Développement d'une séquence IRM pour une quantification robuste et efficace de la vitesse du sang simultanément dans le cœur et les grands vaisseaux.

Doctorante : Marta BEGHELLA BARTOLI

Laboratoire INSA : CREATIS - Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l'image pour la Santé
École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

L'IRM en flux 4D (4D Flow MRI) est une technique d'imagerie par contraste de phase qui permet une évaluation complète de la fonction cardiovasculaire en fournissant des mesures volumétriques du flux sanguin tout au long du cycle cardiaque. La phase du signal IRM est proportionnelle à la vitesse et est limitée par le paramètre d'encodage de vitesse (VENC), ce qui restreint la plage de vitesses à -VENC et +VENC. L'IRM en flux 4D permet de capturer des modèles complexes de flux sanguins, incluant des vitesses faibles dans les veines et des vitesses élevées dans les artères. Le choix du bon VENC est crucial : un VENC faible entraîne un aliasing lorsque les vitesses dépassent ±VENC, tandis qu'un VENC élevé introduit du bruit, rendant les mesures de flux lent peu précises. Le VENC optimal équilibre un bon rapport signal sur bruit (VNR) pour des mesures de flux lent précises et une large gamme dynamique pour éviter l'aliasing. Pour étendre la gamme dynamique de la vitesse, des techniques à double ou multiple VENC sont utilisées, en acquérant des données avec différentes valeurs de VENC. Le déballage standard en double-VENC utilise les données VENC_high pour détecter les sauts de phase dans les données VENC_low, ajoutant ou soustrayant des multiples de 2n pour combiner les avantages des deux acquisitions. Cependant, dans les cas pathologiques, cette méthode est limitée par l'aliasing dans les données VENC_high en raison de vitesses imprévues et élevées. Pour résoudre ce problème, nous avons introduit une nouvelle séquence 4D Flow MRI à double-VENC, basée sur la règle des coprimes pour le rapport de VENC, permettant une gamme dynamique de vitesses étendue, accompagnée d'un algorithme de déballage de vitesses efficace en termes de temps, validé in vitro et démontré in vivo chez des patients présentant des pathologies cardiovasculaires. Malgré ces progrès, les séquences à double-VENC sont limitées par des temps d'acquisition longs. L'échantillonnage radial 3D a émergé comme une solution prometteuse, conservant les données de basse fréquence essentielles lors de l'undersampling, et étant plus résistant aux artefacts de mouvement. En utilisant des acquisitions en libre circulation et des techniques d'auto-gating, l'IRM en flux 4D avec échantillonnage radial 3D permet d'extraire les signaux cardiaques et respiratoires directement des données de k-space, éliminant le besoin d'appareils externes comme les ECG. Nous avons également étudié la performance de la séquence double-VENC coprime combinée avec l'échantillonnage radial 3D pour résoudre les limitations de temps d'acquisition des méthodes à double-VENC. Bien que l'IRM en flux 4D offre des mesures détaillées, sa nature chronophage et son coût élevé la rendent moins pratique comparée à l'échocardiographie, notamment le Doppler couleur, qui est abordable, portable et offre une imagerie en temps réel. Cependant, la nature unidimensionnelle du Doppler couleur et sa dépendance à l'angle d'incidence limitent sa capacité à capturer des modèles complexes de flux tridimensionnels. Des techniques comme la cartographie du flux vectoriel intraventriculaire (iVFM) ont été développées pour extraire des champs de vitesses bidimensionnels à partir des données Doppler couleur, fournissant une représentation plus précise de la dynamique du flux sanguin. Bien que l'iVFM ait été validé par des simulations de dynamique des fluides computationnelle (CFD), des défis demeurent lors de la comparaison de ses résultats avec ceux de l'IRM en flux 4D, la norme en matière de mesures de vitesses de flux sanguin in vivo. Un défi majeur est la possibilité de divergences lors de la comparaison des champs de vitesses instantanés dérivés de l'iVFM avec les données moyennées dans le temps de l'IRM en flux 4D. Dans cette thèse, nous avons développé une méthodologie visant à réconcilier ces divergences en comparant les champs de vitesses mesurés par les deux techniques au sein du ventricule gauche.

Simulation numérique de la croissance d'anévrisme de l'aorte ascendante pour l'aide à la décision chirurgicale

Doctorante : Kexin YAN

Laboratoire INSA : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

Prévoir l'évolution de la croissance des anévrismes de l'aorte ascendante (AscAA) représente un défi majeur en raison de l'interaction complexe entre la géométrie aortique, le comportement des tissus et la dynamique des flux sanguins. Cette étude explore un modèle de Fluide-Structure­ Croissance (FSG), basé sur la théorie Homogenized constrained mixture model (HCMM), pour simuler de manière réaliste la croissance des AscAA. Le modèle par éléments finis est initialisé avec une zone de dégradation de l'élastine, définie par la distribution des contraintes de cisaillement pariétales moyennes (TAWSS) dérivées des simulations de dynamique des fluides computationnelle. Dans un premier temps, nous menons une étude paramétrique pour évaluer l'influence de paramètres d'entrée spécifiques-tels que la direction du jet d'entrée, qui détermine les zones de TAWSS élevé, et la prédéformation initiale, qui impacte l'état homéostatique des tissus-ainsi que des paramètres matériaux sur les résultats de simulation de croissance. Ensuite, nous calibrons ces paramètres pour reproduire la croissance observée dans cinq cas patients, dont un cas disposant de données longitudinales. Nous parvenons à reproduire cette croissance longitudinale en tenant compte des mises à jour du TAWSS et de la rigidité du support élastique. Nos résultats montrent que l'approche FSG proposée, combinée à un ajustement des paramètres sensibles, permet de reproduire avec succès les schémas de croissance observés cliniquement, en validant à la fois le diamètre de l'anévrisme et la distribution des déplacements par comparaison à l'imagerie CT de suivi. Ce travail montre un potentiel prometteur pour une application à d'autres cas patients, contribuant ainsi aux efforts visant à développer un outil prédictif pour soutenir la prise de décision clinique.

Développement et caractérisation de matériaux électroactifs conformables pour des applications médicales.

Doctorant : Simon TOINET

Laboratoire INSA : LGEF - Laboratoire de Génie Électrique et Ferroélectricité

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Les maladies cardiovasculaires restent la première cause de mortalité mondiale, et leurs complications représentent un défi majeur pour la santé publique. Depuis une quinzaine d'années, les techniques endovasculaires se sont imposées comme le traitement de référence pour les anévrismes et les maladies artérielles périphériques, grâce à leur capacité à réduire les risques chirurgicaux et les coûts de santé. Cette évolution a été soutenue par une collaboration entre chirurgiens vasculaires et ingénieurs, visant à améliorer la précision opératoire et optimiser les conditions en bloc opératoire, notamment par la conception de guides et sondes orientables. Cependant, aucune solution actuelle ne répond pleinement aux exigences en termes de fiabilité, sécurité et encombrement. Cette thèse a pour objectif de développer un guide de navigation intra-artériel orientable électriquement. Deux polymères électroactifs, à base de polyfluorure de vinylidène (PVDF), ont été étudiés pour leur intégration dans un actionneur positionné à l'extrémité du guide. Une étude expérimentale combinant analyses électriques, mécaniques, structurelles, morphologiques et thermiques, appuyée par des modèles analytiques et éléments finis, a permis d'analyser les paramètres influençant la courbure de l'actionneur. Ces résultats ont conduit à l'élaboration d'une notice de calcul pour la conception optimale des actionneurs multicouches en flexion. L'optimisation du procédé de fabrication a permis de développer des actionneurs orientables à basse tension et faible courant, conformes aux normes de sécurité. Des prototypes de guides d'environ 1 mm, intégrant ces actionneurs optimisés, ont été fabriqués et testés dans un banc artère perfusé par un chirurgien. Les essais ont démontré la faisabilité du concept, atteignant les artères cibles du banc, constituant une preuve de concept solide du guide de navigation artérielle orientable électriquement.

Hydruration secondaire et fragilisation d'une gaine M5(Framatome) après sollicitation de type APRP

Doctorant : Apou Martial KPEMOU

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures
École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique
 

L'hydruration secondaire, qui fait référence à une prise massive d'hydrogène par la gaine combustible due à l'oxydation à haute température de la surface interne de la gaine, peut survenir pendant un transitoire APRP (Accident de Perte de Réfrigérant Primaire), en cas d'éclatement de gaine permettant à la vapeur de pénétrer à l'intérieur. Ce phénomène peut ensuite induire une fragilisation de la gaine combustible et conduire à une rupture lors de la phase de renoyage. Plusieurs instituts de recherche internationaux réalisent des essais dits semi-intégraux afin de caractériser le comportement des gaines combustibles en APRP. Ces essais combinent plusieurs phénomènes interconnectés, rendant complexe une étude fine et à effets séparés du phénomène d'hydruration secondaire. Ces travaux de thèse ont pour objectif d'améliorer la compréhension du phénomène d'hydruration secondaire par le biais d'essais analytiques dédiés et couplés à des simulations physico-chimiques et mécaniques. Un protocole expérimental a été mis en place, pour simuler le phénomène d'hydruration secondaire en conditions APRP, afin de caractériser l'effet de divers paramètres. Les résultats expérimentaux obtenus indiquent que la quantité d'hydrogène absorbée par la gaine augmente à la fois avec la température d'oxydation (1100-1200°C) et la durée d'oxydation (100-1400s). Une tendance similaire a été observée en étudiant l'influence de différentes tailles de gap (80, 130 et 230 µm) et de différents diamètres d'ouverture (02 et 04 mm). Différentes méthodes de mesure de l'hydrogène ont été utilisées pour caractériser la distribution de l'hydrogène au sein du matériau après oxydation :la mesure par fusion dégazage, l'imagerie par neutrons et la µ-LIBS. Des techniques d'analyses locales (EPMA et µ-LIBS) ont également été employées afin de déterminer la distribution locale de l'oxygène et de l'hydrogène. Les essais à effets séparés ont été modélisés à l'aide du logiciel SHOWBIZ de l'ASNR. Les simulations réalisées ont permis de mettre en évidence les mécanismes de transport des gaz à l'intérieur de la gaine, ainsi que l'influence de différents paramètres. La tendance des résultats de simulations est en bon accord avec les résultats expérimentaux. Enfin, les effets de fragilisation combinés des réactions d'oxydation et d'hydruration de la gaine ont été étudiés par le biais d'essais de flexion 4 points et par une modélisation mécanique de la rupture.

Reconstruction bimodale d'images TEP/IRM assistée par intelligence artificielle

Doctorant : Valentin GAUTIER

Laboratoire INSA : CREATIS - Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l'image pour la Santé
École doctorale : ED160 : Électronique, Électrotechnique, Automatique de Lyon

L'imagerie TEP/IRM est une méthode d'imagerie médicale qui gagne progressivement en popularité. Sa capacité à coupler une image anatomique de haute résolution fournie par l'IRM avec l'information fonctionnelle fournie par la TEP en font un outil prometteur en oncologie ou en neurosciences. Une contrainte majeure de cette technique d'imagerie est sa durée d'acquisition pouvant monter jusqu'à une heure. Diminuer le temps d'acquisition est ainsi un enjeu majeur qui permettrait d'augmenter le confort des patients et augmenter la disponibilité des machines. L'objectif dans cette thèse est de mettre au point de nouvelles méthodes de reconstruction faisant usage de la présence des deux modalités pour obtenir des images d'une qualité standard dans la pratique clinique avec des temps d'acquisitions plus courts. Est ainsi proposée dans un premier temps une méthode de reconstruction TEP guidée par IRM s'appuyant sur un autoencodeur variationnel bimodal pré entraîné sur des données de qualité clinique standard. Celui-ci est utilisé pour contraindre les solutions du problème inverse et permet, à travers son espace latent, d'obtenir une représentation jointe des deux modalités. Cette méthode apparaît robuste au bruit comparée à des méthodes classiques, témoignant ainsi de l'utilisation de l'information de la deuxième modalité pour compenser l'ajout de bruit sur les données. Cette méthode est ensuite étendue à la reconstruction jointe de la TEP et de l'IRM et sont explorées différentes architectures de VAE. Cette étude met notamment en avant un partage de l'information de l'IRM vers la TEP bien supérieur à celui de la TEP vers l'IRM. Finalement, cette thèse explore aussi l'utilisation des récents modèles de diffusion pour résoudre le problème de la reconstruction jointe.

Contributions à l’étude de problèmes de contact, alliages à mémoire de forme, fluides (in)compressibles et corrosion

[Soutenance publique]

Maître de Conférences : Adrien PETROV

Laboratoire INSA :  Institut Camille Jordan (ICJ)

Rapporteurs : Chérif Amrouche, Patrick Ballard, Marius Cocou
Jury : Ionel Sorin Ciuperca, Eduard Feireisl, Arnaud Heibig, Pavel Krejci, Laetitia Paoli.

 

Civilité	Nom et Prénom	Grade/Qualité	Établissement
M.	Amrouche Chérif	Professeur des Universités	Université de Pau et des pays de l’Adour
M.	Ballard Patrick	Directeur de Recherches	Université Pierre et Marie Curie
M.	Cocou Marius	Professeur des Universités	Université Aix-Marseille
M.	Ciuperca Ionel Sorin	Maitre de conférences	Université Claude Bernard
M.	Feireisl Eduard	Professeur des Universités	Institut de Mathématiques de l’Académie des Sciences de la République tchèque
M.	Heibig Arnaud	Professeur des Universités	INSA-Lyon
M.	Krejci Pavel	Professeur des Universités	Institut de Mathématiques de l’Académie des Sciences de la République tchèque
Mme	Paoli Laetitia	Professeur des Universités	Université de Saint-Etienne

 

 

The role of length scales in material failure

[Soutenance publique]

Chargé de recherche CNRS : Gergely MOLNAR

Laboratoire INSA : LaMCoS

Rapporteurs : ​

• Samuel Forest (MINES Paristech,
• David Rodney (UCBL),
• Jean-François Molinari (EPFL)

Jury

Civilité	Nom et Prénom	Grade/Qualité	Établissement
M.	FOREST Samuel	Directeur de Recherche	MINES Paristech
M.	RODNEY David	Professeur des universités	Université Claude Bernard Lyon 1
M.	MOLINARI Jean-François	Full professor	EPFL
Mme.	DE LORENZIS Laura	Full professor	ETH Zürich
M.	MOËS Nicolas	Professeur des universités	UCLouvain
M.	GRAVOUIL Anthony	Professeur des universités	INSA Lyon

 

 

Maintenance prédictive d'un réducteur mécanique par analyse combinée électrique et thermique

Doctorant : Lionel DARUL

Laboratoire : Laboratoire LabECAM

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Dans le contexte industriel actuel, la fiabilité et la performance des équipements sont des préoccupations majeures. Les transmissions à engrenages sont des éléments essentiels des systèmes mécaniques et sont - pour nombre d’applications industrielles - associées à un moteur électrique. Ces motoréducteurs sont soumis à des contraintes opérationnelles de plus en plus importantes, et leur défaillance peut entraîner des conséquences graves, tant en termes de sécurité que de coûts de maintenance. La maintenance prédictive émerge alors comme une stratégie essentielle afin de garantir leur bon fonctionnement en identifiant les signes avant-coureurs de défaillance et en planifiant de manière optimale les interventions de maintenance. L’objectif de cette étude est d’étudier le potentiel des approches thermique et électrique pour la maintenance prédictive d’un réducteur à engrenages. Afin de répondre au besoin industriel, ces travaux proposent une approche permettant de détecter et localiser des défauts en temps réel en utilisant un nombre limité de capteurs non intrusifs. Un banc d'essai a été développé à partir d'un treuil de l’entreprise REEL International pour étudier le comportement thermique d'un réducteur à quatre étages. Cette étude présente, dans un premier temps, une méthode pour créer un jumeau numérique thermique du réducteur. Un modèle hybride analytique-expérimental est proposé. Sa structure est basée sur l'approche des réseaux thermiques². Une procédure expérimentale est utilisée pour déterminer certains paramètres critiques du modèle, tel que le coefficient de frottement des dentures. Dans un second temps, la capacité de ce jumeau numérique thermique à réaliser la maintenance prédictive du réducteur est étudiée via l’introduction d’un défaut d’hélice et d’un défaut d’écaillage sur un des pignons. Dans un troisième temps, une étude du module du vecteur de Park des courants statoriques du moteur pour la détection des défauts est présentée en complément de l’approche thermique. Il résulte de cette étude que le jumeau numérique thermique est capable de prédire précisément le comportement thermique des composants du réducteur (roulements, carter, huile) en utilisant seulement quelques capteurs thermiques. Celui-ci permet la détection et la localisation d’un défaut géométrique à l’engrènement. L’étude du module de Park démontre quant à elle la pertinence de certains indicateurs ainsi que celle de combiner les deux approches pour la surveillance de la transmission.

Étude du comportement des plateformes en sol traité sur inclusions rigides : approches expérimentales et numériques

Doctorant : Julien MANNAH

Laboratoire INSA : GEOMAS - Géomécanique, Matériaux, Structures

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

La technique de renforcement des sols par inclusions rigides (IR) a connu un développement rapide au cours des dernières années. Cette technique combine des inclusions rigides verticales traversant la couche de sol compressible et une plateforme de transfert de charge (PTC) installée entre l'ouvrage et les inclusions. Ces éléments transfèrent la charge vers des horizons porteurs en pied d'inclusions sans surcharger la couche de sol compressible. L'utilisation des plateformes de transfert de charge granulaires est courante dans les projets de renforcement du sol par inclusions rigides. Cependant, l'exploitation des ressources naturelles a fortement augmenté due à la croissance démographique et l'évolution du marché de la construction, d'où la nécessité de trouver des solutions alternatives afin de limiter la pression sur les ressources en matériaux granulaires. Dans ce contexte, un traitement de la couche supérieure du sol en place peut être envisagé afin de limiter le sol d'apport. Le projet national ASIRI « Amélioration des sols par inclusions rigides » a été mené en France entre 2005 et 2011 pour proposer des règles de mise en œuvre et de dimensionnement du renforcement de sol par IR. En 2019, un nouveau projet national (ASIRI+) a été initié pour compléter les recommandations ASIRI (2012) sur des sujets insuffisamment traités tel que celui des PTC en sol traité. Les travaux de la présente thèse intitulée « Étude du comportement des plateformes en sol traité sur inclusions rigides : Approches expérimentales et numériques » s'intègrent dans le cadre du projet national ASIRI+ et ont pour objectif d'apporter des éléments de compréhension sur les mécanismes développés au sein des plateformes sur IR et de proposer de nouvelles règles de dimensionnement. Les moyens mis en œuvre sont expérimentaux avec des essais en laboratoire à échelle 1, des caractérisations des différents traitements et des ouvrages réels instrumentés. Ces moyens sont aussi numériques par la modélisation numérique de ces renforcements de sol calibrée sur les résultats des expérimentations. Enfin, un volet environnemental complète cette étude avec une analyse de cycle de vie (ACV) qui prend en compte les impacts environnementaux des PTC granulaires et traitées. Les essais de caractérisation en laboratoire montrent bien l'effet du traitement sur les résistances mécaniques du sol traité. Des essais de résistance à la compression, flexion, traction (essai brésilien) et au cisaillement (essais triaxiaux) sont réalisés pour évaluer les performances mécaniques du sol traité. Plusieurs essais à échelle 1 permettent de tester le comportement des PTC en sol traité sur inclusions rigides où un comportement assimilable à celui d'une dalle est observé. Deux modes de rupture « poinçonnement et flexion » sont observés dans ces essais. L'instrumentation montre que le transfert de charge dans les PTC traitées est immédiat contrairement au cas des PTC granulaires où les mécanismes de transfert de charge sont un peu plus progressifs. L'effet de la présence d'une plateforme de travail sous les PTC traitées est aussi évalué dans ces essais. Le modèle numérique développé permet d'évaluer à travers une étude paramétrique l'effet de différents paramètres sur l'efficacité en contrainte et en tassement du système. Le schéma du cône de cisaillement (ASIRI, 2012) représente le mieux les mécanismes de transfert de charge dans la PTC traitée. La diffusion de la contrainte est assimilée à un tronc de cône, issu de la tête de l'inclusion et formant un angle <p par rapport à la verticale. Cela a été vérifié numériquement, analytiquement et expérimentalement. L'ACV réalisée prend en compte les effets environnementaux des PTC granulaires et traitées et montre qu'une analyse multicritère est requise pour chaque projet de renforcement du sol afin d'évaluer l'impact environnemental global.

Intelligence artificielle pour optimiser le contrôle distribué des vibrations : Application aux réseaux de transducteurs dans les structures intelligentes.

Doctorante : Maryne FEBVRE

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

Les matériaux intelligents, comme les transducteurs piézoélectriques, sont devenus essentiels en ingénierie moderne pour des applications telles que le contrôle des vibrations, la récupération d'énergie et la propagation des ondes. Ces éléments multiphysiques permettent de développer des structures intelligentes adaptatives, capables d'interagir avec leur environnement, et de résoudre des problématiques liées à l'instabilité et à la fatigue des matériaux. Cependant, l'optimisation de ces systèmes devient de plus en plus complexe à mesure que le nombre de transducteurs et de paramètres ajustables augmente. Cette thèse explore l'optimisation du contrôle des vibrations dans les structures intelligentes à l'aide de l'apprentissage par renforcement profond (DRL pour Deep Reinforcement Learning). Plusieurs lois de contrôle actif ou passif sont appliquées aux transducteurs piézoélectriques. Le réglage de ces lois par DRL est comparé à des méthodes d'optimisation traditionnelles telles que le simplex et les algorithmes génétiques. L'efficacité est évaluée en termes d'atténuation des vibrations, de stabilité structurelle et de performance de calcul. Des analyses modales, à la fois numériques et expérimentales, sont effectuées pour valider la faisabilité du contrôle sur diverses structures, allant de modèles unidimensionnels basés sur des éléments finis à des réseaux complexes de transducteurs. Les résultats mettent en évidence l'efficacité du DRL pour ajuster des lois de contrôle en boucle fermée multi paramètres tout en tenant compte de fonction d'optimisation non linéaires incluant des contraintes de stabilité. Cependant, des défis tels que l'aléa dans l'entraînement et la divergence sont surmontés grâce à des stratégies basées sur la mémoire, renforçant la robustesse et l'adaptabilité aux variations environnementales. Ce travail fait progresser les méthodes basées sur l'intelligence artificielle pour le contrôle des structures intelligentes distribuées, établissant un lien entre les domaines de l'intelligence artificielle et des matériaux adaptatifs.