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Caractériser les rites funéraires des sociétés passées, c’est aussi en apprendre plus sur la société vivante, son organisation, ses différents vestiges matériels construits ou utilisés du vivant des membres du groupe social ou en prévision de leur mort. Le développement, ces vingt dernières années, de nouvelles techniques pour l’enregistrement et l’exploitation des données a profondément modifié les pratiques aussi bien sur les chantiers de fouilles archéologiques qu’en laboratoire. L’utilisation d’outils 3D permet, outre la visualisation sans limite des structures enregistrées ou restituées, de tester de nouvelles hypothèses, de simuler des vestiges disparus et ainsi de mieux documenter les gestes funéraires. Nous nous attacherons à présenter, à travers divers exemples d’acquisition et de restitution 3D des tombes des nécropoles de Pompéi ou de Cumes (Italie), de quelle manière l’utilisation de ces nouvelles formes de représentation a enrichi les réflexions menées sur la sépulture et le défunt. Characterization of funerary rites of past societies allows us to learn more about the living society, its organization, its various material remains built or used during its members’ lifetime or in anticipation of their death. The development over the last twenty years of new techniques for recording and exploiting data has profoundly modified practices both for excavations of archaeological sites and for laboratory studies. The use of 3D tools allows, in addition to the unlimited visualization of recorded or restored structures, to test new hypotheses, to simulate disappeared remains and thus to better document funerary practices. Through various examples of 3D acquisition and restitution of tombs in the necropolises of Pompeii or Cumae (Italy), we will present how the use of these new forms of representation has enriched the reflections on burial and the deceased.

La bonne attribution de restes osseux à leur espèce est déterminante en ostéoarchéologie. Si elle se fait habituellement par l’identification macromorphologique, la forte fragmentation des restes est un facteur limitant. L’analyse de la microstructure osseuse et plus particulièrement celle du réseau canalaire cortical, qui présente des caractéristiques structurales d’espèce, s’avère discriminante même dans les cas de forte taphonomisation des restes osseux. Ce travail présente les premiers résultats d’une nouvelle méthode d’identification d’espèce reposant sur l’analyse d’images tridimensionnelles du réseau canalaire cortical, appliquée à la comparaison d’ossements humains, de bœuf et de porc. Le test d’identification d’espèce, effectué grâce à la méthode statistique de forêts aléatoires, permet d’obtenir pour les restes humains un taux d’identification correct de 100 %, contre 86,2 % pour Sus scrofa et 79,51 % pour Bos taurus. The correct attribution of bone remains to their species is crucial in osteoarchaeology. Although this is usually done by macromorphological identification, the high fragmentation of the remains is a limiting factor. The analysis of bone microstructure, and more particularly that of the cortical canal network, which presents structural characteristics of the species, proves to be discriminating even in cases of high fragmentation of the bone remains. This work presents the first results of a new method of species identification based on the 3D analysis of the cortical canal network, applied to the comparison of human, bovine and porcine bone specimens. The test of species identification, carried out using the statistical method of random forests, provides a correct identification rate of 100% for human remains compared to 86.2% for Sus scrofa and 79.51% for Bos taurus.

National audience; Permettant de mesurer simultanément les positions 3D, les tailles et les caractéristiques morphogéométriques d’un champ de particules, l’holographie numérique en ligne est une méthode optique de référence pour la caractérisation des écoulements polyphasiques. Elle reste aujourd’hui considérée comme une technique pour la R&D mais sa simplicité expérimentale et son succès grandissant la rendent de plus en plus accessible. Cet article décrit et formalise les principes optiques à la base de cette technique de mesure et de visualisation. Il présente les aspects expérimentaux et numériques de sa mise en œuvre, des montages courants aux différentes méthodes de reconstruction, et en précise les limites. Enfin, le potentiel de la technique est illustré à travers plusieurs cas applicatifs.

Les techniques d’imagerie par rayons X bénéficient des développements de la physique, des mathématiques et de l’informatique et proposent des outils d’analyse 3D des structures internes d’une grande variété d’objets. Cet article propose un état des lieux des différents instruments de tomographie par rayons X et discute des performances et limites de cette méthodologie. X-ray imaging techniques benefit from developments in physics, mathematics, and computer science, and provide analytical tools to study 3D internal structures of a wide range of objects. This article proposes an inventory of the different instruments of X-ray tomography and discusses the performances and limits.

In mammals, reproductive functions depend on the hypothalamus-pituitary-gonadal axis. In this system, a specialized population of gonadotropin-releasing hormone (GnRH) neurons scattered in the hypothalamus project to the median eminence to release GnRH in the hypothalamus-pituitary portal circulation. GnRH reaches the anterior pituitary and stimulates the gonadotropic cells, which in response produce and release the gonadotropins LH and FSH in the general circulation. LH and FSH in turn act at the periphery to promote gametogenesis and production of sexual steroids in the gonads, and the sexual steroids close the loop via feedback mechanisms taking place at the central level. A surprising characteristic of GnRH neurons lies in their origin, as they are born in the nose and then migrate towards their final location in the brain during embryonic development. Additionally, the GnRH neurons continue their maturation after birth by establishing interactions with several neuronal and non-neuronal populations in the brain, forming a "GnRH network" which enables them to integrate diverse physiological and environmental cues and finely regulate the downstream HPG axis. Accordingly, defects in the processes governing the birth, migration, interactions or activity of GnRH neurons are associated with pathologies of reproductive functions leading to absent puberty and infertility. Such pathologies include hypogonadotropic hypogonadism (HH) and, when patients also present with anosmia or hyposmia, Kallmann Syndrome (KS). Given the molecular complexity underlying the prenatal and postnatal development of the GnRH network, and because mutations identified so far only account for a fraction of reported HH/KS cases, further investigations are needed to dissect the mechanisms guiding the migration of GnRH neurons in the nasal compartment and their maturation in the brain. Moreover, new approaches are needed to better document the prenatal and postnatal ma turation of the GnRH network: notably, conventional histological approaches have been a limiting factor in previous studies, due in part to GnRH neurons and their partners being scattered in the brain and sometimes projecting over long distances. In the present work, we set out to complete our current knowledge on the central control of reproduction through the use of different, complementary approaches in mice and humans. First, we have investigated human mutations of the genes coding for the guidance molecule Semaphorin 3F and and its receptor Plexin A3, and have assessed their contribution to the pathogenesis of hypogonadotropic hypogonadism. We propose that Semaphorin 3F signalling is involved in the migration of GnRH neurons in the nasal region in humans, and that defects in this process can participate to the etiology of HH and KS. Second, we overcame the limitations of classical sectioning techniques by implementing whole-mount immunolabelling, solvent-based tissue-clearing a nd light-sheet imaging to allow three-dimensional visualization and analysis of GnRH neurons from the embryo to the adult mouse. This sheds some new light on the migration and distribution of GnRH neurons and their projections in the murine model, and unexpectedly reveals their extent in previously overlooked extra-hypothalamic regions, thus setting the basis for future studies aimed at dissecting potential new roles for GnRH in mammals. Overall, the present work brings novel data on the physiological and pathological development of the neural circuits controlling reproduction in mice and humans., Chez les mammifères, la fonction de reproduction est assurée par l’axe hypothalamo-hypophyso-gonadique (HHG). Dans ce système, des neurones à gonadolibérine (GnRH) parsemés dans l’hypothalamus projettent vers l’éminence médiane pour sécréter la GnRH dans la circulation porte hypothalamo-hypophysaire. La GnRH stimule les cellules gonadotropes de l’hypophyse, qui en réponse produisent et sécrètent les l’hormone lutéinisante (LH) et l’hormone folliculostimulante (FSH) dans la circulation systémique. La LH et la FSH agissent en périphérie pour activer la gamétogénèse et la stéroïdogenèse dans les gonades, et les stéroïdes sexuels ferment la boucle en exerçant un rétrocontrôle au niveau central. Une particularité des neurones à GnRH tient dans leur origine, puisqu’ils naissent dans la région nasale avant de migrer vers leur lieu d’installation dans le cerveau durant le développement embryonnaire. De plus, les neurones à GnRH poursuivent leur maturation après la naissance en interagissant avec diverses populations neuronales et non-neuronales, formant ainsi un « réseau GnRH » qui permet l’intégration de signaux physiologiques et environnementaux pour réguler finement l’axe HHG. De fait, les défauts impactant la genèse, la migration, les interactions ou l’activité des neurones à GnRH sont associés à des pathologies de la reproduction et causent une absence de puberté et une infertilité. Ces pathologies incluent l’hypogonadisme hypogonadotrope (HH) et, si les patients présentent également une anosmie ou hyposmie, le syndrome de Kallmann (SK). Dû à la complexité des mécanismes moléculaires régissant le développement prénatal et postnatal du réseau GnRH, et puisque les mutations identifiées jusqu’ici n’expliquent qu’une fraction des cas de HH et SK, des études plus approfondies sont nécessaires pour comprendre la migration des neurones à GnRH depuis la région nasale et leur maturation dans le cerveau. En outre, de nouvelles approches doivent être adoptées pour décrire le développement prénatal et postnatal du réseau GnRH : les techniques histologiques conventionnelles ont notamment été limitantes, en partie car les neurones à GnRH et leurs partenaires sont éparpillés dans le cerveau et projettent parfois sur de longues distances. L’objectif des présents travaux est de compléter les connaissances sur le contrôle central de la reproduction, en recourant à des techniques complémentaires chez la souris et chez l’humain. Dans un premier temps, nous avons étudié les mutations de gènes codant pour la molécule de guidance Semaphorine 3F et son récepteur la Plexine A3, retrouvées chez l’humain, et avons évalué leur contribution à la pathogenèse du HH. Nous suggérons que la signalisation par la Semaphorine 3F est impliquée dans la migration des neurones à GnRH dans le nez, et qu’un défaut dans ce processus participe à l’étiologie du HH et du SK. Dans un second temps, nous avons contourné les limites inhérentes aux coupes de tissus en implémentant chez la souris l’immunomarquage et la transparisation d’échantillons entiers, suivis d’une imagerie en microscopie à feuille de lumière, permettant la visualisation et l’analyse tridimensionnelles des neurones à GnRH depuis l’embryon jusqu’à l’adulte. Nous revisitons ainsi la migration des neurones à GnRH, et révélons l’étendue de leur distribution et de leurs projections – y compris dans des régions extra-hypothalamiques jusqu’ici peu considérées – suggérant par là même de potentiel nouveaux rôles pour la GnRH dans le cerveau des mammifères. En résumé, les travaux présentés ici apportent de nouvelles données sur le développement physiologique et pathologique des circuits neuraux contrôlant la reproduction chez la souris et l’humain.

A stroke is a sudden loss of vascularization of a part of the brain. Patients must receive medical care within the first hour to reduce neuronal loss and long-term sequelae.Most strokes are hemorrhagic or ischemic, with similar symptoms but specific treatments. Early-phase diagnosis becomes vital and requires deep brain imaging through the skull bone.The development of Ultrasound Localization Microscopy (ULM) has widened applications for microvascular imaging by improving contrast, resolution, and penetration depth. Microbubbles are injected into the blood flow and localized to reconstruct the microvessels within few minutes.The main objective of this thesis is the application of 3D ULM for non-invasive stroke diagnosis in the early phase.A first study focuses on a quantitative comparison of localization algorithms for 2D ultrasound imaging. A set of standardized metrics and unified datasets were established to evaluate various algorithms with objective and reproducible criteria. Then a volumetric ULM system was set up to overcome the elevation projection of 2D imaging and increase the field of view. We performed a 3D angiography of a rat brain in vivo with a commercial scanner and a multiplexed ultrasonic probe. A few tens of micrometers resolution was obtained through the skull bone. This method didn’t induce major modifications of the animal’s physiology and can be used for a pre-clinical study. Finally, this system was used to image induced strokes in a cohort of rats. It proved its ability to distinguish the effects of ischemia versus hemorrhage on brain vascularization. This first study shows the relevance of such imaging for the early diagnosis of stroke in humans by volumetric ULM, without the constraints and availability of MRI and CT.; L'accident vasculaire cérébral (AVC) est une perte subite de la vascularisation d'une partie du cerveau. Une prise en charge rapide réduit considérablement les pertes neuronales et séquelles à long terme. Les hémorragies cérébrales et infarctus cérébraux représentent les principaux types d'AVC avec des symptômes similaires mais des traitements très spécifiques. Le diagnostic précoce est primordial et nécessite une imagerie du cerveau en profondeur à travers le crâne.Le développement de la microscopie par localisation ultrasonore (ULM) a ouvert de nouvelles possibilités pour l’imagerie vasculaire en améliorant le contraste, la résolution et la profondeur de pénétration de l’échographie. Des microbulles sont injectées dans le sang et localisées pour reconstruire la microvascularisation en quelques minutes.L'objectif général de cette thèse est l'application de l’ULM 3D pour le diagnostic non invasif de l’AVC en phase précoce. Une première étude porte sur une comparaison quantitative des algorithmes de localisation ultrasonore pour l'imagerie 2D. Un ensemble de métriques normées et de jeux de données universels ont été établis pour évaluer les différents algorithmes avec des critères objectifs et reproductibles. Puis un système d’ULM 3D a été développé pour pallier à la projection en élévation de l’imagerie 2D et élargir le champ de vue. En utilisant une sonde multiplexée, une angiographie d’un cerveau de rat a été réalisée in vivo avec un système commercial. Une résolution de quelques dizaines de microns a été obtenue à travers le crâne, réduisant au minimum l’impact de l’imagerie sur la physiologie de l’animal en vue d’une étude pré-clinique. Enfin, ce système a été utilisé pour imager des AVC induits sur une cohorte de rats. Il a prouvé sa capacité à distinguer les effets d’une ischémie par rapport à une hémorragie sur la vascularisation du cerveau. Cette première étude montre la pertinence d’une telle imagerie pour le diagnostic en phase précoce de l’AVC chez l’humain par ULM volumétrique en s’affranchissant des contraintes et disponibilités de l’IRM et du scanner.

International audience; La segmentation des vaisseaux hépatiques est une tâche trés difficile en raison de la petite taille et de la complexité du réseau vasculaire. Dans cet article, nous proposons une étude comparative originale de plusieurs modèles d’apprentissage profond combinés à des filtres de rehaussement (algorithmes Jerman, Frangi, Sato et RORPO) comme étape de prétraitement. Les modèles 3-D U-Net, 3-D Dense U-Net et 3-D MultiRes U-Net ont été testés sur des images tomodensitométriques pour extraire les réseaux vasculaires avec et sans prétraitement sur des volumes hépatiques complets et sur des slabs (groupes de coupes 2-D). Les modèles ont été testés sur la base de données publique IRCAD et le 3-D Dense U-Net a obtenu le meilleur coefficient Dice sur les données prétraitées (avec le filtre Jerman en particulier), par rapport aux données brutes. En plus de cette analyse numérique, nous proposons une inspection visuelle des résultats de segmentation, qui confirment la précision de ce modèle profond basé sur des filtres de rehaussement vasculaire

Quantifying the impact of orthognathic surgery treatments on facial soft tissues and therefore on the patient's facial aesthetics is an important issue for healthcare professionals in order to be able to predict the post-surgical results. With the development of 3D technologies and in order to improve the predictions made by set-up software, the quantification of these movements is necessary. A systematic review of the literature was performed to highlight current data measuring the impact of orthognathic surgeries on facial soft tissues, using 3D analysis. The 11 articles selected show a great heterogeneity of the results. If concordances are found concerning the direction of the movements, there is a difference in the observed ratios. A protocol of evaluation about the impact of hard tissue movements on facial soft tissue using 3D technology has been proposed.; La quantification de l’impact des chirurgies orthognatiques sur les tissus cutanés et donc sur l’esthétique faciale du patient est un enjeu important pour les professionnels de santé afin de pouvoir prédire au mieux les résultats attendus en post chirurgical. Avec le développement des technologies 3D et afin d’améliorer les prédictions réalisées par les logiciels de set-up, la quantification de ces mouvements est nécessaire. Une revue systématique de la littérature a été réalisée afin de mettre en évidence les données actuelles mesurant l’impact des chirurgies orthognatiques sur les tissus cutanés superficiels, utilisant une analyse 3D. Les 11 articles retenus montrent une grande hétérogénéité des résultats. Si des concordances sont retrouvées concernant la direction des mouvements, il existe une grande différence au niveau des ratios observés. Un protocole d’évaluation de l’impact des mouvements des tissus durs sur les tissus mous faciaux, utilisant la technologie 3D a été proposé.

The development of digital imaging techniques over the last decade has considerably renewed the range of tools available to archaeologists and art historians, opening up new research perspectives. These non-destructive techniques are radically transforming the way we approach the study of archaeological objects. If access to these tools contributes to a better understanding of the Celtic craft knowledge, it also has an impact on archaeological practice itself. These techniques lead to multiple exploitations, for research, archiving and valorisation.3D modelling does not only consist in the realization of beautiful volumetric constructions, it also offers tools for a more technical or archaeometric approach. To illustrate the innovative methods developed within the Umr AOrOc, we will focus here on two examples that show some of the tools used to answer the questions of archaeologists about alveolar moulds on the one hand, and the reading of sword scabbard decorations on the other hand., Le développement des techniques d’imagerie numérique au cours de la dernière décennie ont considérablement renouvelé la palette d’outils à disposition des archéologues et historiens d’art, ouvrant de nouvelles perspectives de recherche. Ces techniques, non destructives transforment radicalement notre manière d’aborder l’étude des pièces archéologiques. Si l’accès à ces outils contribue à mieux faire connaître le savoir artisanal des Celtes, il a aussi une incidence sur la pratique archéologique elle-même. Ces techniques débouchent sur des exploitations multiples, pour la recherche, l’archivage et la valorisation.La modélisation 3D ne consiste pas uniquement en la réalisation de jolies constructions volumétriques, elle offre aussi des outils pour une approche plus techniques ou archéométrique. Pour illustrer la démarche innovante développée au sein de l’Umr AOrOc nous intéresserons ici à deux exemples qui montrent certains outils mis en œuvre pour répondre aux interrogations des archéologues, les moules à alvéoles d’une part, et la lecture de décors de fourreaux d’épée d’autre part.

In mammals, reproductive functions depend on the hypothalamus-pituitary-gonadal axis. In this system, a specialized population of gonadotropin-releasing hormone (GnRH) neurons scattered in the hypothalamus project to the median eminence to release GnRH in the hypothalamus-pituitary portal circulation. GnRH reaches the anterior pituitary and stimulates the gonadotropic cells, which in response produce and release the gonadotropins LH and FSH in the general circulation. LH and FSH in turn act at the periphery to promote gametogenesis and production of sexual steroids in the gonads, and the sexual steroids close the loop via feedback mechanisms taking place at the central level. A surprising characteristic of GnRH neurons lies in their origin, as they are born in the nose and then migrate towards their final location in the brain during embryonic development. Additionally, the GnRH neurons continue their maturation after birth by establishing interactions with several neuronal and non-neuronal populations in the brain, forming a "GnRH network" which enables them to integrate diverse physiological and environmental cues and finely regulate the downstream HPG axis. Accordingly, defects in the processes governing the birth, migration, interactions or activity of GnRH neurons are associated with pathologies of reproductive functions leading to absent puberty and infertility. Such pathologies include hypogonadotropic hypogonadism (HH) and, when patients also present with anosmia or hyposmia, Kallmann Syndrome (KS). Given the molecular complexity underlying the prenatal and postnatal development of the GnRH network, and because mutations identified so far only account for a fraction of reported HH/KS cases, further investigations are needed to dissect the mechanisms guiding the migration of GnRH neurons in the nasal compartment and their maturation in the brain. Moreover, new approaches are needed to better document the prenatal and postnatal ma turation of the GnRH network: notably, conventional histological approaches have been a limiting factor in previous studies, due in part to GnRH neurons and their partners being scattered in the brain and sometimes projecting over long distances. In the present work, we set out to complete our current knowledge on the central control of reproduction through the use of different, complementary approaches in mice and humans. First, we have investigated human mutations of the genes coding for the guidance molecule Semaphorin 3F and and its receptor Plexin A3, and have assessed their contribution to the pathogenesis of hypogonadotropic hypogonadism. We propose that Semaphorin 3F signalling is involved in the migration of GnRH neurons in the nasal region in humans, and that defects in this process can participate to the etiology of HH and KS. Second, we overcame the limitations of classical sectioning techniques by implementing whole-mount immunolabelling, solvent-based tissue-clearing a nd light-sheet imaging to allow three-dimensional visualization and analysis of GnRH neurons from the embryo to the adult mouse. This sheds some new light on the migration and distribution of GnRH neurons and their projections in the murine model, and unexpectedly reveals their extent in previously overlooked extra-hypothalamic regions, thus setting the basis for future studies aimed at dissecting potential new roles for GnRH in mammals. Overall, the present work brings novel data on the physiological and pathological development of the neural circuits controlling reproduction in mice and humans., Chez les mammifères, la fonction de reproduction est assurée par l’axe hypothalamo-hypophyso-gonadique (HHG). Dans ce système, des neurones à gonadolibérine (GnRH) parsemés dans l’hypothalamus projettent vers l’éminence médiane pour sécréter la GnRH dans la circulation porte hypothalamo-hypophysaire. La GnRH stimule les cellules gonadotropes de l’hypophyse, qui en réponse produisent et sécrètent les l’hormone lutéinisante (LH) et l’hormone folliculostimulante (FSH) dans la circulation systémique. La LH et la FSH agissent en périphérie pour activer la gamétogénèse et la stéroïdogenèse dans les gonades, et les stéroïdes sexuels ferment la boucle en exerçant un rétrocontrôle au niveau central. Une particularité des neurones à GnRH tient dans leur origine, puisqu’ils naissent dans la région nasale avant de migrer vers leur lieu d’installation dans le cerveau durant le développement embryonnaire. De plus, les neurones à GnRH poursuivent leur maturation après la naissance en interagissant avec diverses populations neuronales et non-neuronales, formant ainsi un « réseau GnRH » qui permet l’intégration de signaux physiologiques et environnementaux pour réguler finement l’axe HHG. De fait, les défauts impactant la genèse, la migration, les interactions ou l’activité des neurones à GnRH sont associés à des pathologies de la reproduction et causent une absence de puberté et une infertilité. Ces pathologies incluent l’hypogonadisme hypogonadotrope (HH) et, si les patients présentent également une anosmie ou hyposmie, le syndrome de Kallmann (SK). Dû à la complexité des mécanismes moléculaires régissant le développement prénatal et postnatal du réseau GnRH, et puisque les mutations identifiées jusqu’ici n’expliquent qu’une fraction des cas de HH et SK, des études plus approfondies sont nécessaires pour comprendre la migration des neurones à GnRH depuis la région nasale et leur maturation dans le cerveau. En outre, de nouvelles approches doivent être adoptées pour décrire le développement prénatal et postnatal du réseau GnRH : les techniques histologiques conventionnelles ont notamment été limitantes, en partie car les neurones à GnRH et leurs partenaires sont éparpillés dans le cerveau et projettent parfois sur de longues distances. L’objectif des présents travaux est de compléter les connaissances sur le contrôle central de la reproduction, en recourant à des techniques complémentaires chez la souris et chez l’humain. Dans un premier temps, nous avons étudié les mutations de gènes codant pour la molécule de guidance Semaphorine 3F et son récepteur la Plexine A3, retrouvées chez l’humain, et avons évalué leur contribution à la pathogenèse du HH. Nous suggérons que la signalisation par la Semaphorine 3F est impliquée dans la migration des neurones à GnRH dans le nez, et qu’un défaut dans ce processus participe à l’étiologie du HH et du SK. Dans un second temps, nous avons contourné les limites inhérentes aux coupes de tissus en implémentant chez la souris l’immunomarquage et la transparisation d’échantillons entiers, suivis d’une imagerie en microscopie à feuille de lumière, permettant la visualisation et l’analyse tridimensionnelles des neurones à GnRH depuis l’embryon jusqu’à l’adulte. Nous revisitons ainsi la migration des neurones à GnRH, et révélons l’étendue de leur distribution et de leurs projections – y compris dans des régions extra-hypothalamiques jusqu’ici peu considérées – suggérant par là même de potentiel nouveaux rôles pour la GnRH dans le cerveau des mammifères. En résumé, les travaux présentés ici apportent de nouvelles données sur le développement physiologique et pathologique des circuits neuraux contrôlant la reproduction chez la souris et l’humain.

The analytical means to assess the organic composition of complex samples are limited and precious for heritage studies. The work unfolds the potentials of X-ray Raman scattering (XRS) as a non-invasive probe for the study of paleontological, archaeological and art materials. We optimize the XRS methodology required for the study of complex samples, including organic paleontological specimens and a collection of plant exudates of heritage value, and explore its ability to access the different levels of information sought. XRS is employed as a bulk, non-invasive, 3D imaging probe to study ancient organic samples to determine organic signatures and trace their evolution through time. Taking advantage of the direct tomography technique based on chemical bond contrast, we introduce 3D X-ray Raman imaging (XRI) in the field of natural heritage studies. The successive collection of XRS carbon K-edge tomographic images of an exceptionally preserved specimen, a 53 million-year old insect entrapped in amber, provides a means to assess the spatial distribution of biological remnants. The results point to the importance of characterization of paleontological specimens through imaging at the scale of the object, to understand the specimens’ biochemistry, molecular evolution, and interactions between the organism and the depositional setting. Three-dimensional chemical imaging appears essential for understanding chemically altered heterogeneous heritage materials that have undergone diagenesis and aging processes over time. We demonstrate that high energy resolution XRS spectroscopy provides a new perception in the analysis of organic cultural heritage materials. We examine a historical collection of Australian plant exudates which assembles natural products used by Aboriginal peoples for thousands of years. Detailed analysis of the spectral signatures of core electron transitions in the carbon and oxygen atoms, allows us to identify chemical bonds and inter-compare plant secretions belonging to distinct chemical classes (terpenoids, polysaccharides, phenolic and aromatic compounds). We exemplify via statistical analysis that characterization and discrimination of the complex organic compounds is attained using XRS in a non-invasive manner. Additional statistical approaches have been developed to process the three-dimensional XRS imaging data and to decompose the obtained XRS spectra. We show that scanning transmission X-ray microscopy (STXM), in the soft X-ray range, complements XRS approach when its spatial limit is reached. We have analyzed organic dark-coloured pigments documented in De Mayern's manuscript by STXM. The nanoscale images provide new insights on the carbon chemistry of these pigments and demonstrate their chemical complexity that can only be addressed at the nanometric spatial resolution. In conclusion, the results exemplify the value of XRS as an in-situ non-invasive spectroscopic and imaging probe of light elements in heritage materials. Through this work we provide a new viewpoint for exploitation of XRS data in a wide range of organic, heterogeneous, and chemically complex systems, and discuss its remaining challenges and future perspectives., Les moyens analytiques permettant d’évaluer la composition organique d’échantillons complexes sont limités et précieux pour les sciences du patrimoine. Ce travail explore le potentiel de la diffusion Raman de rayons X (XRS) comme approche non invasive pour étudier des matériaux paléontologiques, archéologiques et artistiques. Nous optimisons la méthodologie XRS requise pour l’étude d’échantillons complexes, comprenant des spécimens paléontologiques organiques et une collection d’exsudats végétaux à valeur patrimoniale, et explorons sa capacité à accéder aux différents niveaux d’information recherchés. La spectroscopie XRS est employée pour étudier des échantillons organiques anciens en 3D sur des dimensions millimétriques, de façon non invasive, pour déterminer les signatures organiques et retracer leur évolution dans le temps. En exploitant la tomographie directe basée sur le contraste des signaux chimiques, nous introduisons l'imagerie Raman des rayons X en 3D (XRI) dans le domaine du patrimoine naturel. La collecte successive d'images XRI tomographiques d'un spécimen exceptionnellement préservé, un insecte ancien de 53 millions d'années piégé dans l'ambre, permet d’évaluer la distribution spatiale des vestiges biologiques. Les résultats soulignent l’importance d’une imagerie de spéciation des spécimens à l’échelle de l’objet, afin d’en comprendre la biochimie, l’évolution moléculaire et les interactions entre organisme et milieu de dépôt. L'imagerie chimique tridimensionnelle apparaît essentielle à la compréhension de matériaux hétérogènes du patrimoine chimiquement altérés qui, ont subi des processus de diagenèse et de vieillissement au fil du temps. Nous démontrons que la spectroscopie XRS à haute résolution spectrale offre une nouvelle voie d'analyse de matériaux organiques du patrimoine culturel. Nous examinons une collection historique d'exsudats de plantes australiennes utilisées par les peuples aborigènes depuis des milliers d'années. L’analyse détaillée de la signature spectrale des transitions électroniques à partir des niveaux de cœur des atomes de carbone et d’oxygène permet d’identifier les liaisons chimiques et de comparer des sécrétions végétales appartenant à des classes chimiques distinctes (terpénoïdes, polysaccharides, composés phénoliques et aromatiques). Nous démontrons par une analyse statistique que la caractérisation et la discrimination directe des composés organiques complexes est atteinte par spectroscopie XRS, avec une bonne senisbilité et de manière non invasive. Des approches statistiques ont été développées pour traiter les données tridimensionnelles XRI et décomposer les spectres obtenus. Nous montrons que la microscopie à transmission des rayons X en balayage (acronyme anglais : “STXM”), dans la gamme des rayons X “mous”, complète les approches XRI quand la limite spatiale de ces dernières est atteinte. Nous avons analysé des pigments organiques documentés dans le manuscrit de De Mayern par STXM. Les images à l'échelle nanométrique fournissent de nouvelles informations sur la chimie du carbone de ces pigments et démontrent leur complexité chimique qui ne peut être abordée qu’à cette résolution spatiale. En conclusion, les résultats illustrent la valeur des méthodes XRS en tant que sonde spectroscopique et d'imagerie non invasive in situ de la spéciation des éléments légers dans les matériaux du patrimoine. Avec ce travail, nous fournissons une nouvelle perspective de l'exploitation de données XRS applicable à un grand nombre de systèmes organiques, hétérogènes et chimiquement complexes, et nous discutons des défis restant à surmonter et des perspectives futures de ces approches.

International audience; Vestige à la fois biologique, archéologique et ethnographique, la momie se situe à l’interface d’enjeux pluridisciplinaires et suppose l’emploi d’outils et techniques adaptés. En présentant les travaux menés sur la momie « chachapoya », figure emblématique du Musée de l’Homme, ce chapitre illustre les moyens mis en œuvre pour l’étude des restes humains momifiés des collections anthropologiques du Muséum. À l’issu d’un bref rappel historique (origine chrono-culturelle de la momie, contexte de découverte, entrée dans les collections, jusqu’à son actuelle exposition), le chapitre livre pour la première fois un bilan ostéo-biographique illustré de la momie, obtenu au moyen d’analyses variées : exploration bio-médicale (autopsie virtuelle par imagerie scanner), expérimentation comparative (trépanation crânienne), et étude archéo-entomologique.

Single-molecule (SM) imaging offer a mean to investigate the nanoscale organization and dynamics of biomolecules with high temporal and spatial resolution. However, the limited imaging depth of a standard SM microscope does not reflect the inherent volumetric organization of the inner organelles of cells and limits the range of SM dynamics that can be observed in 3D. Performing efficient SM imaging with high localization precision in a volumetric biological sample faces two main challenges. First, excited out-of-focus molecules produce high background noise that affect the localization precision. Second, fast diffusing molecules tend to escape the limited depth of field of the imaging microscope objective. To address these challenges, we propose a new method for selective and true instantaneous volumetric imaging with SM sensitivity. In my PhD project, we developed a modular system, with, at the core, two cutting-edge techniques: multifocus microscopy (MFM) and single-objective selective plane illumination microscopy (soSPIM). Thanks to the MFM, our system is able to image instantaneously a volume with high temporal resolution and SM sensitivity. We remodeled the soSPIM architecture in order to create a tunable and uniform light sheet excitation that matches the desired range of detection with MFM. We illustrated the advantage of our method by imaging the dynamics of nuclear factors such as H2B, CTCF and Cohesin at several microns deep in U2OS and mouse embryonic STEM cells with high temporal and spatial resolution. We were able to image SM dynamics up to 50 volumes of 35×35×4 μm^3 size per second. Finally, we reconstructed volumetric super-resolution images of the nuclear membrane, performing DNA-PAINT on the Lamin-b protein. This thesis paves the way for exploring the molecular organization and dynamics at high temporal and spatial resolution in multicellular organisms and tissues., L'imagerie de la molécule unique (SM) offre un moyen d'étudier l'organisation et la dynamique des biomolécules avec une haute résolution temporelle et spatiale. Cependant, l’imagerie avec une faible profondeur de champ d'un microscope standard ne reflète pas l'organisation volumétrique internes des cellules et limite la gamme des dynamiques qui peuvent être observées en 3D. La réalisation d'une imagerie SM efficace et précise dans un échantillon biologique volumétrique est confrontée à deux défis principaux. Premièrement, les molécules excitées hors foyer produisent un bruit de fond élevé qui affecte la précision de localisation. Deuxièmement, les molécules qui diffusent rapidement ont tendance à s’échapper à la profondeur de champ d'imagerie. Pour relever ces défis, nous proposons une nouvelle méthode d'imagerie volumétrique sélective et instantanée avec une sensibilité SM. Dans le cadre de mon projet de doctorat, nous avons développé un système modulaire inspiré de deux techniques de pointe : la microscopie multifocale (MFM) et la microscopie sélective à feuille de lumière et à objectif unique (soSPIM). Grâce au MFM, notre système est capable d'imager instantanément un volume avec une haute résolution temporelle et une sensibilité SM. Nous avons l'architecture du soSPIM afin de créer une excitation en nappe de lumière uniforme et accordable qui s’adapte à la profondeur d’imagerie du MFM. Nous avons illustré l'avantage de notre méthode par l’imagerie de la dynamique des facteurs nucléaires tels que H2B, CTCF et Cohesin à plusieurs microns de profondeur dans des cellules U2OS et cellules souches embryonnaires de souris avec une haute résolution temporelle et spatiale. Nous avons pu imager la dynamique des SM jusqu'à 50 volumes de 35×35×4 μm3 par seconde. Enfin, nous avons reconstruit des images volumétriques en super-résolution de Lamine-b, une protéine de la membrane nucléaire, par DNA-PAINT. Cette thèse ouvre la voie à l’observation de l'organisation et de la dynamique moléculaires à haute résolution temporelle et spatiale dans des organismes multicellulaires et des tissus.

International audience; Textiles are perishable in most archaeological environments. One of the main processes leading to the exceptional 73 preservation of their morphology results from contact with a metallic object, a phenomenon known as “mineralization”. We present here a study of an ancient linen textile from the Nausharo site (Indus Valley, Balochistan, Pakistan), dated to the 3rd millennium BC. This study is part of a research programme on textile vestiges mineralised in contact with particularly old corroded copper objects, conducted with the CNRS ArScAn laboratory, the Louvre Museum and the Musée du quai Branly-Jacques Chirac, and making use of new investigative approaches. This is the first direct attestation of the presence of woven linen on the site. 3D micro-tomographic imaging provides access to quantitative data on these textiles that are still inaccessible, such as the precise number of fibres per thread. We have detected the presence of exceptionally well-preserved cellulosic signatures, even in the case of a textile which has been extremely transformed by the physico-chemical mechanisms of alteration from its deposition to the present day. The description of these rare remains allows us to deepen the archaeological interpretation of these textiles and also informs us about the state of alteration of the metal support, whose corrosion played a key role in the preservation of the fibres.; Les textiles sont périssables dans la plupart des environnements archéologiques. L’un des principaux processus conduisant à la préservation exceptionnelle de leur morphologie résulte du contact avec un objet métallique, un phénomène connu sous le nom de « minéralisation ». Nous présentons ici l’étude d’un textile ancien en lin provenant du site de Nausharo (vallée de l’Indus, Balochistan, Pakistan) et daté du IIIe millénaire av. J.-C. Cette étude est intégrée dans un programme de recherche sur des vestiges textiles minéralisés au contact d’objets en cuivre corrodés particulièrement anciens, mené avec le CNRS-UMR 7041/ ArScAn, le musée du Louvre et le musée du quai Branly-Jacques Chirac, et mettant à profit de nouvelles approches d’investigation. Il s’agit de la première attestation directe de la présence de lin tissé sur le site. L’imagerie tomographique 3D sur synchrotron permet d’accéder à des données quantitatives encore inaccessibles sur ces textiles, comme le nombre précis de fibres par fil. Nous avons par ailleurs, à partir d’approches complémentaires, détecté la présence de signatures cellulosiques exceptionnellement bien conservées, même dans le cas d’un tel textile extrêmement transformé par les mécanismes physico-chimiques d’altération depuis son dépôt jusqu’à nos jours. La description de ces restes rares permet d’approfondir l’interprétation archéologique de ces textiles et nous informe également sur l’état d’altération du support métallique dont la corrosion a joué un rôle-clé dans la préservation des fibres.

Phytoplankton is the group of photosynthetic microorganisms (microalgae and cyanobacteria) living in suspension in marine and fresh waters. Through photosynthesis, phytoplankton produce large amounts of the oxygen essential for marine and terrestrial life. Marine microalgae are also promising organisms for biotechnological applications (human and animal food, biofuels). Because of their ecological and economic importance, the study of the phytoplankton responses to environmental challenged (including the ones induced by human activity and global warming) is a developing field of research. Phytoplankton activity is influenced by changes in the vertical stratification of the water column, which modulate light energy availability as well as nutrient supply to phytoplankton cells in a temperature-dependent manner. Based on light and nutrient availability, phytoplankton cells have evolved different lifestyles: autotrophy (photosynthetic activity), mixotrophy (simultaneous use of photosynthesis and respiration of exogenous carbon sources for growth) and photosymbiosis (symbiotic interactions with animal cells).In this thesis, I have studied the physiological responses of phytoplankton cells to environmental changes at the cellular and subcellular levels. To achieve this goal, I have developed a complete imaging workflow to perform quantitative morphometric analyses of entire algal cells, representatives of ecologically-successful and laboratory-model microalgal species. The protocol starts with FIB-SEM (Focused Ion Beam - Scanning Electron Microscopy) or SBF-SEM (Serial Block Facing – Scanning Electron Microscopy), to acquire high-resolution images. By implementing the 3D image analysis protocol, it is possible to obtained high-resolution whole cells models in three dimensions, suitable to perform quantitative analyses. Thanks to these tools, I have been able to image the adaptation of phytoplankton to various environmental conditions: i. changes in the size and morphology of plastids and mitochondria during light acclimation in diatoms, ii. changes in organelles interaction during nutrient acclimation in Nannochloropsis, iii. morphological changes occurring during photosymbiosis in Phaeocystis.Overall, this work reveals several scenarios of phytoplankton acclimation at both the cellular and subcellular levels. I have also validated the use of this protocol in plants in a study on chloroplast biogenesis during de-etiolation in Arabidopsis. of plastids., Le phytoplancton est le groupe de micro-organismes photosynthétiques (microalgues et cyanobactéries) vivant en suspension dans les eaux marines et douces. Grâce à la photosynthèse, le phytoplancton produit de grandes quantités d'oxygène indispensable à la vie marine et terrestre. Les microalgues marines sont également des organismes prometteurs pour les applications biotechnologiques (alimentation humaine et animale, biocarburants). En raison de leur importance écologique et économique, l'étude des réponses du phytoplancton aux défis environnementaux (y compris ceux induits par l'activité humaine et le réchauffement climatique) est un domaine de recherche en plein développement. L'activité du phytoplancton est influencée par les changements dans la stratification verticale de la colonne d'eau qui module, en fonction de la température, la disponibilité de l'énergie lumineuse ainsi que l'apport de nutriments aux cellules du phytoplancton. En raison de la disponibilité de la lumière et des nutriments, les cellules du phytoplancton ont évolué vers différents modes de vie : autotrophie (activité photosynthétique), mixotrophie (utilisation simultanée de la photosynthèse et de l’utilisation ? de sources de carbone extérieures pour la croissance) et photosymbiose (interactions symbiotiques avec des cellules animales).Dans cette thèse, j'ai étudié les réponses physiologiques des cellules du phytoplancton aux changements environnementaux au niveau cellulaire et sous-cellulaire. Pour atteindre cet objectif, j'ai mis au point un processus d'imagerie complet permettant d'effectuer des analyses morphométriques quantitatives de cellules entières d'algues représentatives à la fois d'espèces à succès écologique et de modèles de laboratoire. Le protocole commence avec l’acquisition de séries d’images hautes résolutions soit par FIB-SEM (Focused Ion Beam - Scanning Electron Microscopy) ou SBF-SEM (Serial Block Facing – Scanning Electron Microscopy). Le protocole d'analyse d'images 3D développé dans ce travail permet d'obtenir des modèles tridimensionnels à haute résolution de cellules entières permettant la réalisation d'analyses quantitatives. Grâce à ces outils, j'ai pu imager l'adaptation du phytoplancton à diverses conditions environnementales révélant ainsi : 1) le changement de taille et de morphologie des plastes et des mitochondries lors de l'acclimatation à la lumière dans les diatomées, 2) le changement dans l'interaction des organites chez Nannochloropsis lors de l'acclimatation aux nutriments, 3) les changements morphologiques qui surviennent lors de la photosymbiose dans l’algue Phaeocystis.Ces travaux révèlent plusieurs scénarios d'acclimatation du phytoplancton au niveau cellulaire et subcellulaire. J'ai également pu valider l'utilisation de ce protocole chez les plantes dans une étude sur la biogenèse des chloroplastes lors de la dé-étiolation des cotylédons d’Arabidopsis.

Le projet CRUMBEL vise à étudier la mobilité ancienne des populations sur le territoire de la Belgique, du Néolithique au début du Moyen Âge. Pour atteindre ces objectifs de recherche, différents sujets seront étudiés. Dans une première phase, les anciennes collections d’os humains incinérés seront répertoriées. Des échantillons provenant des sites funéraires feront ensuite l’objet d’analyses archéométriques des isotopes stables et de datations radiocarbones. The CRUMBEL project aims to investigate the mobility of the former population in Belgium from the Neolithic period until the Early Middle Ages. To reach these research goals different topics will be studied. In a preliminary phase, the ancient collections of cremated bone will be documented. A selection of these funerary sites will be studied to understand the mobility using different archaeometric approaches as stable isotopes and radiocarbon dating to obtain reliable information on earlier mobility in Belgium.

National audience; By examining a deposit of human buried or burnt bones with computed tomography (CT), archaeologists highlight the possibilities of a useful overview before micro-excavation, of using them as a guidance, of detecting almost imperceptible remains and of preserving brittle artefacts. The non-invasive nature of the observations is also mentioned, in particular the reassuring possibility of being able to come back to the deposit thanks to the preservation of a digital 3D copy. The micro-excavation as careful it is, reflects only what is understood from the remains at a given time. Moreover, the excavator inevitably destroys part of the documentary when he dismantles the bones and associated goods. One would ordinarily come to think that acquiring CT images is an alternative to tangible excavating. Without slipping into this simplistic perception, the object of this present work relates to the respective contribution of the two documentary sources and their interaction.; En fouillant un dépôt d’os humains inhumés ou brûlés avec une image tomographique de son contenu sous les yeux, les archéologues mettent en avant les possibilités d’anticiper la fouille, d’être guidés, de détecter des vestiges quasi imperceptibles, de préserver des artefacts fragilisés. Il évoquent également le caractère non invasif des observations et, notamment la possibilité rassurante de pouvoir revenir sur le dépôt grâce à la conservation d’une copie numérique en 3D. Le travail de fouille, aussi attentif soit-il, ne reflète effectivement que ce qui est compris de l’objet à un moment donné. De plus, le fouilleur détruit inévitablement une partie de sa source documentaire, en l’occurrence la structure interne du dépôt osseux, lorsqu’il démonte les os et le mobilier associé. On en viendrait banalement à penser l’acquisition d’images tomographiques comme une alternative à la fouille tangible. Sans glisser dans cette perception simpliste, l’objet du présent article porte sur l’apport respectif de ces deux sources documentaires à l’analyse des dépôts osseux et sur leurs interactions.

L’utilisation de la tomodensitométrie en archéologie permet d’imager la structure interne et externe d’un artefact. Le caractère non destructif et la précision de cette technique ouvrent des perspectives nouvelles en archéologie, nous permettant, entre autres, de définir et de comprendre les modes de fabrication des objets et de caractériser les matières utilisées, d’étudier leur dégradation, ou d’encore mieux comprendre la taphonomie d’une fouille. Ainsi, l’analyse tomodensitométrique a permis de reconnaître les différents types de mise en forme appliqués aux métaux, de caractériser les inclusions ou encore l’apport d’un autre matériel lors de recyclage ou de manipulation. Son application à la céramique ou au verre a mis en évidence les modes de fabrication, les faiblesses dans les structures, les différentes pâtes ou dégraissants utilisés. En bref, cette méthode fournit des paramètres quantitatifs et qualitatifs sur les matériaux utilisés et leur environnement. The use of tomodensitometry in Archaeology allows to image the internal and external structure of an artefact. The non-destructive nature and the accuracy of this technique opens new perspectives in the archaeological field, allowing, among others, to define and understand the « chaine opératoire » and characterize the materials used, study their degradation, and better understand the taphonomy of an archaeological excavation. Yet, tomodensitometry allowed to recognize the different types of forms applied to metals, to characterize inclusions or the input of other material during recycling or handling. Its application on ceramic or glass has revealed manufacturing methods, weaknesses in the structures, different pasta or temper used. In short, this method provides quantitative and qualitative parameters of the materials used and their environment.

La révolution numérique engagée depuis les années 1980 a touché de nombreux domaines, dont celui des sciences du passé. Parmi les nombreuses disciplines de l’archéologie, celles étudiant l’os ancien, animal ou humain, ont largement bénéficié des avancées méthodologiques de l’imagerie numérique qui a structuré une nouvelle discipline, la paléo-imagerie. Parmi ses diverses méthodes, les reconstructions 3D, à partir d’acquisitions tomodensitométriques par rayons X, présentent plusieurs niveaux d’intérêt en anthropologie biologique : elles permettent d’effacer les dommages taphonomiques, de réaliser des moulages de l’endocrâne ou d’autres cavités, de visualiser des structures internes inaccessibles aux moyens classiques d’observation, de révéler l’évolution et le mécanisme de processus pathologiques. En plus de leur intérêt analytique, ces méthodes issues du numérique facilitent, pour la communauté scientifique internationale, l’accès à du matériel de recherche fragile ou rare. Les conservatoires numériques, « virtothèques » ostéologiques, contribuent également à la conservation et à la valorisation du patrimoine anthropologique. The digital revolution, which started in the early ‘80s, has affected many fields, including the sciences of the past. Among the many archaeological disciplines, those studying the ancient bones, animal or human, have deeply benefited from the advances in digital imaging methodologies, leading to build a new field, paleoimaging. Among the various methods, 3D reconstructions from CT scan acquisitions present several interests for biological anthropology: they can erase taphonomic damage, perform virtual casts of the endocranium or other cavities, visualize internal structures inaccessible to conventional observation methods, and reveal the evolution and mechanism of pathological processes. In addition to their analytical interests, these digital methods facilitate access to fragile or rare research materials for international scientific community. Digitized collections such as virtual bone libraries contribute also to the preservation and enhancement of anthropological heritage.

National audience; This article constitutes a selective bibliographical review of the recent advances of 3D images applied on natural and human sediments. In geosciences and geoarchaeology, the 3D images are usually used as a complementary method to soil micromorphology in order to visualize and improve the quantification of inherent sedimentological and pedological properties of different formations. Studies conducted in soil science during the last 40 years examine mainly the physical and hydro-physical properties of the soil and they aim to identify the soil characteristics related to agricultural activities. In geoarchaeology, the 3D image application is more recent. It helps to characterize the inner structure of archaeological layers and human artifacts. It has the ambitious to develop our knowledge on the socio-economic behavior of ancient societies as the latest is reflected on sedimentary records. 3D image techniques contribute to widen geoarchaeological researches by studying the earthen construction technologies and the use of occupation surfaces. Thus, the image tool can complete the micromorphological analysis by providing a multi-scalar approach of architectural and archaeological sediments.; Cet article se propose de présenter, à partir d’une sélection bibliographique, un bilan des développements méthodologiques en imagerie 3D appliquée aux sédiments naturels et archéologiques. Son usage en géosciences et en géoarchéologie s’est le plus souvent inscrit en complément de la micromorphologie pour améliorer la visualisation et la quantification des propriétés intrinsèques des formations sédimentaires et pédologiques. En pédologie, les recherches menées depuis les années 1980 concernent plus spécifiquement les propriétés physiques et hydro-physiques du sol et visent entre autres à déterminer les modifications de la structure des sols sous l’effet des pratiques agricoles. En géoarchéologie, l’introduction des techniques d’imagerie est plus récente. Elles contribuent à la caractérisation de la structuration interne des couches archéologiques et des constituants d’origine anthropique et améliorent la compréhension des comportements socio-économiques des sociétés anciennes inscrits dans les archives sédimentaires. En ce sens, elles ouvrent de nouvelles pistes de recherche en géoarchéologie, en particulier sur les aspects technologiques de la construction en terre crue et sur le fonctionnement des sols d’occupation. Elles complètent ainsi la démarche géoarchéologique en autorisant une approche véritablement multi-échelle de l’architecture des sols et des sédiments archéologiques.

L’utilisation de la radiographie en lien avec l’étude du mobilier métallique débute à la fin des années 1950 en Allemagne, au sein de différentes institutions telles que le Römisch-Germanisches Zentralmuseum de Mayence ou le Rheinisches Landesmuseum de Bonn. Dès lors, son usage dans le cadre archéologique s’est largement répandu. Depuis quelques années, elle a également évolué : des techniques de radiographie numérique permettent aujourd’hui de se passer des traditionnels films argentiques et la tomographie produit des reconstitutions en trois dimensions de la structure de l’objet analysé. Ces méthodes trouvent de nombreuses applications en archéologie. Dans le cas spécifique du mobilier en alliage cuivreux, elles permettent dans un premier temps de l’étudier sous un nouvel angle, faisant la lumière sur des aspects invisibles lors d’une inspection de surface. Il est dès lors possible de documenter des étapes de la fabrication et de la vie de l’objet. Au-delà, la réalisation d’examens d’imagerie sur un corpus suffisamment important permet de replacer les artefacts dans le contexte culturel de leur production, notamment par l’étude de leurs techniques de fabrication. Celles-ci sont en effet de précieux témoins laissés par les artisans à travers les éléments de culture matérielle. Ce point sera illustré par la présentation de recherches en cours sur les techniques de production des épées à l’âge du Bronze, pour lesquelles les radiographies et tomographies permettent, à travers l’identification de traditions techniques, de discuter des échanges dont ces dernières ont fait l’objet. À ces échanges matériels s’ajoutent également des transferts immatériels, par exemple de savoir-faire. X-ray as a method for the study of archaeological metal artefacts is used since the 1950s in different institutions such as the Römisch-Germanisches Zentralmuseum in Mainz or the Rheinisches Landesmuseum in Bonn. Since then, this technique did not stop being used and is now widespread in archaeology. Since a few years it also evolved with the development of computed applications: digital radiography is replacing traditional films and micro-CT enables 3D visualization of the inner structure of the studied samples. These methods find various applications in archaeology. In the specific case of copper alloy objects, they enable to study them from another angle, revealing invisible aspects from the surface. It offers the opportunity of gathering information about the objects, especially about their production. Beyond the level of the object, these imaging techniques, when performed on a sufficient number of artefacts, are also of particular interest for the study of the cultural context these objects were produced in, especially thanks to the reconstruction of their production techniques. These are indeed precious witnesses left by craftsmen through the material culture components they produced. This point will be illustrated by the presentation of ongoing research on the production techniques of Bronze Age swords. In this case radiography and micro-CT scanning enable the identification of different technical traditions which will be the basis of a discussion of the exchanges these swords were in the centre of, also including the immaterial transfers.

National audience; Au même titre que la 3D, les usages innovants de l’imagerie RX commencent à émerger dans le milieu des sciences du passé à l’initiative d’archéologues, d’anthropologues biologistes, de paléopathologues ou de restaurateurs-conservateurs. Ces technologies, qui ne cessent de progresser, ouvrent une nouvelle ère pour la connaissance, la conservation et la diffusion des données archéologiques. Foncièrement interdisciplinaires, elles bouleversent les pratiques et font apparaître de nouvelles préoccupations, de nouveaux enjeux.

National audience; Computed Tomography has greatly contributed to the analysis of the operational sequences of pottery by visualising the internal structure of vessels. It provides a complete visual of the vessel’s structure thus accessing pertinent information for its technological study, which differs from a more superficial analysis restricted to the study of the vessel’s shape and the surface marks linked to its manufacture. This new method gives us the opportunity to see objects in 3D and to understand the detail of their internal structure. Non-invasive, tomodensitometry is an alternative method of analysis, which involves the development and the study of a virtual model built from the object’s 3D scan. The information from the 3D scan is used to firstly provide information to reconstruct an image of the whole vessel or of particular sections, also in order to complete this visual analysis, a quantitative approach using mathematical software is also possible.; L’apport de la tomodensitométrie à l’analyse des chaînes opératoires céramique est indéniable. En donnant accès aux structures internes d’un récipient, en permettant d’en visualiser la structure dans son intégralité, elle enrichit l’information pertinente pour les études technologiques qui ne sont plus cantonnées à l’analyse des formes, des décors et des stigmates techniques en surface. Cette méthode, qui donne à voir le mobilier archéologique en trois dimensions, aide à en comprendre la structure interne de manière très fine. Non invasive, elle propose un traitement alternatif, en remplaçant l’objet archéologique par son modèle virtuel dans les étapes d’analyses après acquisition de données 3D, qui peuvent être traitées de deux façons. La reconstruction à l’aide de logiciels d’imagerie donne accès à des images segmentaires, ciblées ou complètes de la céramique. On peut compléter les analyses visuelles par des approches quantitatives obtenues grâce à des logiciels de calcul.

Depuisle début des années 2010, plusieurs structures (unités de recherche, laboratoires, universités, grands établissements, etc.) se sont dotées de moyens d’acquisition et de traitement de données de tomographie et d’imagerie 3D. Ces plateaux techniques, ateliers et plateformes fonctionnent de manière indépendante pour des applications respectives variées. Cependant, de nombreuses problématiques sont communes : aspect technique de l’acquisition, utilisation de logiciels de reconstruction et ...

International audience; Computed tomography, an X-ray based medical imaging technique, is increasingly used in archeology. However, its use is most often limited to the production of 2D or 3D images. Beyond these data visualization modes, it is necessary to question the possible interactions, contexts and uses that it is possible to implement. Augmented reality and virtual reality, or XR for eXtented Reality, make it possible to envisage natural and complex interactions with digital 3D environments based on data from computed tomography, by giving access to their internal structure. The operator can understand these physical, tangible or haptic interactions - from the Greek haptikós, tactile -, through different modalities and metaphors, associated with procedures or gestures that allow him to act on the virtual environment, made up of a set of information. The methodology and concepts presented in this article illustrate different interactive contexts in the XR environment. They are the result of a collaboration between Inrap, the Center for Research in Archeology, Archeosciences, History (CReAAH) and the Institute for Research in Computer Science and Random Systems (IRISA).; La tomodensitométrie, technique d’imagerie médicale basée sur les rayons X, est de plus en plus utilisée en archéologie. Toutefois, son utilisation reste le plus souvent limitée à la production d’images 2D ou 3D. Au-delà de ces modes de visualisation des données, il convient de s’interroger sur les possibles interactions, contextes et usages qu’il est possible de mettre en œuvre. La réalité augmentée et la réalité virtuelle ou XR pour eXtented Reality, permettent d’envisager des interactions naturelles et complexes avec les environnements numériques en 3D basés sur des données issues de la tomodensitométrie, en donnant accès à leur structure interne. L’opérateur peut appréhender ces interactions physiques, tangibles ou encore haptiques – du grec haptikós, tactile –, à travers différentes modalités et métaphores, associées à des procédures ou des gestes qui lui permettent d’agir sur l’environnement virtuel, constitué d’un ensemble d’informations. La méthodologie et les concepts présentés dans cet article illustrent différents contextes interactifs en environnement XR. Ils résultent d’une collaboration entre l’Inrap, le Centre de recherche en archéologie, archéosciences, histoire (CReAAH) de et l’Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (IRISA).

International audience; In recent years, the application of CT examination to cremation deposits in urns or containings perishable, introduces new perspectives. This use modifies the daily work of specialists confronted with this type of analysis but also implies a profound methodological change.; Depuis ces dernières années, l’application de l’examen tomodensitométrique aux dépôts de crémation dans des urnes ou des contenants périssables a introduit de nouvelles perspectives. Cet usage modifie non seulement le travail au quotidien des spécialistes mais implique également une remise en question méthodologique.

International audience

For many geotechnical purposes, the proper estimation of shapes and dimensions of landslide rupture zones is of significant importance. Very often, this exact delineation is difficult due to the lack of information on rupture zone extents in 3D. Based on a global landslide inventory, this work presents statistical analyses correlating dimension-related and shape-related parameters characterizing a rupture zone in 3D to its volume. Dimension-related parameters are approximated by linear regressions increasing with greater volumes, whereas shape-related parameters appear stable throughout the entire range of volumes. Revealing themselves as very stable, these correlations can be used, hence, to extrapolate from a distinct parameter to the volume of a landslide rupture zone. In a second stage, ratios of dimension-related parameters are correlated with rupture zone volumes. Furthermore, this type of correlation delivers very stable results showing that ratios are constant throughout the entire range of volumes. Making use of this ratio consistency, it is possible to deduce one of the two parameters when the other one is given. This latter aspect seems to be promising for remote sensing surveys when initial rupture areas or rupture volumes should be delineated or for numerical modeling of landslides in 3D.

National audience; This article presents the feedback of two specialists in metal furniture - an archaeologist and a conservator-restorer - on the use of tomographic imaging in the analytical operating chain of artifacts, from the micro-sampling of samples to the various conservation-restoration interventions and their study of the objects. Different examples illustrate the advantages of this non-destructive analysis technique while considering its few limitations. As our activities are closely linked to the evolution of these new X-ray imaging technologies, we can already measure their impact both in the choice of intervention protocols during cleaning for study or restoration and in the scientific exploitation of the documentation and its valorization.; Cet article présente le retour d’expérience de deux spécialistes du mobilier métallique – une archéologue et un conservateur-restaurateur –, sur l’emploi de l’imagerie tomographique dans la chaîne opératoire analytique des artefacts, de la micro-fouille de prélèvements aux différentes interventions en conservation-restauration et à leur l’étude des objets. Différents exemples illustrent les atouts de cette technique d’analyse non destructive tout en considérant ses quelques limites. Nos activités étant étroitement liées à l’évolution de ces nouvelles technologies d’imagerie RX, on peut d’ores et déjà en mesurer l’impact tant dans le choix des protocoles d’intervention lors de nettoyages pour étude ou restaurations que dans l’exploitation scientifique de la documentation et sa valorisation.

This PhD thesis presents an innovative experimental investigation on the mechanical response of sand to plant root growth.Root-soil interaction is investigated for two different root systems -- Maize and Chickpea -- and two different gradings of Hostun sand with two initial porosities.An original protocol is developed aiming to create samples with repetitive initial nominal properties and representative of the natural interaction.Two experimental campaigns were run on a series of samples with different sands and plants.A 4D (3D+time) analysis of the interaction is carried out by using x-ray Computed Tomography.For each sample, an average of 7 x-rays scans is performed, from the day of the seed sowing up to 7-days-old root system.An image processing technique has been developed and it is applied to the 3D images resulting from the reconstruction of the x-ray scans. Through this image processing, the root system is identified, together with the sand grains and the water present in the system. Finally, a four-phased volume representative of the soil-root system can be defined for each state of the observed samples.Besides, from the 3D greyscale images of the samples, measurements of the kinematics of the system are obtained through local and discrete approaches of image correlation.Local sand porosity and deformations resulting from the four-phased volumes and the image correlations are detailed for one sample of each root-sand configuration.Regarding the impact of the initial sand state on the root system development, the comparison of the different configurations shows, among other things, that the sand density plays a key role on the expansion of the root system, for both plant species.Concerning the sand response to the root growth, the strain tensor computed with image correlation shows that a root shears the soil while growing and the sheared zone is wider when the initial bulk density is lower.This work focuses also on the determination of the sand volumetric response to root growth in the sheared zone and its dependency on the soil density.Sand response is purely dilatant for denser initial states, while the looser sand exhibits a contractant behaviour far from the root surface. Such a response is obtained in the case of both maize and chickpea. Moreover, the contractant behaviour induced by the shearing away from the root is confirmed also for both sand granulometries in a looser state., Cette thèse de doctorat présente une recherche expérimentale innovante sur la réponse mécanique du sable à la croissance des racines des plantes. L'interaction entre les racines et le sol est étudiée pour deux systèmes racinaires différents -- correspondant au maïs et au pois chiche -- et deux granulométries différentes du sable d’Hostun, dans deux états de porosité initiale.Un protocole est mis au point afin de créer des échantillons présentant une bonne répétabilité de leurs propriétés initiales, et représentatifs des interactions naturelles entre racines et sol. Deux campagnes expérimentales ont été conduites sur la base de séries d’échantillons comportant différentes plantes et différents états initiaux de sable. Une analyse 4D (3D + temps) de l'interaction est effectuée grâce à la tomographie à rayons X.Chaque échantillon est scanné en moyenne 7 fois, depuis le jour du semis jusqu'au 7e jour de développement du système racinaire. Un traitement d’image spécifique a été développé et appliqué aux images 3D reconstruites à partir des radiographies à rayons x. Ce traitement d’image permet entre autres d’identifier le système racinaire ainsi que les grains de sable, mais aussi de déterminer la teneur en eau locale du sol. Ainsi, un volume comportant quatre phases, représentatif du système sol-racines, est défini pour chaque état auquel un échantillon est imagé. Par ailleurs, en s’appuyant sur les images 3D en niveaux de gris, la cinématique du système est mesurée par application de corrélations d’images dites locales et discrètes.Les mesures de porosité locale (déduites des volumes à 4 phases) et les champs de déformation du sable (déduits des corrélations d’images) sont détaillés pour chaque configuration initiale du système sable-plante.Concernant l’impact de l’état initial du sable sur le développement des systèmes racinaires : la comparaison des différentes configurations montre, entre autres, que la densité du sable joue un rôle clef sur l’expansion du système racinaire, ceci pour les deux plantes considérées.Concernant la réponse du sable à la croissance des racines : le tenseur des déformations montre un cisaillement du sol lors de la croissance d’une racine. La zone cisaillée autour de la racine est plus large pour une plus faible densité initiale du sable. La détermination de la réponse volumique du sable à la croissance d’une racine, et sa dépendance à la densité du sol a aussi fait l’objet d’une attention particulière. Ainsi, dans la zone cisaillée, la sable présente une réponse purement dilatante pour les états initiaux les plus denses, alors que les états les plus lâches montrent un comportement contractant, particulièrement à distance de la racine. De telles réponses sont observées à la fois pour le maïs et le pois chiche. De plus, le comportement contractant, induit par le cisaillement à distance de la racine, est aussi confirmé pour les deux granulométries du sable pris dans l’état le plus lâche.

The work achieved in this thesis aims to study the mechanical behaviour of a powder made of deformable grains using, in a complementary way, experimental tests and numerical methods. For that purpose, a polymeric powder is mechanically tested inside a micro-tomograph. Such an apparatus allows for acquiring 3D images in order to ascertain and analyse the evolution of the micro-structure during loading. The 3D image analysis is associated to the Multi-Particles Finite Element Method (MP-FEM) in order to obtain a numerical model of the granular medium. This method simulates the mechanical behaviour of a set of grains deforming according to an elastic-plastic constitutive law and interacting through contact. A comprehensive method was developed with the aim of allowing such a multi-scale analysis. The simulated mechanical response of the granular material is comparable to the experimental response.Polystyrene was chosen to be the constituent of the granular medium for which the grains morphology is relatively heterogeneous. The powder is mechanically characterised using triaxial compression tests, performed at various confining pressures. The loading device is inserted into an X-ray tomograph in order to observe the evolution of the granular micro-structure inside the sample at various loading steps. A numerical code is used to perform Digital Volume Correlation (DVC) on the volumes from the tomography to determine a displacement field, and then, a strain field. The density analysis is also made possible thanks to X-ray tomography. Aiming at the study of the granular medium during loading, the observed particles on the 3D images from tomography are individually identified, meshed and added into a multi-particles finite element model. The boundary conditions imposed to the numerical sample are generated by imposing to the grains located at the border of the sample, displacements of the same amplitude and the same direction than the displacements known from DVC at the same locations.The finite element simulations are carried out on subvolumes of the real experimental sample made of a hundred to several hundreds of grains. The mean deformation of the numerical sample is calculated and directly compared with the measured deformation from DVC on the corresponding subvolume. This comparison shows that the method to generate the boundary conditions in the mechanical simulation is correct. It is observed, nevertheless, that the study of the local densification of the powder at the high strains is dependent on the size of the simulated volume. The averaged stress tensor inside the simulated volume is also calculated in order to determine the stress state in the subvolume of the sample depending on the chosen constitutive material of the grains. Several simulations, performed at various subvolumes, make the generation of a stress field possible. Taking into consideration the number of calculations needed to achieve this task, only the evolution of the stress on the median axis of the sample was estimated in this work. Computing the axial stress with simulations has another benefit: the choice of some mechanical properties of the constitutive material of the grains in the simulation enables to reach the axial stress measured on the real sample, and thus, to characterise the mechanical properties of the grains in interaction.; Les travaux menés dans cette thèse ont pour objectif d’étudier le comportement mécanique d’une poudre constituée de grains déformables en utilisant, de manière complémentaire, des essais expérimentaux et des outils numériques. Pour cela, une poudre polymère est testée mécaniquement dans un micro-tomographe à rayons X afin de déterminer et d’analyser l’évolution de la microstructure au cours du chargement. L’analyse des images 3D rend possible la modélisation du milieu granulaire par la méthode des éléments finis multi-particules. Cette méthode permet de simuler le comportement d’un ensemble de grains interagissant par contact auxquels sont attribués une loi de comportement élasto-plastique. Une méthode a été complètement développée afin de permettre cette analyse multi-échelles. La réponse ainsi simulée du milieu granulaire est comparable à celle observée dans l’expérimentation.Le matériau constitutif du milieu granulaire est le polystyrène dont les géométries des grains sont relativement hétérogènes. La poudre est caractérisée mécaniquement par des essais de compression triaxiale de révolution menés à différentes pressions de confinement. Le dispositif de chargement triaxial est introduit dans un tomographe à rayons X afin de visualiser l’évolution de la microstructure granulaire au sein de l’échantillon pour plusieurs états de chargement. Un code de calcul de corrélation permet, à partir des volumes issus de la tomographie, de déterminer un champ de déplacement et, par la suite, un champ de déformation. L’analyse de la densité est également rendue possible grâce à la tomographie. Avec l’objectif d’étudier le comportement du milieu granulaire lors du chargement, les particules présentes dans les volumes issus de la tomographie sont identifiées individuellement, maillées puis introduites dans un modèle éléments finis multi-particules. Les conditions aux limites imposées à l’échantillon numérique sont générées en imposant aux grains en périphérie de l’échantillon des déplacements de même amplitude et de même direction que les déplacements calculés par la corrélation de volumes au niveau de ces mêmes grains.Les simulations numériques éléments finis sont menées sur des volumes contenant plusieurs centaines de grains. Les calculs de déformation moyenne de ces volumes permettent une comparaison directe avec les déformations déduites de la corrélation des images 3D. Cette comparaison indique que la méthode de génération des conditions aux limites pour la simulation mécanique par éléments finis est valide. Il a cependant été remarqué que l’étude localisée de la densification de la poudre pour les grandes déformations est dépendante de la taille du volume simulé. Un calcul de contrainte moyennée sur le volume simulé est également mené afin de déterminer localement l’état de contrainte dans l’échantillon pour un comportement supposé du matériau constitutif des grains. Plusieurs simulations, menées en différents sous-volumes de l’échantillon rendent possible la génération d’un champ de contrainte. Compte tenu du nombre de calculs nécessaires pour aboutir à cette génération, seule l’évolution de la contrainte sur l’axe médian de l’échantillon a été estimée concernant les résultats présentés. Le calcul de la contrainte axiale par la simulation présente un autre avantage : le choix de certaines propriétés mécaniques du matériau constitutif des grains dans la simulation permet de se rapprocher de la contrainte axiale mesurée sur l’échantillon réel et donc de caractériser les propriétés mécaniques des grains en interaction.

The work achieved in this thesis aims to study the mechanical behaviour of a powder made of deformable grains using, in a complementary way, experimental tests and numerical methods. For that purpose, a polymeric powder is mechanically tested inside a micro-tomograph. Such an apparatus allows for acquiring 3D images in order to ascertain and analyse the evolution of the micro-structure during loading. The 3D image analysis is associated to the Multi-Particles Finite Element Method (MP-FEM) in order to obtain a numerical model of the granular medium. This method simulates the mechanical behaviour of a set of grains deforming according to an elastic-plastic constitutive law and interacting through contact. A comprehensive method was developed with the aim of allowing such a multi-scale analysis. The simulated mechanical response of the granular material is comparable to the experimental response.Polystyrene was chosen to be the constituent of the granular medium for which the grains morphology is relatively heterogeneous. The powder is mechanically characterised using triaxial compression tests, performed at various confining pressures. The loading device is inserted into an X-ray tomograph in order to observe the evolution of the granular micro-structure inside the sample at various loading steps. A numerical code is used to perform Digital Volume Correlation (DVC) on the volumes from the tomography to determine a displacement field, and then, a strain field. The density analysis is also made possible thanks to X-ray tomography. Aiming at the study of the granular medium during loading, the observed particles on the 3D images from tomography are individually identified, meshed and added into a multi-particles finite element model. The boundary conditions imposed to the numerical sample are generated by imposing to the grains located at the border of the sample, displacements of the same amplitude and the same direction than the displacements known from DVC at the same locations.The finite element simulations are carried out on subvolumes of the real experimental sample made of a hundred to several hundreds of grains. The mean deformation of the numerical sample is calculated and directly compared with the measured deformation from DVC on the corresponding subvolume. This comparison shows that the method to generate the boundary conditions in the mechanical simulation is correct. It is observed, nevertheless, that the study of the local densification of the powder at the high strains is dependent on the size of the simulated volume. The averaged stress tensor inside the simulated volume is also calculated in order to determine the stress state in the subvolume of the sample depending on the chosen constitutive material of the grains. Several simulations, performed at various subvolumes, make the generation of a stress field possible. Taking into consideration the number of calculations needed to achieve this task, only the evolution of the stress on the median axis of the sample was estimated in this work. Computing the axial stress with simulations has another benefit: the choice of some mechanical properties of the constitutive material of the grains in the simulation enables to reach the axial stress measured on the real sample, and thus, to characterise the mechanical properties of the grains in interaction., Les travaux menés dans cette thèse ont pour objectif d’étudier le comportement mécanique d’une poudre constituée de grains déformables en utilisant, de manière complémentaire, des essais expérimentaux et des outils numériques. Pour cela, une poudre polymère est testée mécaniquement dans un micro-tomographe à rayons X afin de déterminer et d’analyser l’évolution de la microstructure au cours du chargement. L’analyse des images 3D rend possible la modélisation du milieu granulaire par la méthode des éléments finis multi-particules. Cette méthode permet de simuler le comportement d’un ensemble de grains interagissant par contact auxquels sont attribués une loi de comportement élasto-plastique. Une méthode a été complètement développée afin de permettre cette analyse multi-échelles. La réponse ainsi simulée du milieu granulaire est comparable à celle observée dans l’expérimentation.Le matériau constitutif du milieu granulaire est le polystyrène dont les géométries des grains sont relativement hétérogènes. La poudre est caractérisée mécaniquement par des essais de compression triaxiale de révolution menés à différentes pressions de confinement. Le dispositif de chargement triaxial est introduit dans un tomographe à rayons X afin de visualiser l’évolution de la microstructure granulaire au sein de l’échantillon pour plusieurs états de chargement. Un code de calcul de corrélation permet, à partir des volumes issus de la tomographie, de déterminer un champ de déplacement et, par la suite, un champ de déformation. L’analyse de la densité est également rendue possible grâce à la tomographie. Avec l’objectif d’étudier le comportement du milieu granulaire lors du chargement, les particules présentes dans les volumes issus de la tomographie sont identifiées individuellement, maillées puis introduites dans un modèle éléments finis multi-particules. Les conditions aux limites imposées à l’échantillon numérique sont générées en imposant aux grains en périphérie de l’échantillon des déplacements de même amplitude et de même direction que les déplacements calculés par la corrélation de volumes au niveau de ces mêmes grains.Les simulations numériques éléments finis sont menées sur des volumes contenant plusieurs centaines de grains. Les calculs de déformation moyenne de ces volumes permettent une comparaison directe avec les déformations déduites de la corrélation des images 3D. Cette comparaison indique que la méthode de génération des conditions aux limites pour la simulation mécanique par éléments finis est valide. Il a cependant été remarqué que l’étude localisée de la densification de la poudre pour les grandes déformations est dépendante de la taille du volume simulé. Un calcul de contrainte moyennée sur le volume simulé est également mené afin de déterminer localement l’état de contrainte dans l’échantillon pour un comportement supposé du matériau constitutif des grains. Plusieurs simulations, menées en différents sous-volumes de l’échantillon rendent possible la génération d’un champ de contrainte. Compte tenu du nombre de calculs nécessaires pour aboutir à cette génération, seule l’évolution de la contrainte sur l’axe médian de l’échantillon a été estimée concernant les résultats présentés. Le calcul de la contrainte axiale par la simulation présente un autre avantage : le choix de certaines propriétés mécaniques du matériau constitutif des grains dans la simulation permet de se rapprocher de la contrainte axiale mesurée sur l’échantillon réel et donc de caractériser les propriétés mécaniques des grains en interaction.

The continuous miniaturization and complexity of devices have pushed existing nano-characterization techniques to their limits. The correlation of techniques has then become an attractive solution to keep providing precise and accurate characterization. With the aim of overcoming the existing barriers for the 3D high-resolution imaging at the nanoscale, we have focused our research on creating a protocol to combine time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) with atomic force microscopy (AFM). This combination permits the correlation of the composition in 3-dimensions with the maps of topography and other local properties provided by the AFM. Three main results are achieved through this methodology: a topography-corrected 3D ToF-SIMS data set, maps of local sputter rate where the effect of roughness and vertical interfaces are seen and overlays of the ToF-SIMS and AFM advanced information. The application fields of the ToF-SIMS and AFM combined methodology can be larger than expected. Indeed, four different applications are discussed in this thesis. The procedure to obtain the topography-corrected 3D data sets was applied on a GaAs / SiO2 patterned structure whose initial topography and composition with materials of different sputter rates create a distortion in the classical 3D chemical visualization. The protocol to generate sputter rate maps was used on samples with structured and non-structured nano-areas in order to study the possible ToF-SIMS sputtering artefacts, especially the geometric shadowing effect. Finally, we have explored the combination of ToF-SIMS analysis with three AFM advanced modes: piezoresponse force microcopy (PFM), scanning capacitance microscopy (SCM) and scanning spreading resistance microscopy (SSRM). Specifically, two main applications were studied: the chemical modification during electrical stress of a piezoelectic thin film and the recovery of initial electrical characteristics of a sample subjected to Ga implantation during FIB preparation. Technical aspects of the methodology will be discussed for each application and the perspectives of this combination will be given., La miniaturisation continue et la complexité des dispositifs poussent les techniques existantes de nano-caractérisation à leurs limites. De ce fait, la combinaison de ces techniques apparait être une solution attrayante pour continuer à fournir une caractérisation précise et exacte. Dans le but de dépasser les verrous existants pour l’imagerie chimique 3D haute résolution à l’échelle nanométrique, nous avons concentré nos recherches sur la création d’un protocole combinant la spectrométrie de masse à ions secondaires de temps de vol (ToF-SIMS) avec la microscopie à force atomique (AFM). Ceci permet entre autre de corréler la composition et la visualisation en 3 dimensions avec des cartographies de topographie ou d’autres propriétés locales fournies par l’AFM. Trois principaux résultats sont obtenus grâce à cette méthodologie : la correction d’un ensemble de données ToF-SIMS pour une visualisation 3D sans artefacts, la cartographie du taux de pulvérisation locale permettant de mettre en évidence les effets liés à la rugosité et la présence d’interfaces verticales et la superposition des informations avancées ToF-SIMS et AFM. Quatre applications de la méthodologie combinée ToF-SIMS et AFM sont abordées dans cette thèse. La procédure de correction des données ToF-SIMS en 3D a été appliquée sur une structure hétérogène GaAs / SiO2. Les artefacts liés à la pulvérisation, notamment l’effet d’ombrage, ont été étudiés par le biais des cartographies de taux de pulvérisation sur des échantillons avec nano-motifs structurés et non structuré. Enfin, nous avons exploré la combinaison de l’analyse ToF-SIMS avec trois modes avancées de microscopie AFM : piézoélectrique (PFM), capacité (SCM) et conducteur (SSRM). Une première étude a notamment permis d’observer l’évolution et la modification chimique suite à l’application d’une contrainte électrique sur deux film mince piézoélectriques. Une deuxième étude s’est focalisée sur l’impact de l’implantation Ga lors de la préparation d’échantillons par FIB pour voir comment limiter l’effet de l’amorphisation sur la mesure électrique. Les aspects techniques de la méthodologie seront abordés pour chacune de ces applications et les perspectives de cette combinaison seront discutés.

Li-ion batteries are interesting for applications such as electric vehicles. They have indeed a high energy and power density, which makes them good substitutes for internal combustion engines. However, even if they are now quite widely used in many fields, there is still a need to optimize their performance. This requires a better understanding of the impact of the electrodes microstructure on their effective properties to narrow the gap between ideal and practical performance. Three-dimensional characteristics such as the carbon additive percolation or the tortuosity of the porosity have a strong impact on the electrode charge transport properties and power performance. The use of 3D imaging techniques such as X-ray tomography and serial focused ion beam and SEM tomography (FIB/SEM) is very powerful to quantify the electrode microstructures and interpret their charge transport properties. Furthermore, by processing the reconstructed volumes, one can use them as a basis for numerical simulations. We have chosen the FFT (Fast Fourrier Transform) method with "discrete" Green operator for numerical computations. These simulations can either be used to back calculate the phase (active material or conducting additive/binder) conduction properties from macroscopic electrical measurements by inverse method, or to predict the electrode effective conductivity from the phase conductivities. The 3D numerical microstructures obtained can also be modified in order to predict the influence of compositional changes in the electrode formulation on its properties. This study sets new tools to understand better the relationships between microstructure, effective electrical properties and the performance of Li-ion battery composite electrodes.; Cette étude porte sur la compréhension du lien existant entre l’architecture microstructurelle et les propriétés effectives de conductivité dans les électrodes des batteries Li-ion. Les batteries Li-ion sont très intéressantes pour des domaines tels que le transport électrique. En effet, elles présentent une grande densité d’énergie et de puissance ce qui en fait de bons substituts pour les moteurs thermiques. Cependant, même si elles sont maintenant assez largement utilisées dans beaucoup de domaines, il y a toujours besoin d’en optimiser les performances. Ceci passe par une meilleure compréhension de l’impact de la microstructure sur les propriétés effectives pour réduire l’écart entre théorie et pratique. L’attention est portée ici sur les électrodes positives des batteries lithium-ion. Les caractéristiques tridimensionnelles telles que la percolation des phases, leur tortuosité ou encore leurs dimensions caractéristiques ont un fort impact sur les propriétés à l'échelle macroscopique. Leur étude nécessite l’utilisation de techniques d’imagerie 3D comme la tomographie aux rayons X et la tomographie sériée par faisceau d’ions focalisés et MEB (FIB/SEM) pour obtenir des données quantitatives et en interpréter les propriétés de transport de charge. Ces volumes sont alors traités (segmentation et analyses morphologiques) et utilisés comme base pour des simulations numériques. La méthode FFT (Fast Fourrier Transform) avec opérateur de Green « discret » est choisie. Ces simulations permettent, soit de remonter aux propriétés de conduction électrique des phases, à partir de la mesure de la conductivité de l’électrode, par méthode inverse, soit de prédire la conductivité effective de l’électrode, en utilisant des propriétés mesurées expérimentalement sur les phases prises séparément. Les microstructures 3D numériques peuvent également être altérées afin de prédire l’impact, sur ses propriétés effectives, de changements de composition dans la formulation de l’électrode. De nouveaux outils consacrés à la meilleure compréhension de la relation entre microstructure, propriétés effectives et performance des batteries lithium-ion sont développés.

Li-ion batteries are interesting for applications such as electric vehicles. They have indeed a high energy and power density, which makes them good substitutes for internal combustion engines. However, even if they are now quite widely used in many fields, there is still a need to optimize their performance. This requires a better understanding of the impact of the electrodes microstructure on their effective properties to narrow the gap between ideal and practical performance. Three-dimensional characteristics such as the carbon additive percolation or the tortuosity of the porosity have a strong impact on the electrode charge transport properties and power performance. The use of 3D imaging techniques such as X-ray tomography and serial focused ion beam and SEM tomography (FIB/SEM) is very powerful to quantify the electrode microstructures and interpret their charge transport properties. Furthermore, by processing the reconstructed volumes, one can use them as a basis for numerical simulations. We have chosen the FFT (Fast Fourrier Transform) method with "discrete" Green operator for numerical computations. These simulations can either be used to back calculate the phase (active material or conducting additive/binder) conduction properties from macroscopic electrical measurements by inverse method, or to predict the electrode effective conductivity from the phase conductivities. The 3D numerical microstructures obtained can also be modified in order to predict the influence of compositional changes in the electrode formulation on its properties. This study sets new tools to understand better the relationships between microstructure, effective electrical properties and the performance of Li-ion battery composite electrodes.; Cette étude porte sur la compréhension du lien existant entre l’architecture microstructurelle et les propriétés effectives de conductivité dans les électrodes des batteries Li-ion. Les batteries Li-ion sont très intéressantes pour des domaines tels que le transport électrique. En effet, elles présentent une grande densité d’énergie et de puissance ce qui en fait de bons substituts pour les moteurs thermiques. Cependant, même si elles sont maintenant assez largement utilisées dans beaucoup de domaines, il y a toujours besoin d’en optimiser les performances. Ceci passe par une meilleure compréhension de l’impact de la microstructure sur les propriétés effectives pour réduire l’écart entre théorie et pratique. L’attention est portée ici sur les électrodes positives des batteries lithium-ion. Les caractéristiques tridimensionnelles telles que la percolation des phases, leur tortuosité ou encore leurs dimensions caractéristiques ont un fort impact sur les propriétés à l'échelle macroscopique. Leur étude nécessite l’utilisation de techniques d’imagerie 3D comme la tomographie aux rayons X et la tomographie sériée par faisceau d’ions focalisés et MEB (FIB/SEM) pour obtenir des données quantitatives et en interpréter les propriétés de transport de charge. Ces volumes sont alors traités (segmentation et analyses morphologiques) et utilisés comme base pour des simulations numériques. La méthode FFT (Fast Fourrier Transform) avec opérateur de Green « discret » est choisie. Ces simulations permettent, soit de remonter aux propriétés de conduction électrique des phases, à partir de la mesure de la conductivité de l’électrode, par méthode inverse, soit de prédire la conductivité effective de l’électrode, en utilisant des propriétés mesurées expérimentalement sur les phases prises séparément. Les microstructures 3D numériques peuvent également être altérées afin de prédire l’impact, sur ses propriétés effectives, de changements de composition dans la formulation de l’électrode. De nouveaux outils consacrés à la meilleure compréhension de la relation entre microstructure, propriétés effectives et performance des batteries lithium-ion sont développés.

As a research scientist in optical design at ONERA, I have worked on a frugal strategy for infrared optical systems in order to simplify them and miniaturize them. The implementation of advanced imagery functions like 3D imagery and multispectral imagery has been studied as well. The aim of this research is to integrate infrared cameras in vehicles with small payload capacities like UAV and to spread infrared imagery in the industrial and consumer markets. This context has allowed me to explore three research fields :•Design of infrared cryogenic eyes in a co-design strategy between the optics and the detection block.•Study of a minimalist approach with diffractive optics to functionalize thin and lightweight optical plates. This was the opportunity to revisit the imagery properties of pinholes, high order Fresnel lenses and continuously self-imaging gratings. •Study of bio-inspired invertebrate eyes to design multichannel systems for miniaturizing cameras, for 3D imagery with plenoptic cameras and for multispectral imagery.; En tant que chercheur en instrumentation à l’ONERA, j’ai développé une approche frugale dans la conception de systèmes optiques infrarouges en vue de leur simplification et de leur miniaturisation. L’intégration de fonctions d’imagerie avancées comme l’imagerie 3D et l’imagerie multispectrale a également été étudiée. Les objectifs sont l’intégration de caméras infrarouges dans des systèmes à faible capacité d’emport comme les drones et la diffusion de l’infrarouge dans le milieu industriel et civil. Ce contexte m’a permis d’aborder trois thèmes de recherche :•Le développement d’yeux infrarouges cryogéniques avec une démarche de conception conjointe entre le bloc de détection cryogénique et l’optique.•L’étude des optiques diffractives pour développer une approche de conception minimaliste fonctionnalisant des lames optiques en revisitant le sténopé, les lentilles de Fresnel à ordre de diffraction élevé et les composants continûment auto-imageants.•L’étude d’architectures multivoies s’inspirant de la vision des invertébrés pour développer des caméras miniaturisées, des caméras plénoptiques pour l’imagerie 3D et des caméras multispectrales.