Weakly-supervised learning for emboli characterization with Transcranial Doppler (TCD) monitoring

Doctorant : Yamil VINDAS-YASSINE

Laboratoire INSA : CREATIS

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

This thesis focuses on the classification and characterization of high intensity transient signals coming from portable transcranial Doppler (TCD) ultrasound devices. The main objective is to help clinicians identify solid and gaseous emboli from artifacts generated during TCD monitoring sessions. In fact, emboli are solid or gaseous particles that can circulate in the cerebral arteries, sometimes blocking them and causing ischemic stroke. However, the identification and classification of HITS between solid embolus, gaseous embolus, and artifacts is not evident and require important expert knowledge. Therefore, its detection, classification and characterization are key factors to improve patient management in healthcare centers. In this work, we propose deep learning models capable of doing an accurate classification between solid embolus, gaseous embolus, and artifacts, with limited memory and energy consumption. More precisely, for HITS classification, to our knowledge, our work is the only one proposing an in vivo classification of portable TCD HITS between solid embolus, gaseous embolus, and artifacts. The main contributions of this work are the following. Firstly, we proposed a semi-automatic data annotation method based on local quality metrics with controlled annotation error, allowing to quickly label a large dataset, using a small number of labeled samples [1, 2]. Secondly, we propose a hybrid guided and regularized multi- feature classification model allowing to accurately classify HITS, simultaneously taking advantage of the raw Doppler signal, and its time-frequency representation [3, 4]. Finally, we proposed new model compression techniques based on pruning and extreme quantization, allowing to reduce the memory requirements of the trained models, as well as the energy consumption. Finally, as we worked in close cooperation with Atys Medical, manufacturer of portable TCD devices, we were able to incorporate our developed models into their data management software.

 

Electric field induced micro-structuring of thermally conductive composites

Doctorant : Omar ZAHHAF

Laboratoire INSA : LGEF

Ecole doctorale : ED162 : MEGA (Mécanique, Énergétique, Génie civil et Acoustique)

Ce projet de recherche doctorale fournit une étude détaillée des propriétés physiques des composites polydiméthylsiloxane-alumine (PDMS-Al2O3), en mettant l'accent sur l'influence significative de la structuration diélectrophorétique et de divers paramètres clés dans les propriétés résultantes des composites.
Le premier volet de l'étude examine systématiquement l'influence des paramètres de diélectrophorèse, de la nature et de la viscosité de la matrice et de la taille des charges d'alumine sur les propriétés thermiques, diélectriques et mécaniques des composites PDMS-Al2O3. Un examen de l'impact de la fréquence et de l'amplitude du champ électrique révèle comment ces paramètres modulent la structure des composites, affectant ainsi leurs propriétés thermiques et diélectriques. L’étude montre également l’impact de la nature et viscosité du PDMS, examinant deux matrices PDMS distinctes. Par ailleurs, l’investigation souligne également les effets de la taille des charges sur les propriétés diélectriques, thermiques et mécaniques, clarifiant le rôle crucial de ce paramètre.
Le second aspect de l'étude porte sur la structuration diélectrophorétique des composites hybrides, en soulignant le rôle de l'hybridation en taille des charges sur les propriétés des composites. En comparant les composites mono-disperses aux composites hybrides sur une large gamme de taux de charge, l'étude démontre le potentiel de l'hybridation des tailles pour des améliorations significatives de la conductivité thermique. L'influence du rapport de taille et de la composition des charges, identifiés comme des facteurs clés des propriétés physiques des composites hybrides, est également étudiée.
Le troisième volet explore la synthèse hydrothermale des fibres d'Al2O3 en cartographiant les effets des paramètres de synthèse sur la distribution de la taille des fibres d'Al2O3. À travers une analyse détaillée du facteur forme des charges, la recherche permet de comprendre la relation entre les caractéristiques des fibres et les propriétés diélectriques, thermiques et mécaniques des composites PDMS-Al2O3.

Traitement et valorisation des retours en tête : de la mesure à la modélisation

Doctorante : Perrine DEVOS

Laboratoire INSA : INRAE-REVERSAAL

Ecole doctorale : ED206 Chimie de Lyon

En aval des stations de traitement des eaux usées, des dispositifs d’infiltration sont mis en œuvre pour infiltrer les eaux usées traitées : EUTS. Dans ce cas, ces dispositifs sont non seulement des exutoires mais des bioréacteurs qui peuvent réaliser un traitement complémentaire de l’eau. Le dimensionnement de ces aires d’infiltration nécessite donc la connaissance de la conductivité hydraulique réelle du sol sur l’ensemble de la parcelle afin de permettre un fonctionnement pérenne de l’ouvrage. De nos jours, on ne dispose pas de technique permettant de calculer en tous points la conductivité hydraulique d’un sol. C'est pourquoi, le travail de thèse propose une solution permettant la spatialisation de la conductivité en utilisant une méthode de géostatistique : BME (Bayesian Maximum Entropy). La méthode BME a pour but d’intégrer des mesures géophysiques et des mesures localisées des essais d'infiltration pour mieux évaluer et prédire les transferts d’eau et de polluants dans les sols hétérogènes utilisés en traitement des eaux. Cette optimisation a pour but d’aider les gestionnaires, les collectivités locales, et les agences de l’eau à mieux concevoir et adapter les aires d’infiltration en aval des stations d’épuration.

 

Processing and characterization of ceramic composites with two dimensional layered nanomaterials

Doctorante : Carmen MUÑOZ-FERREIRO

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

This thesis work is focused on the development of novel multifunctional zirconia composites using two different 2D nanomaterials as fillers, few-layered graphene (FLG) and boron nitride nanosheets (BNNS). BNNS were exfoliated using three different technologies. Eco-responsible powder homogenization routines were evaluated for the dispersion of the nanostructures throughout the ceramic powder and the materials were consolidated using a spark plasma sintering (SPS) furnace.
A systematic study of the powder processing and the sintering conditions on the composites with FLG revealed the optimal processing conditions to maximize the FLG crystallinity, which decreases the electrical percolation threshold below 1 vol%. The electrical discharge machinability of the composite with 20 vol% was also analyzed. The addition of the exfoliated BNNS resulted in homogeneous dense composites with submicrometer grain size. The incorporation of partly hydroxylated BNNS revealed the absence of chemical bonding at the zirconia/BN interphase. The scalability of the materials was confirmed in all the different materials.
The evaluation of stable crack propagation evidenced rising R-curves only in the materials with larger nanosheets. Reinforcement by bridging of the nanosheets was corroborated although no influence of the reinforcement was detected when measuring the fracture toughness. Finally, since tetragonal stabilized zirconia is sensitive to the presence of water molecules, slow crack growth and hydrothermal aging were analyzed on the composites with either type of nanosheets.

Introduction des corps de roue flexibles dans la modélisation dynamique des engrenages coniques

Doctorant : Augustin PIGE

Laboratoire INSA : LaMCoS

Ecole doctorale : ED162 MEGA

Les moteurs d’hélicoptère contiennent des transmissions de puissance, qui servent à mettre en mouvement divers équipements (pompes à huile et à carburant, génératrice…) ou à transférer la puissance de la turbine vers la boîte de transmission principale. Ces applications se caractérisent par de hautes vitesses de rotations et des exigences contradictoires : assurer une grande fiabilité avec des pièces les plus légères possibles. Des simulations dynamiques précises peuvent donc s’avérer utiles aux concepteurs. Pour des raisons d’intégration, il est parfois indispensable de transmettre un mouvement entre des axes concourants, ce qui est généralement réalisé au moyen d’engrenages coniques. Ces derniers ont été bien moins étudiés que leurs équivalents cylindriques, en particulier en ce qui concerne les corps de roue allégés et flexibles. Ce travail se focalise sur la modélisation d’engrenages coniques prenant en compte la flexibilité des corps de roue. Le modèle proposé combine des sous-structures condensées, des éléments d’arbres de Timoshenko et des corps rigides avec une modélisation originale de l’engrènement. L’élasticité de l’engrènement est non-linéaire et varie au cours du temps. Elle est calculée simultanément à la résolution des équations du mouvement. Le modèle a été confronté à des résultats expérimentaux en quasi-statique et à très haute vitesse. Ensuite, une étude quasi-statique a mis en évidence l’effet de la flexibilité des corps de roue et des efforts centrifuges sur deux engrenages très différents. Enfin, une seconde étude dynamique a été menée pour relever les particularités du comportement des engrenages coniques allégés et les mettre en perspective par rapport aux travaux sur les engrenages cylindriques. Elle a aussi permis de souligner les points à vérifier lors d’une éventuelle campagne expérimentale et de proposer une implantation pour l’instrumentation.
 

Control of the Final Morphology of Epoxy-Thermoplastic Blends and their Mechanical Properties

Doctorante : Anne COLOIGNER

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Thermosetting epoxy resins are used to lighten materials in the aerospace and automotive industry. Nevertheless, high crosslink density makes the resins brittle. Thermosets can be toughened by the dissolution of a thermoplastic into resin monomers which phase separates during the curing cycle. By controlling the final morphology of the resin and the associated length scale, the mechanical properties can be improved for composite applications. Previous works allowed to identify two key parameters for controlling the morphology of epoxy-thermoplastic blends. The interaction parameters between the constituents control the onset of phase separation during the crosslinking reaction and the corresponding conversion stage. The glass transition temperature of the blend at phase separation controls the growth rate of the morphology. By considering an appropriate range for these two parameters, it appeared possible to prepare toughened epoxy resins with tailored morphologies. Polyetherimides of different compositions with a wide range of glass transition temperatures (Tg) and solubility parameters have been synthesized. These systems allowed to consider various affinities with the thermosetting precursors and different Tg’s in order to synthesize epoxy-thermoplastic resins with adequate final morphologies. In addition to these tailored polyetherimides, a commercial polyetherimide (Ultem 1000) is studied. Finally, various morphologies such as sea-island thermoplastic particles and co-continuous structures have been observed. The fracture toughness of these systems has been also studied by measuring the released energy during a crack propagation. The objective was to improve our understanding regarding the control of the morphology by preparing new epoxy-thermoplastic blends with enhanced mechanical properties. By varying the compatibility between the constituents and the Tg of various polyetherimides, we have controlled the onset of phase separation in these systems, leading to various morphologies of different thermoplastic sizes. Finally, the mechanical properties of the thermoplastic-modified epoxy resins are optimized when co-continuous morphologies of hundreds of nanometers are obtained.

 

Printing smart sensor and actuator coatings using piezoelectric composites

Doctorant : Van-Cuong NGUYEN 

Laboratoire INSA : LGEF

Ecole doctorale : ED162 : MEGA (Mécanique, Énergétique, Génie civil et Acoustique)

Le concept de matériaux et structures intelligents est devenu de plus en plus présent dans différentes industries et notamment dans le domaine l'aéronautique et de l’industrie. Le développement actuel de ces matériaux favorise une réelle intégration de fonctionnalités à la structure hôte, cela va de pair avec les procédés de mise en œuvre de la fabrication additive (FA) qui permettent ainsi de passer d'équipements greffés à des équipements complètement intégrés à la structure hôte. De fait, dans les années à venir, la FA de matériaux électroactifs sera de plus en plus employée pour la réalisation de fonctions mécatroniques hybrides qui combineront à la fois la structure mécanique, des circuits intégrés en silicium, des pistes conductrices et des matériaux couplés imprimés, intégrant ainsi des fonctionnalités, telles que des capteurs, ou actionneurs.
Dans le cadre des travaux de thèse réalisés en partenariat avec la société Arc en Ciel Sériegraphie, le développement et l’intégration de composites piézoélectriques ont été effectué. En effet les composites piézoélectriques sont une alternative à l’utilisation des céramiques ferroélectriques (PZT, BaTiO3) en alliant une mise en œuvre aisée et un coup relativement faible. Il est possible d’allier les bonnes propriétés mécaniques des polymères avec les fortes propriétés électroactives des céramiques. Une approche d’intégration et caractérisation a été mise en œuvre permettant la mise en place de
«design rules » et ainsi une approche de type « Material and Design ».Afin de juger du potentiel applicatifs les composites piézoélectriques ont été mise en œuvre pour la réalisation du contrôle de structure de type roulement à billes et aussi pour la réalisation d’interface haptique.es circuits intégrés en silicium, des pistes conductrices et des matériaux couplés imprimés, intégrant ainsi des fonctionnalités, telles que des capteurs, ou actionneurs.

Aeroelastic Reduced-Order Modeling and Active Control of Flexible Aircraft

Doctorant : Hugo FOURNIER

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Cette thèse porte sur la modélisation aéroélastique d'un avion, et à son contrôle actif. En utilisant les surfaces de contrôle de l'avion de manière appropriée, il est possible de réduire les charges dues aux rafales de vents et à la turbulence. Cela permet de réduire la masse des structures responsables de maintenir l'intégrité de l'avion, et donc d'améliorer les performances du design global. L’utilisation d’un lidar, un senseur permettant de mesurer la vitesse du vent plusieurs dizaines de mètres à l’avant de l’avion, est envisagée pour améliorer les capacités de réduction de charges. De plus, les futurs avions devraient avoir des ailes plus allongées et flexibles, ce qui réduit la traînée mais crée des effets aéroélastique néfastes. Le flottement est une instabilité pouvant amener à une destruction de l'aile, à haute vitesse. Il peut être annulé ou au moins déplacé en dehors de l'enveloppe de vol grâce au contrôle actif des surfaces de contrôle. Ces deux techniques ont été développées dans la thèse au moyen de diverses techniques de design de contrôleurs, principalement basées sur la synthèse robuste H-infini et ses variantes. Des techniques dédiées pour modéliser la dynamique aéroélastique de l’avion ont été développées. Pour obtenir des modèles d’états d’ordres réduits, avec des contraintes sur les pôles. Pour ce faire, une méthodologie basée directement sur la réponse fréquentielle aéroélastique de l’avion est employée, par opposition aux techniques classiques basées sur des équations mêlant l'aérodynamique et la dynamique structurelle, qui amènent en général à des modèles d’ordre importants, inutilisables par les techniques modernes de synthèse de contrôleurs.

 

The future of Green Infrastructure: From climate data to informed hydrological performance

Doctorant : Vincent PONS

Laboratoire INSA : DEEP

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

The 21st century presents numerous challenges to urban stormwater management, including the impacts of changes in both climate and city morphology. These challenges necessitate rethinking the stormwater management paradigm, particularly in the context of existing and ageing infrastructure. This thesis deals with green infrastructures (GI) considered as decentralized multifunctional infrastructures that utilize evapotranspiration and/or horizontal and vertical infiltration to achieve a hydrological function.
This study evaluates the potential of GI to manage day-to-day rainfall events, attenuate major events, and contribute to the management of extreme events in the context of climate change adaptation. It also aims to provide a framework and tools to realign current GI modelling and design methods with the principles of robust decision-making.
The 21st century presents numerous challenges to urban stormwater management, including the impacts of changes in both climate and city morphology. These challenges necessitate rethinking the stormwater management paradigm, particularly in the context of existing and ageing infrastructure. This thesis deals with green infrastructures (GI) considered as decentralized multifunctional infrastructures that utilize evapotranspiration and/or horizontal and vertical infiltration to achieve a hydrological function.
This study evaluates the potential of GI to manage day-to-day rainfall events, attenuate major events, and contribute to the management of extreme events in the context of climate change adaptation. It also aims to provide a framework and tools to realign current GI modelling and design methods with the principles of robust decision-making.
The thesis investigates how to use climate and hydrological present and future data with hydrological GI models to extract relevant information for decision-making under deep uncertainty. The results provide guidelines for i) designing experiments to calibrate reliable hydrological models and ii) using available climate projections together with weather generators for GI performance evaluation. The proposed framework HIDES demonstrates how future downscaled time series can be used to evaluate annual retention distribution and frequency of exceedance, while sampling extreme events allows for estimating both a probability of failure and an indication of the behaviour of GI under failure.
The thesis suggests rethinking the methods for implementing GI at the city scale. The study shows that system-based design outperforms site-scale design through modelling at the roof scale of a neighbourhood, and that lumping GI models at a neighbourhood scale may neglect interactions and fail to estimate performance. The thesis highlights the need to couple GI to achieve challenges in stormwater management.

Modélisation et simulation de la captation des acides gras alimentaires à longue chaîne et de leur re-synthèse en triglycérides au sein des entérocytes

Doctorante : Julie ETIENNE

Laboratoire INSA : CarMeN (équipe DO-IT) / Inria (équipe Beagle)

Ecole doctorale : ED205 : Ecole doctorale interdisciplinaire sciences-santé

L’absorption des acides gras alimentaires est une étape clé de la santé cardio- métabolique. Toutefois, les mécanismes moléculaires de leur captation par les entérocytes, cellules absorptives de l’intestin, demeurent mal compris. Cette thèse propose une approche de modélisation des premières étapes de l’absorption intestinale des acides gras à longue chaîne.
Le premier chapitre recense les données quantitatives et les modèles mathématiques de la littérature en lien avec la captation intestinale des acides gras à longue chaîne, leur transport jusqu’au réticulum endoplasmique et leur ré-estérification en triglycérides.
Le second chapitre propose un modèle quantitatif et mécanistique de la captation intestinale des acides gras à longue chaîne, prenant en compte leur hydrophobie et leur sensibilité au pH. Ce système d’équations différentielles ordinaires retranscrit la diffusion passive et différents modules (transport actif, protéines de liaison aux acides gras (FABP), métabolisme intracellulaire), tour à tour retirés du système pour simuler un knockout de gène. Ce modèle a été ajusté sur neuf jeux de données expérimentales publiées. Les simulations montrent que le métabolisme intracellulaire est critique pour assurer une absorption totale à l’échelle des heures. Enlever FABP du système ralentit l’absorption de plusieurs centaines d’heures sans empêcher une absorption totale. A l’échelle de la seconde ou minute, le transport actif est requis pour ajuster le modèle aux données. Quantifier les flux montre que le modèle peut adopter deux dynamiques lors des ajustements. Dans la dynamique « physiologique », les acides gras sont captés puis métabolisés. Dans la dynamique « anormale », les acides gras entrent par transport actif et ressortent par diffusion passive.
Le troisième chapitre décrit une modélisation préliminaire de la ré-estérification des acides gras en triglycérides via la voie des 2-monoglycérides, considérée comme majoritaire dans les entérocytes.
Ensemble, ces résultats fondent les bases d’un modèle quantitatif de l’entérocyte pour le trafic des acides gras.