L'influence des champs électromagnétiques (CEM) sur le vivant fait actuellement l'objet d'une attention particulière, en raison du développement rapide des réseaux de communication sans fil. Parmi les différentes spécialités impliquées dans cette problématique, la dosimétrie vise à évaluer l'effet thermique induit par les CEM dans les tissus biologiques. Une approche utilisée en dosimétrie consiste à simuler numériquement la propagation des ondes électromagnétiques dans des modèles numériques du corps humain, construits à partir de segmentations d'images médicales. Il existe cependant peu de modèles de la femme enceinte à l'heure actuelle. Les modèles existants sont obtenus en fusionnant des modèles de femme non gravide et des modèles de l'unité utéro-placento-fœtale. Ces derniers présentent toutefois un réalisme et des détails anatomiques limités. L'objectif de cette thèse est d'élaborer un ensemble de modèles de l'unité utéro-placento-fœtale détaillés, couvrant l'ensemble de la grossesse. Des images acquises avec des modalités complémentaires utilisées en obstétrique sont exploitées : l'échographie tri-dimensionnelle et l'IRM, au début et à la fin de la grossesse respectivement. Des méthodes de segmentation dédiées à chacune des deux modalités ont été développées. Les données ultrasonores sont ainsi segmentées avec un modèle déformable afin de partitionner l'image en deux sous-ensembles, correspondant aux tissus maternels et fœtaux et au liquide amniotique. Ce modèle comporte un terme de fidélité aux données qui intègre une modélisation statistique des distributions des intensités dans chacun des sous-ensembles. Les données IRM, dans lesquelles de nombreux organes peuvent être distingués, sont traitées avec une approche différente, qui consiste tout d'abord à caractériser la position du fœtus, en instanciant un modèle de son squelette dans les images. Ce processus est réalisé par une exploration séquentielle de l'anatomie fœtale, au cours de laquelle plusieurs structures anatomiques sont segmentées avec des méthodes incluant des informations a priori sur leur forme et leur contraste. Un modèle générique de fœtus articulé est alors recalé sur ce squelette, pour finalement segmenter l'enveloppe fœtale avec une méthode par coupure de graphe. Des modèles de l'unité-utéro-placento-fœtal sont construits à partir de ces segmentations puis intégrés dans un modèle synthétique de femme. Un ensemble de neuf modèles a été généré, qui permet d'étudier l'influence du stade de grossesse et de la position du fœtus sur la dosimétrie.

De nos jours, les traitements mini-invasifs, tels que l'ablation par radiofréquence, sont de plus en plus utilisés car ils permettent d'éliminer localement les tumeurs à partir de l'insertion d'une aiguille. Cependant, le succès de ces procédures dépend de la précision du positionnement de l'aiguille par rapport aux structures anatomiques. Afin de garantir un placement correct, l'imagerie échographique est souvent utilisée car elle a l'avantage d'être temps-réelle, bas coût, et non-invasive. En revanche, celle modalité peut compliquer la visualisation de certaines structures en raison de sa qualité et de son champ de vue limité. En outre, la précision des interventions peut aussi être perturbée par les déplacements de tissus liés aux mouvements physiologiques du patient et à la manipulation d'instruments médicaux. Afin d'aider le chirurgien à mieux cibler certaines structures anatomiques, de nombreuses équipes de recherche ont proposé des travaux permettant d'estimer la position de régions d'intérêts dans l'imagerie échographique. Cette thèse propose plusieurs contributions permettant de suivre en temps réel des structures déformables dans des séquences d'échographie 3D. Une première contribution repose sur l'utilisation conjointe de l'information visuelle dense et d'une méthode de simulation physique. Dans cette thèse, nous avons aussi proposé un nouveau critère de similarité spécifique à l'imagerie échographique basé sur une étape de détection d'ombres. Enfin, la dernière contribution est liée à une stratégie de suivi hybride permettant d'améliorer la qualité des images. A partir de ces contributions, nous proposons une méthode de suivi robuste au bruit de type« speckle », aux ombres et aux changements d'intensité perturbant l'imagerie échographique. Les performances des différentes contributions sont évaluées à partir de données simulées et de données acquises sur maquettes et sur volontaires humains. Ces résultats montrent que notre méthode est robuste à différents artefacts de l'imagerie échographique. En outre, nous démontrons la performance de notre approche par rapport à différentes méthodes de l'état de l'art sur des bases de données publiques fournies par les challenges MICCAI CLUST'14 et CLUST'15. Dans cette thèse, nous proposons également une application permettant de combiner l'imagerie échographique à l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Cette méthode permet d'observer des structures anatomiques non-visibles dans l'imagerie échographique durant l'intervention. Elle est basée sur la combinaison d'une méthode de suivi et d'un recalage multi-modal obtenu à partir d'un système de localisation externe. Cette application a été évaluée sur un volontaire sain à partir d'une plateforme liée au centre Hospitalier Universitaire de Rennes. / Nowadays, mini-invasive treatments, such as radio-frequency ablation, are increasingly being used because they allow eliminating tumors locally from needle insertion. However, the success of these therapies depends on the accurate positioning of the needle with respect to anatomical structures. To ensure correct placement, ultrasound (US) imaging is often used since this system has the advantage to be real-time, low-cost, and non-invasive. However, during the intervention, US imaging can complicate the visualization of targeted structures due to its poor quality and its limited field of view. Furthermore, the accuracy of these interventions may also be perturbed by both physiological movements and medical tools displacements that introduce motions of anatomical structures. To help the surgeon to better target malignant tissues, many research teams have proposed different method in order to estimate the position of regions of interest in ultrasound imaging. This thesis provides several contributions that allow tracking deformable structures in 3D ultrasound sequences. We first present a method that allows providing robust estimation of target positions by combining an intensity-based approach and mechanical model simulation. In this thesis, we also propose novel ultrasound-specific similarity criterion based on prior step that aims at detecting shadows. The last contribution is related to a hybrid tracking strategy that allows improving quality of ultrasound images. From these contributions, we propose a tracking method that has the advantage to be invariant to speckle noise, shadowing and intensity changes that can occur in US imaging. The performance and limitations of the proposed contributions are evaluated through simulated data, phantom data, and real-data obtained from different volunteers. Simulation and phantom results show that our method is robust to several artefacts of US imaging such as shadows and speckle decorrelation. Furthermore, we demonstrate that our approach outperforms state-of-the-art methods on the 3D public databases provided by MICCAI CLUST'14 and CLUST'15 challenges. In this thesis, we also propose an application that combines ultrasound imaging to Magnetic Resonance lmaging (MRI). This method allows observing anatomical structures that are not visible in US imaging during the intervention. It is based on the combination between US tracking method and multi modal registration obtained from external localization system. This application was evaluated on a volunteer thanks to an MRJ imaging platform locate at the University Hospital of Rennes.

Ce travail de thèse traite de l'acquisition de données et de l'analyse d'images en échographie tridimensionnelle (3D). Les ultrasons sont une modalité d'imagerie médicale peu coûteuse, d'une innocuité quasi-totale pour le patient et qui permet de suivre le mouvement de structures anatomiques déformables en temps réel. L´échographie 3D permet de circonvenir aux inconvénients de l'échographie 2D classique et permet également d'entrevoir de nouvelles possibilités dans le domaine du diagnostic médical. Le premier axe de ce travail concerne l'acquisition des images à l'aide d'un système de type main-libre. Nous avons tout d'abord étudié la précision de systèmes de localisation magnétique et comparé ceux-ci à des méthodes basées vision. De plus, lors de l'acquisition des données, l'étape de calibration du système main-libre est primordiale. Nous proposons d'une part une méthode de calibration temporelle automatique qui n'impose aucune contrainte sur les mouvements de la sonde utilisés et d'autre part une méthode de calibration spatiale précise, robuste et automatique. Cette dernière a été évaluée à l'aide de séquences synthétiques puis réelles. Des évaluations comparatives avec différentes méthodes de calibration ont permis de dégager les intérêts et les qualités de la méthode proposée. Le second axe est consacré à l'analyse des images échographiques 3D. Nous avons proposons une méthode de recalage dédiée aux données ultrasonores. Afin de prendre en compte les particularités des images échographiques, nous avons développé une nouvelle mesure de similarité statistique reposant sur une information de texture. Nous utilisons cette mesure pour des problèmes de recalages rigides de volumes échographiques.