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The increase in operational requirement related to infrared detectors, mainly the increase in operating temperature or the improvement of the image quality, highlights the problematic of the study and reduction of the number of pixels presenting low frequency noise, such as the random telegraph noise (RTS), which is characterized by a signal alternating between multiple stable states, creating “blinking” pixels. The objective of this thesis is to characterize the effect of one of the principal environmental conditions of a HgCdTe-based infrared detector, bias voltage, on the parameters of the random telegraph pixels for different operating temperatures. To this end, we developed a new automated tool for the detection and characterization of the random telegraph pixels of the detectors. This tool is based on two algorithms. The first one, based on the detection of jumps is developed and validated on simulated and real cases. However it can make false detections or incorrect characterizations in presence of moderate 1/f noise. To overcome this limited we developed an algorithm separating the low frequency component from the random telegraph signal. A new study on simulated and real RTS showed that this second algorithms has no false detections significantly improves the characterization thanks to a better RTS reconstruction. Thanks to this tool, we conducted a study of the effect of the bias voltage on the number of random telegraph pixels detected, on their jump amplitude, and their blinking frequency in a HgCdTe n/p detector. We have shown that the bias voltage increases the number of detected random telegraph pixels, as well as their amplitude, with no apparent effect on the blinking frequency.; L’augmentation des exigences opérationnelles relatives aux détecteurs infrarouge, notamment l’augmentation de la température de fonctionnement et l’amélioration de la qualité image, amène la problématique de l’étude et de la réduction du nombre de pixels présentant du bruit basse fréquence, comme le bruit télégraphique (RTS pour Random Telegraph Signal) assimilable à un « clignotement ». L’objectif de cette thèse est de caractériser l’effet d’une des principales conditions environnementales d’un détecteur infrarouge matriciel à base de HgCdTe, la tension de polarisation, et donc le champ électrique appliqué aux photodiodes, sur les paramètres des pixels clignotants pour différentes températures de fonctionnement. Pour cela, nous avons été amenés à développer un nouvel outil de détection et de caractérisation automatique des pixels clignotants de la matrice. Cet outil est basé sur l’utilisation de deux algorithmes. Le premier algorithme est basé sur la détection de sauts. Son évaluation sur des signaux RTS simulés a mis en évidence de fausses détections et de mauvaises caractérisations en présence de bruit en 1/f modéré. Pour dépasser cette limite, un second algorithme de séparation du bruit en 1/f et du RTS a été développé. Une nouvelle étude sur les signaux RTS simulés a montré que ce second algorithme permet de supprimer les fausses détections et d’améliorer de manière significative la caractérisation grâce à une meilleure reconstruction du signal RTS. Cet outil nous a ensuite permis de réaliser une étude de l’effet de la tension de polarisation sur le nombre de pixels clignotants détectés, leur amplitude de saut, ainsi que leur fréquence de clignotement dans un détecteur en HgCdTe de technologie n/p. Nous avons en particulier montré que la tension de polarisation augmente le nombre de pixels détectés, ainsi que leur amplitude mais n’a pas d’effet manifeste sur leur fréquence de clignotement.

Material under review by journal Geophysics.

Diffuse Optical Tomography (DOT) is a new medical imaging technique used to reconstruct the optical properties of biological tissues in order to detect cancerous tumors. However, this is an ill-posed and under-determined inverse problem. The work of this thesis deals with the resolution of this problem using the radiative transfer equation as a forward model of light propagation. The sensitivity analysis showed that the anisotropy factor g of the Henyey-Greenstein phase function is the most sensitive parameter of the forward model followed by the scattering coefficient µs and then the absorption coefficient µa. In a first step, a Gauss-Newton algorithm was implemented using the sensitivity functions. However, this algorithm allows to estimate a very limited number of the optical parameters (assumed to be constant in space). In a second step, a Quasi-Newton algorithm was developed to reconstruct the spatial distributions of the optical properties. The gradient of the objective function was efficiently computed by the adjoint method through the Lagrangian formalism with a Multi-frequency approach. The reconstructed images were obtained from simulated boundary data. The g factor was reconstructed as a new optical contrast agent in DOT and the crosstalk problem between this factor and µs has been studied. The results showed that the algorithm is efficient to reconstruct in 2D and 3D one or several tumor inclusions having different shapes. The quality of the reconstructed images was examined according to several parameters: the number of frequencies, the crosstalk, the contrast and the noise levels, La Tomographie Optique Diffuse (TOD) est une nouvelle technique d'imagerie médicale permettant de reconstruire les propriétés optiques des tissus biologiques dans le but de détecter des tumeurs cancéreuses. Il s’agit, toutefois, d’un problème inverse mal-posé et sous-déterminé. Le travail de cette thèse s’articule autour de la résolution de ce problème en utilisant l’équation du transfert radiatif comme modèle de propagation de la lumière (modèle direct). L’analyse de sensibilité a montré que le facteur d’anisotropie g de la fonction de phase de Henyey-Greenstein est le paramètre le plus influant sur la sortie du modèle direct suivi du coefficient de diffusion µs puis du coefficient d’absorption µa. Dans un premier temps, un algorithme de Gauss-Newton a été implémenté en utilisant les fonctions de sensibilités. Toutefois, ce dernier ne permet d’estimer qu'un nombre très limité de paramètres optiques (supposés constants en espace). Dans un second temps, un algorithme de Quasi-Newton a été développé pour reconstruire les distributions spatiales des propriétés optiques. Le gradient de la fonction objectif a été calculé efficacement par la méthode adjointe à travers le formalisme de Lagrange avec une approche Multi-fréquences. Les reconstructions sont obtenues à partir des données simulées en surface. Le facteur g est reconstruit comme un nouvel agent de contraste en TOD. Le problème de diaphonie entre µs g a été donc mis en évidence dans cette thèse. Notre algorithme a permis de reconstruire en 2D et 3D une ou plusieurs inclusions tumorales présentant différentes formes. La qualité des images reconstruites a été examinée en fonction du nombre de fréquences, de la diaphonie, du niveau de contraste (Inclusion/Fond), du niveau de bruit et de la position des inclusions tumorales

Les artéfacts métalliques entraînent un épaississement artéfactuel de la paroi des tuteurs en tomodensitométrie (TDM) avec réduction apparente de leur lumière. Cette étude transversale prospective, devis mesures répétées et observateurs avec méthode en aveugle, chez 24 patients consécutifs/71 tuteurs coronariens a pour objectif de comparer l’épaisseur de paroi des tuteurs en TDM après reconstruction par un algorithme avec renforcement des bords et un algorithme standard. Une angiographie coronarienne par TDM 256 coupes a été réalisée, avec reconstruction par algorithmes avec renforcement des bords et standard. L’épaisseur de paroi des tuteurs était mesurée par méthodes orthogonale (diamètres) et circonférentielle (circonférences). La qualité d’image des tuteurs était évaluée par échelle ordinale, et les données analysées par modèles linéaire mixte et régression logistique des cotes proportionnelles. L’épaisseur de paroi des tuteurs était inférieure avec l’algorithme avec renforcement des bords comparé à l’algorithme standard, avec les méthodes orthogonale (0,97±0,02 vs 1,09±0,03 mm, respectivement; p, Metallic artifacts can result in an artificial thickening of the coronary stent wall which can significantly impair computed tomography (CT) imaging in patients with coronary stents. The purpose of this study is to assess the in vivo visualization of coronary stent wall and lumen with an edge-enhancing CT reconstruction kernel, as compared to a standard kernel. This is a prospective cross-sectional study of 24 consecutive patients with 71 coronary stents, using a repeated measure design and blinded observers, approved by the Local Institutional Review Board. 256-slice CT angiography was used, as well as standard and edge-enhancing reconstruction kernels. Stent wall thickness was measured with orthogonal and circumference methods, averaging wall thickness from stent diameter and circumference measurements, respectively. Stent image quality was assessed on an ordinal scale. Statistical analysis used linear and proportional odds models. Stent wall thickness was inferior using the edge-enhancing kernel compared to the standard kernel, either with the orthogonal (0.97±0.02 versus 1.09±0.03 mm, respectively; p

A wireless body area network (WBAN) is a new class of wireless networks dedicated to monitor human physiological parameters. It consists of small electronic devices, also called nodes, attached to or implanted in the human body. Each node comprises one or many sensors which measure physiological signals, such as electrocardiogram or body heat, and the characteristics of the surrounding environment. These nodes are mainly subject to a significant energy constraint due to the fact that the miniaturization has reduced the size of their batteries. A solution to minimize the energy consumption would be to compress the sensed data before wirelessly transmitting them. Indeed, research has shown that most of the available energy are consumed by the wireless transmitter. Conventional compression methods are not suitable for WBANs because they involve a high computational power and increase the energy consumption. To overcome these limitations, we use compressed sensing (CS) to compress and recover the sensed data. We propose a simple and efficient encoder to compress the data. We also introduce a new algorithm to reduce the complexity of the recovery process. A partnership with TEA (Technologie Ergonomie Appliquées) company allowed us to experimentally evaluate the performance of the proposed method during which a numeric version of the encoder has been used. We also developed and validated an analog version of the encoder.; Le réseau sans fil sur le corps humain ou « wireless body area network (WBAN) » est une nouvelle technologie de réseau sans fil dédié à la surveillance des paramètres physiologiques d’une personne. Le réseau est composé de dispositifs électroniques miniatures, appelés nœuds, disposés aux alentours ou à l’intérieur du corps humain. Chaque nœud est doté d’un ou plusieurs capteurs mesurant les paramètres physiologiques de la personne, comme l’électrocardiogramme ou bien la température du corps, et les caractéristiques de l’environnement qui l’entoure. Ces nœuds sont surtout soumis à une contrainte énergétique importante puisque la miniaturisation a réduit les dimensions de leurs batteries. Puisque les nœuds consomment la majorité de l’énergie pour transmettre les données, une solution pour diminuer leur consommation consisterait à compresser les données avant la transmission. Les méthodes classiques de compression ne sont pas adaptées pour le WBAN particulièrement à cause de la puissance de calcul requise et la consommation qui en résulterait. Dans cette thèse, pour contourner ces problèmes, nous utilisons une méthode à base de l’acquisition comprimée pour compresser et reconstruire les données provenant des nœuds. Nous proposons un encodeur simple et facile à mettre en œuvre pour compresser les signaux. Nous présentons aussi un algorithme permettant de réduire la complexité de la phase de reconstruction des signaux. Un travail collaboratif avec l’entreprise TEA (Technologie Ergonomie Appliquées) nous a permis de valider expérimentalement une version numérique de l’encodeur et l’algorithme de reconstruction. Nous avons aussi développé et validé une version analogique de l’encodeur en utilisant des composants standards.

A wireless body area network (WBAN) is a new class of wireless networks dedicated to monitor human physiological parameters. It consists of small electronic devices, also called nodes, attached to or implanted in the human body. Each node comprises one or many sensors which measure physiological signals, such as electrocardiogram or body heat, and the characteristics of the surrounding environment. These nodes are mainly subject to a significant energy constraint due to the fact that the miniaturization has reduced the size of their batteries. A solution to minimize the energy consumption would be to compress the sensed data before wirelessly transmitting them. Indeed, research has shown that most of the available energy are consumed by the wireless transmitter. Conventional compression methods are not suitable for WBANs because they involve a high computational power and increase the energy consumption. To overcome these limitations, we use compressed sensing (CS) to compress and recover the sensed data. We propose a simple and efficient encoder to compress the data. We also introduce a new algorithm to reduce the complexity of the recovery process. A partnership with TEA (Technologie Ergonomie Appliquées) company allowed us to experimentally evaluate the performance of the proposed method during which a numeric version of the encoder has been used. We also developed and validated an analog version of the encoder.; Le réseau sans fil sur le corps humain ou « wireless body area network (WBAN) » est une nouvelle technologie de réseau sans fil dédié à la surveillance des paramètres physiologiques d’une personne. Le réseau est composé de dispositifs électroniques miniatures, appelés nœuds, disposés aux alentours ou à l’intérieur du corps humain. Chaque nœud est doté d’un ou plusieurs capteurs mesurant les paramètres physiologiques de la personne, comme l’électrocardiogramme ou bien la température du corps, et les caractéristiques de l’environnement qui l’entoure. Ces nœuds sont surtout soumis à une contrainte énergétique importante puisque la miniaturisation a réduit les dimensions de leurs batteries. Puisque les nœuds consomment la majorité de l’énergie pour transmettre les données, une solution pour diminuer leur consommation consisterait à compresser les données avant la transmission. Les méthodes classiques de compression ne sont pas adaptées pour le WBAN particulièrement à cause de la puissance de calcul requise et la consommation qui en résulterait. Dans cette thèse, pour contourner ces problèmes, nous utilisons une méthode à base de l’acquisition comprimée pour compresser et reconstruire les données provenant des nœuds. Nous proposons un encodeur simple et facile à mettre en œuvre pour compresser les signaux. Nous présentons aussi un algorithme permettant de réduire la complexité de la phase de reconstruction des signaux. Un travail collaboratif avec l’entreprise TEA (Technologie Ergonomie Appliquées) nous a permis de valider expérimentalement une version numérique de l’encodeur et l’algorithme de reconstruction. Nous avons aussi développé et validé une version analogique de l’encodeur en utilisant des composants standards.

Tomography is about reconstructing an nD object from its (n-1)D projections. This discipline addresses many questions to which research tries to provide answers. In this work, we are interested to three aspects: 1) the 2D image reconstruction from projections in a rarely studies framework that is the point sources; 2) the uniqueness of this reconstruction; 3) estimating information about an object without going through the step of reconstructing its image. To approach the problem of tomographic reconstruction for the class of convex sets, we define a new class of sets having properties of convexity called quadrant convexity for point sources. After a study of this new class of sets, we show that it presents strong links with the class of convex sets. Wepropose a reconstruction algorithm for quadrant-convex sets that, if the uniqueness of the reconstruction is guaranteed, allows the reconstruction of convex sets in polynomial time. We also show that if a conjecture we have proposed is true the conditions of uniqueness for quadrant-convex sets are the same as those for convex sets. Regarding the third aspect studied in this thesis, we focus on two quantitative properties that are the surface and the perimeter. We propose a method to estimate, from only one projection, the surface of a 2D set. We obtain two lower bounds and an upper bound for the perimeter of a projected convexobject by considering the projections from a second point source.; La tomographie consiste à reconstruire un objet nD à partir de projections (n-1)D. Cette discipline soulève plusieurs questions auxquelles la recherche essaie d’apporter des réponses. On s’intéresse dans cette thèse à trois aspects de cette problématique : 1) la reconstruction de l’image 2D à partir de projections dans un cadre rarement étudié qui est celui des sources ponctuelles ; 2) l’unicité de cette reconstruction ; 3) l'estimation d’informations concernant un objet sans passer par l'étape de reconstitution de son image. Afin d’aborder le problème de reconstruction pour la classe des ensembles convexes, nous définissons une nouvelle classe d’ensembles ayant des propriétés de convexité qu’on appelle convexité par quadrants pour des sources ponctuelles. Après une étude de cette nouvelle classe d’ensembles, nous montrons qu’elle présente des liens forts avec la classe des ensembles convexes. Nous proposons alors un algorithme de reconstruction d’ensemblesconvexes par quadrants qui, si l’unicité de la reconstruction est garantie, permet de reconstruire des ensembles convexes en un temps polynomial. Nous montrons que si une conjecture, que nous avons proposée, est vraie, les conditions de l’unicité pour les ensembles convexes par quadrants sont les mêmes que celles pour les ensembles convexes. Concernant le troisième aspect étudié dans cette thèse, nous proposons une méthode qui permet d’estimer, à partir d’une seule projection, la surface d’un ensemble 2D. Concernant l’estimation du périmètre d’un ensemble 2D, en considérant les projections par une deuxième source d’un ensemble convexe, nous obtenons deux bornes inférieures et une borne supérieure pour le périmètre de l’objet projeté.

In this thesis some inverse boundary value problems in two dimensions are studied. The problems under consideration are the Calder'on problem and the Gel'fand-Calderon problem in the single and multi-channel case, i.e. matrix-valued case: the latter can be seen, in particular, as a non-overdetermined approximation of the three dimensional case. We begin with some results for the anisotropic Calderon problem: a new formulation of the uniqueness result on the plane is presented, as well as the first global uniqueness on two-dimensional surfaces with boundary. Next, we prove some new global stability estimates for the Gel'fand-Calderon problem in the single and multi-channel case. Similar techniques give also a global reconstruction procedure for the same problem in the multi-channel case. A rapidly converging approximation algorithm for the multi-channel Gel'fand-Calderon problem is presented afterwards: this is mostly inspired by results of the multi-dimensional inverse scattering theory. Finally we present new global stability estimates for the two aforementioned problems which explicitly depend on regularity and energy., Dans cette thèse nous étudions quelques problèmes inverses de valeurs au bord en dimension deux. Les problèmes considérés sont le problème de Calderon et le problème de Gel'fand-Calderon dans le cas scalaire et multi-canal, c'est-à-dire matriciel : cela peut etre vu notamment comme une approximation non-surdéterminée du cas tridimensionnel. Nous montrons d'abord quelques résultats pour le problème de Calderon anisotrope : nous présentons une nouvelle formulation du résultat d'unicité sur le plan ainsi que le premier résultat d'unicité globale pour le cas des surfaces à bord. Après, nous démontrons une nouvelle estimation de stabilité globale pour le problème de Gel'fand-Calderon dans le cas scalaire et multi-canal. Des techniques similaires donnent aussi une procédure de reconstruction globale pour le meme problème. Nous proposons ensuite un algorithme d'approximation rapidement convergent pour le problème de Gel'fand-Calderon multi-canal : cet algorithme est principalement motivé par des résultats de la théorie de diffusion inverse multi-dimensionnelle. Comme derniers résultats nous présentons des nouvelles estimations de stabilité globale pour les deux problèmes mentionnés plus haut qui dépendent explicitement de la régularité et de l'énergie.

The aim of this etudy la to develop an instrumentation to measure the local void fraction man in an air - water flow by X-ray tomography. Alter an exhaustive literature survey, the selected reconstruction algorithme are compared to choose the mort effective. Several improvements are added and tested to enhance the reconstruction accuracy in the vicinity of the pipe walls. An experimental parallel beam tomographie bench hm been developed and ils operating parameters have been optimized. The acquisition system and the reconstruction algorithm are used to man phantoms, homogeneous or non - homogeneous air - water bubbly flows and bundle flows with regular or interlaced sampling echeme. The method la validated by comparing with the void fraction mana memured with an optical probe. At the end, the method la extended to the fan-beam geometry., Cette étude a pour objectif le développement d'un instrument de mesure du taux de présence local d'un écoulement eau - air par tomographie à rayons X. Après une analyse bibliographique exhaustive, les algorithmes de reconstruction retenus sont comparés afin de sélectionner le plus efficace. Afin d'améliorer la précision de reconstruction au voisinage des parois, plusieurs améliorations de cet algorithme sont rajoutées et testées. En parallèle, un dispositif expérimental a été mis au point et ses paramètres d'acquisition ont été optimisés. L'ensemble chaîne de mesure et algorithme de reconstruction est ensuite mis en oeuvre sur des mesures en géométrie parallèle de fantômes et d'écoulements eau-air homogènes, non homogènes et autour de faisceaux de tubes carrés et cylindriques. Ces mesures sont réalisées avec deux schémas d'échantillonnage : régulier et entrelacé. La comparaison des cartes de taux de présence local tomographiques avec les cartes obtenues par une sonde optique permet de valider la méthode développée. Enfin, l'extension de la méthode à la géométrie en éventail (fan-beam) est étudiée.

La première partie de la thèse concerne les écoulements de gaz sec et poursuit un travail d'une première thèse (Demolis, 1997) sur le développement d'un système de tomographie ultrasonore. Au-delà des possibilités d'un simple débitmètre, la tomographie ultrasonore permet de reconstituer le champ dynamique tridimensionnel d'un écoulement dans une section de conduite cylindrique. Les différences de temps de vol des ondes ultrasonores mesurées entre capteurs disposés autour de la conduite sont utilisées dans un algorithme algébrique itératif afin de remonter aux trois composantes de la vitesse. Cette méthode a été testée avec succès pour mesurer le champ de vitesse 3D d'écoulements d'air calibrés. L'information globale sur le champ dynamique obtenue dans toute une section de conduite donne la possibilité de déterminer les perturbations du profil de vitesse (taux de dissymétrie, intensité de la rotation de l'écoulement). Ce système de mesure non intrusif constitue donc un outil de diagnostic d'écoulement. Une seconde partie a consisté à appliquer des techniques ultrasonores dans le but de caractériser les écoulements diphasiques de gaz humide en conduite (écoulements de type brouillard avec une fraction volumique liquide faible), écoulements présents en sortie de puits d'exploitation du gaz naturel. Une recherche bibliographique a permis d'étudier des modèles de propagation des ondes ultrasonores à travers un milieu diphasique dispersé. Dans la littérature, ces modèles sont développés pour des suspensions de particules solides dans un liquide ou pour des écoulements à bulles. Nous les avons étendus aux écoulements de gaz humide en les validant expérimentalement. À l'aide de ces modèles, les mesures de la vitesse du son et de l'atténuation des ultrasons (avec une méthode multi-fréquence) à travers ce brouillard en écoulement permettent de déduire les valeurs moyennes du titre (fraction liquide) et de la taille des gouttelettes dans l'écoulement diphasique. The first part of the thesis deals with gas flows and corresponds to the continuation of a past thesis (Demolis, 1997) about the development of an ultrasonic tomography device. Beyond possibilities of simple flowmeters, ultrasonic tomography allows to reconstruct the three-dimensional velocity field over a circular pipe cross section. The differences of transit times between transducers distributed around the pipe are used in an iterative algebraic reconstruction algorithm in order to reconstruct the three velocity components. This experimental method has been tested successfully to quantify the 3D velocity field of various flows (fully developed, asymmetric and swirling air flows). The ultrasonic tomography is a non-intrusive technique and the complete device is a diagnostic tool of a dry gas flow in a pipe. The second part consists in applying ultrasonic techniques in order to characterize wet gas flows (multiphase flows in mist regime and composed of a weak fraction of liquid in the gas). We can find this type of flow in the oil and gas production upstream area. A bibliographical research allows studying the theoretical propagationof ultrasonic waves through a dispersed medium. In the literature, the resulting models are generally developed for solid particles suspended in a liquid or bubbles flows. In this work, we have extended the theory to wet gas flows and validated it experimentally. By using these models, the measurements of the velocity of sound and the absorption of ultrasounds through the wet gas (with a multi-frequency method) permit to determine the mean liquid fraction and the droplet size in the multiphase dispersed flow in a pipe.

But de l’étude : Etudier la détection d’objets de bas contraste avec effet de volume partiel en tomodensitométrie, en fonction de l’index de bruit, de l’épaisseur de coupe et du pitch. Méthodologie : Nous avons utilisé un fantôme contenant un module avec des objets de bas contraste (8 HU) présentant de l’effet de volume partiel en fonction de l’épaisseur de coupe. Nous l’avons scanné suivant plusieurs protocoles d’acquisition en faisant varier l’index de bruit, l’épaisseur de coupe, ainsi que le pitch. La détection des objets a été évaluée suivant deux méthodes. La méthode objective consiste à calculer le CNR des objets de 9 mm de diamètre. La méthode subjective consiste en l’évaluation visuelle de la détection des mêmes objets en utilisant une échelle à deux niveaux (1 : visible, 0 : non visible). Nous avons relevé le CTDIvol indiqué par la machine afin d’estimer la dose délivrée par chaque protocole. Résultats : La concordance inter-lecteurs est jugée comme acceptable (κ = 0.34). Un CNR de 1.61 à 1.65 doit être atteint pour assurer une bonne détection des objets de 9 mm de diamètre, quelle que soit leur longueur dans l’axe z. Plus la dose délivrée est élevée, plus le score de détection l’est également. L’effet de volume partiel diminue fortement le score de détection. Conclusion : Nous avons pu mettre en évidence l’effet péjorant du volume partiel causé par l’épaisseur de coupe sur la détection d’objets de bas contraste. Notre travail a de plus permis de montrer l’effet du volume partiel causé par l’interpolation de l’algorithme de reconstruction hélicoïdal. Pour assurer la détection de tous les objets étudiés, il faut un CTDIvol de 106.51 mGy.