Méthodes de reconstruction avancées en tomographie dentaire par faisceau conique

Doctorante : Louise FRIOT--GIROUX

Laboratoire INSA : CREATIS
Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

La tomographie par rayons X est une technique très utilisée en imagerie médicale pour observer les structures anatomiques des patients. A partir de mesures de l’absorption  des rayons X par les tissus, un processus de reconstruction permet d’obtenir des images du volume observé. En imagerie dentaire, le CBCT utilise un faisceau de rayons X  conique et permet d’imager rapidement le volume 3D de la mâchoire. L’exposition aux rayons X est cependant dangereuse pour la santé, et l’enjeu principal de la tomographie X est d’obtenir des images de bonne qualité avec une dose minimale.
Les méthodes analytiques offrent des reconstructions rapides mais peu robustes lorsque les projections sont bruitées ou en faible nombre. Les méthodes itératives donnent la possibilité de prendre en compte la modélisation physique du problème et des connaissances a priori sur le volume. Récemment, l’essor des méthodes d’apprentissage profond et leur application au traitement des images ont suggéré de nouvelles pistes de recherche en tomographie.
L’objectif de cette thèse est d’implémenter des méthodes de reconstruction fiables et efficaces pour la reconstruction tomographique faible dose en imagerie dentaire.
Trois algorithmes itératifs, appliquant une régularisation par variation totale, ont été implémentés et appliqués sur fantômes et données réelles faibles doses. Les résultats ont montré la supériorité des méthodes itératives sur les méthodes analytiques.
Nous avons également testé les méthodes d’apprentissage profond en reconstruction tomographique. Des réseaux ont été entraînés de manière supervisée pour améliorer la qualité des images reconstruites avec faible dose. Les résultats ont été comparés avec ceux d’une méthode itérative.
Différentes méthodes de reconstruction tomographique ont été appliquées sur fantômes et données réelles. Les méthodes itératives ont montré de meilleurs résultats que la méthode analytique. Les méthodes d’apprentissage profond, s’appliquent sur reconstruction analytiques et surpassent les méthodes itératives en termes de temps de reconstruction, avec une meilleure qualité d’images.

Estimation de la résistance coronarienne par analyse du réseau vasculaire du fond de l'œil

Doctorant : Charles JABOUR

Laboratoire INSA : CREATIS
Ecole doctorale : EDA162 MEGA

La plupart des maladies coronariennes sont liées à la présence d’une sténose, qui entrave l’écoulement coronaire. Le diagnostic repose généralement sur la caractérisation de cette sténose et néglige la microcirculation coronarienne, caractérisée par sa résistance et sa réserve de débit. Dans cette thèse, nous proposons d’analyser la microvascularisation de l’œil pour estimer celle du cœur.
Pour ce faire, nous avons utilisé la base de données COREYE. Elle associe des mesures de résistance coronarienne basale (BMR), en hyperhémie (HMR) et de réserve de débit coronaire (CFR) à 124 images de la perfusion rétinienne et de la choriocapillaire. Une base supplémentaire de données de rétinopathie radique nous a permis de valider les différentes étapes de notre méthodologie.
L’analyse des images a d’abord nécessité de segmenter des régions d’intérêt : le réseau vasculaire et la zone avasculaire centrale (ZAC) dans la rétine, et la perfusion dans la choriocapillaire. En particulier, notre méthode d’extraction de la ZAC par apprentissage profond, sous une contrainte basée sur la distance de Hausdorff, a produit des segmentations de formes concordant avec les annotations d’experts. Nous avons ensuite extrait des descripteurs de ces régions.
Par recherche exhaustive, nous avons sélectionné les meilleurs descripteurs pour nos différentes tâches de prédiction. Nos prédictions de grade rétinopathie radique se sont appuyées sur des descripteurs de chaque région. Elles se sont montrées robustes pour les grades les plus sévères.
Nous avons classé la BMR, HMR et CFR en valeurs hautes et basses, à partir de descripteurs oculaires anatomiques, et démographiques. Les prédictions de HMR et CFR se sont démarquées par leur généralisation à de nouvelles données. Seule la CFR a bénéficié des descripteurs démographiques. Nos recherches exhaustives ont mis en évidence l’importance des flow voids dans ces estimations. Ces résultats tendent à montrer qu’une estimation des résistance et réserve coronaires est possible par analyse ophtalmique.

Étude et optimisation de capteurs d’oxyde d’azote (NO2) à base de couches sensible de dioxyde d'étain (SnO2) pour des applications aux mesures de la qualité de l’air.

Doctorant : Antonio ASSAF

Laboratoire INSA : INL
Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Le besoin en capteurs de gaz évolue avec le développement des applications dans les domaines de l’industrie et de l’automobile. Pour répondre à cette demande, les capteurs à base d’oxyde métallique présentent des avantages uniques comme leur faible coût, une grande sensibilité et une intégration facile dans un système portable miniaturisé. Cependant, ces capteurs souffrent d'un coût énergétique élevé du fait de leurs hautes températures de fonctionnement. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail est d'optimiser les capteurs à base de dioxyde d'étain afin d'abaisser leur température de fonctionnement. Le gaz cible dans cette étude est le dioxyde d'azote (NO2).
D’abord, nous avons optimisé la synthèse des films de SnO2 élaborés par pulvérisation réactive à radio fréquence de manière à obtenir les caractéristiques morphologiques, stœchiométriques et électriques les plus adaptées à la détection de gaz. Aussi, nous avons également optimisé le dépôt de couches de palladium à la surface des films de SnO2 par évaporation servant de catalyseurs.
Par la suite, nous avons simulé l'architecture du capteur (électrodes interdigitées + film sensible) à l'aide du logiciel SILVACO TCAD afin d’optimiser la géométrie du capteur. Des capteurs à base de SnO2 sans catalyseur ont ensuite été développés afin de sélectionner la géométrie optimale pour la détection du NO2. Le capteur retenu possède une température de fonctionnement optimale de 100°C pour la détection de NO2, avec une limite de détection de 250 ppb.
Finalement, des capteurs à base de SnO2 dopé au palladium ont été conçus. Ces capteurs montrent une bonne sensibilité au NO2 à très basse température (50°C). Ce résultat est l’aboutissement du projet dont l’objectif à terme vise la réalisation de capteurs de gaz à base oxyde métallique à faible consommation d’énergie.

Multi-scale characterization of deformation mechanisms of poly- ether-ether-ketone (PEEK) under tensile stretching

Doctorante: Héloïse WILLEMAN

Laboratoire INSA : IMP (Ingénierie des Matériaux Polymères)
Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

L’objectif de cette thèse est d’établir le scénario multi-échelles de déformation du PEEK lorsqu’il est sollicité en traction uniaxiale. Préalablement à la mise en œuvre d’échantillons de deux grades commerciaux de PEEK, les propriétés thermiques et mécaniques de ces matériaux ont été caractérisées. La température d’oubli thermodynamique ainsi que la sensibilité aux vitesses de refroidissement ont été établies. Des éprouvettes de traction ont été obtenues à partir de plaques thermocompressées, procédé choisi pour obtenir des morphologies les plus isotropes possibles.  Les propriétés mécaniques en traction ont ensuite été caractérisées au-dessus et au-dessous de la transition vitreuse de la phase amorphe (Tg). Grâce à un dispositif expérimental fabriqué sur mesure, des essais de traction à deux températures distinctes au-dessous et au-dessus de Tg ont été suivis par diffusion des rayons X aux petits (SAXS) et grands angles (WAXS) pour caractériser les déformations à l’échelle des empilements lamellaires et à l’échelle de la maille cristalline. Simultanément, le champ de déformation a été mesurée par corrélation d’images (DIC) afin de comparer la déformation macroscopique et microscopique. Pour les deux températures, les  lamelles tendent à s’orienter perpendiculairement à la direction de traction (TD). Ce mécanisme d’orientation local (que nous appelons « modèle de réseau de chaînes ») est induit par la transmission des contraintes par les chaînes amorphes reliant les lamelles cristallines adjacentes. Au-dessus de Tg, l’allongement local est plus faible que l’allongement macroscopique dans les lamelles perpendiculaire à TD, ce qui implique que les lamelles inclinées doivent être cisaillées. L’évolution de la distribution d’orientation des lamelles appuie ce résultat. Une morphologie fortement orientée est finalement obtenue quelle que soit la température. Cependant, le profil d’endommagement est différent. En-dessous de Tg, le profil de diffusion centrale indique l’existence de petites entités (lamelles ou crystallites) orientées aléatoirement. A hautes température, le matériau est fibrillaire et présente des cavités.

 

 

Structuration de revêtements polymère photopolymérisables pour de nouvelles surfaces glissantes

Doctorante : Amélie TEISSONNIERE

Laboratoire INSA : IMP

Ecole doctorale : ED534 : Matériaux de Lyon

Dans les travaux présentés, des revêtements polymère photopolymérisés capables de réduire la traînée des coques de bateau d’aviron ont été développés pour améliorer les performances sportives de l’équipe de France lors des Jeux Olympiques de 2024. Pour répondre à cet objectif, nous nous sommes inspirés des surfaces issues de la Nature et plus particulièrement des surfaces superhydrophobes des feuilles de lotus. Un prépolymère de type silicone réactif (méthacrylate ou époxy cycloaliphatique) photoréticulable apportant un caractère hydrophobe au revêtement final a été considéré. Afin d’atteindre une structuration de surface multi-échelles similaire, nous avons eu recours à un procédé de dépôt par pulvérisation (spray-coating) d’une formulation incluant des nanoparticules de silice pyrogénée hydrophobe et des organosilanes. La polymérisation des formulations a été étudiée à l’aide de différents méthodes d’analyse spectroscopique (IR, Raman) et calorimétrique (DSC-UV) afin de déterminer les paramètres influençant la polymérisation et d’optimiser formulation et procédé. Les surfaces ont été caractérisées quant à leur microstructure ou topographie (microscopie électronique à balayage et profilométrie) et à leur mouillabilité avec l’eau (angle de contact à l’équilibre et angle de glissement). Ces revêtements ont été mis en œuvre par photopolymérisation, un procédé de choix pour sa simplicité, sa rapidité et sa faible empreinte environnementale (pas de solvant). Avec une telle nature de polymère et un tel type de procédé de mise en œuvre, il est alors possible d’envisager de projeter et réticuler cette formulation 

Ride the Supercoiling: Evolution of Supercoiling-Mediated Gene Regulatory Networks through Genomic Inversions

Doctorant : Théotime GROHENS

Laboratoire INSA : LIRIS

Ecole doctorale : ED512 InfoMaths

Evolution is often considered an unpredictable process, as genetic mutations happen at random.
But the fixation of mutations is not completely arbitrary, as mutations need to pass the sieve of natural selection to be retained.
In particular, the beneficial or deleterious character of a mutation can depend on the genetic background in which it happens, an effect called epistasis.
In this work, I study a particular kind of epistatic interactions in bacteria: the interplay between mutations in the mechanisms regulating DNA supercoiling -- the level of over- or under- winding of DNA -- and genomic rearrangements. I present _EvoTSC_, a mathematical and computational model of DNA supercoiling tailored to study the mutual interaction between gene transcription and DNA supercoiling (the _transcription-supercoiling coupling_ or TSC), and integrated into a full-fledged evolutionary simulation.
I first validate the model by showing that evolution can leverage this coupling to evolve gene regulatory networks that are able to tune gene expression levels in response to environmental perturbations, by changing only the relative positions of the genes  through genomic inversions.
I then show that, in _EvoTSC_ as well as in the evolutionary simulation platform _Aevol_, introducing supercoiling mutations does not seem to speed up evolution, indicating that the evolutionary relevance of epistatic interactions might be not as important as initially thought.
Using _EvoTSC_, I additionally show that the TSC can lead some genes to be activated by an excess of positive supercoiling, providing a plausible mechanism to explain the similar behavior observed in many bacterial genes. Finally, I characterize the structure of these supercoiling-mediated gene regulatory networks, showing that they cannot be reduced to local pairwise interactions.
Interaction with many neighboring genes can indeed be needed to regulate gene expression through supercoiling, providing a possible explanation to the evolutionary conservation of gene syntenies.
 

 

Dans l’industrie, de nombreux process nécessitent de la production de chaleur. Dans une industrie agroalimentaire, les étapes de cuisson, de séchage ou de pasteurisation peuvent par exemple requérir des températures hautes qui pèsent sur le bilan énergétique de l’entreprise. Dans le contexte actuel, la hausse des prix de l’énergie et les problématiques d’approvisionnement poussent les industriels à s’interroger sur leurs pratiques.

Yoann Jovet, doctorant au CETHIL¹, laboratoire spécialiste de l’énergie et de la thermique, n’a pas attendu la crise de l’énergie pour se pencher sur la question. Depuis trois ans, le doctorant étudie les étapes du cycle de vie de la production de chaleur avec un objectif : établir une méthodologie capable d’intégrer les limites planétaires pour aider les entreprises dans leur prise de décision. En d’autres mots : trouver la meilleure alternative, économiquement viable et respectueuse des limites planétaires. Yoann Jovet explique.

Gaz, électricité, bois, propane, géothermie… Les sources d’énergie pour produire de la chaleur sont nombreuses et ont chacune leurs avantages et inconvénients. Comment une industrie choisit-elle la « meilleure » source d’énergie pour produire la chaleur nécessaire à ses activités ?
Dans une industrie, le processus de décision est régi par un grand nombre de paramètres. Il y a des contraintes techniques à prendre en compte, des législations à respecter et une économie à soutenir. Aujourd’hui, pour des questions diverses, d’approvisionnement, de durée de vie des systèmes, d’image, d’éthique ou d’économie, les industries s’intéressent à l’optimisation de leurs solutions énergétiques et cherchent à évoluer. Chaque source d’énergie possède ses propres caractéristiques, avantages et inconvénients. Par exemple, le gaz naturel offre des rendements intéressants et sa production prend peu de place, mais c’est une énergie d’origine fossile et son coût est soumis à des fluctuations. À l’inverse, le bois peut être une solution moins coûteuse, bénéficiant d’une filière durable en France, mais qui requiert de grands espaces de stockage. Pour prendre la décision, les entreprises étudient généralement ces différents critères sous le spectre de leurs propres besoins, grâce à des méthodologies. Seulement aujourd’hui, ces outils d’aide à la décision  « classiques » prennent rarement en compte l'ensemble des critères environnementaux, se limitant souvent au bilan carbone. Ils ne donnent pas un éclairage sur les limites planétaires liées au secteur faute de méthode dédiée aux problématiques industrielles. Mon travail se focalise sur les industries ayant un besoin de production de chaleur important, qui ne cherchent pas seulement à réduire leur empreinte carbone mais à s’intégrer dans une vision systémique de la problématique environnementale. En d’autres mots, je travaille à un outil capable de déterminer la meilleure solution technique pour respecter les limites planétaires en limitant les surcoûts. 

Comment sont calculés les impacts environnementaux de la production de chaleur dans une industrie à l’heure actuelle ? 
Aujourd’hui, on étudie principalement les émissions carbone lorsque l’on parle d’impact environnemental. Seulement, ces émissions n’ont en réalité qu’un impact direct sur une limite planétaire : le réchauffement climatique. C’est bien sûr une bonne chose car il y a encore cinq ans, les aspects environnementaux n’étaient que peu pris en compte dans les calculs. Aujourd’hui, il faut que les industries fassent un pas de plus et revoient leur système de prise de décision, en ouvrant ce prisme aux limites planétaires : les choix doivent être regardés sous le spectre de l’influence sur la biodiversité, l’érosion des sols, l’augmentation des aérosols dans l’atmosphère, l’occupation de l’espace, la consommation de ressource minérale et fossile, etc. La méthodologie sur laquelle je travaille cherche à anticiper les contraintes qui vont arriver, non pas en répondant à la question « quelle est la meilleure solution économique pour produire de la chaleur pour mon industrie », mais plutôt « quel est le coût économique d’une solution meilleure pour respecter les limites planétaires, tout en maintenant mon activité ». Il s’agit d’anticiper les contraintes environnementales et de les intégrer à la prise de décision. 

Vous vous êtes récemment rendu au Danemark pour travailler avec un laboratoire spécialisé sur la question des limites planétaires, le DTU Sustain. Pourquoi ?
Mon programme de doctorat prévoyait un séjour là-bas, en partie financé par le programme ERASMUS, pour développer la collaboration mise en place par le CETHIL. Le Department of Environmental and Resource Engineering de la Technical University of Denmark (DTU) est une entité de recherche pionnière sur l’étude des limites planétaires. Je m’y suis rendu pour comprendre comment les grands secteurs industriels impactaient chacune des limites. Par exemple, l’agriculture participe beaucoup à la modification de l’occupation des sols, qui est une des neuf limites planétaires définies. Le secteur de l’énergie lui, aura plus d’influence sur le réchauffement climatique ou la consommation de ressources. J’ai transposé cette méthodologie à mes travaux de thèse : en analysant le cycle de vie de la production de chaleur, je peux offrir une analyse environnementale qui ne fait plus seulement un comparatif entre deux produits, par exemple le gaz et l’électricité, mais qui prend aussi en compte les limites de la Terre.

 

Les limites planétaires (Stockholm Resilience Centre, CC BY)

 

Les industries devraient donc faire plus qu’établir un simple bilan carbone au moment d’analyser leurs impacts environnementaux ?
Effectivement. Le bilan carbone est bien sûr essentiel pour mesurer son impact sur le réchauffement climatique, mais celui-ci n’est pas la seule limite à prendre en compte. Il y a vingt ans, lorsqu’une industrie faisait son étude économique pour décider de l’énergie qu’elle allait utiliser, elle choisissait au moins cher, ce qui explique l’utilisation massive du gaz à l'heure actuelle. Aujourd’hui, si elle décide d’anticiper les contraintes qui vont arriver, elle devra intégrer des seuils maximums sur la pression que ses activités font peser sur les limites planétaires. Malheureusement, il n’existe pas forcément de méthodologie qui aille dans ce sens : au mieux, si elle veut être vertueuse, elle tentera de réduire son impact carbone ou plantera des arbres pour alléger celui-ci. En fait, ces méthodes de calculs se confrontent souvent à des objectifs de rentabilité qui sont mesurés sur du très court terme. Mais si on étend ces objectifs à une vision à long terme, il y a des décisions à prendre qui peuvent être plus intéressantes -économiquement- pour l’entreprise. 

Vous arrivez presque au terme de trois années d’étude sur le sujet. Quels sont les objectifs finaux de vos travaux de thèse ? 
Je souhaiterais pouvoir aboutir à une proposition de méthode qui fonctionne. Je ne cherche pas de vérité absolue mais une première approche qui permette de faire évoluer les lignes au sein d’industries dont les activités nécessitent une production de chaleur accrue et qui sont prêtes à avancer autrement. Le deuxième produit consisterait en un modèle d’optimisation, une sorte de logiciel qui permettrait, selon les machines et les process industriels d’analyser la meilleure solution technique pour produire cette chaleur. Mon objectif final serait surtout de pouvoir permettre un changement de cap et d’aller plus loin que le calcul : que les limites planétaires soient réellement comprises et intégrées au sein du monde industriel et que chaque entreprise puisse obtenir une réponse à la question : « quelle est la solution la plus soutenable pour mon industrie et la Terre ? ». 

 

[1] : Centre d’énergétique et de thermique de Lyon (INSA Lyon/CNRS/Lyon 1)

 

 

In situ compression of cerium oxides in environmental transmission electron microscopy

Doctorante : Rongrong ZHANG

Laboratoire INSA : MatéIS

Ecole doctorale : ED34 Matériaux de Lyon

Ceramic materials present excellent mechanical strength and are used in many fields. However, the most detrimental characteristic of ceramics is their brittleness, which restricts their application. Recent investigations have shown that nanoscale ceramic materials display superior plastic deformation than their bulk counterparts. This plastic behavior at the nanoscale might be interesting to improve the ceramic processing either by decreasing the energy needed during the process or by optimizing the microstructure obtained. However, few studies on plastic behavior of ceramic materials have been reported so far.
This study deals with cerium oxides nanocubes with sizes ranging between 20 and 130 nm. We use in-situ nanocompression tests in Environmental Transmission Electron Microscopy (ETEM) on isolated nanocubes. The cube geometry assures to test the cube along a known crystallographic direction <001>. During the test, stress/strain curves  are obtained from the sensor of the sample holder and coupled with video of the compressed nanoparticle.
Due to a reduction effect of the electron beam in the TEM, different structures are tested, from CeO2 to Ce2O3 depending on the experimental conditions (electron dose or presence of gas around the sample).
We conduct compression tests on bixbyite Ce2O3 and on fluorite CeO2. During compression of bixbyite, we observe the formation of perfect dislocations followed by their dissociation into partials with the formation of stacking faults. This mechanism can be compared to what is observed in FCC structures.
On fluorite CeO2, dislocations appear but rarely dissociate. By using several zone axes, dislocations can be indexed. With our results, the main slip system is identified as
<110>{111}. CeO2 also shows a strong size effect on strength. This size effect is found to depend on the electron dose rate and is reversible. It is discussed by using models from the literature and by considering the deformation mechanism.

Le Deeptech Tour met les projecteurs sur la Deeptech : des startups hautement technologiques qui façonnent le monde de demain, souvent issues de long travaux de recherche qui aboutissent sur une idée, une technologie qui changera notre quotidien. 

• Vous êtes chercheur et vous vous demandez comment donner davantage d’impact à vos travaux de recherche ? 
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Rejoignez le Deeptech Tour pour comprendre comment les projets Deeptech valorisent vos publications et votre thèse, comment les liens se tissent entre startup et monde de la recherche et comment vous lancer dans l’entrepreneuriat ; si cela vous tente. 

Derrière chaque startup Deeptech, il y a des individus qui étaient à votre place avant de se lancer. Ils et elles sont chercheurs, doctorants, étudiants ou entrepreneurs et ils ont décidé de valoriser leur travaux différemment. Venez les rencontrer, ils partageront avec vous leur histoire, leur parcours et leur passion. 

Au programme :

• Des tables rondes dont les maîtres mots sont concrets et actionnables
• Des retours d’expériences inspirationnels de personnes de ceux qui l’ont fait
• Des workshops en petits comités privilégiant l’échange et les interactions
• Des rencontres qui pourraient changer les choses 

 

 

 

Un évènement organisé par le département FEDORA (Formation par la Recherche et Études Doctorales) afin de récompenser les meilleurs travaux doctoraux de l’INSA Lyon.

Les lauréats 2021 :

Santé Globale et Bio-ingenierie
Nellie Della Schiava

Information et Sociétés Numériques
Jordan Bouaziz

Environnement : Milieux Naturels Industriels et Urbains
Géraldine Cabrera

Transport : Structures, infrastructures et Mobilités
Alice Dinsenmeyer

Energie pour un Développement Durable
Giulia Lombardi