réalisés au cours de cette thèse s’inscrivent dans le cadre du développement de techniques de mesures optiques pour la mécanique des fluides visant la reconstruction de volumes de particules 3D pour ensuite en déduire leurs déplacements. Cette technique de mesure volumique appelée encore Tomo-PIV est apparue en 2006 et a fait l’objet d’une multitude de travaux ayant pour objectif l’amélioration de la reconstruction qui en représente l’une des principales étapes. Les méthodes proposées en littérature ne prennent pas forcément en compte la forme particulière des objets à reconstruire et ne sont pas suffisamment robustes pour faire face au bruit présent dans les images. Pour pallier à ce déficit, nous avons proposé une méthode de reconstruction tomographique, appelée (IOD-PVRMPP), qui exploite les processus ponctuels marqués. Notre méthode permet de résoudre le problème de manière parcimonieuse. Elle facilite l’introduction de l’information a priori et résout les problèmes de mémoire liés aux approches dites "basées voxels". La reconstruction d’un ensemble de particules 3D est obtenue en minimisant une fonction d’énergie qui définit la densité de probabilité du processus ponctuel marqué. A cet effet, nous utilisons un algorithme de recuit simulé basé sur les méthodes de Monte-Carlo par Chaines de Markov à Sauts Réversibles (RJMCMC). Afin d’accélérer la convergence du recuit simulé, nous avons développé une méthode d’initialisation permettant de fournir une distribution initiale de particules 3D basée sur la détection des particules 2D localisées dans les images de projections. Enfin cette méthode est appliquée à des écoulements fluides soit simulés et soit issus d’une expérience dans un canal turbulent à surface libre. L’analyse des résultats et la comparaison de cette méthode avec une méthode algébrique de référence montrent tout l’intérêt de cette approche parcimonieuse

Nouvelle méthode de reconstruction de volumes de particules 3D basée sur les processus ponctuels marques : Application à la TOMO-PIV en mécanique de fluide

National audienceCet article représente un résumé des différents travaux effectués jusqu'à maintenant dans le cadre de ma thèse dans le département SIC du laboratoire XLIM et le département d2 (Fluide, Thermique, Combustion) du laboratoire P' de Poitiers sur les méthodes de reconstruction de volumes de particules 3d appliquées à la tomographie de vélocimétrie par image de particule (Tomo-PIV). Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'un projet européen intitulé AFDAR (Advanced Flow Diagnostics for Aeronautical Research project no. 265695). L'objectif de la thèse est de proposer une nouvelle technique de mesure tridimensionnelle de vitesse en mécanique des fluides par Tomo-PIV et de l'appliquer sur une étude expérimentale de la dissipation d'énergie turbulente derrière une grille

3D PARTICLE VOLUME TOMOGRAPHIC RECONSTRUCTION BASED ON MARKED POINT PROCESS: APPLICATION TO TOMO-PIV IN FLUID MECHANICS

International audienceIn recent years, marked point processes have received a great deal of attention. They were applied with success to extract objects in large data sets as those obtained in remote sensing frameworks or biological studies. We propose in this paper a method based on marked point processes to reconstruct volumes of 3D particles from images of 2D particles provided by the Tomographic Particle Image Velocimetry (Tomo-PIV) technique. Unlike other reconstruction methods, our approach allows us to solve the problem in a parsimonious way. It facilitates the introduction of prior knowledge and naturally solves the memory problem which is inherent to pixel based approach used by classical tomographic reconstruction methods. The best reconstruction is found by minimizing an energy function which defines the marked point process. In order to avoid local minima, we use a simulated annealing algorithm. Results are presented on simulated data

Reconstruction de volumes de particules par processus ponctuels marqués

International audienceEn Tomo-PIV, on peut distinguer deux familles de méthodes pour reconstruire des volumes de particules : les méthodes « orientées voxel », où l'on s'intéresse au calcul de l'intensité pour chaque voxel du volume et les méthodes « orientées objets » où l'on considère que le volume à reconstruire est un espace parcimonieux composé d'objets 3d à reconstruire. Dans [1], nous avons proposé la méthode de reconstruction stochastique orientée objet IOD-PVRMPP. Elle comprend deux parties fondées sur les processus ponctuels marqués (PPM) : PVRMPP qui permet de résoudre le problème de manière parcimonieuse et facilite l'introduction d'information a priori sur les objets à reconstruire ; IOD qui fournit une distribution initiale de particules 3d à l'algorithme PVRMPP afin d'accélérer la convergence de l'algorithme. Nous avons montré que, sur des données synthétiques, la méthode IOD-PVRMPP donne de meilleurs résultats que l'algorithme de référence MinLOS-MART [2] jusqu'à des densités de particules de 0,05 ppp. Nous proposons ici une adaptation de la méthode IOD-PVRMPP afin de pouvoir traiter les données expérimentales provenant de l'étude d'un écoulement dans un canal turbulent derrière une grille [3]. Nous montrons là encore que les résultats obtenus sont sensiblement meilleurs que ceux obtenus par MinLOS-MART

Volumetric Measurements by Tomographic PIV of an Open Channel Flow Behind a Turbulent Grid

National audienceThis paper investigates the energy dissipation rate behind two combinations of trash racks (or meshes) in an open channel flow from tomo-PIV measurements. Five trash rack assemblies divided the flume into four identical pools. Each trash rack assembly is composed of a fine wire mesh and two regular square grids, characterised by their mesh size M. The Reynolds numbers with respect to M were 4300 and 9600 corresponding to a mean velocity ¯U through each pool between 0.35 and 0.315 m/s. This aim of this paper is to investigate the turbulent energy dissipation behind two configurations of regular grids in an open channel

Volumetric measurements by tomographic PIV of grid generated turbulence in an open channel flow

International audienceThis paper investigates the energy dissipation rate behind two combinations of trash racks (or meshes) in an open channel flow. Five trash rack assemblies divided the flume into four identical pools in the downstream direction. The global characteristics of the flow were compared with Tomo-PIV measurements that were taken in the water column of the flow. From the Tomo-PIV measurements, the instantaneous structures in the flow were visualised and the decay of turbulent kinetic energy and energy dissipation analysed

Mesure volumique par tomo-PIV d'un écoulement dans un canal turbulent de surface libre derrière une grille

National audienceLa mesure directe de la dissipation dans les écoulements n'est pas possible mais les nouvelles techniques de mesure volumique comme la tomo-PIV permettre de calculer le tenseur des gradients de vitesse et par la même la dissipation instantanée. Cet article présente des mesures de vitesse par tomo-PIV d'un écoulement à surface libre pour un nombre de Reynolds de 36000 dans un canal incliné à l'aval d'un assemblage de grilles. La faisabilité des mesures est réalisée et deux configurations de grilles sont comparées. On montre notamment que la dissipation n'est pas homogène et isotrope dans la région de l'écoulement mesurée

Contrasting cardiovascular mortality trends in Eastern Mediterranean populations: contributions from risk factor changes and treatments

Background Middle income countries are facing an epidemic of non-communicable diseases, especially coronary heart disease (CHD). We used a validated CHD mortality model (IMPACT) to explain recent trends in Tunisia, Syria, the occupied Palestinian territory (oPt) and Turkey. Methods Data on populations, mortality, patient numbers, treatments and risk factor trends from national and local surveys in each country were collated over two time points (1995–97; 2006–09); integrated and analysed using the IMPACT model. Results Risk factor trends: Smoking prevalence was high in men, persisting in Syria but decreasing in Tunisia, oPt and Turkey. BMI rose by 1–2 kg/m2 and diabetes prevalence increased by 40%–50%. Mean systolic blood pressure and cholesterol levels increased in Tunisia and Syria. Mortality trends: Age-standardised CHD mortality rates rose by 20% in Tunisia and 62% in Syria. Much of this increase (79% and 72% respectively) was attributed to adverse trends in major risk factors, occurring despite some improvements in treatment uptake. CHD mortality rates fell by 17% in oPt and by 25% in Turkey, with risk factor changes accounting for around 46% and 30% of this reduction respectively. Increased uptake of community treatments (drug treatments for chronic angina, heart failure, hypertension and secondary prevention after a cardiac event) accounted for most of the remainder. Discussion CHD death rates are rising in Tunisia and Syria, whilst oPt and Turkey demonstrate clear falls, reflecting improvements in major risk factors with contributions from medical treatments. However, smoking prevalence remains very high in men; obesity and diabetes levels are rising dramatically

The evolving SARS-CoV-2 epidemic in Africa: Insights from rapidly expanding genomic surveillance

INTRODUCTION Investment in Africa over the past year with regard to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) sequencing has led to a massive increase in the number of sequences, which, to date, exceeds 100,000 sequences generated to track the pandemic on the continent. These sequences have profoundly affected how public health officials in Africa have navigated the COVID-19 pandemic. RATIONALE We demonstrate how the first 100,000 SARS-CoV-2 sequences from Africa have helped monitor the epidemic on the continent, how genomic surveillance expanded over the course of the pandemic, and how we adapted our sequencing methods to deal with an evolving virus. Finally, we also examine how viral lineages have spread across the continent in a phylogeographic framework to gain insights into the underlying temporal and spatial transmission dynamics for several variants of concern (VOCs). RESULTS Our results indicate that the number of countries in Africa that can sequence the virus within their own borders is growing and that this is coupled with a shorter turnaround time from the time of sampling to sequence submission. Ongoing evolution necessitated the continual updating of primer sets, and, as a result, eight primer sets were designed in tandem with viral evolution and used to ensure effective sequencing of the virus. The pandemic unfolded through multiple waves of infection that were each driven by distinct genetic lineages, with B.1-like ancestral strains associated with the first pandemic wave of infections in 2020. Successive waves on the continent were fueled by different VOCs, with Alpha and Beta cocirculating in distinct spatial patterns during the second wave and Delta and Omicron affecting the whole continent during the third and fourth waves, respectively. Phylogeographic reconstruction points toward distinct differences in viral importation and exportation patterns associated with the Alpha, Beta, Delta, and Omicron variants and subvariants, when considering both Africa versus the rest of the world and viral dissemination within the continent. Our epidemiological and phylogenetic inferences therefore underscore the heterogeneous nature of the pandemic on the continent and highlight key insights and challenges, for instance, recognizing the limitations of low testing proportions. We also highlight the early warning capacity that genomic surveillance in Africa has had for the rest of the world with the detection of new lineages and variants, the most recent being the characterization of various Omicron subvariants. CONCLUSION Sustained investment for diagnostics and genomic surveillance in Africa is needed as the virus continues to evolve. This is important not only to help combat SARS-CoV-2 on the continent but also because it can be used as a platform to help address the many emerging and reemerging infectious disease threats in Africa. In particular, capacity building for local sequencing within countries or within the continent should be prioritized because this is generally associated with shorter turnaround times, providing the most benefit to local public health authorities tasked with pandemic response and mitigation and allowing for the fastest reaction to localized outbreaks. These investments are crucial for pandemic preparedness and response and will serve the health of the continent well into the 21st century

Elaboration of 3D reconstruction tomographic method in particle image velocimetry based on marked point Process

Les travaux réalisés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre du développement de techniques de mesure optiques pour la mécanique des fluides visant la reconstruction de volumes de particules 3D pour ensuite en déduire leurs déplacements. Cette technique de mesure volumique appelée encore Tomo-PIV est apparue en 2006 et a fait l'objet d'une multitude de travaux ayant pour objectif l'amélioration de la reconstruction qui représente l'une des principales étapes de cette technique de mesure. Les méthodes proposées en littérature ne prennent pas forcément en compte la forme particulière des objets à reconstruire et ne sont pas suffisamment robustes pour faire face au bruit présent dans les images. Pour pallier à ce déficit, nous avons proposé une méthode de reconstruction tomographique, appelée (IOD-PVRMPP), qui se base sur les processus ponctuels marqués. Notre méthode permet de résoudre le problème de manière parcimonieuse. Elle facilite l'introduction de l'information à priori et résout les problèmes de mémoire liés aux approches dites "basées voxels". La reconstruction d'un ensemble de particules 3D est obtenue en minimisant une fonction d'énergie ce qui définit le processus ponctuel marqué. A cet effet, nous utilisons un algorithme de recuit simulé basé sur les méthodes de Monte-Carlo par Chaines de Markov à Saut Réversible (RJMCMC). Afin d'accélérer la convergence du recuit simulé, nous avons développé une méthode d'initialisation permettant de fournir une distribution initiale de particules 3D base sur la détection des particules 2D localisées dans les images de projections. Enfin cette méthode est appliquée à des écoulements fluides soit simulé, soit issu d'une expérience dans un canal turbulent à surface libre. L'analyse des résultats et la comparaison de cette méthode avec les méthodes classiques montrent tout l'intérêt de ces approches parcimonieuses.The research work fulfilled in this thesis fit within the development of optical measurement techniques for fluid mechanics. They are particularly related to 3D particle volume reconstruction in order to infer their movement. This volumetric measurement technic, called Tomo-PIV has appeared on 2006 and has been the subject of several works to enhance the reconstruction, which represents one of the most important steps of this measurement technique. The proposed methods in Literature don't necessarily take into account the particular form of objects to reconstruct and they are not sufficiently robust to deal with noisy images. To deal with these challenges, we propose a tomographic reconstruction method, called (IOD-PVRMPP), and based on marked point processes. Our method allows solving the problem in a parsimonious way. It facilitates the introduction of prior knowledge and solves memory problem, which is inherent to voxel-based approaches. The reconstruction of a 3D particle set is obtained by minimizing an energy function, which defines the marked point process. To this aim, we use a simulated annealing algorithm based on Reversible Jump Markov Chain Monte Carlo (RJMCMC) method. To speed up the convergence of the simulated annealing, we develop an initialization method, which provides the initial distribution of 3D particles based on the detection of 2D particles located in projection images. Finally, this method is applied to simulated fluid flow or real one produced in an open channel flow behind a turbulent grid. The results and the comparisons of this method with classical ones show the great interest of this parsimonious approach