Aortic blood pressure measured via EIT: investigation of different measurement settings.

Electrical impedance tomography (EIT) allows the measurement of intra-thoracic impedance changes related to cardiovascular activity. As a safe and low-cost imaging modality, EIT is an appealing candidate for non-invasive and continuous haemodynamic monitoring. EIT has recently been shown to allow the assessment of aortic blood pressure via the estimation of the aortic pulse arrival time (PAT). However, finding the aortic signal within EIT image sequences is a challenging task: the signal has a small amplitude and is difficult to locate due to the small size of the aorta and the inherent low spatial resolution of EIT. In order to most reliably detect the aortic signal, our objective was to understand the effect of EIT measurement settings (electrode belt placement, reconstruction algorithm). This paper investigates the influence of three transversal belt placements and two commonly-used difference reconstruction algorithms (Gauss-Newton and GREIT) on the measurement of aortic signals in view of aortic blood pressure estimation via EIT. A magnetic resonance imaging based three-dimensional finite element model of the haemodynamic bio-impedance properties of the human thorax was created. Two simulation experiments were performed with the aim to (1) evaluate the timing error in aortic PAT estimation and (2) quantify the strength of the aortic signal in each pixel of the EIT image sequences. Both experiments reveal better performance for images reconstructed with Gauss-Newton (with a noise figure of 0.5 or above) and a belt placement at the height of the heart or higher. According to the noise-free scenarios simulated, the uncertainty in the analysis of the aortic EIT signal is expected to induce blood pressure errors of at least ± 1.4 mmHg.

Modelling the curing process in magneto-sensitive polymers: Rate-dependence and shrinkage

This paper deals with a phenomenologically motivated magneto-viscoelastic coupled finite strain framework for simulating the curing process of polymers under the application of a coupled magneto-mechanical road. Magneto-sensitive polymers are prepared by mixing micron-sized ferromagnetic particles in uncured polymers. Application of a magnetic field during the curing process causes the particles to align and form chain-like structures lending an overall anisotropy to the material. The polymer curing is a viscoelastic complex process where a transformation from fluid. to solid occurs in the course of time. During curing, volume shrinkage also occurs due to the packing of polymer chains by chemical reactions. Such reactions impart a continuous change of magneto-mechanical properties that can be modelled by an appropriate constitutive relation where the temporal evolution of material parameters is considered. To model the shrinkage during curing, a magnetic-induction-dependent approach is proposed which is based on a multiplicative decomposition of the deformation gradient into a mechanical and a magnetic-induction-dependent volume shrinkage part. The proposed model obeys the relevant laws of thermodynamics. Numerical examples, based on a generalised Mooney-Rivlin energy function, are presented to demonstrate the model capacity in the case of a magneto-viscoelastically coupled load.

Rockfall susceptibility assessment and remote geological mapping with LiDAR point clouds

Characterizing the geological features and structures in three dimensions over inaccessible rock cliffs is needed to assess natural hazards such as rockfalls and rockslides and also to perform investigations aimed at mapping geological contacts and building stratigraphy and fold models. Indeed, the detailed 3D data, such as LiDAR point clouds, allow to study accurately the hazard processes and the structure of geologic features, in particular in vertical and overhanging rock slopes. Thus, 3D geological models have a great potential of being applied to a wide range of geological investigations both in research and applied geology projects, such as mines, tunnels and reservoirs. Recent development of ground-based remote sensing techniques (LiDAR, photogrammetry and multispectral / hyperspectral images) are revolutionizing the acquisition of morphological and geological information. As a consequence, there is a great potential for improving the modeling of geological bodies as well as failure mechanisms and stability conditions by integrating detailed remote data. During the past ten years several large rockfall events occurred along important transportation corridors where millions of people travel every year (Switzerland: Gotthard motorway and railway; Canada: Sea to sky highway between Vancouver and Whistler). These events show that there is still a lack of knowledge concerning the detection of potential rockfalls, making mountain residential settlements and roads highly risky. It is necessary to understand the main factors that destabilize rocky outcrops even if inventories are lacking and if no clear morphological evidences of rockfall activity are observed. In order to increase the possibilities of forecasting potential future landslides, it is crucial to understand the evolution of rock slope stability. Defining the areas theoretically most prone to rockfalls can be particularly useful to simulate trajectory profiles and to generate hazard maps, which are the basis for land use planning in mountainous regions. The most important questions to address in order to assess rockfall hazard are: Where are the most probable sources for future rockfalls located? What are the frequencies of occurrence of these rockfalls? I characterized the fracturing patterns in the field and with LiDAR point clouds. Afterwards, I developed a model to compute the failure mechanisms on terrestrial point clouds in order to assess the susceptibility to rockfalls at the cliff scale. Similar procedures were already available to evaluate the susceptibility to rockfalls based on aerial digital elevation models. This new model gives the possibility to detect the most susceptible rockfall sources with unprecented detail in the vertical and overhanging areas. The results of the computation of the most probable rockfall source areas in granitic cliffs of Yosemite Valley and Mont-Blanc massif were then compared to the inventoried rockfall events to validate the calculation methods. Yosemite Valley was chosen as a test area because it has a particularly strong rockfall activity (about one rockfall every week) which leads to a high rockfall hazard. The west face of the Dru was also chosen for the relevant rockfall activity and especially because it was affected by some of the largest rockfalls that occurred in the Alps during the last 10 years. Moreover, both areas were suitable because of their huge vertical and overhanging cliffs that are difficult to study with classical methods. Limit equilibrium models have been applied to several case studies to evaluate the effects of different parameters on the stability of rockslope areas. The impact of the degradation of rockbridges on the stability of large compartments in the west face of the Dru was assessed using finite element modeling. In particular I conducted a back-analysis of the large rockfall event of 2005 (265'000 m3) by integrating field observations of joint conditions, characteristics of fracturing pattern and results of geomechanical tests on the intact rock. These analyses improved our understanding of the factors that influence the stability of rock compartments and were used to define the most probable future rockfall volumes at the Dru. Terrestrial laser scanning point clouds were also successfully employed to perform geological mapping in 3D, using the intensity of the backscattered signal. Another technique to obtain vertical geological maps is combining triangulated TLS mesh with 2D geological maps. At El Capitan (Yosemite Valley) we built a georeferenced vertical map of the main plutonio rocks that was used to investigate the reasons for preferential rockwall retreat rate. Additional efforts to characterize the erosion rate were made at Monte Generoso (Ticino, southern Switzerland) where I attempted to improve the estimation of long term erosion by taking into account also the volumes of the unstable rock compartments. Eventually, the following points summarize the main out puts of my research: The new model to compute the failure mechanisms and the rockfall susceptibility with 3D point clouds allows to define accurately the most probable rockfall source areas at the cliff scale. The analysis of the rockbridges at the Dru shows the potential of integrating detailed measurements of the fractures in geomechanical models of rockmass stability. The correction of the LiDAR intensity signal gives the possibility to classify a point cloud according to the rock type and then use this information to model complex geologic structures. The integration of these results, on rockmass fracturing and composition, with existing methods can improve rockfall hazard assessments and enhance the interpretation of the evolution of steep rockslopes. -- La caractérisation de la géologie en 3D pour des parois rocheuses inaccessibles est une étape nécessaire pour évaluer les dangers naturels tels que chutes de blocs et glissements rocheux, mais aussi pour réaliser des modèles stratigraphiques ou de structures plissées. Les modèles géologiques 3D ont un grand potentiel pour être appliqués dans une vaste gamme de travaux géologiques dans le domaine de la recherche, mais aussi dans des projets appliqués comme les mines, les tunnels ou les réservoirs. Les développements récents des outils de télédétection terrestre (LiDAR, photogrammétrie et imagerie multispectrale / hyperspectrale) sont en train de révolutionner l'acquisition d'informations géomorphologiques et géologiques. Par conséquence, il y a un grand potentiel d'amélioration pour la modélisation d'objets géologiques, ainsi que des mécanismes de rupture et des conditions de stabilité, en intégrant des données détaillées acquises à distance. Pour augmenter les possibilités de prévoir les éboulements futurs, il est fondamental de comprendre l'évolution actuelle de la stabilité des parois rocheuses. Définir les zones qui sont théoriquement plus propices aux chutes de blocs peut être très utile pour simuler les trajectoires de propagation des blocs et pour réaliser des cartes de danger, qui constituent la base de l'aménagement du territoire dans les régions de montagne. Les questions plus importantes à résoudre pour estimer le danger de chutes de blocs sont : Où se situent les sources plus probables pour les chutes de blocs et éboulement futurs ? Avec quelle fréquence vont se produire ces événements ? Donc, j'ai caractérisé les réseaux de fractures sur le terrain et avec des nuages de points LiDAR. Ensuite, j'ai développé un modèle pour calculer les mécanismes de rupture directement sur les nuages de points pour pouvoir évaluer la susceptibilité au déclenchement de chutes de blocs à l'échelle de la paroi. Les zones sources de chutes de blocs les plus probables dans les parois granitiques de la vallée de Yosemite et du massif du Mont-Blanc ont été calculées et ensuite comparés aux inventaires des événements pour vérifier les méthodes. Des modèles d'équilibre limite ont été appliqués à plusieurs cas d'études pour évaluer les effets de différents paramètres sur la stabilité des parois. L'impact de la dégradation des ponts rocheux sur la stabilité de grands compartiments de roche dans la paroi ouest du Petit Dru a été évalué en utilisant la modélisation par éléments finis. En particulier j'ai analysé le grand éboulement de 2005 (265'000 m3), qui a emporté l'entier du pilier sud-ouest. Dans le modèle j'ai intégré des observations des conditions des joints, les caractéristiques du réseau de fractures et les résultats de tests géoméchaniques sur la roche intacte. Ces analyses ont amélioré l'estimation des paramètres qui influencent la stabilité des compartiments rocheux et ont servi pour définir des volumes probables pour des éboulements futurs. Les nuages de points obtenus avec le scanner laser terrestre ont été utilisés avec succès aussi pour produire des cartes géologiques en 3D, en utilisant l'intensité du signal réfléchi. Une autre technique pour obtenir des cartes géologiques des zones verticales consiste à combiner un maillage LiDAR avec une carte géologique en 2D. A El Capitan (Yosemite Valley) nous avons pu géoréferencer une carte verticale des principales roches plutoniques que j'ai utilisé ensuite pour étudier les raisons d'une érosion préférentielle de certaines zones de la paroi. D'autres efforts pour quantifier le taux d'érosion ont été effectués au Monte Generoso (Ticino, Suisse) où j'ai essayé d'améliorer l'estimation de l'érosion au long terme en prenant en compte les volumes des compartiments rocheux instables. L'intégration de ces résultats, sur la fracturation et la composition de l'amas rocheux, avec les méthodes existantes permet d'améliorer la prise en compte de l'aléa chute de pierres et éboulements et augmente les possibilités d'interprétation de l'évolution des parois rocheuses.

Seismic characterization of heterogeneous sedimentary and fractured rocks based on Biot's theory of poroelasticity

Understanding and quantifying seismic energy dissipation, which manifests itself in terms of velocity dispersion and attenuation, in fluid-saturated porous rocks is of considerable interest, since it offers the perspective of extracting information with regard to the elastic and hydraulic rock properties. There is increasing evidence to suggest that wave-induced fluid flow, or simply WIFF, is the dominant underlying physical mechanism governing these phenomena throughout the seismic, sonic, and ultrasonic frequency ranges. This mechanism, which can prevail at the microscopic, mesoscopic, and macroscopic scale ranges, operates through viscous energy dissipation in response to fluid pressure gradients and inertial effects induced by the passing wavefield. In the first part of this thesis, we present an analysis of broad-band multi-frequency sonic log data from a borehole penetrating water-saturated unconsolidated glacio-fluvial sediments. An inherent complication arising in the interpretation of the observed P-wave attenuation and velocity dispersion is, however, that the relative importance of WIFF at the various scales is unknown and difficult to unravel. An important generic result of our work is that the levels of attenuation and velocity dispersion due to the presence of mesoscopic heterogeneities in water-saturated unconsolidated clastic sediments are expected to be largely negligible. Conversely, WIFF at the macroscopic scale allows for explaining most of the considered data while refinements provided by including WIFF at the microscopic scale in the analysis are locally meaningful. Using a Monte-Carlo-type inversion approach, we compare the capability of the different models describing WIFF at the macroscopic and microscopic scales with regard to their ability to constrain the dry frame elastic moduli and the permeability as well as their local probability distribution. In the second part of this thesis, we explore the issue of determining the size of a representative elementary volume (REV) arising in the numerical upscaling procedures of effective seismic velocity dispersion and attenuation of heterogeneous media. To this end, we focus on a set of idealized synthetic rock samples characterized by the presence of layers, fractures or patchy saturation in the mesocopic scale range. These scenarios are highly pertinent because they tend to be associated with very high levels of velocity dispersion and attenuation caused by WIFF in the mesoscopic scale range. The problem of determining the REV size for generic heterogeneous rocks is extremely complex and entirely unexplored in the given context. In this pilot study, we have therefore focused on periodic media, which assures the inherent self- similarity of the considered samples regardless of their size and thus simplifies the problem to a systematic analysis of the dependence of the REV size on the applied boundary conditions in the numerical simulations. Our results demonstrate that boundary condition effects are absent for layered media and negligible in the presence of patchy saturation, thus resulting in minimum REV sizes. Conversely, strong boundary condition effects arise in the presence of a periodic distribution of finite-length fractures, thus leading to large REV sizes. In the third part of the thesis, we propose a novel effective poroelastic model for periodic media characterized by mesoscopic layering, which accounts for WIFF at both the macroscopic and mesoscopic scales as well as for the anisotropy associated with the layering. Correspondingly, this model correctly predicts the existence of the fast and slow P-waves as well as quasi and pure S-waves for any direction of wave propagation as long as the corresponding wavelengths are much larger than the layer thicknesses. The primary motivation for this work is that, for formations of intermediate to high permeability, such as, for example, unconsolidated sediments, clean sandstones, or fractured rocks, these two WIFF mechanisms may prevail at similar frequencies. This scenario, which can be expected rather common, cannot be accounted for by existing models for layered porous media. Comparisons of analytical solutions of the P- and S-wave phase velocities and inverse quality factors for wave propagation perpendicular to the layering with those obtained from numerical simulations based on a ID finite-element solution of the poroelastic equations of motion show very good agreement as long as the assumption of long wavelengths remains valid. A limitation of the proposed model is its inability to account for inertial effects in mesoscopic WIFF when both WIFF mechanisms prevail at similar frequencies. Our results do, however, also indicate that the associated error is likely to be relatively small, as, even at frequencies at which both inertial and scattering effects are expected to be at play, the proposed model provides a solution that is remarkably close to its numerical benchmark. -- Comprendre et pouvoir quantifier la dissipation d'énergie sismique qui se traduit par la dispersion et l'atténuation des vitesses dans les roches poreuses et saturées en fluide est un intérêt primordial pour obtenir des informations à propos des propriétés élastique et hydraulique des roches en question. De plus en plus d'études montrent que le déplacement relatif du fluide par rapport au solide induit par le passage de l'onde (wave induced fluid flow en anglais, dont on gardera ici l'abréviation largement utilisée, WIFF), représente le principal mécanisme physique qui régit ces phénomènes, pour la gamme des fréquences sismiques, sonique et jusqu'à l'ultrasonique. Ce mécanisme, qui prédomine aux échelles microscopique, mésoscopique et macroscopique, est lié à la dissipation d'énergie visqueuse résultant des gradients de pression de fluide et des effets inertiels induits par le passage du champ d'onde. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons une analyse de données de diagraphie acoustique à large bande et multifréquences, issues d'un forage réalisé dans des sédiments glaciaux-fluviaux, non-consolidés et saturés en eau. La difficulté inhérente à l'interprétation de l'atténuation et de la dispersion des vitesses des ondes P observées, est que l'importance des WIFF aux différentes échelles est inconnue et difficile à quantifier. Notre étude montre que l'on peut négliger le taux d'atténuation et de dispersion des vitesses dû à la présence d'hétérogénéités à l'échelle mésoscopique dans des sédiments clastiques, non- consolidés et saturés en eau. A l'inverse, les WIFF à l'échelle macroscopique expliquent la plupart des données, tandis que les précisions apportées par les WIFF à l'échelle microscopique sont localement significatives. En utilisant une méthode d'inversion du type Monte-Carlo, nous avons comparé, pour les deux modèles WIFF aux échelles macroscopique et microscopique, leur capacité à contraindre les modules élastiques de la matrice sèche et la perméabilité ainsi que leur distribution de probabilité locale. Dans une seconde partie de cette thèse, nous cherchons une solution pour déterminer la dimension d'un volume élémentaire représentatif (noté VER). Cette problématique se pose dans les procédures numériques de changement d'échelle pour déterminer l'atténuation effective et la dispersion effective de la vitesse sismique dans un milieu hétérogène. Pour ce faire, nous nous concentrons sur un ensemble d'échantillons de roches synthétiques idéalisés incluant des strates, des fissures, ou une saturation partielle à l'échelle mésoscopique. Ces scénarios sont hautement pertinents, car ils sont associés à un taux très élevé d'atténuation et de dispersion des vitesses causé par les WIFF à l'échelle mésoscopique. L'enjeu de déterminer la dimension d'un VER pour une roche hétérogène est très complexe et encore inexploré dans le contexte actuel. Dans cette étude-pilote, nous nous focalisons sur des milieux périodiques, qui assurent l'autosimilarité des échantillons considérés indépendamment de leur taille. Ainsi, nous simplifions le problème à une analyse systématique de la dépendance de la dimension des VER aux conditions aux limites appliquées. Nos résultats indiquent que les effets des conditions aux limites sont absents pour un milieu stratifié, et négligeables pour un milieu à saturation partielle : cela résultant à des dimensions petites des VER. Au contraire, de forts effets des conditions aux limites apparaissent dans les milieux présentant une distribution périodique de fissures de taille finie : cela conduisant à de grandes dimensions des VER. Dans la troisième partie de cette thèse, nous proposons un nouveau modèle poro- élastique effectif, pour les milieux périodiques caractérisés par une stratification mésoscopique, qui prendra en compte les WIFF à la fois aux échelles mésoscopique et macroscopique, ainsi que l'anisotropie associée à ces strates. Ce modèle prédit alors avec exactitude l'existence des ondes P rapides et lentes ainsi que les quasis et pures ondes S, pour toutes les directions de propagation de l'onde, tant que la longueur d'onde correspondante est bien plus grande que l'épaisseur de la strate. L'intérêt principal de ce travail est que, pour les formations à perméabilité moyenne à élevée, comme, par exemple, les sédiments non- consolidés, les grès ou encore les roches fissurées, ces deux mécanismes d'WIFF peuvent avoir lieu à des fréquences similaires. Or, ce scénario, qui est assez commun, n'est pas décrit par les modèles existants pour les milieux poreux stratifiés. Les comparaisons des solutions analytiques des vitesses des ondes P et S et de l'atténuation de la propagation des ondes perpendiculaires à la stratification, avec les solutions obtenues à partir de simulations numériques en éléments finis, fondées sur une solution obtenue en 1D des équations poro- élastiques, montrent un très bon accord, tant que l'hypothèse des grandes longueurs d'onde reste valable. Il y a cependant une limitation de ce modèle qui est liée à son incapacité à prendre en compte les effets inertiels dans les WIFF mésoscopiques quand les deux mécanismes d'WIFF prédominent à des fréquences similaires. Néanmoins, nos résultats montrent aussi que l'erreur associée est relativement faible, même à des fréquences à laquelle sont attendus les deux effets d'inertie et de diffusion, indiquant que le modèle proposé fournit une solution qui est remarquablement proche de sa référence numérique.