UPThèses

Les maladies coronariennes et les attaques cérébrales ont longtemps été la principale cause de décès en France, comme dans de nombreux pays dans le monde. Dans ce travail de thèse, nous proposons d’offrir aux experts médicaux des algorithmes automatiques pour l’analyse de données à caractère biomédical en vue de la prévention des risques cardiovasculaires (sténoses) et les accidents vasculaires cérébraux (anévrismes). Nous déployons pour cela des outils novateurs basés sur les techniques de l’intelligence artificielle permettant d’extraire l’arbre artériel, de détecter les sténoses, de classifier les types des plaques coronaires et de segmenter les anévrismes intracrâniens non rompus. Nous introduisons, également, une nouvelle base de données que nous avons créé à l’aide des efforts des équipes médicales du CHU Poitiers.

Cette étude expérimentale s'intéresse au bruit tonal de bord de fuite sur un profil NACA 0012, et en particulier aux effets de l'inhomogénéité en envergure de l'écoulement sur les sources de bruit. L'originalité de l'approche consiste dans la mesure simultanée du bruit rayonné par antennerie acoustique et des champs de vitesse dans le sillage par Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) résolue en temps (fréquence de 20 kHz afin de résoudre les échelles de temps acoustiques). Une expérience préliminaire retrouve, comme dans la bibliographie, des résultats de PIV altérés pour des fréquences inférieures à la limite de Shannon, et permet d'identifier l'allure des distorsions liées à cette erreur. La précision de la synchronisation entre le signal focalisé par formation de voies temporelle et les champs de vitesse est ensuite évaluée, et est de l'ordre du centième de milliseconde. La mesure acoustique révèle un bruit tonal (constitué d'un ou plusieurs pics fréquentiels) pour des conditions d'écoulement en accord avec la littérature. La formation de voies permet alors d'identifier des zones sources le long de l'envergure, distinctes pour chaque fréquence. Cela constitue un apport intéressant car les modèles théoriques utilisés pour décrire la formation de bruit tonal au bord de fuite sont bidimensionnels. L'analyse fréquentielle des champs de vitesse dans un plan parallèle au profil d'aile indique un détachement tourbillonnaire variable en fonction de la position en envergure, avec les mêmes fréquences dans les mêmes zones que les sources de bruit identifiées. Il est aussi montré que les zones sources de bruit sont celles où la cohérence transverse du détachement tourbillonnaire présente un maximum. Une mesure dans le plan perpendiculaire à l'aile permet le suivi temporel des tourbillons détachés au bord de fuite, et une comparaison entre le signal de vorticité et le signal acoustique focalisé sur la zone de mesure aboutit à un taux de corrélation satisfaisant, de l'ordre de 60%.

Soixante ans après les conjectures de Julesz, de nombreuses méthodes d'extraction de caractéristiques de l’aspect texturé ont été publiées. Mais, peu l’ont été à des fins métrologiques. Selon la science de la mesure, une caractéristique doit être développée en conjonction avec la mesure de distance/similarité associée. Dans nos travaux sur la texture hyperspectrale, cela nécessite que la fonctionnalité soit indépendante de la technologie du capteur et donc du nombre de bandes spectrales, de la gamme de longueurs d'onde, etc. La fonctionnalité développée doit donc être générale avec des résultats strictement dépendants du contenu de la texture. Dans ce manuscrit de thèse, nous avons commencé par définir la texture comme la distribution conjointe des propriétés spectrales et spatiales. Alors que la première partie dicte la diversité spectrale ou la distribution des pixels, la second fait référence à la disposition spatiale ou à l'interaction entre les valeurs multivaluées des pixels. En conséquence, nous avons développé une analyse spectrale automatique adaptée à la nature continue du spectre. En travaillant dans l'espace métrique, le besoin de réduction de la dimensionnalité, par ex. l'analyse en composantes principales (ACP), est supprimée. De plus, la sélection de la référence spectrale est entièrement automatisée grâce à la maximisation de l'entropie. Une analogie entre notre approche et l'ACP est établie, la première se révélant plus robuste et fidèle à la physique du spectre. En nous inspirant de la matrice de cooccurrence de niveaux de gris (GLCM) et du motif binaire local (LBP), nous avons ensuite développé une analyse spatiale adaptée aux images d'un nombre quelconque de bandes spectrales. Nous avons combiné la précision des caractéristiques GLCM et l'efficacité de la mesure de similarité LBP pour proposer l'histogramme de différences de voisinage. Nous avons ensuite mis en relation la différence de voisinage avec la notion de gradient d'image pour poursuivre une approche sans paramètre. En rappelant les règles de base des dérivées, nous avons mis en évidence une décomposition mathématique du gradient spectral en parties chromatiques et achromatiques. Considérant la théorie de l'espace d'échelle, nous avons également développé une sélection automatique d'échelle afin de refléter la taille de la structure locale. Pour valider notre approche, nous avons soumis nos caractéristiques à des tâches de classification, de récupération et de segmentation de texture. Les résultats montrent que nos fonctionnalités fonctionnent à un niveau comparable à l'état de l'art. Plus important encore, nous démontrons l'interprétabilité physique de nos caractéristiques face à une multitude de diversité spectrale et spatiale. En adhérant à la métrologie, nous avons témoigné de l'efficacité d'une paire adaptée de caractéristique et de mesure de similarité sans avoir besoin de techniques sophistiquées d'apprentissage automatique ou profond.

L’hydrogène est un vecteur énergétique envisagé pour remplacer les sources énergétiques issues des ressources fossiles. Il est prévu de l’utiliser à grande échelle dans des piles à combustible H2/O2. Néanmoins, il est nécessaire de le produire à un très haut degré de pureté et dans des conditions respectueuses de l’environnement. Le moyen le plus efficace pour obtenir de l’hydrogène « vert » est d’utiliser l’électrolyse de l’eau, processus nécessitant l’élaboration d’électrodes peu coûteuses, actives et stables. En particulier, il est nécessaire de trouver de nouveaux catalyseurs efficaces sans métaux nobles, coûteux et/ou rares. La nanostructuration des matériaux est une voie de plus en plus explorée pour répondre à ces critères. En particulier, les matériaux bidimensionnels présentant des conductivités électroniques élevées constituent une famille de nanomatériaux très prometteurs. En effet, ils présentent généralement des surfaces spécifiques très élevées et des propriétés électroniques et/ou catalytiques différentes de celles de leurs analogues massifs. Parmi ceux-ci, les MXènes, des carbonitrures de métaux de transition, découverts en 2011, sont une classe de matériaux 2D en pleine expansion en raison de leurs caractéristiques intrinsèques (versatilité chimique, conductivité électronique très élevée, hydrophilie) qui leur confèrent des propriétés très variées pour de nombreuses applications, et pour l’électrocatalyse en particulier. Au cours de cette thèse, des MXènes de formule Mn+1XnTx ont été synthétisés à partir de leur analogue tridimensionnel Mn+1AXn (ou M est du titane et/ou du molybdène, A est de l’aluminium et X est du carbone et/ou de l’azote), appelé phase MAX, et à partir de Mo2Ga2C par exfoliation de l’aluminium ou du gallium par attaque acide. Dans un premier temps, une attention particulière a été portée sur l’influence de la composition du milieu exfoliant afin de contrôler à la fois la nature de T (groupements terminaux à la surface des MXènes issus de l’étape d’exfoliation), la nature des espèces interfoliaires insérées, la structure, la macrostructure, l’état d’oxydation de surface et l’état de délamination. L’influence de l’élément M dans le MXène sur ses propriétés électrocatalytiques a ensuite été étudiée via la préparation de MXènes mixtes à base de Ti et Mo. Une autre étude a porté sur l’influence de l’élément X dans le MXène, en remplaçant totalement ou partiellement le carbone par de l’azote, du soufre ou du bore, l’objectif étant de modifier l’environnement électronique du métal M et donc ses propriétés d’adsorption/désorption des intermédiaires réactionnels lors de l’acte catalytique. Enfin, les caractéristiques des MXènes ont été mises à profit pour élaborer des composites dans lesquels le MXène joue le rôle de support d’espèces actives à base de Ni et Fe ou de co-catalyseur pour les réactions de dégagement d’oxygène (OER) et d’hydrogène (HER), réactions mises en jeu dans un électrolyseur. À chaque étape, les nouveaux matériaux obtenus ont été caractérisés par de nombreuses techniques (DRX, XPS, microscopie, spectroscopie Raman,…) et évalués en électrocatalyse. Ce travail a ainsi permis de proposer deux composites à base de MXène : MoS2@Mo2CTx et NixFey@Mo2CTx, très actifs et stables en milieu électrolytique alcalin pour l’HER (cathode) et l’OER (anode) respectivement, en vue de leur utilisation dans un électrolyseur alcalin. Compte-tenu de la richesse de la chimie de surface des MXènes, ce travail offre de nombreuses perspectives pour obtenir des électrodes toujours plus efficaces, et au-delà, pour les autres applications envisagées avec les MXènes.

Les données longitudinales multivariées jouent un rôle essentiel dans divers domaines de recherche, notamment les sciences médicales et comportementales. Elles permettent aux chercheurs de tester de multiples hypothèses, telles que l'identification de la variation dans le temps d'une variable clinique. La robustesse des inférences obtenues à partir de l'analyse des données longitudinales conduit à une complexité croissante des méthodes de traitement statistique. Cette complexité découle de la structure des données longitudinales et de leurs propriétés statistiques, notamment la dépendance temporelle intra-individuelle. Un autre degré de complexité peut provenir de l'hétérogénéité potentielle due à l'existence de plusieurs sous-populations latentes dans les données de l'étude. Actuellement, il est reconnu dans la littérature que la douleur présente un aspect longitudinal complexe. Il a été démontré que les corrélations entre les différentes dimensions de la douleur se renforcent avec le temps, non seulement lors du passage des douleurs aiguës aux douleurs chroniques, mais aussi au cours de l'évolution des douleurs chroniques. Cela peut être dû à l'accumulation à long terme des fardeaux biopsychosociales générées par la douleur chronique et aux altérations des mécanismes cérébraux reliant la douleur aux émotions. De plus, le caractère socioculturel et émotionnel de la douleur chronique rend son évaluation complexe en raison de l'hétérogénéité par rapport à l'importance des composantes sensorielles, émotionnelles et fonctionnelles dans la vie de chaque individu. Le premier objectif de cette thèse est de démontrer empiriquement l'existence de différents groupes latents de patients dont la qualité de vie est impactée différemment par les composantes sensorielles, émotionnelles et fonctionnelles de la douleur, par l'application d'un mélange de modèles à effet mixte sur des données longitudinales de patients souffrant de douleurs chroniques après une chirurgie rachidienne. Cela permet de justifier la nécessité d'une évaluation hétérogène et spécifique au patient. Le deuxième objectif est de proposer un nouveau modèle non paramétrique formulé comme un mélange de modèles à coefficients variables dans le temps incluant des processus aléatoires. Le modèle proposé a été ajusté avec un algorithme EM modifié incluant une procédure de Backfitting. Nous avons évalué notre modèle par des simulations et des applications sur des données réelles. Ce modèle nous permet d'étudier l'évolution dans le temps des coefficients associant la qualité de vie des patients aux autres composantes de la douleur chronique pour chaque groupe latent. Le troisième et dernier objectif de la thèse est de proposer un mélange de modèles d'analyse factorielle longitudinale qui permet de résumer plusieurs indicateurs longitudinaux en une ou plusieurs variables latentes qui diffèrent entre les composantes du mélange. Un algorithme EM a été proposé pour estimer le modèle. Des méthodes pour garantir la comparabilité des facteurs latents ont été discuté. L'objectif de ce modèle est d'extraire des indicateurs latents et multidimensionnels qui dépendent à la fois du moment de la mesure dans le parcours du patient et des caractéristiques intrinsèques des patients. Le but ultime étant de faire évoluer l'évaluation de la douleur vers une évaluation multidimensionnelle, variable dans le temps et spécifique au patient, en fonction de ses caractéristiques biopsychosociales.

La décharge corona est largement utilisée non seulement pour modifier les caractéristiques physiques des surfaces des matériaux diélectriques, mais aussi comme technique de charge pour les mélanges granulaires en vue de leur séparation électrostatique. L’uniformité de la charge électrique déposée à la surface des matériaux isolants est un indice de performance majeur pour toute électrode corona. L’objectif de cette thèse a été d’explorer les limites des techniques de charge corona, et plus particulièrement l’uniformité de charge atteignable lors de l’utilisation d’électrodes corona multi-pointes, compte tenu de leur utilisation possible pour le traitement de surface des plaques diélectriques ou pour la séparation électrostatique de mélanges granulaires. L’utilisation d’un voltmètre électrostatique sans contact pour mesurer le potentiel électrique de surface après l’exposition à la décharge corona s’est avérée être une méthode pratique pour étudier la distribution et l’évolution de la quantité de charge déposée sur les matériaux isolants. Une étude « statique » réalisée avec des plaques de PVC au repos et soumises à l’action de la décharge corona générée par des électrodes corona multi-pointes a permis d’évaluer l’effet de chaque facteur : la tension appliquée, la hauteur des pointes au-dessus de la surface du diélectrique, et le temps d’exposition. Une étude « dynamique », dans laquelle les échantillons étaient en mouvement relatif par rapport aux électrodes de type multi-pointes, a permis de quantifier ces effets dans des conditions plus proches de celles qui devraient être rencontrées dans les applications industrielles. Ce travail a montré que la non-uniformité de la charge corona peut être réduite à moins de 5% de la valeur moyenne en choisissant des valeurs appropriées de la distance inter-électrodes et de la hauteur des extrémités des électrodes au-dessus de la surface exposée à la décharge corona.

Le Virus West Nile (WNV) est un flavivirus neurotrope émergent contre lequel il n’existe ni traitement ni vaccin. Transmis à l’Homme lors du repas sanguin du moustique vecteur, le virus est inoculé dans la peau où il infecte les kératinocytes de l’épiderme. L’arsenal défensif du kératinocyte humain inclut la synthèse de 9 peptides antimicrobiens dont l’activité contre le WNV n’a jusqu’ici jamais été étudiée. Au cours de ce travail, nous avons évalué les propriétés antivirales et immunomodulatrices de la cathélicidine humaine LL-37, de la bêta-défensine humaine de type 3 (hBD-3) et de deux peptides de la famille S100, la psoriasine S100A7 et la calprotectine S100A8/A9. Nos résultats ont montré une activité antivirale directe de la LL-37, à forte concentration (10 µg/mL), se traduisant par une réduction de la charge virale dans le surnageant des kératinocytes infectés et du titre infectieux d'un inoculum viral incubé en présence du peptide. En revanche, le traitement par hBD-3 n’a pas eu d’impact significatif sur l'infection par le WNV aux concentrations testées. Par ailleurs, une augmentation significative de l’expression de plusieurs marqueurs inflammatoires aux niveaux transcriptomique et protéique a été observée en présence de chacun des deux peptides par rapport aux cellules stimulées par un ARN bicaténaire de synthèse, le poly (I:C), ou infectées par le WNV en leur absence. Dans la seconde partie de ce travail, les expérimentations menées avec les peptides S100A7 et S100A8/A9 se sont révélées décevantes. L’apport exogène des peptides au cours de l’infection de kératinocytes ou le recours à des cellules génétiquement modifiées pour surexprimer les peptides d’intérêt n’a montré aucun impact significatif sur la réplication du WNV. En complément, aucun effet virucide des peptides S100 à la concentration de 10 µg/mL ni immunomodulateur n’a été observé. En conclusion, ces résultats suggèrent un effet antiviral indirect de la LL-37 et d’hBD-3 par potentialisation de la réponse immunitaire innée du kératinocyte à l’infection. Ces propriétés immunomodulatrices viendraient s’ajouter, pour la LL-37, à une action directe par altération de la particule virale. En revanche, les peptides de la famille S100 ne semblent pas avoir de rôle antiviral majeur dans la réponse antivirale du kératinocyte à l’infection par le WNV. De façon générale, ce travail souligne les potentialités antivirales, encore méconnues, des molécules produites par la peau et les kératinocytes à la porte d'entrée et au site initial de réplication du WNV et des arbovirus dans l'organisme.

Cette thèse a pour but l’étude de plusieurs aspects des champs aléatoires shot noise. Nous utilisons la notion d’association pour caractériser la faible dépendance des valeurs de ces champs en des points éloignés et ainsi démontrer la normalité asymptotique vectorielle des estimateurs des moments d’ordre 1 et 2, et expliciter leurs variances et covariances asymptotiques. D’autres informations, spécifiques aux champs aléatoires, proviennent des caractéristiques géométriques des niveaux d’excursion. La densité de périmètre est l’une de celles que nous regardons : les précédents travaux dans la littérature concernent deux catégories de champs, le cas des champs lisses et celui des champs élémentaires. Concer- nant les champs lisses, nous observons et démontrons le comportement gaussien à haute intensité pour la densité de périmètre. À petite intensité, nous mettons en évidence un tout autre comportement qui se rapproche du cadre élémentaire. Une attention particulière est portée au modèle avec un noyau gaussien et une marque exponentielle qui possède des propriétés remarquables. Ce modèle est paramétré par un triplet (λ, µ, σ) que l’on estime à partir des estimateurs consistants et asymptotiquement normaux des moments. Ces propriétés de consistance et de normalité asymptotique sont ainsi transmises aux estimateurs des paramètres. L’approximation de ce champ lisse par une discrétisation du noyau gaussien permet d’obtenir une expression de la densité de périmètre plus malléable, en utilisant le cadre élémentaire et en faisant tendre le pas de discrétisation vers 0. Les formules sont quasi-explicites et permettent, couplées avec la densité d’aire, de procéder à une classification entre les modèles shot noise et gaussien, et ce malgré leur forte ressemblance à haute intensité.

Les interactions fluide-structure (IFS) sont aujourd’hui des phénomènes fortement étudiés, car elles interviennent dans un grand nombre d’applications. Dans les domaines maritime et fluvial, les dispositifs de récupération d’énergie, les systèmes de protection des cotes ou des berges ou encore les systèmes de ralentissement des crues sont basés sur ces IFS avec des structures artificielles ou naturelles. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour objectifs d’évaluer les conséquences de la présence de structures flexibles sur un écoulement turbulent dans différentes configurations. Les éléments flexibles utilisés sont des cylindres circulaires dont les caractéristiques mécaniques sont inspirées des propriétés de structures végétales aquatiques. Lorsque ces structures sont placées dans un écoulement, elles subissent de grandes déformations dont les phénomènes observables sont caractérisés par l’Interaction Fluide-Structure pour laquelle le paramètre majeur est le nombre de Cauchy. Trois études principales composent ces travaux, avec dans un premier temps le cas fondamental d’une structure isolée dans un écoulement, dans un second temps l’étude de pertes de charge causées par un faisceau de structures et pour finir une application sur un dispositif hydraulique d’une canopée de structures flexibles sur le radier d’une passe à poissons à fentes verticales. Chacune de ces études a été menée expérimentalement et a conduit à la création d’un modèle numérique d’une part et d’autre part à l’étude d’une modélisation 1D sur la base des phénomènes mis en jeux. Les expériences menées ont nécessité la mise en place de mesures de hauteurs d’eau par sondes acoustiques, de vitesses tridimensionnelles locales avec sonde ADV (Vélocimètre Acoustique à effet Doppler), de vitesse 2D à deux composantes par méthode PIV (Vélocimétrie par Images de Particules) et des mesures de déformations des structures flexibles par ombroscopie. Les simulations numériques 3D instationnaires LES à surface libre avec IFS par couplage fort ont été réalisées et ont été validées à partir des résultats expérimentaux. Ces résultats de simulation ont permis de compléter les observations expérimentales en offrant des informations complémentaires sur les grandeurs des écoulements et sur les comportements des structures flexibles. De façon générale, pour une structure flexible isolée dans l’écoulement, son comportement dynamique (déplacements longitudinaux et transversaux) et les vitesses de l’écoulement dans son sillage dépendent des caractéristiques des régimes de l’écoulement et de la rigidité de la structure. Les fréquences du lâcher tourbillonnaire dans le sillage de la structure ont notamment été étudiées. Lorsque ces structures sont implantées en faisceaux de différentes densités, leur capacité de flexion réduit la résistance à l’écoulement et donc les pertes de charge par rapport à des structures rigides. Dans le cas où une canopée de structures flexibles est implantée sur le radier d’une passe à poissons, alors l’écoulement est modifié avec une réduction des vitesses et de l’énergie cinétique turbulente dans la canopée et une augmentation de la vitesse au-dessus. Le comportement hydraulique est modifié avec une baisse des coefficients de débits et des topologies très instationnaires dans les bassins.

Différents domaines scientifiques et industriels exploitent l’application d’un champ électrique non uniforme dans la manipulation et le déplacement des particules. Le convoyeur électrostatique fait partie des procédés électrostatiques employés dans cette application. Constitué d’une série d’électrodes parallèles et alimenté par des tensions polyphasées, le convoyeur électrostatique a été largement étudié dans le domaine des ondes voyageuses pour le transport des particules fines telles que les particules de tonner. Cette configuration d’électrodes est aussi utilisée dans les systèmes électro-adhésifs des surfaces conductrices et isolantes. Des recherches récentes ont permis l’application de ce dispositif dans le domaine du dépoussiérage des panneaux photovoltaïques afin d’augmenter la perméabilité lumineuse, et dans le monde industriel et les systèmes de fabrication automatisée pour la manipulation et le déplacement d’objets. L’objectif de ce travail est d’optimiser l’action de l’électro-adhésion dans un dispositif de tri électrostatique des mélanges de particules métal/plastique, en contrôlant les principaux paramètres électriques et géométriques du système d’électrodes intercalées. L’idée est d’aboutir à nouveau séparateur basé sur l’utilisation d’un convoyeur électrostatique sous forme de cylindre tournant. Pour atteindre cet objectif, une première étude théorique et numérique a été effectuée afin d’interpréter l’effet des grandeurs physiques agissantes sur le comportement des matériaux au-dessus de la surface des convoyeurs. Cette étude a été suivie par une modélisation expérimentale des différents paramètres électriques et géométriques contribuant au processus de séparation. Les résultats de ces deux études ont permis de comprendre le mode d’action des forces électrostatiques dans le processus de manipulation des particules conductrices et diélectriques d’une part, et de démontrer le potentiel des convoyeurs électrostatiques dans le domaine de la séparation électrostatique. L’étude a été complétée par la caractérisation des décharges électriques qui apparaissent lors de l’action de l’électro-adhésion sur des particules conductrices.