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.

Deep learning based phase retrieval for X-ray phase contrast imaging

Doctorant : Kannara MOM

Laboratoire INSA : CREATIS
Ecole doctorale : ED160 : EEA Electronique Electrotechnique et Automatique

Le développement de sources de rayons X hautement cohérentes, telles que les installations de rayonnement synchrotron de troisième génération, a contribué de manière significative à l'avancement de l'imagerie à contraste de phase. Le degré élevé de cohérence de ces sources permet une mise en œuvre efficace des techniques de contraste de phase.
Le contraste de phase est une technique qui permet d'augmenter la sensibilité de plusieurs ordres de grandeur. Cette nouvelle technique d'imagerie a trouvé des applications dans un large éventail de domaines, notamment la science des matériaux, la paléontologie, la recherche sur les os, la médecine et la biologie.
Elle permet d’imager des échantillons faiblement absorbant, pour lesquels les méthodes traditionnelles basées sur l'absorption ne permettent pas d'obtenir un contraste suffisant. Plusieurs techniques d'imagerie sensibles à la phase ont été mises au point, dont l'imagerie basée sur la propagation, qui ne nécessite aucun équipement autre que la source, l'objet et le détecteur.
Bien que l'intensité puisse être mesurée à une ou plusieurs distances de propagation, l'information sur la phase est perdue et doit être estimée à partir de ces intensités, ou figures de diffraction, un processus appelé récupération de phase. Dans ce contexte, la récupération de phase est un problème inverse non linéaire mal posé.
Plusieurs méthodes ont été proposées pour récupérer la phase, soit en linéarisant le problème pour obtenir une solution analytique ou soit par des algorithmes itératifs.
L'objectif principal de cette thèse était d'étudier ce que les nouvelles approches d'apprentissage profond pourraient apporter à ce problème de récupération de phase. Divers algorithmes d'apprentissage profond ont été proposés et évalués pour résoudre ce problème. En particulier, le cas d'une distance unique, tout en prenant en compte l'information non-linéaire du modèle direct, a été considéré.

Evaluation of Electromagnetic Properties Affected by Mechanical Deformation in Non-Oriented Electrical Steel Using Magnetic Non-Destructive Testing

Doctorante : Shurui ZHANG

Laboratoire INSA : LGEF

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Electrical steel is an iron-silicon alloy with specific magnetic properties such as low power loss and high permeability. Electrical steels are massively used for the iron core of motors in electric vehicles. During manufacturing, mechanical stresses and strains are inevitably induced, leading to a degradation of the magnetic performance. Non- destructive testing solutions exist; they indirectly observe material states by setting conformity thresholds and removing all unsatisfactory specimens. Local properties can be observed with X-rays or advanced imaging techniques (such as EBSD), but their cost and complexity make them questionable in the industrial context. Considering that the working principle of the motor core is converting electrical energy to kinetic energy through electromagnetic interaction, this work proposes to use magnetic techniques. The IEC international standards describe classic experimental setups for magnetic characterization (Epstein frame, single-sheet tester, etc.). These methods enable the evaluation of magnetic behaviors via hysteresis curves, but it is destructive, non-local, and incompatible with in-line production. Besides, different mechanisms overlap during the hysteresis cycle characterization, making the influence of stress complex to be evaluated. Current studies on the electromagnetic properties affected by mechanical loading combine the hysteresis curve and magnetic Barkhausen noise (MBN) measurements. However, a comprehensive exploration of the magnetic behavior influence caused by mechanical issues and the corresponding mechanism still needs further understanding. In this work, a combination of several techniques was considered. Integrating multiple detection methods provided more information and support for the integrated analysis of magnetic behavior but also introduced more parameters accordingly. These parameters, introduced more information into the system, leading to complementary conclusions and a very accurate estimation of the mechanical properties and degradation status.

Approche décentralisée de la machine synchrone à bobinage ouvert et de sa commande

Doctorant : Louis DASSONVILLE

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

L’objectif de ce travail est de concevoir un groupe motopropulseur (GMP) résilient aux défauts. Les applications visées sont la mobilité électrique, l’aéronautique et les autres applications qui requièrent un haut niveau de fiabilité. Le travail présenté a pour but d’explorer la résilience des machines synchrones à aimants permanents (MSAPs) à bobinage ouvert, qu’elles soient triphasées ou multiphases. L’approche proposée cherche à rendre chaque enroulement de la machine indépendant. Cette indépendance concerne non seulement la machine elle-même, mais aussi l’électronique et la commande, afin de garantir un haut niveau de résilience, quel que soit l’origine du défaut. Des simulations ainsi que des essais expérimentaux permettent de valider cette approche. Cette nouvelle approche décentralisée du groupe motopropulseur ouvre beaucoup de nouvelles perspectives de recherche, que ce soit dans le domaine des machines électriques, de l’électronique ou de la commande. Cette thèse CIFRE menée en collaboration entre le laboratoire Ampère et l’entreprise Keep’Motion offre l’opportunité de développer un GMP industrialisable d’une très haute fiabilité.

 

 

Formation de voies adaptative et identification de microbulles pour l'imagerie par localisation ultrasonore

Doctorant : Alexandre CORAZZA

Laboratoire INSA : CREATIS
Ecole doctorale : ED160 : EEA

Caractériser le réseau vasculaire est essentiel pour diagnostiquer des pathologes liées à la structure vasculaire et au flux sanguin. Pour cela, l’imagerie par localisation ultrasonore (ILU) a récemment été élaborée. Son principe réside dans l’injection de microbulles (MBs) par voie veineuse. Des mesures ultrasonores (US) sont acquises au cours du temps. Des séquences d’images US sont construites à partir de celles-ci avec la méthode de formation de voies (FV) standard du Delay and Sum (DAS). Sur ces images, des points brillants en mouvement correspondant aux MBs peuvent être visualisés. L’ILU consiste à identifier les MBs, localiser avec précision leur centre et les suivre au cours du temps pour tracer la carte du réseau vasculaire avec une résolution de l’ordre de la dizaine de micromètre. L’objectif de cette thèse est d’étudier l’influence de l’étape de FV sur les résultats de l’ILU. Cette interrogation est motivée par la capacité de méthodes de FV adaptatives à améliorer la résolution des images US, et/ou à atténuer les tissus biologiques et le bruit sur ces images, ce qui permettrait de faciliter l’identification des MBs. Les contributions s’inscrivent tout d’abord dans l’évaluation des méthodes de FV adaptatives dans le contexte de l’ILU, montrant une augmentation du nombre de MBs détectées sur des données in silico. Sur des données in vivo, il est montré que les méthodes d’identification des MBs de la littérature ne sont pas adaptées pour une comparaison équitable des méthodes de FV. Puis, une nouvelle méthode d’identification de MB basée sur la théorie de la décision est proposée. D’abord évaluée avec le DAS sur des données in vivo, cette méthode d’identification offre une amélioration de la complétion et de la résolution des cartes de réseau vasculaire. Enfin, en combinant cette méthode à la FV adaptative, des cartes du réseau vasculaire plus complètes peuvent être générées.

.

Emissions codées simultannées en synthèse d'ouverture pour l'imagerie ultrasonore

Doctorant : Franck Nicolet

Laboratoire INSA : CREATIS
Ecole doctorale : ED160 EEA

Dans sa forme conventionnelle, l’imagerie ultrasonore focalisée, la cadence d’image est limitée à quelques dizaines d’images par seconde. Durant les deux dernières décennies, l’imagerie ultrasonore a connu une véritable révolution avec l’apparition de l’imagerie dite ultrarapide, permettant d’imager avec une cadence d’image de plusieurs milliers d’images par seconde. Cette augmentation de la cadence d’image a permis l’émergence de nouveaux modes d’imagerie ultrasonores tels que l’imagerie fonctionnelle ou paramétrique, proposant de nouveaux outils de diagnostic pour les cliniciens. Cependant, toutes les méthodes d’imagerie ultrasonore ultrarapide souffrent d’un compromis entre cadence et qualité d’image.
Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse est de développer des méthodes d’acquisition et de reconstruction d’images ultrasonore permettant d’optimiser la cadence d’image sans dégradation de la qualité. Pour cela, les émissions codées, dérivées des télécommunications et de l’imagerie RADAR, sont utilisées. L’axe principal de cette thèse concerne l’augmentation de la cadence d’image en imagerie ultrasonore par synthèse d’ouverture (STA). Classiquement, cette méthode d’imagerie permet d’atteindre une grande qualité d’image mais souffre d’une cadence d’image réduite. Le principe développé dans cette thèse consiste à activer simultanément plusieurs émetteurs en appliquant un encodage spatio-temporel à ces derniers. En utilisant cette méthode, nous montrons dans le chapitre V qu’un gain en cadence d’image d’un facteur 5 peut être atteint lors d’acquisitions expérimentales, sans dégradation de la qualité d’image. Un second axe investigué dans cette thèse consiste à augmenter la cadence d’image en imagerie par ondes planes (PWI) par l’émission simultanée de plusieurs ondes planes codées. Cet axe est décrit dans le chapitre VI. Un modèle direct est décrit et utilisé pour résoudre le problème inverse associé afin de reconstruire le milieu imagé. Dans ce chapitre, nous montrons que cette méthode permet d’améliorer simultanément la cadence et la qualité d’image lors d’acquisitions expérimentales.
 

Nouvelle architecture de SPAD (Single-Photon Avalanche Diode) intégrée dans une technologie 3D avancée

Doctorant : Antonin ZIMMER

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

Ces travaux portent sur le développement de nouvelles architectures de SPAD (Single- Photon Avalanche Diode), un type de photodétecteur utilisé notamment pour faire de la mesure de distance par temps de vol en raison de sa bonne résolution temporelle. L’objectif de la thèse est de réduire les dimensions spatiales de la SPAD qui est constituée d'une jonction PN implémentée dans un volume de matériau semiconducteur et polarisée en inverse au-delà de la tension de claquage. Dans ce but, les travaux présentés introduisent une nouvelle architecture de SPAD basée sur le concept de
« focalisation des charges », nommée SPAD sphérique. Ce travail de thèse est composé de trois volets : (1) la présentation de simulations TCAD dont le but est d’étudier les caractéristiques du comportement de la SPAD sphérique par la modélisation de ses critères de performance, (2) la conception de prototypes intégrés dans une technologie CMOS 3D et (3) la caractérisation électro-optique de l’architecture proposée afin de valider les résultats de simulations et d’évaluer les performances réelles des prototypes. Les travaux réalisés ont révélé les limites de la simulation TCAD en 2D et donc la nécessité de développer de nouvelles méthodologies (3D par exemple). Malgré la complexité du procédé technologique employé et les contraintes du contexte industriel, des prototypes fonctionnels ont été réalisés et les résultats des mesures effectuées sur ces derniers montrent le potentiel de l’architecture proposée pour atteindre des performances satisfaisantes au pas de pixel proche de l’état de l’art.

Dosimetry for 177Lu and 90Y radionuclide therapies through imaging and Monte Carlo simulations

Doctorante : Laure VERGNAUD

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

La radiothérapie interne vectorisée est un nouveau type de traitement contre le cancer qui consiste à injecter par intraveineuse un médicament radioactif qui va venir se fixer aux cellules tumorales, être internalisé et les détruire. Il est composé d’un radioisotope (ici le 177Lu) et d’un vecteur sélectionné selon le type de récepteurs sur-exprimés par les cellules tumorales. Ce traitement a démontré son efficacité pour les tumeurs neuroendocrines de l’intestin moyen, progressives et avancées (TNE) et pour les cancers de la prostate métastatiques résistants à la castration.
Cependant, les plans de traitement sont standardisés alors que des études ont montrées que les doses absorbées par les organes à risque et les tumeurs diffèrent d’un patient à un autre. Afin de pouvoir les personnaliser, il est donc nécessaire d’estimer les doses absorbées et de les mettre en regard avec les toxicités et l’efficacité du traitement comme cela est fait en radioembolisation (injection intra-hépatique de microsphères d’90Y).
La dosimétrie est réalisée à partir de la biodistribution du médicament au cours du temps obtenue grâce à une gamma caméra. Cependant, les nombres et les temps d’acquisitions sont conditionnés par les contraintes cliniques. C’est pourquoi, la première contribution a eu pour objectf de fournir un workflow dosimétrique s’adaptant au nombre d’acquisitions disponibles pour les thérapies au 177Lu-DOTATATE (TNE).
Plus récemment, les gamma caméras CZT ont permis de réduire les durées d’acquisition tout en conservant la qualité de l’image. Une seconde contribution a consisté à évaluer les performances quantitatives de ce type de caméra pour la dosimétrie au 177Lu avant de réaliser la dosimétrie des patients traités au 177Lu-PSMA (cancer de la prostate) dont les résultats préliminaires sont disponibles.
Enfin, l’impact de la correction du mouvement respiratoire sur la dosimétrie prédictive en radioembolisation a été évalué (3ième contribution).

 

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.

 

Séminaire du Professor Tsunenobu Kimoto Departement of Electronic Science and Engineering Université de Kyoto au Japon.

Le Professeur T. Kimoto est un grand spécialiste des composants de puissance en carbure de silicium.