Littérature scientifique sur le sujet « Cardiopathies – Diagnostic – Modèles mathématiques »

L’objectif de cette thèse porte sur la validation d’un modèle biomécanique du cœur à base de mesures expérimentales, et sur des investigations concernant des applications cliniques en modélisation personnalisée. Dans le cadre 1D, nous avons reproduit des expériences physiologiques de contraction d’une fibre cardiaque. Concernant la validation 3D, nous avons effectué dans une collaboration clinique une expérience avec des animaux (cochons), afin d’obtenir des données saines et après création d’infarctus. Nous avons démontré que notre modèle est capable de représenter le cœur sain, et que l’infarctus peut-être correctement modèlisé en modifiant uniquement les paramètres de contractilité. Dans la première application clinique nous avons démontré que le modèle est prédictif sur l’effet immédiat d’une “Cardiac Resynchronization Therapy” (CRT), sur le critére du “max LV dp/dt”. La personnalisation du modèle a été réalisée au moyen des données d’IRM et de pressions avant la CRT. Puis, tous les paramètres du modèle étant figés, nous avons appliqué les schémas d’activation électrique correspondant aux modes de CRT. Nous avons obtenu une prédiction très proche des indicateurs mesurés sur 3 patients avec plusieurs schémas d’activation. Cette étude montre que la modélisation de CRT est très prometteuse comme assistance à la planification thérapeutique. Dans une deuxième application nous avons adapté des méthodes d’assimilation de données developpées dans le Projet MACS à l’INRIA. Nous avons ainsi réalisé une estimation conjointe état-paramètres en utilisant des données réelles (IRM). Nous avons réussi à personaliser automatiquement les paramètres de contractilité du myocard
The objective of this thesis is the assessment of a biomechanical heart model using experimental data, and the investigation of clinical applications with patient-specific modeling. At the 1D level we aimed at reproducing physiological experiments with myocardial fiber contraction. For the 3D validation we performed in co-operation with a clinical partner an experiment with animals (pigs) in order to obtain data in the healthy stage and after creating a myocardial infarct. We showed that our model can reproduce the pressures and motion of a healthy heart and that the infarct can be represented by changing only the parameters directly related to the pathology. The objective of the first clinical application was to predict the short-term effect of the Cardiac Resynchronization Therapy (CRT) by means of an increase of ‘max LV dp/dt’. The model personalization was performed using patients MRI and pressure data in the baseline condition – prior to CRT. Then we fixed the values of all parameters and applied electrical activation patterns according to the pacing modes considered. We obtained a very good prediction of max LV dp/dt using various pacing patterns in 3 clinical cases. This preliminary clinical validation shows that the modeling of CRT is a very promising approach as an assistance to therapy planning. The second application is based on the adaptation of data assimilation methods developed in the MACS team at INRIA. We performed joint state-parameter estimation with real image data. We showed the effectiveness of these algorithms in automatic model personalization and that the estimated contractility values can serve as an indicator of the local heart function

L'objectif de notre travail de thèse est de fournir un cadre pour la construction automatique de modèles de systèmes physiques. Nous montrons, par ailleurs, la pertinence du modèle construit pour la tâche de diagnostic de défaillances. Ce travail aboutit à la réalisation de l'outil AIMD (AIde à la Modélisation et au Diagnostic). Notre approche consiste à considérer la tâche de modélisation comme une itération, qui commence par l'élaboration du modèle le plus simple, puis le complexifie si besoin pour tenir compte de deux éléments : les hypothèses de modélisation propres au contexte d'utilisation du système physique, et les contraintes reflétant le comportement dynamique désiré (attendu) de ce système. Une simulation qualitative permet de vérifier si le modèle courant peut, ou non, satisfaire ces contraintes. L'itération est terminée quand on obtient un modèle de parcimonie, ou si, par contre, aucun modèle satisfaisant ne peut être élaboré. Une phase préliminaire consiste à analyser la structure du système physique, donnée sous la forme de l'ensemble de composants et relations entre composants. Le modèle global du système physique est obtenu grâce à l'assemblage des fragments de modèles représentant chacun un composant du système physique. Une bibliothèque, préalablement construite, regroupe les différents fragments (chaque composant pouvant être représenté par plusieurs fragments). Nous utilisons le formalisme des graphes de liaisons pour représenter les fragments de modèles. Le résultat de la tâche de modélisation est alors donné sous forme de graphe de liaisons. Nous en dérivons, ensuite, un graphe causal. Ce dernier est utilisé comme référence (modèle de bon comportement) par rapport aux observations et mesures recueillies auprès du système physique. La tâche de diagnostic consiste, alors, à rechercher la cause d'une défaillance se manifestant par un symptôme.

Dans le cadre de la télédétection spatiale pour l'agriculture, nous nous intéressons à l'estimation d'un modèle d'évolution de l'indice de surface foliaire d'une culture à partir d'images à haute résolution temporelle ; l'enjeu étant d'améliorer la prévision de rendement sur une région agricole. Les acquisitions d'images sont assimilables à des données longitudinales sur une population de pixels. Nous proposons une modélisation par paramètres aléatoires pour exprimer la variabilité inter-pixels et traiter l'ensemble des pixels simultanément. Nous présentons les expressions paramétriques et non paramétriques de la variabilité inter-pixels. Nous nous attachons au modèle paramétrique pour lequel nous passons en revue les méthodes d'estimation basées soit sur des régressions non linéaires par pixel soit sur la maximisation d'une approximation de la vraisemblance globale. .
In the spatial remote sensing for agriculture framework, we deal with the estimation of a crop leaf area index evolution model from high temporal resolution images ; the scope of the work is the improvement of yield prediction over a large area. Regular measurements can be considered as longitudinal data of a population of pixels. We propose a random parameter modelling to express between-pixels variability and to deal with the whole pixels simultaneously. We present parametric and non parametric expressions of the between-pixels variability. We focus on the parametric model for which we review estimation methods based either on a per-pixel approach or on the maximization of an approximated global likelihood. .

Le travail présenté dans ce mémoire a pour objet la surveillance en ligne des systèmes flexibles de l'industrie manufacturière. Le rôle d'une telle fonction est d'assurer la sécurité et la disponibilité des biens et équipements, afin de permettre le maintien d'une production adaptable et évolutive (flexibilité). Pour répondre à ces objectifs, il est nécessaire de pouvoir identifier et confiner les défaillances en temps réel. L'approche proposée concerne la conception d'un système de diagnostic temps réel. Pour faire face à cette contrainte et à la nécessité de complétude, le modèle de connaissance est construit à partir du modèle fonctionnel du procédé. Sur ce modèle baptisé GF (Graphe Fonctionnel), deux formes de raisonnement sont mises en œuvre: le raisonnement temporel et le raisonnement hypothétique. Ces raisonnements permettent d'implémenter les mécanismes de base du diagnostic et du confinement de défaillance, à savoir: la localisation, l'identification et le pronostic. En amont, du diagnostic, nous avons proposé une méthode de conception de la fonction détection basée sur l'utilisation conjointe des techniques de perception-filtrage et de classification des symptômes. En aval, dans le cadre du recouvrement, nous proposons une structuration en couches de la commande, permettant d'intégrer la gestion des modes de marches à la fonction pilotage

Le developpement d'un modele neuronal efficace et aisement utilisable passe par deux points clefs: ses performances en apprentissage et en generalisation, et sa facilite d'utilisation. C'est le plus souvent par le biais de l'algorithme d'apprentissage et de l'architecture que l'on tente d'ameliorer ces aspects. Pour notre part, nous avons aborde ce probleme en nous interessant a la maniere dont l'information est representee aux entrees/sorties du reseau. Il s'agit en effet d'un point capital non seulement dans le domaine des reseaux neuronaux, mais egalement dans tout ce qui a trait aux methodes informatiques, et en particulier des qu'il s'agit de mettre en uvre des techniques d'apprentissage. Nous avons choisi d'etudier l'influence d'un codage dit semi-distribue, deja utilise de maniere anterieure, aux acces des perceptrons multi-couches a retro-propagation du gradient. Cet algorithme est tres populaire, mais il est connu pour ses defauts (lenteur de convergence, difficulte a trouver une architecture adaptee a une application donnee). Nous couplons ce codage a un algorithme d'auto-organisation qui permet de l'adapter aux donnees. Par ce biais, nous ameliorons l'allocation des ressources disponibles au sein du reseau. Par ailleurs, ce codage permet d'augmenter considerablement les possibilites de ces reseaux, en autorisant l'approximation de relations non-univoques. Le modele est valide sur des applications representatives de trois grands domaines specifiques: le diagnostic, la modelisation et la commande

L’atomisation sous jet gazeux de métal liquide à travers une buse De Laval est considérée comme l’un des procédés les plus performants tant du point de vue de la qualité de la poudre obtenue en terme de taille et de composition que de la consommation de gaz inerte utilisé pour atomiser ce métal liquide. Malgré tout, l’optimisation de ce procédé passe par une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu et les études engagées actuellement s’orientent aussi bien vers des recherches expérimentales que numériques. Ainsi, les travaux développés au cours de cette thèse, qui visait à l’optimisation de ce procédé, concernent des résultats issus d’expérience et des résultats obtenus par modélisation. D’un point de vue expérimental, trois étapes du procédé ont été séparément analysées qui correspondent chronologiquement à la fusion du bain métallique, l’atomisation primaire et l’atomisation secondaire. La technique de Vélocimétrie par Images de Particules a été utilisée permettant d’obtenir des résultats de vitesse de particules dans la chambre d’atomisation et apporte des données essentielles sur les phénomènes d’atomisations primaire et secondaire. L’atomisation primaire semble dominée dans les premiers instants de l’atomisation par la montée en pression de l’autoclave. Le jet métallique est alors faiblement atomisé et les particules produites possèdent de forts diamètres. Au cours du temps, la pression dans l’autoclave augmentant, la taille des jets diminue et simultanément les particules diminuent en diamètre. Enfin, l’atomisation secondaire semble préférentiellement influencée par le rapport débits de gaz sur métal. Ainsi, à tout autre paramètre constant, la hauteur du bain métallique diminuant au cours du temps, l’énergie disponible pour désintégrer le jet est plus forte et la taille des particules varie en conséquence. Finalement, le lien entre la pression d’atomisation et la taille de la poudre produite est confirmé, ainsi que l’importance du rapport de débits de gaz sur métal. D’un point de vue numérique, la modélisation des écoulements gazeux produits par ce système d’atomisation a été développée sous Fluent de manière à formaliser les effets des principaux paramètres opératoires. Les effets du phénomène d’aspiration présent sous la buse de coulée, de la détente du gaz au passage de la buse de Laval et de géométrie de buses sur les champs de vitesse, de température et de pression ont pu être mis en évidence et les tendances notées corroborent les résultats expérimentaux. Le choix des caractéristiques géométriques des composants utilisés pour la fusion, la coulée et l’atomisation influencent le débit de métal, ce qui a également un impact sur la taille de la poudre produite. Enfin, le procédé est instationnaire durant toute la phase d’atomisation. En effet, la coulée du métal doit souvent être mise en route au cours de la pressurisation de l’autoclave pour éviter la colmatage de la buse de coulée, puis la vidange progressive du creuset conduit à une réduction du débit de métal. Une solution pour rendre le procédé quasiment stationnaire est proposée en perspective, étape essentielle vers un procédé optimisé
Gas atomization of liquid metal using a De Laval nozzle is thought to be one of the most effective processes both in terms of powder quality which includes size and composition and in terms of inert gas consumption used to atomize this liquid metal. The comprehension of the events involved is of prime importance to improve the process and nowadays, the studies are both oriented on experimental work and CFD modeling. Thus, the work done in this thesis, which aimed at optimizing the process, involves experimental results and CFD results. On the experimental hand, the three main chronologic stages of the process were analyzed. They consist in the melting of the melt batch and then the primary and secondary atomization. The Particle Image Velocimetry has been used to measure the particle speed in the atomizing chamber and provides meaningful data on the primary and secondary atomization phenomenon. At the start of the process, primary atomization seems to be dominated by the pressurization of the autoclave. At that time, the metal spray is poorly atomized resulting in coarse particle sizes. Later, as the pressure still increases in the autoclave, the spray size decreases et simultaneously the particle sizes become finer. Secondary atomization seems to be mostly influenced by the gas to metal ratio. Thus, with the other parameters being unchanged, as the static height of the melt in the crucible is decreasing, the available energy for the melt disintegration is higher, so that the particle size consequently diminishes. To conclude, the relationship between atomizing pressure and resulting powder size and the importance of the gas to metal ratio (GMR) are both confirmed. On the CFD hand, the modelling of the gas-only flow using Fluent lead to the formalisation of the effects of the main operating parameters. The respective effects of the suction under the melt nozzle, of the expansion through the De Laval nozzle and of the shape of the atomizing system could be underlined and the trends match with the experimental results. The choice in the shapes and sizes of the components used for the melting to the atomization acts on the melt mass flow rate, so that the powder particle size is also affected. The process is unsteady during the whole atomization event. First, most of the time, the melt flow is started during the pressurization of the autoclave to avoid the plugging of the melt nozzle, and then, as the crucible is emptying, the loss of static height reduces the melt flow rate. The next critical step for improving the process consists in getting it steady

Dans cette étude, nous abordons le diagnostic des défauts rotoriques dans les machines asynchrones à cage d'écureuil. Après avoir décrit les différents éléments de constitution d'une machine asynchrone, nous proposons un modèle de machine basée sur la méthode des circuits électriques magnétiquement couplés. Nous présentons ensuite trois méthodes permettant la détection d'un défaut rotorique. La première méthode s'appuie sur l'évaluation de plusieurs indices calculés à partir de l'amplitude des composantes présentes dans les spectres de la puissance instantanée et du courant absorbé par le moteur. La seconde méthode de détection proposée utilise la phase du spectre du courant statorique calculée à partir d'une transformée de Fourier. Nous utilisons ensuite la phase de la transformée de Hilbert calculée à partir du module du spectre du courant statorique. Ces approches ont la particularité de ne se baser sur aucun seuil de référence pour diagnostiquer un défaut rotorique
In this study, we move on to the broken rotor bar diagnosis of squirrel-cage induction machines. The first part is devoted to the development of a model which is based on the magnetically coupled electric circuits. We present three methods allowing detection of a rotor defect of an induction machine. The first method is based on the evaluation of several indexes calculated starting from the amplitude of the components present in the spectra of the instantaneous power and the line current. The second method of detection suggested uses the stator current spectrum phase calculated starting from a Fourier Transform. To improve the detection, we use the Hilbert transform phase calculated starting from the stator current spectrum module. These approaches have the characteristic to be based on any threshold of reference to establish the presence of a broken rotor bar

Cette thèse est dédiée à l’intégration de données complexes issues de l’imagerie dans une stratégie d’assimilation de données pour des modèles mécaniques. Notre stratégie s’appuie sur des travaux récents proposant une méthode séquentielle d’assimilation de données qui se décompose en un filtre de Luenberger pour l’espace d’état et un filtre optimal réduit à l’espace des paramètres. Nous l’appliquons à l’identification de paramètres pour un modèle biomécanique du cœur et, dans ce cadre, nous formalisons la construction de comparateurs de formes évolués pour deux types de données : d’une part des données extraites d’un traitement de l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) de marquage tissulaire et, d’autre part, des données plus classiques de type contours de l’objet. D’abord fondés sur des simples distances nous enrichissons ces comparateurs grâce au formalisme des courants permettant d’inscrire le contour de l’objet dans le dual d’un espace de fonctions-test appropriées. Pour chacun des comparateurs nous analysons son impact sur l’observabilité du système et, pour le cas de l’imagerie de marquage tissulaire, nous prouvons qu’ils sont équivalents à une mesure directe du déplacement. D’un point de vue numérique, la prise en compte de ces mesures complexes présente d’importantes difficultées nous poussant à mettre en place des schémas numériques originaux permettant une manipulation plus flexible des différents opérateurs d’observation. Nous profitons de ces nouveaux moyens d’extraction de l’information contenue dans les données d’imagerie pour permettre, dans des cas réalistes, l’identification de la position et de l’intensité d’un infarctus du myocarde
This thesis aims at incorporating complex data derived from images into a data assimilation strategy available for mechanical systems. Our work relies on some recent developments that propose a sequential data assimilation method made of a Luenberger filter for the state space and an optimal filter reduced to the remaining parameter space. We aim at performing parameter identification for a biomechanical model of the heart and, within the scope of this application, we formalize the construction of shape discrepancy measurements for two types of data sets: first, the data expected of a processing step of tagged Magnetic Resonance Imaging (tagged-MRI) and, second, more standard data composed by the contours of the object. Initially based on simple distance measurements we enrich these discrepancy measures by incorporating the formalism of currents which enables to embed the contours of the object within the dual of an appropriate space of test functions. For each discrepancy operators we analyze its impact on the observability of the system and, in the case of tagged-MRI, we prove that they are equivalent to a direct measurement of the displacement. From a numerical standpoint, taking into account these complex data sets is a great challenge that motivates the creation of new numerical schemes that provide a more flexible management of the various observation operators. We assess these new means of extracting the rich information contained in the image by identifying in realistic cases the position and the intensity of an infarct in the heart tissue

Pour fonctionner correctement, les systèmes de commande et de surveillance des processus ont besoin de recevoir des données cohérentes représentatives de l'état de fonctionnement de ces processus. Malheureusement, l'ensemble des données prélevées sur un processus ne constitue pas une représentation exacte de son fonctionnement parce que les données sont sujettes à des erreurs de différentes natures. Il est donc nécessaire de tester la validité des données acquises avant de les utiliser. Le problème majeur rencontré lors d'une procédure de validation de données ou de diagnostic réside dans le fait qu'un modèle ne définit qu'un comportement approché du processus qu'il est censé représenter. Ces approximations proviennent des erreurs de modélisation qui peuvent être expliquées par l'impossibilité d'identifier exactement les paramètres d'un système réel à cause de la précision limitée de son instrumentation. En outre, le comportement de tout système réel change au cours du temps d'une mamere non previsible en raIson de l'envIronnement des modes opératoires,. . . La représentation d'un système réel par un modèle incertain constitue une bonne solution pour prendre en compte le caractère incertain des paramètres du modèle du système. Plusieurs approches ont été développées pour analyser de tels modèles. Citons notamment l'approche probabiliste et l'approche bornante. L'objectif de cette thèse est de proposer, en utilisant l'approche bornante, des méthodes de validation de données des systèmes incertains
To function correctly, the control and the monitoring systems of the processes require to receive consistent data representative of the operating condition of these processes. Unfortunately, the data taken on a process does not constitute an exact representation of its operation because the data are subject to errors of various natures. Therefor, it is necessary to test the validity of the data gathered before using them. The major problem encountered at the time of a procedure of data validation or diagnosis is that a model of a process defines only one approximate behavior of the process which it is supposed to represent. These approximations come from the errors of modeling which can be explained by the impossibility of identifying exactly the parameters of a real system because of the limited precision of its instrumentation. Moreover, the behavior of any real system changes in the time in a nonforeseeable way because of the environment, of the procedures. . . The representation of a real system by an uncertain model constitutes a good solution to take into account the uncertain character of the parameters model of the system. Several approaches were developed to analyse such models, as the probabilistic approach and the bounding approach. The objective of this thesis is to propose, by using the bounding approach, a methods of data validation for the uncertains systems

Le travail de thèse concerne la conception d’un système de surveillance robuste aux incertitudes paramétriques à base de modèles bond graph sous forme LFT ( Linear Fractional Transformations). Une procédure de génération automatique de résidus robustes et de seuils adaptatifs de fonctionnement normal a été développée et implémentée à l’aide d’outils logiciels appropriés. Les performances du diagnostic sont contrôlées par une analyse de la sensibilité de ces résidus, permettant de définir des indices de sensibilité aux incertitudes paramétriques, et des indices de détectabilité des défauts. L’outil bond graph permet par sa nature physique d’estimer à priori les valeurs détectables (en terme de puissance) des défauts physiques. Outre l’implémentation informatique, les résultats de recherche sont validés par deux applications industrielles de complexité différente :Un système électromécanique pour détecter isoler des défauts telle que la variation anormale de l'amplitude du jeu dans la partie réducteur, tout en distinguant le défaut des variations paramétriquesUn procédé énergétique de génération de vapeur, qui constitue un système non stationnaire, où l'espace paramétrique est plus complexe
This work deals with robust fault diagnosis in presence of parameter uncertainties using bond graph model in LFT form (Linear Fractional Transformations). An approach for ARRs and adaptive thresholds generation is developed and implemented on appropriate software. The diagnosis performances are improved using a residual sensitivity analysis, which allows defining sensitivity indexes of parameter uncertainties and fault delectability indexes. The fault detectable value can be estimated (in puissance terms) due to the energetic aspect of the bond graph tools. The developed method is applied in real time on two industrial applications with different complexities: Mechatronic system, in order to detect and to isolate backlash phenomenon by distinguishing fault from parameter uncertaintiesEnergetic process of steam generation, which is a no stationary system with a complex parameter space

Ce chapitre explore les méthodes de conception de systèmes de diagnostic basés sur des modèles mathématiques. Il examine l'analyse des diagnostics de défauts des modèles, la complexité croissante avec le modèle, et l'approche structurale pour les problèmes non linéaires à grande échelle. L'analyse structurelle évalue la détectabilité et l'isolabilité des défauts, aidant à placer les capteurs et à concevoir des détecteurs. Des outils informatiques, notamment une Toolbox MATLAB et Python, sont disponibles pour faciliter cette analyse. La formalisation de la détection et de l'isolation des défauts est discutée, suivie d'une exploration des modèles structurels et des algorithmes graphiques pour l'analyse de diagnostic.