Fast boundary element formulations for electromagnetic modelling in biological tissues

par John Erick Ortiz guzman

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Francesco Paolo Andriulli.

Le président du jury était Valérie Burdin.

Le jury était composé de Francesco Paolo Andriulli, Jan Fostier, Giuseppe Vecchi, Guido Valerio, François Rousseau.

Les rapporteurs étaient Jan Fostier, Giuseppe Vecchi.

  • Titre traduit

    Formulations rapides aux éléments de frontière pour la modélisation électromagnétique dans les tissus biologiques


  • Résumé

    Cette thèse présente plusieurs nouvelles techniques pour la convergence rapide des solutions aux éléments de frontière de problèmes électromagnétiques. Une attention spéciale a été dédiée aux formulations pertinentes pour les solutions aux problèmes électromagnétiques dans les tissus biologiques à haute et basse fréquence. Pour les basses fréquences, de nouveaux schémas pour préconditionner et accélérer le problème direct de l'électroencéphalographie sont présentés dans cette thèse. La stratégie de régularisation repose sur une nouvelle formule de Calderon, obtenue dans cette thèse, alors que l'accélération exploite le paradigme d'approximation adaptive croisée (ACA). En ce qui concerne le régime haute fréquence, en vue d'applications de dosimétrie, l'attention de ce travail a été concentrée sur l'étude de la régularisation de l'équation intégrale de Poggio-Miller-Chang-Harrington-Wu-Tsai (PMCHWT) à l'aide de techniques hiérarchiques. Le travail comprend une analyse complète de l'équation pour des géométries simplement et non-simplement connectées. Cela a permis de concevoir une nouvelle stratégie de régularisation avec une base hiérarchique permettant d'obtenir une équation pour les milieux pénétrable stable pour un large spectre de fréquence. Un cadre de travail propédeutique de discrétisation et une bibliothèque de calcul pour des thèmes de recherches sur les techniques de Calderon en 2D sont proposés en dernière partie de cette thèse. Cela permettra d'étendre nos recherches à l'imagerie par tomographie.


  • Résumé

    This thesis presents several new techniques for rapidly converging boundary element solutions of electromagnetic problems. A special focus has been given to formulations that are relevant for electromagnetic solutions in biological tissues both at low and high frequencies. More specifically, as pertains the low-frequency regime, this thesis presents new schemes for preconditioning and accelerating the Forward Problem in Electroencephalography (EEG). The regularization strategy leveraged on a new Calderon formula, obtained in this thesis work, while the acceleration leveraged on an Adaptive-Cross-Approximation paradigm. As pertains the higher frequency regime, with electromagnetic dosimetry applications in mind, the attention of this work focused on the study and regularization of the Poggio-Miller-Chang-Harrington-Wu-Tsai (PMCHWT) integral equation via hierarchical techniques. In this effort, a complete analysis of the equation for both simply and non-simply connected geometries has been obtained. This allowed to design a new hierarchical basis regularization strategy to obtain an equation for penetrable media which is stable in a wide spectrum of frequencies. A final part of this thesis work presents a propaedeutic discretization framework and associated computational library for 2D Calderon research which will enable our future investigations in tomographic imaging.


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