Dissertations / Theses on the topic 'Guide d'images'

Les recherches pharmacologiques nécessitent des outils d'analyse capables de caractériser et d'étudier des structures ou phénomènes biologiques. Une plate-forme de microscopie exploitant la résonance de plasmons de surface permet de faire l'acquisition d'images étudiant des phénomènes au niveau de cellules individuelles. Les images acquises par ce type de plate-forme présentent la variation d'indice de réfraction du milieu observé en couplant une lumière incidente aux plasmons de surface à l'interface d'un métal et d'un diélectrique. La faible résolution latérale de ces images ne permet cependant pas d'en distinguer tous les détails. Cette limite de résolution est associée aux propriétés de l'onde de surface qui entraînent une dégradation de l'image par l'étalement directionnel de l'information sur plusieurs pixels. De nombreux groupes de recherche ont travaillé sur ce problème de résolution en explorant des alternatives matérielles, que ce soit au niveau du montage d'acquisition ou des échantillons. Cependant, ceux-ci ont dû faire certains compromis afin d'améliorer la résolution latérale occasionnant une limitation en résolution temporelle ou en indice de réfraction. L'approche préférée dans ce projet de maîtrise est l'utilisation de techniques de post-traitement des images (déconvolution, algorithme de reconstruction d'images) acquises par le système de microscopie. Cette approche permet de conserver un bon contraste dans les images acquises et une bonne résolution temporelle. Ce projet vise à améliorer la résolution latérale en microscopie de résonance de plasmons de surface (SPR) en utilisant un algorithme de reconstruction d'images. Une méthode comme celle-ci n'a jamais été exploitée pour résoudre ce problème de limitation en résolution. Dans ce projet, une image de meilleure résolution est obtenue en combinant l'information pertinente de plusieurs images où la direction d'excitation des plasmons de surface diffère. Ces images sont acquises à partir d'échantillons de guides d'ondes à gaine métallique (MCWG) dont les matériaux et structures sont connus. Ceux-ci sont composés de quatre couches et ont tout d'abord été fabriqués. Ces échantillons ont permis l'acquisition d'images de structures dont les dimensions et les paramètres sont connus. Un algorithme de restauration d'images a été développé et implémenté pour retirer la dégradation linéaire observée dans les images de microscopie SPR acquises. Celui-ci détermine l'information nécessaire à l'exécution de l'algorithme à partir des images acquises, et améliore la résolution en microscopie SPR par une opération logicielle ne faisant pas de compromis au niveau matériel. L'algorithme a été validé auprès des échantillons MCWG dont la couche diélectrique est composée de structures synthétiques ou de cellules biologiques. Une amélioration de 6 à 1 micromètres sur structures synthétiques a été démontrée, tandis que le traitement permet de distinguer des détails des images cellulaires qui n'étaient pas identifiables avant. Ainsi, grâce à cette amélioration de la résolution, l'application de cet algorithme facilitera l'étude et le développement de nouveaux médicaments pharmacologiques.

La pose de stent est l'option de traitement la plus courante de la maladie coronarienne, l'une des principales causes de mortalit e dans le monde. Lors d'une proc edure de pose de stent, le m edecin ins ere des outils chirurgicaux dans le r eseau vasculaire du patient. La progression de ces outils a l'int erieur du corps est suivie en temps r eel sous fluoroscopie par rayons X. Trois outils, en particulier, jouent un role crucial dans la proc edure : le guide, le ballon d'angioplastie et le stent. Le guide apparait dans les images sous la forme d'une structure curviligne. Le ballon, mont e sur le guide, est equip e de deux marqueurs radio-opaques a ses extr emit es. Le stent est un maillage m etallique qui se projette en une forme complexe dans les images fluoroscopique. Le stent, dont le bon d eploiement est essentiel au succ es du geste m edical, est souvent tr es diffi cilement visible dans les images. Les travaux pr esent es dans cette th ese poursuivent un double objectif. Il s'agit d'une part, de concevoir, d' etudier et de valider des techniques de traitement d'image visant a am eliorer la visualisation des stents. D'autre part, nous etudions le traitement des structures curvilignes (comme les guides) pour lesquelles nous proposons un nouvel outil. Nous pr esentons des algorithmes de traitement d'image d edi es a la visualisation 2D et 3D des stents. Nous sommes amen es, dans ce but, a d etecter, suivre et recaler, de mani ere compl etement automatique, les outils n ecessaires a la pose de stent que sont le guide et le ballon. Le stent etant a peine visible dans les images, nous ne cherchons pas a le localiser directement a l'aide de techniques de traitement d'images. La position et le mouvement du stent sont d etermin ees par nos algorithmes a partir de celles de deux amers: le guide et le ballon qui ont des formes caract eristiques. Nous eff ectuons donc, dans ce but, la d etection, le suivi et le recalage de ces amers, et ce de mani ere compl etement automatique. Le coe ur de notre m ethode de visualisation des stents en 2D r eside dans l'utilisation des amers pour effectuer un d ebruitage compens e en mouvement. Nous avons evalu e la performance des ces outils pour la visualisation des stents en 2D, sur une large base de pr es de 200 cas cliniques. Il en ressort que notre m ethode surpasse les m ethodes utilis ees jusqu'ici sur le plan de la qualit e image. La validation exhaustive que nous avons men e, a confi rm e que nous avions atteint un niveau compatible avec son introduction commerciale. Le logiciel qui en r esulte est d esormais install e sur un grand nombre de sites cliniques, o u il est r eguli erement utilis e. La m ethode de visualisation 3D des stents que nous proposons utilise les amers pour e ffectuer une reconstruction tomographique compens ee en mouvement. Nous exposons des r esultats pr eliminaires sur une base de 22 cas cliniques. Il semble que notre m ethode surpasse les m ethodes pr ec edemment employ ees aussi bien du point de vue de la qualit e image que de l'automatisation. Les m ethodes de visualisation des stents que nous proposons s'appuient sur la segmentation de la portion du guide qui traverse le stent. Nous proposons un nouvel outil pour le traitement de telles structures curvilignes que nous appelons : l'Image de Chemins Polygonaux (acronyme PPI en anglais). Cet outil repose sur la notion de chemin localement optimal. L'un des principaux avantages du PPI est d'uni er dans un meme cadre diff erents concepts pr e-existants. De plus, il permet de controler la r egularit e et la longueur des structures a traiter avec une param etrisation simple et intuitive. A n de tirer pleinement parti des performances du PPI nous proposons un sch ema algorithmique effi cace pour le calculer. Nous illustrons ses utilisations pour la segmentation automatique de guide ou il surpasse les techniques existantes.

Cette thèse est dédiée à l’étude et au développement d’une méthode endoscopique d'impression additive par photo-polymérisation. Le principe de l'endoscopie permet d'imprimer des objets en 3D ou de réparer des pièces endommagées dans un assemblage mécanique dense sans le démonter. La thèse consiste, après étude de l’état de l’art, à proposer des solutions adaptées à la problématique endoscopique, puis modéliser, concevoir, réaliser et valider expérimentalement deux principaux sous-systèmes (photo-polymérisation UV par guide d’image, pulvérisation de résine par conduit tubulaire) qui, une fois synchronisés, permettent l’impression additive par voie endoscopique. Le principe d’impression additive proposé et étudié est inspiré de la méthode de photo-polymérisation en cuve. Une résine liquide est transmise par voie endoscopique et pulvérisée sur la surface d'impression. Suite à cette pulvérisation, un motif UV, structuré par une matrice de micro-miroir de type DMD (Digital Micromirror Device), est transmis par guide d'image et focalisé sur la surface d'impression pour polymériser certaines zones d’une couche de résine liquide. Ces deux étapes sont effectuées plusieurs fois de façon à imprimer des couches superposées pour l’obtention finale d’une pièce en trois dimensions. Un système d'actionnement de la sonde endoscopique (platine de translation non intégrée) permet de maintenir la sonde à une distance de la surface d'impression égale à la distance focale de l’objectif de l’instrument. Dans cette thèse, le système de projection UV endoscopique a été conçu, modélisé, réalisé et testé. La conception et les performances du système optique ont été publiés dans des actes de conférence. Des objets multicouches ont été fabriqués avec une épaisseur de couche de 50 μm, sur une surface d'impression circulaire de 9,54 mm de diamètre. Une méthode d'analyse optique basée sur l'utilisation des fonctions de transfert de modulation (MTF) est utilisée pour tester les performances de l'instrument optique endoscopique et pour caractériser la résolution des pièces imprimées. En exploitant la méthode MTF de façon expérimentale, une chute de la résolution optique due au guide d'image a été estimée à 16 μm par rapport à la valeur obtenue dans le montage expérimental contenant les mêmes composants optiques, à l'exception du guide d'image. La résolution latérale des pièces imprimées est finalement de 50 μm, la limite n’étant pas liée à la résolution latérale du système optique mais à la nature de la résine utilisée. Dans cette thèse, un système de pulvérisation par voie tubulaire a également été dimensionné, réalisé et testé. Un système d'atomisation endoscopique a été mis en place pour permettre un dépôt à distance de la résine sur la surface d'impression. Le choix d’une méthode d'atomisation par air a été adopté. La conception, le contrôle et la réalisation du système d'atomisation sont présentés. Le système de pulvérisation et le système de projection de motifs UV ont été finalement combinés. Des résultats préliminaires d'impression d'objets ont été obtenus et des pièces 3D d'une épaisseur de 0,65 mm ont été imprimées (9 couches). À cause d’un phénomène nommé « overspray » (durant le processus de pulvérisation, la résine atteint la surface d'impression et est poussée sur les côtés par la pression de l’air qui la pulvérise), l'épaisseur des couches n'est pas constante, mais diminue progressivement, le réglage des paramètres de pulvérisation devient alors critique. Différentes perspectives de ce travail de thèse ont été identifiées. Le système de pulvérisation doit encore être optimisé afin de résoudre le problème posé par le phénomène d’overspray. De plus, une pré-étude d’un système de visualisation intégré a été effectuée, qui demande à être approfondie, pour permettre un contrôle de la photo-polymérisation en cours d’impression
This thesis concerns the study and the development of a novel endoscopic 3D printing process based on photo-polymerization. The idea behind endoscopic 3D printing is to print 3D objects or to repair damaged parts in a dense mechanical assembly without disassembling it. The thesis aims, once the state of the art is studied, to propose solutions adapted to the endoscopic problem, then to model, design, realize and experimentally validate the two main subsystems (UV photo-polymerization through an image guide, resin spraying through a tubular pipe) which, once synchronized, provide the additive printing. Inspired by the vat polymerization method, the liquid resin is transmitted endoscopically and sprayed onto the printing surface (spraying system). Then, a UV pattern, structured by a DMD (Digital Micromirror Device), is transmitted through the image guide and focused onto the printing surface to polymerize a layer of liquid resin. These two steps are repeated several times in order to print layers on top of each other to obtain a 3D part. An endoscopic actuation system (non-integrated translation actuator) allows maintaining the probe at a distance from the printing surface equal to the focal length of the objective of the instrument. In this thesis, the endoscopic UV projection system was designed, modeled, implemented and tested. The design and performances of the optical system were presented in two international conferences. Multilayer objects were fabricated with a layer thickness of 50 μm on a circular printing area of 9.54 mm in diameter. An optical analysis method based on the use of the modulation transfer functions (MTF) was used to test the performance of the endoscopic optical system and to characterize the lateral resolution of the printed parts. Using the MTF method experimentally, a drop in optical resolution due to the image guide was estimated as high as 16 μm compared to the value obtained in the experimental setup containing the same optical components except for the image guide. The lateral resolution of the printed parts was finally limited by the resin (50 μm) and not by the resolution of the optical system. An endoscopic atomization system was also studied, implemented and tested. An endoscopic spraying system was implemented to allow a remote deposition of the resin onto the printing surface. The choice of an air atomization method was adopted. The design, control and realization of the atomization system are presented. Finally, the spraying system was combined with the UV pattern projection system. Preliminary results of printing objects were obtained and 3D parts with a thickness of 0.65 mm are printed (nine layers). Due to a phenomenon called "overspray" (during the spraying process, the resin reaches the printing area and is pushed to the sides by the air pressure that sprays it), the thickness of the layers is not constant between them, but gradually decreases, so the adjustment of the spraying parameters becomes critical. The spraying system still needs to be optimized in order to eliminate overspray and to be able to print uniform layers with a specific thickness. In addition, we have been working on a 2D visualization system but the lack of light on the printing surface prevents us from being able to visualize and control the system. In the future, we propose to spray a resin mixed with a fluorescent dye to make it possible to distinguish the polymerized zones from the uncured zones in each layer of the part

Les contributions de cette thèse sont divisées en trois parties principales. Dans la partie 1, nous proposons une méthode locale utilisant une distribution GGM pour approcher les distributions des images en les subdivisant en groupe de pixels que nous appelons dorénavant clusters. L'idée principale consiste à déterminer quelle caractéristique (couleur, luminance) est plus représentative pour une image donnée. Puis nous utilisons cette caractéristique pour subdiviser l'image en clusters. Quatre stratégies de mise en correspondance des clusters de l'image d'entrée avec ceux de l'image cible sont proposées. Ces stratégies ont pour but de produire des images photoréalistes dont le style ressemble à celui de l'image cible (dans notre cas le style d'une image est défini en termes de couleur et luminosité). Nous étendons le principe de transfert de couleur au transfert simultané de couleur et de gradient. Afin de pouvoir décrire las distributions de couleur et de gradient par une seule distribution, nous adoptons le modèle MGGD (multivariate generalized Gaussian distributions). Nous proposons une nouvelle transformation de distribution MGGD pour des applications de traitement d'image telles que le transfert multi-dimensionnel de caractéristiques d'image, de couleur, etc. De plus, nous adoptons aussi un modèle de distribution plus précis (distribution Beta bornée) pour représenter des distributions de couleur et de luminosité. Nous proposons une transformation de distribution Beta qui permet d'effectuer un transfert de couleur entre images et qui s'avère plus performante que celles basées sur les distributions Gaussiennes. Dans la partie 2, nous introduisons une nouvelle méthode permettant de créer des images HDR à partir d'une paire d'images, l'une prise avec flash et l'autre pas. Notre méthode consiste en l'utilisation d'une fonction de luminosité (brightness) simulant la fonction de réponse d'une caméra, et d'une nouvelle fonction d'adaptation de couleur (CAT), appelée CAT bi-locale (bi-local CAT), permettant de reproduire les détails de l'image flash. Cette approche évite toutes les limitations inhérentes aux méthodes classiques de création d'images HDR. Dans la partie 3, nous exploitons le potentiel de notre adaptation bi-locale CAT pour diverses applications d'édition d'image telles que la suppression de bruit (dé-bruitage), suppression de flou, transfert de texture, etc. Nous introduisons notre nouveau filtre guidé dans lequel nous incorporons l'adaptation bi-locale CAT dans la partie 3
This thesis addresses three main topics from the domain of image processing, i.e. color transfer, high-dynamic-range (HDR) imaging and guidance-based image filtering. The first part of this thesis is dedicated to color transfer between input and target images. We adopt cluster-based techniques and apply Gaussian mixture models to carry out a more precise color transfer. In addition, we propose four new mapping policies to robustly portray the target style in terms of two key features: color, and light. Furthermore, we exploit the properties of the multivariate generalized Gaussian distributions (MGGD). in order to transfer an ensemble of features between images simultaneously. The multi-feature transfer is carried out using our novel transformation of the MGGD. Despite the efficiency of the proposed MGGD transformation for multi-feature transfer, our experiments have shown that the bounded Beta distribution provides a much more precise model for the color and light distributions of images. To exploit this property of the Beta distribution, we propose a new color transfer method, where we model the color and light distributions by the Beta distribution and introduce a novel transformation of the Beta distribution. The second part of this thesis focuses on HDR imaging. We introduce a method for automatic creation of HDR images from only two images - flash and non-flash images. We mimic the camera response function by a brightness function and we recover details from the flash image using our new chromatic adaptation transform (CAT), called bi-local CAT. That way, we efficiently recover the dynamic range of the real-world scenes without compromising the quality of the HDR image (as our method is robust to misalignment). In the context of the HDR image creation, the bi-local CAT recovers details from the flash image, removes flash shadows and reflections. In the last part of this thesis, we exploit the potential of the bi-local CAT for various image editing applications such as image de-noising, image de-blurring, texture transfer, etc. We propose a novel guidance-based filter in which we embed the bi-local CAT. The proposed filter performs as good as (and for certain applications even better than) state-of-the art methods

Dans cette these, on propose un systeme complet d'analyse d'images qui met en uvre une cooperation d'operateurs de segmentation guidee par l'interpretation. Dans la premiere partie, on etudie des techniques de reconnaissance des formes pour interpreter les regions d'une image. On presente un nouvel algorithme qui permet de traiter implicitement des connaissances contenues dans des exemples d'apprentissage, mais aussi de poursuivre l'apprentissage en cours d'analyse. Cependant, l'interpretation obtenue ne tient pas compte des relations topologiques entre objets de la scene. On emploie alors des techniques de relaxation floue pour propager dans l'image des contraintes de voisinages. Une modelisation des contraintes sous formes de regles est utilisee. Les techniques presentees dans la premiere partie sont mise en uvre dans un systeme complet d'analyse d'images qui est decrit dans une deuxieme partie. On propose un systeme qui, a partir d'un ensemble d'operateurs, permet de trouver automatiquement le sequencement des traitements a effectuer pour segmenter et interpreter des images complexes. Comme dans de nombreux systemes on utilise des structures de graphes pour decrire le contenu d'une image. On definit une structure, appelee arbre de segmentation, qui contient l'ensemble des segmentations d'une image obtenues par cooperation d'operateurs. L'arbre de segmentation est construit selon une procedure recursive qui permet de lancer une cooperation d'operateurs sur des zones de l'image ou l'interpretation a echouee. On realise ainsi une cooperation entre traitements de bas-niveau et de haut-niveau. Tous les resultats de segmentation sont ensuite compares et fusionnes selon la place qu'ils occupent dans l'arbre de segmentation pour aboutir a une segmentation unique de l'image. Pour cela, on definit une fonction de comparaison entre plusieurs resultats de segmentation. Cette comparaison se fait sans utiliser de segmentation de reference grace a une cooperation entre bas-niveau et haut-niveau: on ne compare pas directement les segmentations entres elles mais on retient celle qui globalement conduit a la meilleure interpretation

En analyse comme en compression d'images, l'extraction des composantes d'une image ou leur modélisation compacte relève d'un problème essentiel : la décorrélation d'images. Le travail présenté a pour objectif de reproduire une décorrélation perçue par le système visuel. Un système de décorrélation d'images guidé par apprentissage est proposé. La décorrélation perçue par le système visuel est modélisée par une désignation, générée manuellement sur l'image originale. Cette désignation est une partition en régions. Un algorithme dynamique de segmentation en régions, régi par des critères hybrides de luminance et de texture, constitue le moteur du système de décorrélation. La solution au problème de décorrélation, posé par la désignation, est une séquence de critères de décorrélation permettant de former les régions désignées. La résolution comprend trois étapes de traitement : l'identification du problème de décorrélation, son interprétation, et la décision des critères de résolution. L'identification du problème de décorrélation, son interprétation, et la décision des critères de résolution. L'identification du problème met en correspondance la désignation avec la participation initiale de segmentation. Elle génère le contexte de résolution. Ensuite, des règles d'interprétation du contexte de résolution sont élaborées. Ces règles évaluent la qualité de la désignation et la validité des mesures de décorrélation. Chaque mesure de décorrélation est alors définie par ses conditions d'applicabilité. Enfin, la décision dynamique détermine à chaque itération du système, la mesure à employer et son seuil. La décision intègre des règles d'expertise d'utilisation de l'algorithme de segmentation. Le système de décorrélation hybride se positionne comme un outil général d'analyse d'images. Sa paramétrisation automatique, le rend particulièrement adapté aux applications itératives de reconnaissance de formes à base de segmentation. En analyse et en compression d'images, la transposition des critères de décorrélation, issus du système, en contraintes de conception peut permettre de déterminer les meilleurs modèles de traitement.

Nous proposons des liaisons optiques en Silicium à faible coût utilisant des longueurs d'onde de propagation de 650 à 850 nm. La création de circuits intégrés optoélectroniques à grande échelle et de bus de données optiques au sein même des circuits intégrés, utilisant des composés Silicium CMOS, ont été envisagées présentant une voie prometteuse [1] - [3]. Dans les dernières tentatives de réalisation de systèmes optoélectroniques en CMOS, les technologies était principalement orientée sur l'utilisation des longueurs d'onde à 1550 nm [4] - [6], principalement en raison de la facilité de conception et de fabrication des guides d'ondes dans ce régime de longueur d'onde. Cependant, aucune source optique rapide efficace et aucun photo-détecteur Si ne sont disponibles à cette longueur d'onde de 1550 nm. Aujourd'hui, les solutions pour surmonter le problème sont principalement axées sur l'intégration de sources optiques basées sur des éléments du groupe IIIV reportés sur Silicium par liaison moléculaire [7a] - [7b].Si la source optique, le détecteur, les guides d'ondes et les capteurs pouvaient être réalisés sur la même puce CMOS Silicium, par exemple à une longueur d'onde de 750 nm, divers systèmes micro-photoniques sur puces, légers et miniaturisés, pourraient être conçus et réalisés. Alors que les sources optiques au Silicium ne sont peut-être pas encore au niveau de performance requis pour les communications à très haut débit, les systèmes optoélectroniques "tout-Silicium" à faible coût restent encore un excellent point de départ. Ces sources pourraient également conduire à un nouveau champ qui pourrait s'appeler «microsystèmes photoniques Si» ouvrant la voie à de nouvelles applications et produits notamment pour l'optique médicale, biomédicale, les interconnexions optiques et la biophotonique. Ces systèmes ne nécessitent de bande passante à très haute fréquence pour émettre, et les puissances d'émission de nos diodes électroluminescentes (LED) à avalanche peuvent être suffisantes pour assurer le fonctionnement de tels systèmes. Ce travail de thèse de doctorat traite donc des liaisons optiques SiGe / Si à faible coût en utilisant des dispositifs Photonique-Microondes tels que une source à Diode Electro-Luminescente (DEL) à avalanche en Silicium (SiAvLED) et Silicium-Germanium intégrée en technologie bipolaire, des guides d'ondes optiques en Nitrure de Silicium et en Oxyde de Silicium, des phototransistors bipolaires à hétérojonction (HPT) SiGe. Ce travail se concentre sur l'intégration combinée de sources optiques à l'échelle micrométrique, de guides d'ondes optiques et de détecteurs sur une même puce pour former une liaison de communication complète pour diverses applications iv impliquant des liaisons de courte longueur d'onde (750 nm à 950 nm). Les progrès fournis par ce travail par rapport aux travaux antérieurs pourraient être synthétisés comme suit:• La source optique, le guide d'ondes et le détecteur ont tous été intégrés et alignés sur la même puce, dans une technologie industrielle RF bipolaire SiGe 0,35μm, pour former une liaison optique ou optique micro-onde complète sur puce à la longueur d'onde de 750 nm.• Une série de liaisons de communication optique de deuxième génération de 50μm de longueur, utilisant des longueurs d'onde de propagation de 650 à 850 nm, a été conçue et réalisée en technologie SiGe bipolaire également. Des sources optiques, des guides d'ondes et des détecteurs de dimensions micrométriques ont tous été intégrés sur la même puce pour former une communication complète sur les liaisons micro-optiques. Des LED Si à base d'avalanche (Si Av LED), des contacts Schottky, des stratégies de densification TEOS, des guides d'ondes à base de Nitrure de Silicium et des technologies de détection bipolaire SiGe de pointe ont été utilisées comme stratégies de conception clés.• Le logiciel de simulation R-soft (Beam Prop) a été utilisé comme outil de simulation
We propose a low cost full-silicon optical links utilizing 650 – 850 nm propagation wavelengths. The creation of large-scale opto-electronic integrated circuits and optical data “highways” inCMOS integrated circuitry, utilizing Si CMOS compounds, have been envisioned and hold much promise [1] - [3] The latest attempts for realizing optoelectronic systems in CMOS technology have until now mainly been focused on utilizing wavelengths at 1550 nm [4] - [6], mainly because of the ease of design and fabrication of waveguides in this wavelength regime. However, no effective high-speed optical sources and Si detectors are available at this 1550nmwavelength. Today solutions to overcome the problem are mostly focused on the integration of group III-V elements based optical sources on Silicon through molecular bonding [7a] – [7b]. If optical sources, detectors, waveguides, and sensors could be realized on the same Si CMOS chip at, say, 750 nm wavelength, various low power consuming, light and miniature on-chip-based micro-photonic systems can be designed and realized. While Silicon optical sources may not yet be at the required performance level for very-high speed communications, the low cost “all silicon”opto-electronic systems still remain a great grail. These sources could lead as well to new field that could be appropriately named “Si photonic microsystems” opening the route to new sensing applications and products especially for the medical, biomedical optics, optical interconnect and bio-photonics field. These systems also do not require ultrahigh frequency bandwidths to transmit, and the emission powers of our avalanche Si light-emitting diodes(LEDs) may be sufficient to sustain the operation of such systems. This PhD thus deals with low cost SiGe/Si optical links using Microwave-Photonics devices such as, Bipolar integrated SiAvLED, Silicon Nitride and Silicon Oxide optical waveguides, SiGeHPTs, Si and SiGe/Si LEDs. It focuses on the combined integration of micron-scale optical sources, optical waveguides and detectors on the same chip to form a complete communication link for various applications involving short wavelength links (750nm to 950nm). The progress provided by this PhD to previous works could be synthesized as below:• Optical source, waveguide and the detector were all integrated and aligned on the same chip, in an industrial based technology, to form complete on-chip micro-optical links at750nm wavelength, with a SiGe radio frequency (RF) 0.35µm bipolar process.• A series of second generation of on-chip optical communication links of 50µm length, utilizing 650 – 850 nm propagation wavelengths, have been designed and realized inSiGe. Micron dimensioned optical sources, waveguides and detectors were all integrated ion the same chip to form a complete communication on-chip micro-optical links. Avalanche based Si LEDs (Si Av LEDs), Schottky contacting, TEOS densification strategies, Silicon-Nitride based waveguides, and state of the art SiGe bipolar detector technologies were used as key design strategies.• R-soft simulation software (Beam Prop) was used as a mathematical capable simulation tool to model various Silicon-Nitride optical waveguide structures, before the designing, the fabrication, characterization and testing of the device. Various device structures were modeled, simulation iterations were performed on several optical waveguide designed structures before the device design, and the devices were tested experimentally.• Best performances of the designed on-chip optical links show a conversion loss as low as30dB from source to detector with up to 500MHz in cut off frequency. The good alignment and the good efficiency of each device are then clearly achieved. Higher frequency performances are also envisaged from preliminary measurements

L'hyperthermie locale s'est développée en pratique clinique comme un outil d'ablation de tumeurs non opérables. Le principe de base est simple : l'exposition des cellules à une élévation de température, pendant une durée suffisante, cause leur mort. Un contrôle continu, en ligne, de l'évolution de la température est également nécessaire pendant l'intervention, ainsi qu'une estimation immédiate de l'efficacité du traitement. Des algorithmes d'asservissement permettent d'ajuster automatiquement les paramètres de contrôle de l'outil de chauffage afin que la température dans une zone ciblée atteigne une consigne le plus vite possible et reste constante pendant un temps déterminé. Ces techniques permettent ainsi un contrôle automatique de la température, destiné à détruire une région définie par le radiologue. Toutefois, pour garantir la qualité du traitement, le système d'asservissement doit permettre, pour les mouvements du cycle respiratoire et cardiaque en temps réel, les corrections qui importent. Le temps réel veut dire ici que le temps de calcul effectué sur les images doit être inférieur au temps d'acquisition des images par l'IRM. Des algorithmes de traitement d'images effectués sur les images fournies par le reconstructeur, sont utilisés pour améliorer la stabilité de la thermométrie et réaliser en ligne l'hyperthermie locale sur des organes mobiles.

Le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquent chez l'homme en France et aux pays occidentaux. Il est la troisième cause de décès liés au cancer, étant responsable d'environ 10% des morts. La curiethérapie, une technique de radiothérapie, est liée à une meilleure qualité de vie après le traitement, par rapport aux autres méthodes de traitement. La curiethérapie de la prostate consiste à insérer des sources radioactives dans la prostate afin de délivrer une dose d'irradiation localisée à la tumeur tout en protégeant les tissus sains environnants. L'imagerie multimodale est utilisée afin d'améliorer la précision du traitement. Les images Tomodensitométriques préopératoires, appelées Computed Tomography (CT), peuvent être utilisées pour calculer une distribution personnalisée et plus précise de dose. Pendant l'intervention, le chirurgien utilise un système de guidage temps-réel par l'Ultrason Transrectale, Transrectal Ultrasound (TRUS), pour placer correctement les sources radioactives dans leurs positions souhaitées. Par conséquent, si les positions des sources sont déterminées sur l'image CT, elles doivent être transférées à l'image US. Cependant, un recalage US/CT direct et robuste est difficilement envisageable parce que les tissus mous, telle que la prostate, offrent peu de contraste en CT et en US. En revanche, l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) fournit un meilleur contraste et peut, potentiellement, améliorer le traitement en améliorant la visualisation. Donc, ces trois modalités (IRM, CT et US) doivent être correctement alignées. Pour compenser les déformations de la prostate, due au changement de taille et forme entre les différentes acquisitions, un recalage non-rigide est nécessaire. Une méthode de recalage entièrement automatique est nécessaire, afin de faciliter son intégration au bloc opératoire. Nous proposons dans un premier temps un recalage IRM/CT basé sur la maximisation de l'information mutuelle en combinaison avec un champ de déformation paramétré par B-Splines. Nous proposons de contraindre le recalage sur des volumes d'intérêt (VOIs) afin d'améliorer la robustesse et le temps de calcul. L'approche proposée a été validée sur des jeux de données cliniques. Une évaluation quantitative a montré que l'erreur de recalage est égale à 1.15±0.20 mm; qui répond à la précision clinique souhaitée. Ensuite, nous proposons un deuxième recalage US/IRM, où nous utilisons une approche multi-résolution pour éviter les minima locaux et améliorer le temps de calcul. Un critère de similarité, qui met en corrélation l'intensité de l'image US avec l'intensité ainsi que le gradient de l'image IRM, a été utilisé afin de trouver la transformation qui aligne les deux images. Cette méthode a été validée sur un fantôme de prostate dans un premier temps pour évaluer sa faisabilité. Ensuite, elle a été validée sur des jeux de données cliniques en utilisant des critères qualitatives et quantitatives. La distance Hausdorff a montré que l'erreur de recalage est égale à 1.44±0.06 mm. L'approche proposée dans ce travail permet d'aller vers un protocole de curiethérapie guidée par l'imagerie multimodale qui puisse améliorer la précision globale de cette procédure. Malgré ces résultats plutôt encourageants, les travaux futurs impliqueront une évaluation plus approfondie sur plus de jeux de données afin d'évaluer la fiabilité et l'efficacité de cette méthode avant de l'intégrer au bloc opératoire
Prostate cancer is the most common cancer in men in France and western countries. It is the third leading cause of death from cancer, being responsible for around 10% of deaths. Brachytherapy, a radiotherapy technique, is associated with a better health-related quality of life after the treatment, compared to other treatment techniques. Prostate brachytherapy involves the implantation of radioactive sources inside the prostate to deliver a localized radiation dose to the tumor while sparing the surrounding healthy tissues. Multi-modal imaging is used in order to improve the overall accuracy of the treatment. The pre-operative Computed Tomography (CT) images can be used to calculate a personalized and accurate dose distribution. During the intervention, the surgeon utilizes a real-time guiding system, Trasnrectal Ultrasound (TRUS), to accurately place the radioactive sources in their desired pre-planned positions. Therefore, if the positions of the sources were determined on CT, they need to be transferred to US. However, a robust and direct US/CT registration is hardly possible since they both provide low soft tissue contrast. Magnetic Resonance Imaging (MRI), on the other hand, has a superior contrast and can potentially improve the treatment planning and delivery by providing a better visualization. Thus, these three modalities (MRI, US and CT) need to be accurately registered. To compensate for prostate deformations, caused by changes in size and form between the different acquisitions, non-rigid registration is essential. Fully automatic registration methodology is necessary in order to facilitate its integration in a clinical workflow. At first, we propose a registration between pre-operative MR and CT images based on the maximization of the mutual information in combination with a deformation field parameterized by cubic B-Splines. We propose to constrain the registration to volumes of interest (VOIs) in order to improve the robustness and the computational efficiency. The proposed approach was validated on clinical patient datasets. Quantitative evaluation indicated that the overall registration error was of 1.15±0.20 mm; which satisfies the desired clinical accuracy. Then, we propose a second intra-operative US/MRI registration, where a multi-resolution approach is implemented to reduce the probability of local minima and improve the computational efficiency. A similarity measure, which correlates intensities of the US image with intensities and gradient magnitude of the MRI, is used to determine the transformation that aligns the two images. The proposed methodology was validated on a prostate phantom at first to assess its feasibility. Subsequently, the method was validated on clinical patient datasets and evaluated using qualitative and quantitative criteria, resulting in a registration error of 1.44±0.06 mm. The approach proposed in this work allows going towards a multimodal protocol for image-guided brachytherapy which can improve the overall accuracy of this procedure. Despite such encouraging results, future work will involve further evaluation on a larger number of datasets in order to assess the reliability and the efficiency of this methodology before integrating it in a clinical workflow

L'interpretation automatique des images aeriennes pour des applications cartographiques est une tache extrement complexe. Une des solutions pour guider et fiabiliser l'interpretation consiste a utiliser des donnees externes. Dans cette these, l'interpretation des images est guidee par une base de donnees cartographiques : la bd carto. Le theme d'application est l'extraction automatique des routes. La bd carto apporte des connaissances qui permettent de localiser grossierement les routes dans l'image, de connaitre leurs caracteristiques semantiques et contextuelles et donc d'adapter les algorithmes de detection. Toutefois les donnees de la bd carto sont imprecises par rapport aux images aeriennes. La demarche d'interpretation proposee est une demarche descendante. La bd carto est utilisee pour generer des hypotheses de route. L'interpretation de la scene consiste alors a extraire dans l'image les routes correspondant a ces differentes hypotheses, c'est a dire a trouver la position exacte de la route dans l'image. Pour chaque hypothese, le systeme d'interpretation selectionne l'algorithme d'extraction de route le plus adapte et regle ses parametres en fonction des caracteristiques intrinseques et contextuelles de l'hypothese. Pour limiter les effets de l'imprecision des donnees de la bd carto, une strategie de traitement des hypotheses par ordre de facilite est mise en oeuvre : les hypotheses de route qui sont a priori les plus fiables et les plus visibles dans l'image sont traitees en priorite. La strategie d'interpretation proposee a ete implementee dans un systeme-test utilisant deux algorithmes de suivi de route. Une part importante du travail a ete consacree a l'acquisition des connaissances operatoires-notamment des connaissances de controle du systeme- et a la validation de la demarche proposee

Dans le cadre de l'acquisition des donnees topographiques de precision metrique (bdtopo) par interpretation d'images aeriennes de resolution proche de 50 cm, les recherches du laboratoire matis ont aborde l'extraction du reseau routier. Des approches semi-automatiques aux approches tout automatiques, tous ces travaux ont demontre que l'obtention d'un reseau routier coherent et respectant les specifications cartographiques necessitait de prendre en compte le probleme des carrefours. De plus, dans l'avenir, les carrefours seront au centre des problematiques de mise a jour. L'analyse d'images necessite la mise en place de raisonnements parfois tres complexes dus a la variabilite geometrique et radiometrique des formes a detecter. Afin de faciliter cette analyse, une base de donnees cartographiques (bdcarto) de precision decametrique est utilisee pour proposer une representation approchee du carrefour. Le respect de la precision geometrique, de la topologie, de la forme de l'objet et une exigence de fiabilite constituent les principaux objectifs de notre travail. La strategie s'appuie sur une modelisation des carrefours issus de la bdcarto pour se focaliser et interpreter certaines zones de l'image. Une analyse de la bdcarto a partir d'un systeme a base de regles fournit une description simpliste du carrefour a recaler et a enrichir par une analyse de l'image. Un mecanisme d'auto-evaluation definit, a chaque etape du processus, une mesure de confiance dans l'information proposee. La reconstruction permet ensuite de proposer une representation du carrefour globalement coherente (radiometrie et geometrie) et respectant les criteres cartographiques de forme et de lisibilite. Enfin, la prise en compte d'un grand nombre d'exemples nous a permis de parametrer le systeme et d'analyser les resultats. Pour finir, ce travail a ete integre dans un systeme plus global d'extraction du reseau routier demontrant son caractere applicatif et l'objectif operationnel de ce travail.

Cette thèse aborde le problème de la compensation des déformations cérébrales survenant au cours des opérations neurochirurgicales. Ces déformations des structures cérébrales dégradent la précision des systèmes de neuronavigation, ce qui limite leur utilisation tout au long de la procédure neurochirurgicale. La compensation de ces déformations est aujourd'hui l'un des enjeux majeurs de la neurochirurgie guidée par l'image. La méthode proposée repose sur le recalage non rigide d'images échographiques intraopératoires de type main libre et d'images préopératoires obtenues par résonance magnétique nucléaire (RMN). Afin de réaliser ce recalage non rigide multimodal, un processus incluant différents traitements est détaillé dans ce manuscrit. Tout d'abord, une nouvelle méthode de reconstruction tridimensionnelle des images échographiques de type main libre est présentée. Puis, un travail portant sur le filtre de débruitage des moyennes non locales est proposé. Ce travail aborde deux aspects: l'amélioration de la qualité du débruitage avec une réduction du temps de calcul d'une part, et l'adaptation de ce filtre aux caractéristiques du chatoiement présent dans les images ultrasonores d'autre part. Finalement, une nouvelle approche du problème de recalage des images ultrasonores et des images obtenues par RMN est décrite. Ces différents traitements sont integrés au sein d'une chaîne entièrement automatique de compensation des déformations cérébrales. Les premiers résultats obtenus sur les images de quatre patients sont présentés à la fin de ce document.

L'hyperthermie locale guidée par IRM s'est développée en pratique clinique au cours des dernières années. Le principe repose sur la destruction des cellules tumorales grâce à une élévation de température pendant une durée suffisante. L'acquisition d'images IRM simultanément au chauffage permet un monitorage en ligne de la température et un contrôle de la destruction cellulaire induite par l'hyperthermie appliquée aux tissus.Le principal objectif de cette thèse est de mettre en oeuvre des stratégies permettant de corriger les artefacts induits par la respiration ou le battement cardiaque pour les organes mobiles (foie, rein, coeur) et pour les organes non-mobiles (seins). La contribution principale de ce travail de thèse consiste à proposer une méthode de modélisation des champs de déplacements à l'aide d'une Analyse en Composantes Principales (ACP) en s'appuyant sur le caractère périodique des phénomènes physiologiques observés
During the last years MR-guided lo cal hyp erthermia has b een develop edfor the clinical practice. Hyp erthermia is based on the destruction of tumorcells due to an increased temp erature over a sufficient amount of time. The si-multaneous acquisition of MR images during the heating pro cess allows on-linemonitoring of the temp erature and a control of the tissue destruction inducedby the hyp erthermia treatment. The on-line calculation of the temp erature isnot a trivial problem. This is b ecause the physical and physiological pheno-mena like the respiration disturb the temp erature measurement. Hence, it isnecessary to develop strategies for real-time correction in order to deliver pre-cise temp erature maps. In this work, we prop ose several algorithms for imagetreatment enabling the correction of artefacts related to motion and magneticsusceptibility effects. These corrections will provide a reliable estimation of theefficiency of the hyp erthermia treatment

Grâce à l’évolution des procédés de diagnostiques médicaux et les développements technologiques, la chirurgie mini-invasive a fait des progrès remarquables au cours des dernières décennies surtout avec l’innovation de nouveaux outils médicaux tels que les systèmes chirurgicaux robotisés et les caméras endoscopiques sans fil. Cependant, ces techniques souffrent de quelques limitations liées essentiellement l’environnement endoscopique telles que la non uniformité de l’éclairage, les réflexions spéculaires des tissus humides, le faible contraste/netteté et le flou dû aux mouvements du chirurgien et du patient (i.e. la respiration). La correction de ces dégradations repose sur des critères de qualité d’image subjective et objective dans le contexte médical. Il est primordial de développer des solutions d’amélioration de la qualité perceptuelle des images acquises par endoscopie 3D. Ces solutions peuvent servir plus particulièrement dans l’étape d’extraction de points d’intérêts pour la reconstruction 3D des organes, qui sert à la planification de certaines opérations chirurgicales. C’est dans cette optique que cette thèse aborde le problème de la qualité des images endoscopiques en proposant de nouvelles méthodes d’analyse et de rehaussement de contraste des images endoscopiques 2D et 3D.Pour la détection et la classification automatique des anomalies tissulaires pour le diagnostic des maladies du tractus gastro-intestinal, nous avons proposé une méthode de rehaussement de contraste local et global des images endoscopiques 2D classiques et pour l’endoscopie capsulaire sans fil.La méthode proposée améliore la visibilité des structures locales fines et des détails de tissus. Ce prétraitement a permis de faciliter le processus de détection des points caractéristiques et d’améliorer le taux de classification automatique des tissus néoplasiques et tumeurs bénignes. Les méthodes développées exploitent également la propriété d’attention visuelle et de perception de relief en stéréovision. Dans ce contexte, nous avons proposé une technique adaptative d’amélioration de la qualité des images stéréo endoscopiques combinant l’information de profondeur et les contours des tissues. Pour rendre la méthode plus efficace et adaptée aux images 3Dl e rehaussement de contraste est ajusté en fonction des caractéristiques locales de l’image et du niveau de profondeur dans la scène tout en contrôlant le traitement inter-vues par un modèle de perception binoculaire.Un test subjectif a été mené pour évaluer la performance de l’algorithme proposé en termes de qualité visuelle des images générées par des observateurs experts et non experts dont les scores ont démontré l’efficacité de notre technique 3D d’amélioration du contraste. Dans cette même optique,nous avons développé une autre technique de rehaussement du contraste des images endoscopiques stéréo basée sur la décomposition en ondelettes.Ce qui offre la possibilité d’effectuer un traitement multi-échelle et d’opérer une traitement sélectif. Le schéma proposé repose sur un traitement stéréo qui exploite à la fois l’informations de profondeur et les redondances intervues,ainsi que certaines propriétés du système visuel humain, notamment la sensibilité au contraste et à la rivalité/combinaison binoculaire. La qualité visuelle des images traitées et les mesures de qualité objective démontrent l’efficacité de notre méthode qui ajuste l’éclairage des images dans les régions sombres et saturées et accentue la visibilité des détails liés aux vaisseaux sanguins et les textures de tissues
Minimally invasive surgery has made remarkable progress in the last decades and became a very popular diagnosis and treatment tool, especially with the rapid medical and technological advances leading to innovative new tools such as robotic surgical systems and wireless capsule endoscopy. Due to the intrinsic characteristics of the endoscopic environment including dynamic illumination conditions and moist tissues with high reflectance, endoscopic images suffer often from several degradations such as large dark regions,with low contrast and sharpness, and many artifacts such as specular reflections and blur. These challenges together with the introduction of three dimensional(3D) imaging surgical systems have prompted the question of endoscopic images quality, which needs to be enhanced. The latter process aims either to provide the surgeons/doctors with a better visual feedback or improve the outcomes of some subsequent tasks such as features extraction for 3D organ reconstruction and registration. This thesis addresses the problem of endoscopic image quality enhancement by proposing novel enhancement techniques for both two-dimensional (2D) and stereo (i.e. 3D)endoscopic images.In the context of automatic tissue abnormality detection and classification for gastro-intestinal tract disease diagnosis, we proposed a pre-processing enhancement method for 2D endoscopic images and wireless capsule endoscopy improving both local and global contrast. The proposed method expose inner subtle structures and tissues details, which improves the features detection process and the automatic classification rate of neoplastic,non-neoplastic and inflammatory tissues. Inspired by binocular vision attention features of the human visual system, we proposed in another workan adaptive enhancement technique for stereo endoscopic images combining depth and edginess information. The adaptability of the proposed method consists in adjusting the enhancement to both local image activity and depth level within the scene while controlling the interview difference using abinocular perception model. A subjective experiment was conducted to evaluate the performance of the proposed algorithm in terms of visual qualityby both expert and non-expert observers whose scores demonstrated the efficiency of our 3D contrast enhancement technique. In the same scope, we resort in another recent stereo endoscopic image enhancement work to the wavelet domain to target the enhancement towards specific image components using the multiscale representation and the efficient space-frequency localization property. The proposed joint enhancement methods rely on cross-view processing and depth information, for both the wavelet decomposition and the enhancement steps, to exploit the inter-view redundancies together with perceptual human visual system properties related to contrast sensitivity and binocular combination and rivalry. The visual qualityof the processed images and objective assessment metrics demonstrate the efficiency of our joint stereo enhancement in adjusting the image illuminationin both dark and saturated regions and emphasizing local image details such as fine veins and micro vessels, compared to other endoscopic enhancement techniques for 2D and 3D images

Cette thèse porte sur la prise en compte des variations anatomiques, notamment les déformations d’organes à risque (rectum, vessie), pouvant survenir lors du traitement de radiothérapie conformationnelle par modulation d’intensité du cancer de la prostate. Ces variations peuvent entrainer d’importants écarts dosimétriques par rapport au plan de traitement initialement optimisé, et augmenter le risque de complications. Grâce à l’évolution des dispositifs d’imagerie et des méthodes de traitement d’images, des approches permettant de cumuler la dose au cours du traitement ont été récemment proposées mais restent mal évaluées et leur intégration dans un schéma de radiothérapie adaptative suscite de nombreuses questions. Ainsi, la première partie de ce travail a consisté à évaluer, à l’aide d’un fantôme numérique, une méthode de suivi de dose développée récemment au LTSI. Les résultats obtenus ont montré que les incertitudes dosimétriques liées à l’algorithme de cumul de dose sont limitées par rapport aux dérives dosimétriques observées chez les patients. La seconde partie de ce travail a consisté à proposer une stratégie de radiothérapie adaptative reposant sur le suivi de dose et à évaluer son bénéfice dosimétrique sur trois patients pour lesquels des dérives avaient été observées. Le principe de cette méthode est de détecter les dérives dosimétriques entre la dose planifiée et la dose réellement délivrée et, si besoin, de les compenser grâce à une ou plusieurs replanifications. Les résultats obtenus ont montré que cette approche permet une réduction de la dérive aux organes à risque, tout en augmentant la dose au volume cible en comparaison à un traitement standard par IGRT, avec un nombre limité de replanifications (une ou deux) permettant d’envisager une implémentation clinique
This thesis concerns the compensation of the anatomical variations, mainly the organs at risk (rectum, bladder) deformations, which occur during intensity modulated radiotherapy of the prostate cancer. These variations can lead to significant dose drift compared to the initially planned dose, increasing the risk of toxicity. Thanks to the evolution of imaging devices and of image processing methods, dose accumulation processes, allowing to estimate the cumulated dose during the treatment, have been recently proposed. Nevertheless those strategies suffer of a lack of evaluation and their integration into an adaptive radiotherapy raises many questions. Thus, in the first part of this work, a dose accumulation method recently developed at the LTSI was evaluated using a numerical phantom. The results obtained showed that the dosimetric uncertainties related to the cumulated dose process remain low compared to the dose drifts observed for patients. The second part of this work aimed to develop a dose guided adaptive radiotherapy process and to evaluate its dosimetrical benefit using three patients showing a dose drift. The principle of this method is to detect a potential drift between the planned and actually delivered doses and, if necessary, to compensate them thanks to one or more replanning(s). The results have shown that this approach has reduced the dose drift to the organs at risk, while increasing the dose to the prostate compared to standard IGRT treatment, with a limited number of replannings (one or two), enabling to consider a clinical implementation

L'Endomicrocopie Confocale par Minisondes (ECM) permet l'observation dynamique des tissus au niveau cellulaire, in vivo et in situ, pendant une endoscopie. Grâce à ce nouveau système d'imagerie, les médecins endoscopistes ont la possibilité de réaliser des "biopsies optiques" non invasives. Les biopsies traditionnelles impliquent le diagnostic ex vivo d'images histologiques par des médecins pathologistes. Le diagnostic in vivo d'images ECM est donc un véritable challenge pour les endoscopistes, qui ont en général seulement un peu d'expertise en anatomopathologie. Les images ECM sont néanmoins de nouvelles images, qui ressemblent visuellement aux images histologiques. Cette thèse a pour but principal d'assister les endoscopistes dans l'interprétation in vivo des séquences d'images ECM. Lors de l'établissement d'un diagnostic, les médecins s'appuient sur un raisonnement par cas. Afin de mimer ce processus, nous explorons les méthodes de Reconnaissance d'Images par le Contenu (CBIR) pour l'aide au diagnostique. Notre premier objectif est le développement d'un système capable d'extraire de manière automatique un certain nombre de vidéos ECM qui sont visuellement similaires à la vidéo requête, mais qui ont en plus été annotées avec des métadonnées comme par exemple un diagnostic textuel. Un tel système de reconnaissance devrait aider les endoscopistes à prendre une décision éclairée, et par là-même, à établir un diagnostic ECM plus précis. Pour atteindre notre but, nous étudions la méthode des Sacs de Mots Visuels, utilisée en vision par ordinateur. L'analyse des propriétés des données ECM nous conduit à ajuster la méthode standard. Nous mettons en œuvre la reconnaissance de vidéos ECM complètes, et pas seulement d'images ECM isolées, en représentant les vidéos par des ensembles de mosaïques. Afin d'évaluer les méthodes proposées dans cette thèse, deux bases de données ECM ont été construites, l'une sur les polypes du colon, et l'autre sur l'œsophage de Barrett. En raison de l'absence initiale d'une vérité terrain sur le CBIR appliquée à l'ECM, nous avons d'abord réalisé des évaluations indirectes des méthodes de reconnaissance, au moyen d'une classification par plus proches voisins. La génération d'une vérité terrain éparse, contenant les similarités perçues entre des vidéos par des experts en ECM, nous a ensuite permis d'évaluer directement les méthodes de reconnaissance, en mesurant la corrélation entre la distance induite par la reconnaissance et la similarité perçue. Les deux évaluations, indirecte et directe, démontrent que, sur les deux bases de données ECM, notre méthode de reconnaissance surpasse plusieurs méthodes de l'état de l'art en CBIR. En termes de classification binaire, notre méthode de reconnaissance est comparable au diagnostic établi offline par des endoscopistes experts sur la base des Polypes du Colon. Parce que diagnostiquer des données ECM est une pratique de tous les jours, notre objectif n'est pas seulement d'apporter un support pour un diagnostique ponctuel, mais aussi d'accompagner les endoscopistes sans leurs progrès. A partir des résultats de la reconnaissance, nous estimons la difficulté d'interprétation des vidéos ECM. Nous montrons l'existence d'une corrélation entre la difficulté estimée et la difficulté de diagnostic éprouvée par plusieurs endoscopistes. Cet estimateur pourrait ainsi être utilisé dans un simulateur d'entraînement, avec différents niveaux de difficulté, qui devrait aider les endoscopistes à réduire leur courbe d'apprentissage. La distance standard basée sur les mots visuels donne des résultats adéquats pour la reconnaissance de données ECM. Cependant, peu de connaissance clinique est intégrée dans cette distance. En incorporant l'information a priori sur les similarités perçues par les experts en ECM, nous pouvons apprendre une distance de similarité qui s'avère être plus juste que la distance standard. Dans le but d'apprendre la sémantique des données ECM, nous tirons également profit de plusieurs concepts sémantiques utilisés par les endoscopistes pour décrire les vidéos ECM. Des signatures sémantiques basées mots visuels sont alors construites, capables d'extraire, à partir de caractéristiques visuelles de bas niveau, des connaissances cliniques de haut niveau qui sont exprimées dans le propre langage de l'endoscopiste.

Nous présentons un système d'aide à la création artistique permettant de produire une grande variété de stylisations d'images 2D fixes pour l'obtention d'effets de type « bande dessinée ». Ce système confère à l'utilisateur un rôle important dans le contrôle de la stylisation. A partir d'une analyse artistique, nous proposons un système reposant sur les principaux critères artistiques importants dans le processus de réalisation d'une illustration. Nous proposons des modèles répondant aux attentes des artistes. Nous présentons un premier modèle générant semi-automatiquement une carte de profondeur permettant de styliser des images tout en évitant des problèmes de profondeur. Elle permet également de produire des atmosphères utilisées par les artistes pour provoquer des effets psychologiques sur l'observateur. Nous proposons ensuite deux modèles montrant l'intérêt d'harmoniser les images et utilisant le contraste de quantité défini par Johannes Itten. Le premier, permet de garantir une telle harmonie dans des images de type photographies ou illustrations ; le second propose, par extension, une aide au coloriage d'esquisses fondée sur la même harmonie, consistant à obtenir des images harmonieuses dès les premières étapes de création. Notre dernier modèle traite des effets lumineux contenus dans les images. Il permet de styliser les différents types d'effets lumineux en les déplaçant, en les déformant ou en leur donnant un style particulier élaboré à partir de courants artistiques reconnus. Nous concluons par les apports de notre outil et nous présentons des améliorations possibles ainsi que nos projets pour le futur
We present a tool for assisting artistic creation which produce a wide variety of image stylizations with “comics” effects. The system gives to the user an important role in the control of stylization. Starting from an artistic analysis, we propose a system based on the most important criteria in the artistic process of picture creation. We present models coming up to artists expectations. First, we present a model semi-automatically generating a depth map to stylize images while avoiding depth problems. It can also produce atmospheres used by artists to induce specific psychological effects to the observer. Then, we propose two models showing the interest of harmonizing images and using the contrast of quantity defined by Johannes Itten. The first one ensures this harmony in images like photographs or illustrations; based on the same harmony, the second one offers, by extension, a coloring aid for sketches to obtain harmonious images at the early stages of creation. Our last model deals with the effects of light contained in the images. It allows to stylize different kinds of lighting effects by moving, reshaping or giving them a style developed from well-known artistic movements. We conclude with our tool contributions and we present possible improvements as well as our plans for the future

En radiologie interventionnelle, le praticien se sert actuellement de plusieurs acquisitions scanner (coupes 2D) pour pouvoir atteindre sa cible au cours d'une ponction percutanée dans la zone abdominale. Notre objectif est de concevoir un système de guidage minimisant ces acquisitions et donc le temps de l'intervention. Pour cela, nous proposons un système de réalité augmentée superposant des reconstructions 3D pré-opératoires des structures abdominales du patient dans des images vidéo externes de son corps. En plus d'être précis, rapide et fiable, cet outil devra pouvoir être introduit aisément en salle d'opération. Dans notre cas, le patient est intubé et sa ventilation contrôlée, nous pouvons donc négliger les effets de la respiration : un recalage rigide 3D/2D de marqueurs radio-opaques collés sur la peau est suffisant pour atteindre la précision requise. Les hypothèses statistiques des critères classiques n'étant pas adéquates pour notre application, nous avons dérivé un nouveau critère généralisant les approches standard. Une évaluation rigoureuse des performances démontre la supériorité de notre méthode en terme de précision et de robustesse. Pour atteindre le temps réel en salle d'opération, nous avons ensuite développé un ensemble d'algorithmes d'extraction et de mise en correspondance des marqueurs radio-opaques dont nous avons validé la robustesse sur de nombreuses images réelles. La précision du système dépendant de nombreux paramètres (nombre de marqueurs radio-opaques, position des caméras. . . ), elle ne peut pas être établie préalablement de manière définitive. Afin de fournir un système fiable, nous proposons donc une technique de propagation des covariances qui permet d'estimer dynamiquement l'erreur de repositionnement des modèles reconstruits. Une phase de validation méticuleuse, sur des données synthétiques et réelles, démontre que notre prédiction est fiable dans les conditions de notre application. Après cette validation de chacun des modules, nous montrons la faisabilité et l'intérêt de notre système complet en menant une évaluation sur un mannequin : quatre chirurgiens ont réussi à atteindre des cibles en des temps dix fois inférieurs à ceux usuellement nécessaires pour ce type d'intervention et avec une précision supérieure. Finalement, plusieurs expériences cliniques sur des patients démontrent que notre système est utilisable en salle d'opération et suggèrent son utilisation en routine dans un futur proche
In the interventional radiology field, the medical expert needs several CT-scan acquisitions (2D slices) to reach the target during a percutaneous puncture in the abdominal area. We aim at designing a guidance system to reduce the number of CT acquisition and thus, the intervention duration. We propose an augmented reality system that superimposes preoperative 3D reconstructions of the patient abdominal structures in external video images of his/her body. This system will not only have to be accurate, quick and reliable, but will also have to be easily introduced in the operative room. In our case, the patient is intubated and the breathing is controlled. Therefore, we can neglect breathing motion: a rigid 3D/2D registration of radio-opaque markers is sufficient to obtain the necessary accuracy. Since statistical assumptions of existing 3D/2D registration criteria do not fit our application, we derived a new criterion generalizing classical methods. A rigorous evaluation of the performances showed the superiority of our approach in terms of accuracy and robustness. To reach real-time processing in the operative room, we developed and validated several algorithms to automatically extract and match radio-opaque markers. Since the system accuracy depends on numerous factors (camera position, marker number. . . ), it is not possible to calculate it beforehand. To provide a reliable system, we propose a technique of covariance propagation that enables to estimate the superimposition error of reconstructed models. A rigorous validation step on synthetic and real data showed that our prediction is correct in our conditions. All the different parts of the system being validated, we perform an evaluation of the whole system on an abdominal phantom. Results proved the feasibility and the interest of the system: four surgeons managed to reach emboddied targets with an average accuracy under 2 mm. Moreover, the time needed for the needle positioning was ten times under classical interventional duration. Finally, several clinical experiments on patients showed that our system can be used in the operating room and suggest that this system could be used routinely in a near future

L'objet de cette thèse est d'élaborer un modèle de découverte de connaissances associant itérativement la construction automatique des zones d'intérêt (objets urbains, relations entre eux,. . . ), à partir des images de télédétection et la classification de ces objets. La construction des objet s'appuiera entre autre sur des opérateurs de fouille de données (notamment en utilisant les algorithmes de clustering développés par Cédric Wemmert au sein de l'équipe FDBT) et/ou des outils de morphologie mathématique (via l'utilisation de la plateforme piaf développé par l'équipe Sébastien Lefèvre de l'équipe MIV). La classification sera basée sur un système d'agents collaboratif utilisant plusieurs méthodes pour résoudre la problématique. Cette approche a déjà montré son intérêt dans le processus de clustering. L'utilisation de connaissances sera utilisée tant au niveau de la construction que de la classification. Une ontologie du domaine est en cours de développement dans l'équipe ERIC de Lyon. Elle sera utilisée pour la construction d'objet en indiquant les constructions d'objets potentiellement intéressantes. Au niveau de la classification, les connaissances permettront d'améliorer la capacité de détection en induisant une sémantique aux objets. Cette ontologie pourra aussi être enrichie dans le cas où le système découvre de nouvelles règles pertinentes. . . La morphologie mathématique donne des résultats sur des images en niveaux de gris [1], mais l'utilisation des données hyperspectrales est un champ encore peu étudié et qui pourrait améliorer sensiblement les résultats. Un système de clustering a été développé par l'équipe FDBT et pourra servir de base aux travaux. Les ontologies basées sur les logiques de descriptions permettent de gérer des connaissances de façon adéquates, un travail au niveau de l'opérationnalisation sera peut-être à effectuer. . . . Le programme initial se base sur une approche du bas vers le haut du problème. Il convient de s'intéresser tout d'abord à la construction des régions, en cherchant via un état de l'art et certains prototypages à choisir les algorithmes les plus à même de pouvoir décrire l'image satellite dans à un niveau de description supérieur. Une fois cette première étape remplie, la classification de ces objets de niveau de description supérieur sera étudié. Encore une fois, après un état de l'art et des prototypages si besoin, certains algorithmes (système expert extrait de l'ontologie, arbres de décision,. . . ) seront sélectionnés pour être intégré dans un environnement collaboratif. Enfin il faudra modifier ces algorithmes pour leur donner la capacité de tenir compte des résultats des autres algorithmes.

Ce travail de thèse porte sur la quantification et la prise en compte des variations anatomiques en cours de radiothérapie guidée par l'image pour le cancer de la prostate. Nous proposons tout d'abord une approche basée population pour quantifier et analyser les incertitudes géométriques, notamment à travers des matrices de probabilité de présence de la cible en cours de traitement. Nous proposons ensuite une méthode d'optimisation des marges suivant des critères de couverture géométrique de la cible tumorale. Cette méthode permet d'obtenir des marges objectives associées aux différents types d'incertitudes géométriques et aux différentes modalités de repositionnement du patient. Dans un second temps, nous proposons une méthode d'estimation de la dose cumulée reçue localement par les tissus pendant un traitement de radiothérapie de la prostate. Cette méthode repose notamment sur une étape de recalage d'images de façon à estimer les déformations des organes entre les séances de traitement et la planification. Différentes méthodes de recalage sont proposées, suivant les informations disponibles (délinéations ou points homologues) pour contraindre la déformation estimée. De façon à évaluer les méthodes proposées au regard de l'objectif de cumul de dose, nous proposons ensuite la génération et l'utilisation d'un fantôme numérique reposant sur un modèle biomécanique des organes considérés. Les résultats de l'approche sont présentés sur ce fantôme numérique et sur données réelles. Nous montrons ainsi que l'apport de contraintes géométriques permet d'améliorer significativement la précision du cumul et que la méthode reposant sur la sélection de contraintes ponctuelles présente un bon compromis entre niveau d'interaction et précision du résultat. Enfin, nous abordons la question de l'analyse de données de populations de patients dans le but de mieux comprendre les relations entre dose délivrée localement et effets cliniques. Grâce au recalage déformable d'une population de patients sur une référence anatomique, les régions dont la dose est significativement liée aux événements de récidive sont identifiées. Il s'agit d'une étude exploratoire visant à terme à mieux exploiter l'information portée par l'intégralité de la distribution de dose, et ce en fonction du profil du cancer.

Le traitement standard des cancers du col de l’utérus localement avancés repose sur une radiothérapie en parallèle à une chimiothérapie, suivie d’une curiethérapie. La radiothérapie externe comporte une phase de planification du traitement faite à partir d’une unique acquisition scanner et une phase de délivrance. Cependant, la position et la forme de la cible clinique varient fortement durant le traitement, avec des conséquences en termes de contrôle de la tumeur et de toxicité. L’objectif de cette thèse est donc de développer des stratégies optimisées de radiothérapie adaptative personnalisées permettant de prendre en compte et de compenser l’incidence de ces déformations anatomiques. Les images acquises lors de la planification et de la délivrance du traitement jouant alors un rôle central, ceci passe par le développement de méthodes de recalage, de fusion et d’analyse d’images ainsi que d’outils d’aide à la décision. Les travaux de thèse ont permis la définition de deux nouvelles stratégies de traitement : (1) une stratégie reposant sur une librairie évolutive permettant d’exploiter l’anatomie de la patiente en cours de traitement pour enrichir une librairie préexistante ; (2) une stratégie de librairie modélisée à partir d’un scanner de planification unique reposant sur l’analyse des déformations d’une population. Pour la mise en correspondance des anatomies des deux traitements par radiothérapie (avec et sans applicateur), une méthode de recalage déformable basée sur un modèle biomécanique est proposée et évaluée par rapport aux méthodes classiques et à un outil commercial. Les résultats, reposant notamment sur des critères géométriques, montrent que les approches proposées permettent d’assurer, pour toutes les patientes, une bonne couverture de la cible, tout en limitant l’irradiation des organes sains et donc, à terme, des meilleurs résultats cliniques
The reference treatment for locally advanced cervical carcinomas relies on chemoradiotherapy and brachytherapy (BT). The radiotherapy (RT) is based on a planning made on a single scanner and on the delivery of the treatment. During the treatment, the clinical target volume (CTV) position may change and hamper the precision of the dose delivery, thus, increasing the risk of recurrence and toxicity. The aim of the thesis is the development of new adaptive radiation therapy (ART) strategies in order to take in account the per-treatment anatomical deformations. These approches will have to rely on image processing tools such as deformable image registration (DIR) and data mining to extract the information from the images acquired at the planning and during the treatment. The work of this thesis has led to the definition of two new ART strategies: (1) an evolutive planning library that can be enriched by new per-treatment anatomies; (2) a modeled library based on a population analysis at the time of planning. Finally, in the context of delivered dose estimation, a biomechanical based DIR method is proposed to map the anatomy of the BT, with applicator, toward the anatomy of RT, without applicator. This method is compared to open access and commercially available DIR methods. The geometrical evaluation, show that the proposed adaptive strategies allow to insure a good coverage of the CTV for all the patients while limiting the irradiation of the healthy organs. Such strategies may improve the clinical outcome of the patients

Les nouveaux capteurs satellitaires permettent l'acquisition d'images d'un très haut niveau de détail à des cadences élevées, produisant ainsi une importante masse de données. Le traitement manuel de ces données étant devenu impossible, de nouveaux outils sont nécessaires afin de les traiter automatiquement. Des algorithmes de segmentation efficaces sont nécessaires pour extraire des objets d'intérêt de ces images. Cependant les segments produits ne correspondent pas aux objets d'intérêt, rendant difficile l'utilisation de connaissances expertes.Dans le cadre de cette thèse nous proposons de changer le niveau d'interprétation d'une image afin de voir les objets d'intérêt pour l'expert comme des objets composés par des segments. Pour cela, nous avons mis en place un processus d'apprentissage multi-niveaux dans le but d'apprendre ces règles de composition. Une règle de composition ainsi apprise peut ensuite être utilisée pour extraire les objets d'intérêt correspondant. Dans un second temps, nous proposons d'utiliser l'algorithme d'apprentissage de règles de composition comme première étape d'une approche montante-descendante. Cette chaîne de traitement a pour objectif d'améliorer la classification à partir des informations contextuelles et de connaissances expertes. Des objets composés de plus haut niveau sémantique sont extraits à partir de règles apprises ou fournies par l'expert, et cette nouvelle information est utilisée pour mettre à jour la classification des objets aux niveaux inférieurs. L'ensemble de ces travaux ont été testés et validés sur des images Pléiades représentant la ville de Strasbourg. Les résultats obtenus montrent l'efficacité de l'apprentissage de règles de composition pour faire le lien entre connaissance experte et segmentation, ainsi que l'intérêt de l'utilisation d'informations contextuelles dans l'analyse d'images de télédétection à très haute résolution spatiale
The new remote sensors allow the acquisition of very high spatial resolution images at high speeds, thus producing alarge volume of data. Manual processing of these data has become impossible, new tools are needed to process them automatically. Effective segmentation algorithms are required to extract objects of interest of these images. However, the produced segments do not match to objects of interest, making it difficult to use expert knowledge.In this thesis we propose to change the level of interpretation of an image in order to see the objects of interest of the expert as objects composed of segments. For this purpose, we have implemented a multi-level learning process in order to learn composition rules. Such a composition rule can then be used to extract corresponding objects of interest.In a second step, we propose to use the composition rules learning algorithm as a first step of a bottom-up top-down approach. This processing chain aims at improving the classification from contextual knowledge and expert information.Composed objects of higher semantic level are extracted from learned rules or rules provided by the expert, and this new information is used to update the classification of objects at lower levels.The proposed method has been tested and validated on Pléiades images representing the city of Strasbourg. The results show the effectiveness of the composition rules learning algorithm to make the link between expert knowledge and segmentation, as well as the interest of the use of contextual information in the analysis of remotely sensed very high spatial resolution images

L'extraction d'éléments curvilignes d’images de télédétection, surtout proches de la limite de résolution ou lorsqu'elles sont bruitées, représente toujours un défi important pour les algorithmes informatiques, alors que pour les interprètes humains c'est une tâche immédiate. Dans ce travail une méthode novatrice est présentée pour guider l'extraction d’éléments curvilignes (routes, cours d'eau, etc) d’images de télédétection. Cette méthode a pour but de mettre à jour les systèmes d'informations géographiques (SIG) grâce à un modèle inédit (ELECA) qui comporte trois parties. Le modèle ELECA tire avantage de deux idées principales. Les données utilisées ne sont pas seulement les images de télédétection mais également les données des SIG qui ne sont pas nécessairement à jour. Le modèle s’appuie également sur des progrès récents des sciences psycho-cognitives en imitant partiellement le mouvement des yeux durant une recherche visuelle. Ainsi les trois parties du modèle ELECA sont (1) une méthode de recherche de l’information locale qui utilise un oeil virtuel pour ne se focaliser qu’aux lieux d’information probable, évitant ainsi un traitement global de l’image ; (2) une méthode simple et rapide d’extraction de l’information locale par une adaptation astucieuse d’une analyse en composantes connexes ; et (3) une méthode originale de fusion des informations locales qui s’appuie sur des travaux de reconstruction de l’espace global par raisonnement spatial qualitatif. Le modèle ELECA évite de cette manière certains pièges dans lesquels tombent souvent les méthodes courantes/classiques. En particulier, la technique proposée peut être mise en oeuvre pour des images partiellement masquées ou de basse résolution pour lesquelles seulement des interprètes humains peuvent traiter l'image présentement. La méthode a été aussi élaborée pour être rapide et efficace afin de pouvoir réaliser des mises à jour de SIG très rapides lorsque nécessaire. La dernière partie de ce travail est consacrée à l’élaboration d’une solution informatique supportant le modèle ELECA. Une architecture logicielle souple et adaptative est mise en avant, permettant l’intégration de développements ultérieurs pour le modèle. Enfin un volet algorithmique montre concrètement que les solutions du modèle ELECA sont implantables en termes informatiques.
The extraction of curvilinear elements from remote sensing images, especially when noisy or near the limit of resolution constitutes a significant challenge for data-processing algorithms. In this work a method is presented for linear feature extraction in remote sensing (RS) images. An original model (ELECA) is introduced allowing out of date geographical information system (GIS) data to be updated though the use of a visual search method that mimics human eye movements. The ELECA model is composed of three parts : (1) a visual search module using virtual gaze to avoid processing the entire image ; (2) a simple and fast method for local information extraction by a clever adaptation of connected-component labeling ; and (3) an original method for the fusion of local information to construct a global representation at the scale of the image based on qualitative spatial reasoning techniques. The ELECA model avoids several problems characteristic of current methods. In particular, the proposed technique can be applied to low resolution or partially occluded images for which currently only human interpreters can successfully process the image. The technique is also designed to be very fast and efficient when a quick GIS update is needed. The last part of this project is devoted to the design of software which supports the ELECA model. The proposed software architecture is adaptive and allows the integration of future model developments. Finally it is shown how the ELECA model could be implemented.
La extracción de elementos curvilíneos de las imágenes de teledetección, sobre todo en proximidad del límite de resolución o en presencia de ruido, representa siempre un reto importante para los algoritmos informáticos, mientras que para los intérpretes humanos es una tarea inmediata. Este trabajo presenta un método nuevo para guiar la extracción de elementos curvilíneos (carreteras, ríos, etc.) de imágenes de teledetección. El objetivo del método consiste en actualizar un sistema de información geográfica (SIG) gracias a un modelo inédito (ELECA) constituído de tres partes. El modelo ELECA desarrolla dos ideas principales. El modelo puede utilizar las imágenes de teledetección y los datos del SIG que están desactualizados. El modelo se basa asimismo en resultados recientes de la investigación en ciencias psico-cognitivas, dado que imita parcialmente el movimiento de los ojos durante una búsqueda visual. Las tres partes del modelo ELECA son: (1) un método de búsqueda de la información local que utiliza un ojo virtual par focalizarse únicamente donde se encuentra la información probable, evitando un tratamiento global de la imagen; (2) un método simple y rápido de extracción de la información local, que utiliza una adaptación astuciosa de un análisis en componentes conexos; y (3) un método original de fusión de informaciones locales que se apoya sobre trabajos de reconstrucción del espacio global por razonamiento espacial cualitativo. El modelo ELECA evita así algunas trampas en las que caen a menudo los métodos clásicos. En particular, la técnica propuesta puede ser utilizada para imágenes parcialmente enmascaradas o de baja resolución, que sólo pueden ser tratadas actualmente por intérpretes humanos. El método ha sido elaborado para ser eficiente en la actualización rápida de un SIG si es necesario. La última parte de este trabajo presenta una solución informática elaborada para soportar el modelo ELECA. Una arquitectura de programa flexible y adaptable es presentada, permitiendo la integración de desarrollos ulteriores del modelo. Finalmente, un aspecto algorítmico muestra concretamente que las soluciones del modelo ELECA. se pueden implantar en términos informáticos.

Ce travail traite le problème de la segmentation d'images échographiques de prostate acquises en condition per-opératoire dans le cadre de la destruction de tumeurs effectuée par une technique d'ultrasons haute intensité (HIFU). L'objectif est de délimiter précisément les tissus cible de façon à concentrer l'échauffement induit par les ultrasons tout en réduisant leur impact sur les structures voisines. L' étude bibliographique de l'état de l'art montre que toutes les méthodes de segmentation se référant aux dernières avancées méthodologiques ont été tentées sans pour autant apporter de réponses complètement satisfaisantes au problème du fait de la variabilité des situations rencontrées et surtout de la qualité toute relative des images dans le cas des HIFU. Les différentes solutions proposées dans cette thèse s'appuient sur les modèles déformables discrets enrichis de recherche de points d'ancrage basés gradient, couplés ou pas à une approche de détection de surface optimale. Ces solutions sont testées sur une trentaine de bases de données et analysées à la fois qualitativement et quantitativement par comparaison à des contours définis par des experts. Par ailleurs, une étude préliminaire est conduite sur la caractérisation de texture par différents types de moments (Zernike, Legendre, etc. ). Les résultats obtenus montrent un comportement globalement correct et satisfaisant les temps de calcul imposés
This work deals with the segmentation of echographic prostate images acquired intra-operatively simultaneously to the application of high intensity ultrasound (HIFU) for the destruction of tumor. The objective is to precisely delineate the target in order to concentrate the heating induced by ultrasound and to reduce as much as possible their impact on the neighboring structures. After a brief presentation of the clinical and the technical context, in particular the dosimetry, a state-of-the-art is carried out: it shows that although all the most recent and effective methods have been explored, only partial solutions have been obtained due to a large variability of situations to deal with and the relatively poor quality of the images in HIFU devices. Several solutions are then proposed based on discrete deformable contours, improved by the search of gradient based landmark points, coupled or not with optimal search detection. These solutions are tested on about thirty datasets and qualitatively and quantitatively analysed by comparison with expert-defined contours. A preliminary study is also performed for texture characterization using different types of moments (Zernike, Legendre, etc. ). The results show that an overall good behaviour is obtained fulfilling the time computation constraints

Les procédures de radiothérapie visent à exposer les cellules cancéreuses aux rayonnements ionisants. L'implantation permanente de sources radioactives à proximité des cellules cancéreuses est une technique classique pour guérir le cancer de la prostate à un stade précoce. Le processus implique l'acquisition d'images du patient, la délimitation des volumes cibles et des organes à risque à l'aide de l'imagerie, la planification du traitement, l’implantation de grains radioactifs guidées par l'image et l'évaluation post-implantatoire. L'analyse d'images médicales basée sur l'intelligence artificielle peut être bénéfique pour des procédures de radiothérapie. Elle peut aider à faciliter et à améliorer l'efficacité des procédures en segmentant automatiquement les organes cibles les images et en extrapolant des informations cliniquement pertinentes. Cependant, la délimitation manuelle des volumes cibles est toujours la routine standard pour la plupart des centres cliniques, ce qui prend du temps et n'est pas à l'abri de variations intra et inter-observateurs. Dans cette thèse, nous visons à développer des solutions de traitement d'images médicales pour automatiser divers étapes des procédures actuelles de curiethérapie de la prostate guidée par l'image, notamment l'identification des grains radioactifs à partir d'images de scanner X et la segmentation du volume cible clinique à partir d'images médicales.Dans la première application, nous avons développé et évalué une nouvelle technique de détection et d'identification des grains radioactifs implantés sur des scanner X post-implantatoire en rapport avec la curiethérapie prostatique. Cela permet aux experts d'évaluer la qualité du positionnement de grains radioactifs guidées par l'image en calculant les paramètres dosimétriques, en particulier le calcul de dosimétrie post-implantoire de la curiethérapie de rattrapage de la prostate réalisée des années après la curiethérapie initiale dans le cadre de récidive de cancer de la prostate. La deuxième application impliquait le développement de méthodes d'apprentissage profond pour délimiter automatiquement les volumes cibles cliniques. Nous avons évalué les méthodes proposées sur une base de données cliniques d'échographie transrectale peropératoire et des images scanner X post-implantoires de la curiethérapie prostatique guidée par l'image. L'évaluation de notre méthode a été ensuite étendue à d'autres applications d'analyse d'images médicales. Nos méthodes ont donné des résultats prometteurs menant à une perspective essentielle pour des tâches d'analyse d'images médicales efficaces et précises. Elles peuvent être rebuvant être appliquées pour automatiser la gestion des procédures de curiethérapie prostatique guidée par l'image
Radiotherapy procedures aim at exposing cancer cells to ionizing radiation. Permanently implanting radioactive sources near to the cancer cells is a typical technique to cure early-stage prostate cancer. It involves image acquisition of the patient, delineating the target volumes and organs at risk on different medical images, treatment planning, image-guided radioactive seed delivery, and post-implant evaluation. Artificial intelligence-based medical image analysis can benefit radiotherapy procedures. It can help to facilitate and improve the efficiency of the procedures by automatically segmenting target organs and extrapolating clinically relevant information. However, manual delineation of target volumes is still the standard routine for most clinical centers, which is time-consuming, challenging, and not immune to intra- and inter-observer variations. In this thesis, we aim to develop medical image processing solutions to automate various components of the current image-guided prostate brachytherapy procedures, including radioactive seeds identification from CT images and clinical target volume segmentation from different medical images. In the first application, we developed and evaluated a new technique for detecting and identifying implanted radioactive seeds on post-implant CT scans of prostate brachytherapy. This allows experts to evaluate the quality of the image-guided radioactive seed delivery by computing the delivered dosimetric parameters, specifically to compute the post-implant dosimetry of salvage prostate brachytherapy performed years after primary brachytherapy in the treatment of relapsed prostate cancer. The second application involved the development of deep learning methods to delineate clinical target volumes automatically. We evaluated the proposed methods on a clinical database of intraoperative transrectal ultrasound and post-implant CT images of image-guided prostate brachytherapy. The evaluation is then extended to other medical image analysis applications. Our methods yielded promising results and opening important perspectives towards efficient and accurate medical image analysis tasks. They can be applied to automate the management of image-guided prostate brachytherapy procedures

L’objectif principal de cette thèse est de fournir aux chirurgiens des outils d’aide à la décision pré et per-opératoire lors d’interventions minimalement invasives en chirurgie hépatique. Ces interventions reposent en général sur des techniques de laparoscopie ou plus récemment d’endoscopie flexible. Lors de telles interventions, le chirurgien cherche à retirer un nombre souvent important de tumeurs hépatiques, tout en préservant le rôle fonctionnel du foie. Cela implique de définir une hépatectomie optimale, c’est à dire garantissant un volume du foie post-opératoire d’au moins 55% du foie initial et préservant au mieux la vascularisation hépatique. Bien qu’une planification de l’intervention puisse actuellement s’envisager sur la base de données pré-opératoire spécifiques au patient, les mouvements importants du foie et ses déformations lors de l’intervention rendent cette planification très difficile à exploiter en pratique. Les travaux proposés dans cette thèse visent à fournir des outils de réalité augmentée utilisables en conditions per-opératoires et permettant de visualiser à chaque instant la position des tumeurs et réseaux vasculaires hépatiques
The main objective of this thesis is to provide surgeons with tools for pre and intra-operative decision support during minimally invasive hepatic surgery. These interventions are usually based on laparoscopic techniques or, more recently, flexible endoscopy. During such operations, the surgeon tries to remove a significant number of liver tumors while preserving the functional role of the liver. This involves defining an optimal hepatectomy, i.e. ensuring that the volume of post-operative liver is at least at 55% of the original liver and the preserving at hepatic vasculature. Although intervention planning can now be considered on the basis of preoperative patient-specific, significant movements of the liver and its deformations during surgery data make this very difficult to use planning in practice. The work proposed in this thesis aims to provide augmented reality tools to be used in intra-operative conditions in order to visualize the position of tumors and hepatic vascular networks at any time

Dans le contexte du traitement du cancer de la prostate, l’utilisation de la tomodensitométrie à faisceau conique (CBCT) pour la radiothérapie guidée par l’image, éventuellement adaptative, présente certaines difficultés en raison du faible contraste et du bruit important dans les images pelviennes. L’objectif principal de cette thèse est d’apporter des contributions méthodologiques pour le recalage automatique entre l’image scanner CT de référence et l’image CBCT acquise le jour du traitement. La première partie de nos contributions concerne le développement d’une stratégie de correction du positionnement du patient à l’aide du recalage rigide (RR) CT/CBCT. Nous avons comparé plusieurs algorithmes entre eux : (a) RR osseux, (b) RR osseux suivi d’un RR local dans une région qui correspond au clinical target volume (CTV) de la prostate dans l’image CT élargie d’une marge allant de 1 à 20 mm. Une analyse statistique complète des résultats quantitatifs et qualitatifs utilisant toute la base de données, composée de 115 images cone beam computed tomography (CBCT) et de 10 images computed tomography (CT) de 10 patients atteints du cancer de la prostate, a été réalisée. Nous avons également défini une nouvelle méthode pratique et automatique pour estimer la distension rectale produite dans le voisinage de la prostate entre l’image CT et l’image CBCT. A l’aide de notre mesure de distension rectale, nous avons évalué l’impact de la distension rectale sur la qualité du RR local et nous avons fourni un moyen de prédire les échecs de recalage. Sur cette base, nous avons élaboré des recommandations concernant l’utilisation du RR automatique pour la localisation de la prostate sur les images CBCT en pratique clinique. La seconde partie de la thèse concerne le développement méthodologique d’une nouvelle méthode combinant le recalage déformable et la segmentation. Pour contourner le problème du faible rapport qualité/bruit dans les images CBCT qui peut induire le processus de recalage en erreur, nous avons imaginé une nouvelle énergie composée de deux termes : un terme de similarité globale (la corrélation croisée normalisée (NCC) a été utilisée, mais tout autre mesure de similarité pourrait être utilisée à la place) et un terme de segmentation qui repose sur une adaptation locale du modèle de l’image homogène par morceaux de Chan-Vese utilisant un contour actif dans l’image CBCT. Notre but principal était d’améliorer la précision du recalage comparé à une énergie constituée de la NCC seule. Notre algorithme de recalage est complètement automatique et accepte comme entrées (1) l’image CT de planification, (2) l’image CBCT du jour et (3) l’image binaire associée à l’image CT et correspondant à l’organe d’intérêt que l’on cherche à segmenter dans l’image CBCT au cours du recalage
The use of CBCT imaging for image-guided radiation therapy (IGRT), and beyond that, image-guided adaptive radiation therapy (IGART), in the context of prostate cancer is challenging due to the poor contrast and high noise in pelvic CBCT images. The principal aim of the thesis is to provide methodological contributions for automatic intra-patient image registration between the planning CT scan and the treatment CBCT scan. The first part of our contributions concerns the development of a CBCT-based prostate setup correction strategy using CT-to-CBCT rigid registration (RR). We established a comparison between different RR algorithms: (a) global RR, (b) bony RR, and (c) bony RR refined by a local RR using the prostate CTV in the CT scan expanded with 1- to-20-mm varying margins. A comprehensive statistical analysis of the quantitative and qualitative results was carried out using the whole dataset composed of 115 daily CBCT scans and 10 planning CT scans from 10 prostate cancer patients. We also defined a novel practical method to automatically estimate rectal distension occurred in the vicinity of the prostate between the CT and the CBCT scans. Using our measure of rectal distension, we evaluated the impact of rectal distension on the quality of local RR and we provided a way to predict registration failure. On this basis, we derived recommendations for clinical practice for the use of automatic RR for prostate localization on CBCT scans. The second part of the thesis provides a methodological development of a new joint segmentation and deformable registration framework. To deal with the poor contrast-to-noise ratio in CBCT images likely to misguide registration, we conceived a new metric (or enery) which included two terms: a global similarity term (the normalized cross correlation (NCC) was used, but any other one could be used instead) and a segmentation term based on a localized adaptation of the piecewise-constant region-based model of Chan-Vese using an evolving contour in the CBCT image. Our principal aim was to improve the accuracy of the registration compared with an ordinary NCC metric. Our registration algorithm is fully automatic and takes as inputs (1) the planning CT image, (2) the daily CBCT image and (3) the binary image associated with the CT image and corresponding to the organ of interest we want to segment in the CBCT image in the course of the registration process

L'objectif de ce travail est de proposer et de réaliser un nouveau système d'asservissement sur une machine à épissurer. Les nouvelles investigations et analyses sont basés sur un traitement d'images et des mesures in-situ. Elles offrent un nouveau contrôle du processus d'épissurage. En plus, de nouvelles implémentations technologiques sont proposées et discutées. Elles peuvent être mise en œuvre dans de futures machines à épissurer. Dans la première partie, nous avons présenté et discuté la faisabilité d'une mesure d'excentricité du cœur à partir d'un modèle de diffusion. Après avoir modéliser l'effet thermique ainsi que les pertes, nous avons présenté le système ainsi développé
The goal of this work is to propose and realise a new control system for a splicer. The new investigations and analyses are based on digital image processing and in-situ measurements. They offer new control possibilities for the splice process. In addition to this, new technological implementations are investigated and discussed. They can be used in future splicers. In the first part, a feasibility study to measure the core eccentricity using the scattering pattern method, was presented and discussed. After modelling of the thermal behaviour of the splice process and the loss analyses considerations the developed splice investigation and analyse system is presented

Au cours des dix dernières années, l’utilisation de l’imagerie par tomographie par émission de positrons (TEP) s’est rapidement développée en oncologie. Certaines tumeurs non visibles en imagerie anatomique conventionnelle sont détectables en mesurant l'activité métabolique dans le corps humain par TEP. L’imagerie TEP est utilisée pour guider la délivrance de traitements locaux tels que par rayonnement ionisants ou ablation thermique. Pour la délivrance de ces traitements, segmenter la zone tumorale avec précision est primordial. Cependant, la faible résolution spatiale des images TEP rend la segmentation difficile. Plusieurs études ont démontré que la segmentation manuelle est sujette à une grande variabilité inter- et intra- individuelle et est fastidieuse. Pour ces raisons, de nombreux algorithmes de segmentation automatiques ont été développés. Cependant, peu de données fiables, avec des résultats histopathologiques existent pour valider ces algorithmes car il est expérimentalement difficile de les produire. Le travail méthodologique mis en place durant cette thèse a eu pour but de développer une méthode permettant de comparer les données histopathologiques aux données obtenue par TEP pour tester et valider des algorithmes de segmentation automatiques. Cette méthode consiste à réaliser des autoradiographies quantitatives de spécimens prélevés lors de biopsies guidées par TEP/tomodensitométrie (TDM); l’autoradiographie permettant d’imager la distribution du radiotraceur dans les échantillons avec une haute résolution spatiale. Les échantillons de tissus sont ensuite finement tranchés pour pouvoir être étudiés à l’aide d’un microscope. L’autoradiographie et les photomicrographes de l’échantillon de tissus sont ensuite recalés à l’image TEP, premièrement en les alignant avec l’aiguille à biopsie visible sur l’image TDM, puis en les transférant sur l’image TEP. Nous avons ensuite cherché à utiliser ces données pour tester deux algorithmes de segmentation automatique d'images TEP, le Fuzzy Locally Adaptive Bayesian (FLAB) développé au Laboratoire de Traitement de l'Information Médicale (LaTIM) à Brest, ainsi qu’une méthode de segmentation par seuillage. Cependant, la qualité de ces données repose sur la précision du recalage des images TEP, autoradiographiques et des micrographes. La principale source d’erreur dans le recalage de ces images venant de la fusion des images TEP/TDM, une méthode a été développée afin de quantifier la précision du recalage. Les résultats obtenus pour les patients inclus dans cette étude montrent que la précision de la fusion varie de 1.1 à 10.9 mm. En se basant sur ces résultats, les données ont été triées, pour finalement sélectionner les données acquises sur 4 patients jugées satisfaisantes pour tester les algorithmes de segmentation. Les résultats montrent qu’au point de la biopsie, les contours obtenus avec FLAB concordent davantage avec le bord de la lésion observé sur les micrographes. Cependant les deux méthodes de segmentation donnent des contours similaires, les lésions étant peu hétérogènes
During the last decade, positron emission tomography (PET) has been finding broader application in oncology. Some tumors that are non-visible in standard anatomic imaging like computerized tomography (CT) or ultrasounds, can be detected by measuring in 3D the metabolic activity of the body, using PET imaging. PET images can also be used to deliver localized therapy like radiation therapy or ablation. In order to deliver localized therapy, the tumor border has to be delineated with very high accuracy. However, the poor spatial resolution of PET images makes the segmentation challenging. Studies have shown that manual segmentation introduces a large inter- and intra- variability, and is very time consuming. For these reasons, many automatic segmentation algorithms have been developed. However, few datasets with histopathological information are available to test and validate these algorithms since it is experimentally difficult to produce them. The aim of the method developed was to evaluate PET segmentation algorithms against the underlying histopathology. This method consists in acquiring quantitative autoradiography of biopsy specimen extracted under PET/CT guidance. The autoradiography allows imaging the radiotracer distribution in the biopsy specimen with a very high spatial accuracy. Histopathological sections of the specimen can then obtained and observed under the microscope. The autoradiography and the micrograph of the histological sections can then be registered with the PET image, by aligning them first with the biopsy needle seen on the CT image and then transferring them onto the PET image. The next step was to use this dataset to test two PET automatic segmentation algorithms: the Fuzzy Locally Adaptive Bayesian (FLAB) developed at the Laboratory of Medical Information Processing (LaTIM) in Brest, France, as well as a fix threshold segmentation method. However, the reliability of the dataset produced depends on the accuracy of the registration of the PET, autoradiography and micrograph images. The main source of uncertainty in the registration of these images comes from the registration between the CT and the PET. In order to evaluate the accuracy of the registration, a method was developed. The results obtained with this method showed that the registration error ranges from 1.1 to 10.9mm. Based on those results, the dataset obtained from 4 patients was judged satisfying to test the segmentation algorithms. The comparison of the contours obtained with FLAB and with the fixed threshold method shows that at the point of biopsy, the FLAB contour is closer than that to the histopathology contour. However, the two segmentation methods give similar contours, because the lesions were homogeneous

Cette thèse traite de la segmentation d'images médicales avec des ensembles de niveau guidés par commande floue. Notre approche est fondée sur une méthode de segmentation orientée région. Afin de l'adapter à diverses applications, nous utilisons des connaissances a priori et un système de commande floue pour guider les contours associés aux ensembles de niveau. Le contrôleur flou gère automatiquement les différents termes de la vitesse d'évolution des contours. Il est d'abord utilisé pour régler la fonction d'arrêt, puis le terme de régularisation. Enfin, il permet de faire évoluer simultanément plusieurs ensembles de niveau en déterminant leur sens de propagation privilégié. La méthode est appliquée à la segmentation de structures variées, allant du cerveau entier aux noyaux gris internes. Enfin, nous introduisons un modèle de forme pour tenir compte de la variabilité anatomique. Cela améliore la précision et la robustesse des résultats, évaluées sur 2 jeux de 18 volumes IRM réels.

En radiologie interventionnelle, le praticien se sert actuellement de plusieurs acquisitions scanner (coupes 2D) pour pouvoir atteindre sa cible au cours d'une ponction percutanée dans la zone abdominale. Notre objectif est de concevoir un système de guidage minimisant ces acquisitions et donc le temps de l'intervention. Pour cela, nous proposons un système de réalité augmentée superposant des reconstructions 3D pré-opératoires des structures abdominales du patient dans des images vidéo externes de son corps. En plus d'être précis, rapide et fiable, cet outil devra pouvoir être introduit aisément en salle d'opération.
Dans notre cas, le patient est intubé et sa ventilation contrôlée, nous pouvons donc négliger les effets de la respiration : un recalage rigide 3D/2D de marqueurs radio-opaques collés sur la peau est suffisant pour atteindre la précision requise. Les hypothèses statistiques des critères classiques n'étant pas adéquates pour notre application, nous avons dérivé un nouveau critère généralisant les approches standard. Une évaluation rigoureuse des performances démontre la supériorité de notre méthode en terme de précision et de robustesse.
Pour atteindre le temps réel en salle d'opération, nous avons ensuite développé un ensemble d'algorithmes d'extraction et de mise en correspondance des marqueurs radio-opaques dont nous avons validé la robustesse sur de nombreuses images réelles. La précision du système dépendant de nombreux paramètres (nombre de marqueurs radio-opaques, position des caméras...), elle ne peut pas être établie préalablement de manière définitive. Afin de fournir un système fiable, nous proposons donc une technique de propagation des covariances qui permet d'estimer dynamiquement l'erreur de repositionnement des modèles reconstruits. Une phase de validation méticuleuse, sur des données synthétiques et réelles, démontre que notre prédiction est fiable dans les conditions de notre application.
Après cette validation de chacun des modules, nous montrons la faisabilité et l'intérêt de notre système complet en menant une évaluation sur un mannequin : quatre chirurgiens ont réussi à atteindre des cibles en des temps dix fois inférieurs à ceux usuellement nécessaires pour ce type d'intervention et avec une précision supérieure. Finalement, plusieurs expériences cliniques sur des patients démontrent que notre système est utilisable en salle d'opération et suggèrent son utilisation en routine dans un futur proche.

Cette thèse, consacrée à la mesure endoscopique de formes tridimensionnelle, se place dans un double contexte applicatif : tout d'abord industriel, avec l'inspection endoscopique de pièces mécaniques en milieu contraint (notamment tubulaire) à des résolutions micrométriques. Le second contexte est médical avec la détection de formes tridimensionnelle lors de coloscopies pour l'aide au diagnostic. L'endoscopie souple est obtenue par l'utilisation de guides optiques, la méthode de mesure tridimensionnelle est basée sur la stéréovision active avec la génération de lumière structurée par une matrice de micro-miroirs. Après avoir établi l'état de l'art, une méthode de conception et d'évaluation optique appliquée à la stéréovision en endoscopie souple est décrite. C'est ensuite la réalisation instrumentale, son évaluation métrologique, et une méthode innovante de basculement de modes dynamique entre stéréovision active et passive qui sont détaillées. Des méthodes algorithmiques de reconstruction tridimensionnelle adaptées à ce type d'instrument sont enfin proposées. Les contributions scientifiques de cette étude sont multiples. Une méthode d'analyse optique basée sur l'utilisation de fonctions de transfert de modulation pour la conception d'un endoscope mesurant par stéréovision est proposée. Des méthodes de traitement d'image pour un étalonnage robuste malgré une défocalisation optique ainsi qu'un nouvel algorithme à décalage de phase constituent également des contributions de l'étude. L'association de ces méthodes a permis d'extraire un principe de réalisation permettant la mesure tridimensionnelle par endoscopie souple
This thesis aims at developing a tri-dimensional measurement endoscopic device in a double context: the first one is industrial with endoscopic inspection of mechanical pieces (tubular inspection, for example) at micrometric resolution. The second context is medical with tri-dimensional shape detection during colonoscopy to help the surgeon diagnosis. In this study, flexible endoscopy is made possible by using image guides and the tri-dimensional reconstruction method is based on active stereovision where a digital micro-mirror device is used to spatially structure the incoming light. After developing the state of the art, an optical conception and evaluation method, applied to stereovision for flexible endoscopic devices is described. The instrumental realization is then detailed and metrologically evaluated. An innovative method that allows to switch dynamically between active and passive stereovision is then detailed. Finally, 3D reconstruction algorithms adapted to this endoscopic instrument are proposed. The scientific contributions of this study are multiple. Firstly, an optical analysis method based on the modulation transfer function to design an endoscopic stereovision system is proposed. An image processing method for robust calibration in a defocused optical environment and a new phase-shifting algorithm for 3D reconstruction are proposed. Finally, a realization principle for 3D measurement in flexible endoscopy was extracted from the combination of all these methods

L'objectif des travaux présentés dans ce document est de développer de nouvelles méthodes de traitement d'images pour améliorer la planification et le guidage d'une thérapie par voie transœsophagienne de la fibrillation auriculaire à l'aide d'Ultrason Focalisé Haute Intensité. Le document est divisé en deux parties : la planification du traitement et le guidage de la thérapie. Pour la planification de la thérapie, l'idée est d'exploiter l'information acquise au stade préopératoire par un scanner X ou IRM afin de retrouver l'anatomie spécifique du patient et à y définir le futur geste thérapeutique. Plus particulièrement, nos différentes contributions ont porté sur une approche multi-atlas de segmentation de l'oreillette gauche et des veines pulmonaires ; le tracé des lignes de lésions sur le volume initial ou segmenté ; et la reconstruction d'un volume adapté à la future navigation transœsophagienne. Pour le guidage de la thérapie, nous proposons une nouvelle approche de recalage qui permet d'aligner les images échographiques peropératoires 2D et l'information 3D CT préopératoire. Dans cette approche, dans un premier temps nous avons sélectionné la mesure de similarité la plus adaptée à notre problématique à l'aide d'une évaluation systématique puis nous avons tiré profit des contraintes imposées à la sonde transœsophagienne par l'anatomie du patient pour simplifier la procédure de recalage. Toutes ces méthodes ont été évaluées sur des fantômes numériques ou physiques et sur des données cliniques
The work presented in this document aims at developing new image-processing methods to improve the planning and guidance of transesophageal HIFU atrial fibrillation therapy. This document is divided into two parts, namely therapy planning and therapy guidance. We first propose novel therapy planning methods that exploit high-resolution pre-operative CT or MRI information to extract patient-specific anatomical details and to define future therapeutic procedures. Our specific methodological contributions concern the following: an automatically-refined atlas-based segmentation approach to extract the left atrium and pulmonary veins; the delineation of the lesion lines on the original or segmented volume; and the reconstruction of a volume adapted to future intraoperative transesophageal navigation. Secondly, our proposal of a novel registration approach for use in therapy guidance aligns intraoperative 2D ultrasound with preoperative 3D CT information. This approach first carries out a systematic statistical evaluation to select the best similarity measure for our application and then takes advantage of the geometrical constraints of the transesophageal HIFU probe to simplify the registration process. Our proposed methods have been evaluated on digital and/or physical phantoms and on real clinical data

L’anesthésie loco-régionale présente une alternative intéressante à l’anesthésie générale dans de nombreuses interventions chirurgicales. L’atout majeur de cette technique est qu’elle réduit grandement les scores de douleurs et améliore par la même la mobilité post-opératoire. L’anesthésie locorégionale écho-guidée (UGRA) devient aujourd’hui, la méthode de référence dans le domaine de l’anesthésie, offrant de nombreux avantages par rapport aux autres méthodes comme la neurostimulation. Cependant, cette technique nécessite en contrepartie un apprentissage spécifique afin d’éviter des complications sévères liées à une erreur de localisation visuelle du nerf dans les images échographiques. L’objectif de cette thèse est de faciliter et de sécuriser la pratique de l’anesthésie loco-régionale écho-guidée. Dans un premier temps, nous avons proposé une méthode de détection du nerf mettant en oeuvre un algorithme qui suite à un prétraitement à partir de filtres fréquentielles, réalise une analyse de texture par apprentissage. Dans ce cadre, deux nouvelles approches ont été explorées : l’une concerne la caractérisation du nerf qui s’appuie sur la prise en compte du bruit présent dans une image ultrasonore, bruit ayant été au préalable atténué partiellement. L’autre propose une technique de sélection des caractéristiques mettant en avant celles qui sont les moins redondantes et les plus pertinentes. Dans un second temps, après étude fine du comportement variable de la morphologie du nerf tout au long d’une séquence d’images ultrasonores, nous avons développé un modèle dynamique ayant comme paramètres des informations en lien avec la cohérence temporelle de la position, de la forme et la confiance de classification des ROI potentielles afin de générer une segmentation robuste. Il est proposé également dans cette partie, un nouveau modèle de forme prenant en compte un ensemble d’intervalles de points de repères du contour, permettant ainsi de s’adapter aux variations de la forme du nerf dans le temps
Regional anesthesia presents an interesting alternative or complementary act to general anesthesia in many surgical procedures. It reduces pain scores, improves postoperative mobility and facilitates earlier hospital discharge. Ultrasound-Guided Regional Anesthesia (UGRA) has been gaining importance in the last few years, offering numerous advantages over alternative methods of nerve localization (neurostimulation or paraesthesia). However, nerve detection is one of the most difficult tasks that anesthetists can encounter in the UGRA procedure. The context of the present work is to provide practitioners with a method to facilitate and secure the practice of UGRA. However, automatic detection and segmentation in ultrasound images is still a challenging problem in many medical applications. This work addresses two main issues. The first one, we propose an algorithm for nerve detection and segmentation in ultrasound images, this method is composed of a pre-processing, texture analysis and machine learning steps. In this part of work, we explore two new approaches ; one to characterize the nerve and the second for selecting the minimum redundant and maximum relevant features. The second one, we studied the nerve detection in consecutive ultrasound frames. We have demonstrated that the development of an algorithm based on the temporal coherence of the position, the shape and the confidence measure of the classification, allows to generate a robust segmentation. In this work, we also propose a new model of shape based on a set of intervals landmarks able to adapt to the nerve shape under a morphological variations

Les techniques de reconstruction de formes tridimensionnelles sont très largement utilisées dans de nombreux domaines, et notamment dans le domaine industriel ou médical. Et dans ces domaines, les techniques de mesure sans contact sont particulièrement étudiées, principalement parce qu'elles permettent de ne pas détériorer l'objet mesuré. Ce travail de thèse se place donc dans ce contexte et plus particulièrement dans le cas des dispositifs endoscopiques de mesure tridimensionnelle de surface par moyen optique. Dans le domaine médical, ce type d'instrument peut être appliqué à la coloscopie 3D ou à la chirurgie mini-invasive pour la détection de forme en surface de tissus biologiques. Dans cette thèse ce sont plus particulièrement les méthodes à base de stéréovision active ou passive, qui vont être étudiées et intégrées dans un dispositif miniaturisé. Différents modes de mesure vont être intégrés simultanément dans un unique instrument miniaturisé afin de permettre d'augmenter les performances de mesure : l'instrument peut adapter son principe de mesure à la texture de l'objet ou également à l'orientation des surfaces mesurées et plus généralement au contexte de la mesure. Ce travail de thèse est donc basé sur une étude algorithmique et instrumentale d'intégration de ces différents modes de mesure dans un unique instrument endoscopique miniaturisé. L'étude des modes de mesure par stéréovision a été réalisée en trois phases. Tout d'abord, c'est l'influence de l'orientation de la surface des objets mesurés dans un cas de stéréovision active qui est analysé. Puis une technique de basculement entre les voies de projection et d'acquisition du système de stéréovision active par actionnement bistable est proposé, ce qui permet d'adapter la mesure à l'orientation des surfaces à mesurer. Enfin, l'étude est orientée vers la possibilité de basculer d'un mode de stéréovision active vers un mode de stéréovision passive, toujours par actionnement bistable, le mode de stéréovision passive étant particulièrement adapté aux objets fortement texturés. Ainsi, trois modes de mesure sont réalisés dans ce nouveau système : deux modes de stéréovision active (avec inversion des voies de capture et de projection) et un mode de stéréovision passive. Pour réaliser la reconstruction tridimensionnelle, deux méthodes actives (par décalage de phase et par transformation de Fourier) et une méthode passive sont étudiées. Différentes performances de mesure sont obtenues selon les méthodes sélectionnées : un résultat de mesure plus précis est obtenu par les méthodes à. décalage de phase, une vitesse de mesure plus élevée est obtenu par les méthodes à transformée de Fourier ou par les méthodes passives. Le développement instrumental est également décrit dans cette thèse. Après modélisation optique et conception mécanique du système de mesure, un prototype de l'instrument endoscopique est fabriqué avec divers équipements spécifiques, tels qu'un DMD (Digital Micromirror Device), des guides d'images et des actionneurs électromagnétiques bistables. La validation expérimentale de la mesure tridimensionnelle est réalisée essentiellement sur objets mécaniques (du type mesure de détails sur pièce de monnaie), les deux méthodes actives et la méthode passives sont ainsi testées et confrontées. Enfin, une mesure sur un colon artificiel est réalisée par ce système pour se placer dans un contexte applicatif médical
The techniques of three dimensional shapes reconstruction are widely used in many fields, particularly in the industrial or medical field. And in these areas, non-contact measurement techniques are particularly studied, mainly because they don't damage the measured object. This work therefore falls within this context and in particular in the case of endoscopic devices of surface coordinate measuring by optical methods. ln the medical field, this type of instrument can be applied to 3D colonoscopy or minimally invasive surgery to the surface in the form of biological tissues. In this thesis, methods based on active or passive stereo vision are the principle, which will be studied and integrated into a miniaturized device. Different measurement modes will be incorporated simultaneously into a single miniaturized instrument to help increase measurement performance: the instrument can adjust its measurement principle to the texture of the object or also to the orientation of measured surfaces more generally to the context of the measurement. This thesis is based on an algorithmic study and instrumental integration of these different measurement modes into a single miniaturized endoscopic instrument. The study of the measurement modes stereovision was conducted in three phases. First, it is the influence of the orientation of the measured objects' surface in a case of active stereovision being analyzed. And a technique of switching between the projection and acquisition in an active stereovision system by bistable actuation is proposed, which allows to adapt the measurement to the orientation of the measured surfaces. Finally, the study is oriented towards the ability to switch from one active stereovision mode to one passive stereovision mode, always by bistable actuator operation, the passive stereovision mode is particularly suitable for highly textured objects. Thus, three measurement modes are made in the new system: two modes of active stereovision (reversing capture and projection channels) and a mode of passive stereovision. To achieve three-dimensional reconstruction, two active methods (phase shift and Fourier Transform) and a passive method are studied. Different performance measurements are obtained according to methods selected: a more accurate measuring result is obtained by the phase shift methods; a high measurement speed is obtained by the Fourier transform methods or by passive methods. The instrumental development is also described in this thesis. After optical modeling and mechanical design of the measuring system, a prototype of the endoscopic instrument is manufactured with various specific devices such as a DMD (Digital Micromirror Deviee),images guides and bistable electromagnetic actuators. The experimental validation of the three-dimensional measurement is performed mainly on mechanical objects (such as details measurement on a coin), both active and passive method methods are well tested and compared. Finally, an artificial colon is measured by this system to be placed in a medical application context

The work of this Thesis is focused on image guided focal therapy of prostate cancer by High Intensity Focused Ultrasound (HIFU). Currently MRI is the only imaging technique that can locate the tumor in prostate. In contrast, the tumor is not visible in the ultrasound image which is used to guide the HIFU planning and therapy. The aim of the Thesis is to provide registration techniques of T2 MRI to ultrasound. Two approaches were explored: 1) Region-based registration. More particularly, we studied an ultrasound texture descriptors based on moments invariant to rotation and scaling. These descriptors are sensitive to speckle distribution regardless of the scale or the orientation. As we expected, some of these descriptors can be used to characterize regions sharing a similar speckle spatial distribution. But, we also found that some other descriptors were sensitive to the contours of these regions. This property seems very useful to adapt the classical boundary-based or mixed region/boundary-based segmentation methods (active contours, graph cut, etc.) to process US images. 2) Surface-based registration approach.. We adapted the Optimal Definition Surface (OSD) method to the segmentation of the prostate in T2 MRI, Furthermore, we proposed the multiple-objects OSD which is a concurrent segmentation of the prostate, bladder and rectum. Finally we used the prostate surface extracted from the ultrasound volume and from T2 MRI in a surface-to-surface elastic registration scheme. This registration allowed us to merge the preoperative MR information in the peroperative US volume.

Depuis le début des années soixante-dix, le nombre de scanners par hôpitaux n’a fait qu’augmenter et leur utilisation est de plus en plus fréquente. Même si cette technique permet de donner des informations cliniques précieuses, elle a un revers qui est l’exposition du patient à des rayonnements ionisants. La sensibilité des enfants aux rayonnements est plus grande que celle des adultes, les enfants ont une espérance de vie importante et ont donc plus de risques de développer des cancers dans le futur. Il y a donc nécessité de tenter de réduire la dose au patient. Cette thèse vise donc à développer des stratégies d’optimisation sur les protocoles cliniques en utilisant des méthodes de simulation et de modélisation permettant de comprendre l’influence des paramètres des protocoles sur les indicateurs de qualité d’image et sur la dose délivrée au patient. Ce travail se divise en quatre parties: La première partie porte sur la modélisation de l’influence des paramètres des protocoles scanographiques sur deux indicateurs de qualité d’image et un indicateur de dose en utilisant la méthodologie des plans d’expériences. La seconde partie traite du développement d’un Protocole Générique Optimisé (PGO) pour la région de l’abdomen. A partir des données des modèles développés, un PGO recalculé pour cinq morphologies de patients pédiatriques et pour quatre modèles de scanners a été réalisé. L’ensemble des résultats, ont permis le développement d’un outil d’aide à l’optimisation permettant à l’utilisateur de générer un protocole optimisé en fonction du modèle de scanner et de la morphologie du patient
For the last 10-years, computed tomography (CT) procedures and their increased use have been a major source for concern in the scientific community. This concern has been the starting point for several studies aiming to optimize the dose while maintaining a diagnostic image quality. In addition, it is important to pay special attention to dose levels for children (age range considered to be from a newborn baby to a 16-y-old patient). Indeed, children are more sensitive to ionizing radiations, and they have a longer life expectancy. Optimizing the CT protocols is a very difficult process due to the complexity of the acquisition parameters, starting with the individual patient characteristics, taking into account the available CT device and the required diagnostic image quality. This PhD project is contributing to the advancement of knowledge by: (1) Developing a new approach that can minimize the number of testing CT scans examinations while developing a predictive mathematical model allowing radiologists to prospectively anticipate how changes in protocols will affect the image quality and the delivered dose for four models of CT scan. (2) Setting-up a Generic Optimized Protocol (based on the size of the phantom CATPAHN 600) for four models of CT scan. (3) Developing a methodology to adapt the GOP to five sizes of pediatric patient using Size Specific Dose Estimate calculation (SSDE). (4) Evaluating subjective and objective image quality between size-based optimised CT protocol and age-based CT protocols. (5) Developing a CT protocol optimization tool and a tutorial helping the radiologists in the process of optimization