Détection et description de points clés par apprentissage en vue d'un recalage à grande échelle

Doctorant : Nicolas LOISEAU

Laboratoire INSA : CREATIS
Ecole doctorale : ED160 EEA

Les hôpitaux génèrent de plus en plus d'images médicales en 3D. Ces volumes nécessitent un recalage automatique, en vue d'être analyser de manière systématique et à grande échelle. Les points clés sont utilisés pour réduire la durée et la mémoire nécessaire à ce recalage et peuvent être détectés et décrits à l'aide de différentes méthodes classiques, mais également à l'aide de réseaux neuronaux, comme cela a été démontré de nombreuses fois en 2D. Cette thèse présente les résultats et les discussions sur les méthodes de détection et de description de points clés à l'aide de réseaux neuronaux 3D. Deux types de réseaux ont été étudiés pour détecter et/ou décrire des points caractéristiques dans des images médicales 3D. Les premiers réseaux étudiés permettent de décrire les zones entourant directement les points clés, tandis que les seconds effectuent les deux étapes de détection et de description des points clés en une seule fois.

Study of the noise aging mechanisms in single-photon avalanche photodiode for time-of-flight imaging (Etude des mécanismes de vieillissement du bruit de photodiode à avalanche à photon unique pour l’imagerie par temps de vol)

Doctorant : Mathieu SICRE

Laboratoire INSA : INL
Ecole doctorale : EDA160 : Électronique, Électrotechnique, Automatique

Les diodes à avalanche à photon unique (SPAD) sont utilisées pour les capteurs à temps de vol afin de déterminer la distance d'une cible. Cependant, ils sont sujets à des déclenchements parasites par des porteurs de charge générés de manière parasitaire, quantifiés en tant que taux de comptage dans l’obscurité (DCR), ce qui peut compromettre la précision de la distance mesurée. Pour résoudre ce problème, une méthodologie de simulation a été mise en place pour évaluer le DCR. Cela est réalisé en simulant la probabilité de claquage d'avalanche, intégrée avec le taux de génération de porteurs de charge à partir de défauts. Cette méthodologie permet d'identifier les sources potentielles de DCR avant stress. Pour garantir l'intégrité des mesures de distance sur une longue période, il est nécessaire de prédire le niveau de DCR dans diverses conditions d'exploitation. La méthodologie de simulation susmentionnée est utilisée pour identifier les sources potentielles de DCR après stress. Pour un modèle cinétique précis de dégradation de type porteurs chauds (HCD), il est essentiel de considérer non seulement la distribution d'énergie des porteurs, mais également la distribution de l'énergie de dissociation de la liaison Si-H à l'interface Si/SiO2. La probabilité de dissociation d'ionisation d'impact est utilisée pour modéliser le processus de création de défauts, qui présente une dépendance temporelle sous-linéaire en raison de l'épuisement progressif des précurseurs de défauts. Une mesure précise de la distance nécessite de distinguer le signal du bruit ambiant et du plancher de DCR. L'impact de DCR peut être estimé en considérant la réflectance de la cible et les conditions d'éclairage ambiant. En résumé, ce travail utilise une méthodologie de caractérisation et de simulation approfondie pour prédire le DCR dans les dispositifs de type SPAD le long de sa durée de vie, permettant ainsi d'évaluer son impact sur les mesures de distance.

Unraveling virulence regulation in pectinolytic bacteria: Insights from ArcZ and RsmC. How do these molecular maestros shape virulence in the Dickeya genus?

Doctorante : Typhaine BRUAL 

Laboratoire INSA : MAP

Ecole doctorale : ED341 : Évolution, Écosystèmes, Microbiologie, Modélisation

Pectinolytic bacteria of the genus Dickeya thrive in diverse ecological niches including water, soil and plants, adapting to complex and ever-changing environments shaped by various biotic and abiotic interactions.
In this thesis, we investigated the mechanisms that regulate the virulence of the genus Dickeya, in particular D. dadantii and D. solani.
Our main findings concern post-transcriptional regulation exerted by the sRNA ArcZ and post-translational regulation modulated by the protein RsmC.
ArcZ is a key player in D. solani adaptation, regulating motility according to environmental conditions and enhancing virulence during plant infection. In addition, ArcZ plays a critical role in acid resistance.
RsmC, in turn, is involved in the regulation of motility and has a complex role in virulence. Our results suggest novel interactions for RsmC and open perspectives for studying other undocumented functions.
In a word, our study reveals how regulators such as ArcZ and RsmC orchestrate bacterial responses to a dynamic environment. These findings highlight the adaptability of Dickeya species and underscore the importance of ecological context in the study of bacterial behavior.

Robust and Privacy-Preserving Federated Learning

Doctorante : Fatima ELHATTAB

Laboratoire INSA : LIRIS
Ecole doctorale : ED512 : Infomaths

Federated Learning opens interesting perspectives in privacy sensitive domains, such as healthcare or user mobility, that were so far reluctant towards AI and machine learning techniques. Indeed, with such decentralized Federated Learning protocols, data is kept private at the client side, instead of sending it to a remote service/cloud as done in classical approaches. However, Federated Learning unveils a brand new set of challenges. Recent studies show that Federated Learning is vulnerable to malicious users participating to the distributed protocol, if such users perform data poisoning attacks in order to make the AI and global model deviate from its correct behavior [2][7][11]. Malicious users do not rigorously follow the protocol, either innocently, due to human or system errors, or intentionally, due to adversarial behaviors. Such behaviors may end up, for instance, with disease data mislabelling in digital healthcare systems, wrong radiation information in radiation detection systems. The state-of-the-art approaches to tackle malicious clients in classical distributed machine learning make assumptions that do not hold in the case of decentralized Federated Learning systems, such as the fact that clients’ data are identically distributed among clients and independent from each other [10]. However, data present on client devices are collected by the clients themselves, based on thclients’ own usage pattern and local environment. Both the size and the distribution of clients’ data heavily vary between different clients. Thus, there is a need for novel algorithms and techniques to efficiently detect data poisoning attacks and counter them in Federated Learning systems. The research objective of this PhD project is to derive novel Federated Learning protocols that are resilient to data poisoning attacks. The key tasks of this project are: (i) Exploring different types of attacks in Federated Learning, under different use cases, such as disease data mislabelling in digital healthcare systems (ii) Deriving various attack implementations (e.g., data label poisoning, data feature poisoning) in real-world datasets, and proposing detection mechanisms based on techniques such as generative adversarial networks [8], model output and gradient monitoring, etc.

Etude multi-physique et multi-échelle de la réaction d'hydratation du sulfate de calcium hémihydraté

Doctorant : Alexandre FANTOU

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

En raison de leur capacité de prise, les liants hydrauliques sont utilisés à des fins très variées (matériaux de construction, substituts osseux, ...).
La réaction de prise est toujours initiée par le mélange d'une ou plusieurs poudres fines avec une solution aqueuse.
La dissolution des poudres réactives initiales entraîne la formation d'une pâte visqueuse, dont les propriétés évoluent avec le temps pour former une céramique poreuse monolithique par la nucléation et la précipitation de phase(s) plus stable(s).

Dans le cadre de cette thèse, le plâtre CaSO4.2H2O obtenu par la réaction d'hydratation du sulfate de calcium hémihydraté CaSO4.0,5H2O est étudié dans des conditions standards (e.g., rapport massique liquide/solide, température et pression), afin de développer des techniques de caractérisation multi-physiques et multi-échelles in-situ et ex-situ pour suivre l'évolution de:
-    la composition des phases (réaction de dissolution et de précipitation) à l'aide de mesures calorimétriques, de la diffractométrie des rayons X et de la spectrophotométrie infrarouge à transformée de Fourier;
-    la microstructure à l'aide de la microscopie électronique à balayage et de la microtomographie aux rayons X;
-    les propriétés mécaniques en utilisant la mesure de vitesse de propagation des ultrasons, l'analyse mécanique dynamique en cisaillement et en compression et le test de résistance en compression.
Ce panel de techniques a permis de suivre et de corréler les différentes transitions physiques survenant au cours de la réaction de prise et ainsi de dresser un portrait global des phénomènes physiques mis en jeu.

Fonctionnalisation d'alcools hétérocycliques saturés par la méthodologie d'auto-transfert d'hydrogène

Doctorant : Jordan FRANCOIS

Laboratoire INSA : ICBMS - COB
Ecole doctorale : ED206 : Chimie de Lyon

Bien que les alcools soient très répandus et accessibles, leur utilisation dans les réactions de substitution classiques pour la formation de nouvelles liaisons C-C ou C-N requiert généralement une activation stœchiométrique (oxydation ou conversion en halogénoalcane). Aussi, au cours des dernières décennies, la méthodologie d’Auto-Transfert d'Hydrogène (ATH) a émergé comme une alternative intéressante et plus respectueuse de l'environnement. Cette transformation permet la fonctionnalisation directe d’alcools avec divers nucléophiles (amines, α-méthylcétones, phosphonates,..). Cette réaction catalytique implique un métal (Ir, Ru, Fe,..) effectuant une oxydation de l'alcool, en empruntant temporairement ses hydrogènes. Un nucléophile activé effectue ensuite une condensation avec un aldéhyde ou une cétone (résultant de l’oxydation), libérant une molécule d'eau. Enfin, le produit insaturé est réduit, régénérant le catalyseur et formant une nouvelle liaison C-C ou C-N.
Notre groupe de recherche, axé sur la fonctionnalisation d’alcools biosourcés, a utilisé la méthodologie ATH pour l’amination de polyols. C’est notamment le cas de l'isosorbide, un diol biosourcé chiral obtenu par double déshydratation du sorbitol (dérivé de la cellulose), largement utilisé dans diverses applications dans le domaine pharmaceutique et des polymères entre autres. Encouragés par les résultats obtenus lors de l'amination de l’isosorbide par ATH, nous avons cherché à effectuer l’élongation C-C de ce diol en utilisant la pentaméthylacétophénone (Ph*C(O)Me) comme nucléophile en présence d’un complexe d’iridium.
La réactivité modérée et l’excellente diastéréosélectivité observées nous ont poussé à simplifier le motif isosorbide en étendant notre méthodologie à d’autres alcools hétérocycliques saturés. Les facteurs et groupements fonctionnels exerçant une influence sur la réactivité et la diastéréosélectivité observées ont été en partie élucidés à partir de calculs (DFT) dans le cadre d'une collaboration avec l'équipe ITEMM (ICBMS, Lyon). Enfin, nous avons exploité le motif Ph* (C6Me5) afin de post-fonctionnaliser les cétones obtenues par ATH en acides, esters et amides via une réaction de rétro Friedel-Crafts.

Régulation globale de la transcription bactérienne par le surenroulement de l’ADN

Doctorante : Maïwenn PINEAU

Laboratoire INSA : MAP
Ecole doctorale : ED 341 : E2M2 – Evolution, Ecosystèmes, Microbiologie, Modélisation

Chez les bactéries, le chromosome est situé dans le cytoplasme, sous une forme très compacte. Cette compaction résulte notamment du surenroulement de l'ADN (SC), c'est à dire de la déformation torsionnelle de la double-hélice de l’ADN. Selon les conditions environnementales rencontrées par les bactéries, le niveau de SC peut varier. Ce niveau est principalement contrôlé par la gyrase, qui augmente le niveau de SC, et la topoisomérase I, qui relâche l'ADN. La régulation du niveau de SC est très importante car le SC est un régulateur de l'expression des gènes. L'objectif de ma thèse est de caractériser la régulation globale de la transcription bactérienne par le SC. Nous avons obtenu le premier transcriptome d'une bactérie à Gram négatif à une inhibition de sa topoisomérase I avec un antibiotique. Nous avons mis une nouvelle fois en évidence une régulation globale et complexe de la transcription par le SC et nous avons découvert que la réponse des gènes à une variation de SC dépend du niveau d'expression et du contexte génomique des gènes, de la direction de la variation de SC et du contexte physiologique de la bactérie. J’ai ensuite développé un package Python facilitant les analyses statistiques reproductibles de données expérimentales (ChIP-Seq, RNA-Seq…) et d'annotations dans le cadre de l'étude de l'expression d'un génome bactérien selon ses propriétés spatiales. Avec ce package j’ai pu exploiter des données publiées sur la fixation de la topoisomérase I et de la gyrase le long du chromosome. En analysant ces données qui donnent un aperçu du niveau de SC local, j'ai pu, d’une part, étudier l'effet de la transcription sur le niveau de SC à une échelle de 10 à 20 kb autour des unités de transcription et, d’autre part, observer une organisation méconnue du chromosome en domaines de 100 kb environ.

Étude théorique et numérique de systèmes thermophotoniques en champ proche appliqués à la récupération d'énergie

Doctorant : Julien LEGENDRE

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED162 MEGA

Dans un système thermophotonique en champ proche, une diode électroluminescente chaude est placée à faible distance d'une cellule photovoltaïque maintenue à température ambiante. Le rayonnement émis par la diode électroluminescente, qui présente une intensité élevée grâce aux phénomènes d'électroluminescence et d'effet tunnel de photons, permet à la cellule photovoltaïque de produire une quantité importante d'énergie électrique : le système convertit la chaleur fournie au corps chaud en électricité. Dans cette thèse, on analyse le fonctionnement de ce système par des approches théoriques et numériques. La conversion rayonnement-puissance électrique ayant lieu dans les deux composants est d'abord modélisée à l'aide d'équations de conservation. Cela permet de développer une expression analytique de la valeur maximale de l'efficacité au maximum de puissance pour un rayonnement monochromatique ou à large spectre. Des efficacités quantiques élevées doivent être considérées pour rendre la puissance de sortie et l'efficacité compétitives. Le transport de charges dans les semi-conducteurs est ensuite simulé grâce à un code résolvant les équations de dérive-diffusion en une dimension et incluant l'émission thermoïonique et l'effet tunnel aux interfaces, permettant l'étude de structures réalistes. L'optimisation de systèmes composés d'homostructures permet d’introduire un dispositif capable de générer une puissance maximale de l'ordre du W.cm-2 pour une diode électroluminescente à 600
K. Son analyse révèle l'importance de la configuration en champ proche, l'augmentation de l'efficacité quantique qu'elle induit étant essentiel au bon fonctionnement du système. On propose finalement un dispositif plus robuste, basé sur des hétérostructures composées de couches actives en InGaAs et de couches de confinement en InGaP. Cette architecture permet de conserver une puissance électrique élevée même lorsque des pertes auparavant négligées sont considérées, la puissance maximale ne diminuant alors que d'un facteur 4. Ces travaux démontrent que cette technologie de récupération d’énergie originale est prometteuse pour des températures de quelques centaines de degrés Celsius.

 

Connaissance métier et fonctions en science des données - Application à la production d'hydroélectricité

Doctorant : Pierre FAURE--GIOVAGNOLI

Laboratoire INSA : LIRIS

Ecole doctorale : ED512 Informatique Et Mathématiques de Lyon

Dans cette thèse, nous étudions le lien entre la connaissance métier sous forme d'une fonction et la science des données. Soit D(y, z1, ..., zn) un ensemble de données et y=f(z1, ...., zn) une fonction métier. Nous nous intéressons aux questions suivantes, simples mais cruciales pour un expert en science des données. Comment définir la satisfaction de f dans D? Comment mesurer efficacement cette satisfaction ? Comment cette satisfaction est-elle liée à la tâche d'apprentissage supervisé consistant à apprendre f à partir de D? Ces problèmes sont liés à l'étude des contre-exemples par l'utilisation des dépendances fonctionnelles (DF) et, en particulier, des mesures permettant de quantifier la satisfaction des DFs dans un ensemble de données tel que l'indicateur g3. Nous considérons le cas où l'égalité est remplacée par des prédicats plus flexibles. Premièrement, nous examinons l’impact de propriétés communes sur la difficulté du calcul du g3 avec prédicats. Nous montrons que la symétrie et la transitivité sont suffisantes pour garantir que l'erreur g3 puisse être calculée en temps polynomial. Deuxièmement, nous étudions le calcul de g3 dans les cas polynomial et NP-difficile identifiés dans la première partie. Nous proposons différentes solutions exactes et approximées pour le calcul de g3 dans les deux cas. Nous comparons ces solutions dans une étude expérimentale détaillée. Tous les algorithmes sont également disponibles via fastg3, une librairie Python open. Troisièmement, nous connectons l'étude des contre- exemples et l'indicateur g3 à l'apprentissage supervisé à l'aide d'une application web appelée ADESIT. ADESIT permet d'évaluer la capacité d'un ensemble de données à donner de bons résultats pour un problème d'apprentissage supervisé par le biais de statistiques et d'une exploration visuelle. Enfin, nous validons notre approche par une application au problème industriel de la surveillance de l'entrefer dans les générateurs hydrauliques.

Développement de méthodes de fusion, modélisation et classification des indicateurs vibratoires de surveillance des ensembles mécaniques basées sur les paramètres d’utilisation. Application à l’hélicoptère

Doctorant : Maxime MEUTERLOS

Laboratoire INSA : LVA

Ecole doctorale : ED162 MEGA

Les systèmes VHMS (Vibration Health Monitoring System) installés sur les hélicoptères ont un rôle stratégique pour augmenter la sécurité en vol des opérateurs et passagers. Ces systèmes consistent à enregistrer des données opérationnelles en vol, en particulier de nature vibratoire, et à surveiller l’intégrité des ensembles mécaniques par le biais d’indicateurs issus du traitement des signaux. Le principe de base se fonde sur le postulat que l’apparition d’un mode de défaillance engendre une évolution caractéristique des valeurs des indicateurs. Une limite rencontrée par les systèmes VHMS est cependant liée à la forte dépendance des indicateurs aux conditions de vol qui, pour les hélicoptères, sont susceptibles de varier rapidement et de manière complexe. Ces variations, aujourd’hui difficilement maîtrisées, peuvent masquer la signature d’une défaillance mécanique. Il en résulte donc une ambigüité sur l’interprétation de l’origine d’évolution observée des indicateurs. \\ \\
Dans ce manuscrit, des méthodes de normalisation sont développées permettant d’estimer des indicateurs vibratoires normalisés, c'est-à-dire insensibles aux conditions de vol. Dans un premier temps, une revue des méthodes de normalisation couramment utilisées dans la littérature est présentée. Dans un deuxième temps, un cadre statistique paramétrique modélisant les indicateurs vibratoires est proposé et repose sur des modélisations cyclostationnaires du signal vibratoire. Ce cadre paramétrique sera utilisé pour construire deux approches de normalisation des indicateurs vibratoires. La première basée sur le clustering-classification permettant de lier les phases de vol de l’hélicoptère à la statistique de l’indicateur vibratoire. Puis, une deuxième basée sur la régression de paramètres de distributions de quantile conditionnées sur les paramètres de vol expliquant la variabilité des indicateurs de santé. En parallèle, une étude de sensibilité permettant d’identifier ses paramètres de vol est menée.