Pour comprendre et diagnostiquer des pathologies telles que l'ostéoporose, qui est un problème majeur de santé publique et, est un facteur de risque important de fractures notamment la Fracture de l'Extrémité Supérieure du Fémur (FESF), il est essentiel d’aborder ces problématiques en trois dimensions (3D) pour fournir au praticien un outil de diagnostic et de dépistage du risque fracturaire. De plus, la visualisation en 3D de l'anatomie joue un rôle important dans le domaine de la chirurgie orthopédique guidée (assistée par ordinateur). En préopératoire, pour la planification chirurgicale ou la conception de prothèses sur mesure, en per opératoire, pour assister le chirurgien durant l'acte chirurgical et enfin en postopératoire pour le suivi. La reconstruction de modèles anatomiques en 3D peut être réalisée par l'utilisation de techniques d'imagerie 3D directes telles que la tomodensitométrie. Cependant, l'utilisation d'une telle imagerie est limitée à des procédures complexes en raison des contraintes imposées par le coût, la disponibilité et les risques de radiation pour le patient. Ainsi, l'alternative à ce type d'imagerie 3D est de développer des méthodes de reconstruction 3D qui s'appuient uniquement sur quelques radiographies 2D. L'objectif principal de cette thèse est de proposer une technique permettant de reconstruire de façon automatique une surface 3D du fémur proximal à partir d'un nombre restreint de radiographies. Les études précédentes sur la reconstruction de surface ont généralement besoin de connaissances supplémentaires comme l'utilisation d'un modèle générique ou statistique 3D de la forme à reconstruire. La méthode décrite dans cette thèse nécessite seulement les coordonnées 3D de points calculées à partir de quelques paires de clichés radiographiques. Deux approches sont proposées. La première méthode repose sur la mise en correspondance de contours extraits de paires de radiographies et sur un modèle mathématique basé sur le principe de la stéréovision pour le calcul d'un nuage de points 3D. La deuxième technique utilise les résultats de l’approche précédente ainsi que des points extraits d’un autre fémur pour améliorer la précision au niveau de certaines régions sensibles choisies par l’opérateur. La reconstruction du modèle surfacique à partir des nuages de points obtenus par les deux techniques est obtenue par un maillage basé sur l'équation de Poisson. Un recalage 3D/3D est effectué entre le nuage de points calculé et le nuage de points extrait du modèle générique connu ("Gold Standard" obtenu avec des coupes CT-Scan) du même fémur proximal afin de pouvoir comparer la surface reconstruite à un modèle "vérité terrain" et ainsi estimer la précision de la méthode. / To understand and diagnose pathologies such as osteoporosis, which is considered as a major public health issue and, an important risk factor of fractures in particular the proximal femur fracture. The classical tools of diagnosis are mainly based on the analysis of X-rays photographs. These techniques have shown many limitations to carry out the key information for the physician. Through the last decade the 3D visualization of anatomy demonstrated the effectiveness for analysis and diagnosis, particularly for the guided orthopedic surgery (computer aided). In preoperative, for the surgical planning or the design of prostheses, in per operative, to assist the surgeon during the surgical act and finally in postoperative for the monitoring. It is also essential to provide the practitioner with a 3D tool for the diagnosis and analysis of the osteoporosis and the fracture risk. Reconstruction of 3D anatomical models can be achieved by the use of direct 3D imaging modalities such as Computed Tomography. However, such technique is limited to complex procedures because of the constraints imposed by cost, availability and risk of radiation to the patient. Thus, the alternative to this kind of 3D imaging is to develop methods for 3D reconstruction which are based only on few 2D radiographs. The main objective of this work is to propose a tool able to reconstruct automatically a 3D surface of the proximal femur from a limited number of X-ray images. Previous studies on the reconstruction of surfaces usually need additional knowledge such as the use of a 3D generic or statistical model of the shape to be reconstructed. The method described in this thesis requires only the 3D coordinates of points calculated from a few pairs of radiographs. Two approaches are proposed. The first method is based on the matching of extracted contours from pairs of radiographs and on a mathematical model based on the principle of the stereovision for the calculation of a 3D point cloud. The second technique uses the results of the previous method as well as new points, chosen by an operator from another proximal femur to improve accuracy at sensitive areas. The reconstruction of the surface model from this cloud of points is obtained by a meshing based on the Poisson's equation. A 3D/3D registration is made between the cloud of the calculated points and the cloud of the extracted points from the generic model ("Gold Standard" obtained with CT-Scan) of the same proximal femur in order to compare the reconstructed surface with a model "ground truth" and thus estimate the accuracy of the method.

Recently, sensors such as radars and cameras have been widely used in automotives, especially in Advanced Driver-Assistance Systems (ADAS), to collect information about the vehicle's surroundings. Stereo cameras are very popular as they could be used passively to construct a 3D representation of the scene in front of the car. This allowed the development of several ADAS algorithms that need 3D information to perform their tasks. One interesting application is Road Surface Preview (RSP) where the task is to estimate the road height along the future path of the vehicle. An active suspension control unit can then use this information to regulate the suspension, improving driving comfort, extending the durabilitiy of the vehicle and warning the driver about potential risks on the road surface. Stereo cameras have been successfully used in RSP and have demonstrated very good performance. However, the main disadvantages of stereo cameras are their high production cost and high power consumption. This limits installing several ADAS features in economy-class vehicles. A less expensive alternative are monocular cameras which have a significantly lower cost and power consumption. Therefore, this thesis investigates the possibility of solving the Road Surface Preview task using a monocular camera. We try two different approaches: structure-from-motion and Convolutional Neural Networks.The proposed methods are evaluated against the stereo-based system. Experiments show that both structure-from-motion and CNNs have a good potential for solving the problem, but they are not yet reliable enough to be a complete solution to the RSP task and be used in an active suspension control unit.

L’objectif de cette thèse CIFRE est d’étudier et de tirer parti des derniers appareils mobiles du marché pour générer des 3D des pièces observées. De nous jours, ces appareils intègrent un grand nombre de capteurs, tel que des capteurs inertiels, des cameras RGB, et depuis peu, des capteurs de profondeur. Sans compter la présence de l’écran tactile qui offre une interface pour interagir avec l’utilisateur. Un cas d’usage typique de ces modèles 3D est la génération de plans d’intérieur, ou de fichiers CAO 3D (conception assistée par ordinateur) appliques a l’industrie du bâtiment. Le modèle permet d’esquisser les travaux de rénovation d’un appartement, ou d’évaluer la fidélité d’un chantier en cours avec le modèle initial. Pour le secteur de l’immobilier, la génération automatique de plans et modèles 3D peut faciliter le calcul de la surface habitable et permet de proposer des visites virtuelles a d’éventuels acquéreurs. Concernant le grand public, ces modèles 3D peuvent être intégrés a des jeux en réalité mixte afin d’offrir une expérience encore plus immersive, ou pour des applications de réalité augmentée, telles que la décoration d’intérieur. La thèse a trois contributions principales. Nous commençons par montrer comment le problème classique de détection des points de fuite dans une image, peut être revisite pour tirer parti de l’utilisation de données inertielles. Nous proposons un algorithme simple et efficace de détection de points de fuite reposant sur l’utilisation du vecteur gravite obtenu via ces données. Un nouveau jeu de données contenant des photos avec des données inertielles est présenté pour l’évaluation d’algorithmes d’estimation de points de fuite et encourager les travaux ultérieurs dans cette direction. Dans une deuxième contribution, nous explorons les approches d’odométrie visuelle de l’état de l’art qui exploitent des capteurs de profondeur. Localiser l’appareil mobile en temps réel est fondamental pour envisager des applications reposant sur la réalité augmentée. Nous proposons une comparaison d’algorithmes existants développés en grande partie pour ordinateur de bureau, afin d’étudier si leur utilisation sur un appareil mobile est envisageable. Pour chaque approche considérée, nous évaluons la précision de la localisation et les performances en temps de calcul sur mobile. Enfin, nous présentons une preuve de concept d’application permettant de générer le plan d’une pièce, en utilisant une tablette du projet Tango, équipée d’un capteur RGB-D. Notre algorithme effectue un traitement incrémental des données 3D acquises au cours de l’observation de la pièce considérée. Nous montrons comment notre approche utilise les indications de l’utilisateur pour corriger pendant la capture le modèle de la pièce. / Room layout generation is the problem of generating a drawing or a digital model of an existing room from a set of measurements such as laser data or images. The generation of floor plans can find application in the building industry to assess the quality and the correctness of an ongoing construction w.r.t. the initial model, or to quickly sketch the renovation of an apartment. Real estate industry can rely on automatic generation of floor plans to ease the process of checking the livable surface and to propose virtual visits to prospective customers. As for the general public, the room layout can be integrated into mixed reality games to provide a better immersiveness experience, or used in other related augmented reality applications such room redecoration. The goal of this industrial thesis (CIFRE) is to investigate and take advantage of the state-of-the art mobile devices in order to automate the process of generating room layouts. Nowadays, modern mobile devices usually come a wide range of sensors, such as inertial motion unit (IMU), RGB cameras and, more recently, depth cameras. Moreover, tactile touchscreens offer a natural and simple way to interact with the user, thus favoring the development of interactive applications, in which the user can be part of the processing loop. This work aims at exploiting the richness of such devices to address the room layout generation problem. The thesis has three major contributions. We first show how the classic problem of detecting vanishing points in an image can benefit from an a-priori given by the IMU sensor. We propose a simple and effective algorithm for detecting vanishing points relying on the gravity vector estimated by the IMU. A new public dataset containing images and the relevant IMU data is introduced to help assessing vanishing point algorithms and foster further studies in the field. As a second contribution, we explored the state of-the-art of real-time localization and map optimization algorithms for RGB-D sensors. Real-time localization is a fundamental task to enable augmented reality applications, and thus it is a critical component when designing interactive applications. We propose an evaluation of existing algorithms for the common desktop set-up in order to be employed on a mobile device. For each considered method, we assess the accuracy of the localization as well as the computational performances when ported on a mobile device. Finally, we present a proof of concept of application able to generate the room layout relying on a Project Tango tablet equipped with an RGB-D sensor. In particular, we propose an algorithm that incrementally processes and fuses the 3D data provided by the sensor in order to obtain the layout of the room. We show how our algorithm can rely on the user interactions in order to correct the generated 3D model during the acquisition process.

La reconstruction précise d’une scène 3D à partir de plusieurs caméras offre un contenu synthétique 3D à destination de nombreuses applications telles que le divertissement, la télévision et la production cinématographique. Cette thèse propose une nouvelle approche pour la reconstruction 3D multi-vues basée sur l’enveloppe visuelle et la stéréovision multi-oculaire. Cette approche nécessite en entrée l’enveloppe visuelle et plusieurs jeux d’images rectifiées issues de différentes unités multiscopiques constituées chacune de plusieurs caméras alignées et équidistantes. Nos contributions se situent à différents niveaux. Le premier est notre méthode de stéréovision multi-oculaire qui est fondée sur un nouvel échantillonnage de l’espace scénique et fournit une carte de matérialité exprimant la probabilité pour chaque point d’échantillonnage 3D d’appartenir à la surface visible par l’unité multiscopique. Le second est l’hybridation de cette méthode avec les informations issues de l’enveloppe visuelle et le troisième est la chaîne de reconstruction basée sur la fusion des différentes enveloppes creusées tout en gérant les informations contradictoires qui peuvent exister. Les résultats confirment : i) l’efficacité de l’utilisation de la carte de matérialité pour traiter les problèmes qui se produisent souvent dans la stéréovision, en particulier pour les régions partiellementoccultées ; ii) l’avantage de la fusion des méthodes de l’enveloppe visuelle et de la stéréovision multi-oculaire pour générer un modèle 3D précis de la scène. / Accurate reconstruction of a 3D scene from multiple cameras offers 3D synthetic content tobe used in many applications such as entertainment, TV, and cinema production. This thesisis placed in the context of the RECOVER3D collaborative project, which aims is to provideefficient and quality innovative solutions to 3D acquisition of actors. The RECOVER3Dacquisition system is composed of several tens of synchronized cameras scattered aroundthe observed scene within a chromakey studio in order to build the visual hull, with severalgroups laid as multiscopic units dedicated to multi-baseline stereovision. A multiscopic unitis defined as a set of aligned and evenly distributed cameras. This thesis proposes a novelframework for multi-view 3D reconstruction relying on both multi-baseline stereovision andvisual hull. This method’s inputs are a visual hull and several sets of multi-baseline views.For each such view set, a multi-baseline stereovision method yields a surface which is usedto carve the visual hull. Carved visual hulls from different view sets are then fused iterativelyto deliver the intended 3D model. Furthermore, we propose a framework for multi-baselinestereo-vision which provides upon the Disparity Space (DS), a materiality map expressingthe probability for 3D sample points to lie on a visible surface. The results confirm i) theefficient of using the materiality map to deal with commonly occurring problems in multibaselinestereovision in particular for semi or partially occluded regions, ii) the benefit ofmerging visual hull and multi-baseline stereovision methods to produce 3D objects modelswith high precision.

Myocardial scar, a non-viable tissue which occurs on the myocardium due to the insufficient blood supply to the heart muscle, is one of the leading causes of life-threatening heart disorders, including arrhythmias. Analysis of myocardial scar is important for predicting the risk of arrhythmia and locations of re-entrant circuits in patients’ hearts. For applications, such as computational modeling of cardiac electrophysiology aimed at stratifying patient risk for post-infarction arrhythmias, reconstruction of the intact geometry of scar is required. Currently, 2D multi-slice late gadolinium-enhanced magnetic resonance imaging (LGEMRI) is widely used to detect and quantify myocardial scar regions of the heart. However, due to the anisotropic spatial dimensions in 2D LGE-MR images, creating scar geometry from these images results in substantial reconstruction errors. For applications requiring reconstructing the intact geometry of scar surfaces, 3D LGE-MR images are more suited as they are isotropic in voxel dimensions and have a higher resolution. While many techniques have been reported for segmentation of scar using 2D LGEMR images, the equivalent studies for 3D LGE-MRI are limited. Most of these 2D and 3D techniques are basic intensity threshold-based methods. However, due to the lack of optimum threshold (Th) value, these intensity threshold-based methods are not robust in dealing with complex scar segmentation problems. In this study, we propose an algorithm for segmentation of myocardial scar from 3D LGE-MR images based on Markov random field based continuous max-flow (CMF) method. We utilize the segmented myocardium as the region of interest for our algorithm. We evaluated our CMF method for accuracy by comparing its results to manual delineations using 3D LGE-MR images of 34 patients. We also compared the results of the CMF technique to ones by conventional full-width-at-half-maximum (FWHM) and signal-threshold-to-reference-mean (STRM) methods. The CMF method yields a Dice similarity coefficient (DSC) of 71 +- 8.7% and an absolute volume error (|VE|) of 7.56 +- 7 cm3. Overall, the CMF method outperformed the conventional methods for almost all reported metrics in scar segmentation. We present a comparison study for scar geometries obtained from 2D vs 3D LGE-MRI. As the myocardial scar geometry greatly influences the sensitivity of risk prediction in patients, we compare and understand the differences in reconstructed geometry of scar generated using 2D versus 3D LGE-MR images beside providing a scar segmentation study. We use a retrospectively acquired dataset of 24 patients with a myocardial scar who underwent both 2D and 3D LGE-MR imaging. We use manually segmented scar volumes from 2D and 3D LGE-MRI. We then reconstruct the 2D scar segmentation boundaries to 3D surfaces using a LogOdds-based interpolation method. We use numerous metrics to quantify and analyze the scar geometry including fractal dimensions, the number-of-connected-components, and mean volume difference. The higher 3D fractal dimension results indicate that the 3D LGE-MRI produces a more complex surface geometry by better capturing the sparse nature of the scar. Finally, 3D LGE-MRI produces a larger scar surface volume (27.49 +- 20.38 cm3) than 2D-reconstructed LGE-MRI (25.07 +- 16.54 cm3).

La microscopie à force atomique (AFM) est un outil de caractérisation d’échantillons tant organiques qu’inorganiques d’intérêt en physique, en biologie et en métallurgie. Le champ d’investigation de la microscopie AFM reste néanmoins restreint à l’étude des propriétés surfaciques des échantillons et la caractérisation sub-surfacique à l’échelle nanométrique n’est pas envisageable au-delà de la nano-indentation. Lors de ce travail, nous nous sommes intéressés à deux techniques de sonde locale complémentaires pour l’investigation volumique haute résolution.La première technique proposée est la microscopie de champ proche ultrasonore (MS-AFM), mise en place et exploitée en collaboration avec Dr. L. Tétard de l’Université Centrale de Floride. Cette technique fournie des informations localisées en profondeur en utilisant des ondes acoustiques dans la gamme de fréquences du MHz. Une étude complète de l’influence des paramètres de fréquences a été réalisée sur des échantillons de calibration et a permis de valider un modèle d’interprétation numérique. Cette technique ultrasonore, non invasive, a été appliquée à la caractérisation de vésicules lipidiques au sein de bactéries lors d’une collaboration avec les Pr. A. Dazzi et M.-J. Virolle, de l’Université Paris Sud Orsay. Un couplage a été réalisé avec la microscopie AFM infra-rouge (AFM-IR). Cette étude a démontré le potentiel d’investigation et d’analyse volumique et chimique d’échantillons biologiques.La seconde technique étudiée est la microscopie micro-onde (SMM), développée en collaboration avec la société Keysight. Cette technique, tout comme la microscopie acoustique, est non invasive et conduit à une caractérisation physico-chimique basée sur l’interaction de micro-ondes (0.2-16 GHz) avec la matière. Dans le cas de métaux, un lien entre la fréquence et la profondeur d’investigation a été mis en évidence. Cette technique a été appliquée à l’étude de la diffusion d’élément chimique léger au sein de métaux et à la mesure des propriétés mécaniques des matériaux. L’ensemble de ces résultats ouvre un nouveau champ d’investigation de la tomographie 3D dans l’analyse volumique à l’échelle nanométrique que ce soit dans le domaine de la biologie ou de la métallurgie. / The atomic force microscope (AFM) is a powerful tool for the characterization of organic and inorganic materials of interest in physics, biology and metallurgy. However, conventional scanning probe microscopy techniques are limited to the probing surface properties, while the subsurface analysis remains difficult beyond nanoindentation methods. Thus, the present thesis is focused on two novel complementary scanning probe techniques for high-resolution volumetric investigation that were develop to tackle this persisting challenge in nanometrology. The first technique considered, called Mode Synthesizing Atomic Force Microscopy (MSAFM), has been exploited in collaboration with Dr. Laurene Tetard of University of Central Florida to explore the volume of materials with high spatial resolution by means of mechanical actuation of the tip and the sample with acoustic waves of frequencies in the MHz range. A comprehensive study of the impact of the frequency parameters on the performance of subsurface imaging has been conducted through the use of calibrated samples and led to the validation of a numerical model for quantitative interpretation. Furthermore, this non-invasive technique has been utilized to locate lipid vesicles inside bacteria (in collaboration with Pr. A. Dazzi and M.-J. Virolle of Université Paris Sud, Orsay). Furthermore, we have combined this ultrasonic approach with infra-red microscopy, to add chemical speciation aimed at identifying the subsurface features, which represents a great advance for volume and chemical characterization of biological samples. The second technique considered is the Scanning Microwave Microscopy, which was developed in collaboration with Keysight society. Similar to acoustic-based microscopy, this non-invasive technique provided physical and chemical characterizations based on the interaction of micro-waves radiations with the matter (with frequency ranging from 0.2 and 16 GHz). Particularly, for metallic samples we performed volumetric characterization based on the skin effect of the materials. On the other hand, we have used this technique to analyze the diffusion of light chemical elements in metals and measured the effect of changes in mechanical properties of materials on their conductivity.Overall, these results constitute a new line of research involving non-destructive subsurface high resolution analysis by means of the AFM of great potential for several fields of research.

The thesis work evaluates a method to estimate the volume of stone and gravelpiles using only a cellphone to collect video and sensor data from the gyroscopesand accelerometers. The project is commissioned by Escenda Engineering withthe motivation to replace more complex and resource demanding systems with acheaper and easy to use handheld device. The implementation features popularcomputer vision methods such as KLT-tracking, Structure-from-Motion, SpaceCarving together with some Sensor Fusion. The results imply that it is possible toestimate volumes up to a certain accuracy which is limited by the sensor qualityand with a bias. / I rapporten framgår hur volymen av storskaliga objekt, nämligen grus-och stenhögar,kan bestämmas i utomhusmiljö med hjälp av en mobiltelefons kamerasamt interna sensorer som gyroskop och accelerometer. Projektet är beställt avEscenda Engineering med motivering att ersätta mer komplexa och resurskrävandesystem med ett enkelt handhållet instrument. Implementationen använderbland annat de vanligt förekommande datorseendemetoderna Kanade-Lucas-Tommasi-punktspårning, Struktur-från-rörelse och 3D-karvning tillsammans medenklare sensorfusion. I rapporten framgår att volymestimering är möjligt mennoggrannheten begränsas av sensorkvalitet och en bias.

L'environnement sous-marin compliqué et la pauvre vision sous-marine font le robot câblé sous-marin super-mini-à peine pour être contrôlés. Traditionnellement, la méthode de contrôle manuelle par les opérateurs est adoptée par cette sorte de robots. Malheureusement, les robots peuvent à peine travailler normalement dans ces circonstances pratiques. Donc, pour surmonter ces manques et améliorer les capacités de ces robots câblés sous-marins, ce papier propose plusieurs améliorations, en incluant le design de système, le design de contrôleur de mouvement, la reconnaissance d'obstacle en trois dimensions et les technologies de reconstruction de sentier en trois dimensions etc. (1) Super-mini sous-marins de conception système de robot: plusieurs programmes d'amélioration et d'idées de conception importants sont étudiés pour la super-mini robot sous-marin (2) La conception du contrôleur de mouvement du robot sous-marin dans des circonstances compliquées est étudiée. Un nouveau réseau de neurones adaptatif coulissantes contrôleur de mode avec le contrôleur paramètre équilibrée est proposé. Basé sur la théorie de la gestion adaptative floue contrôleur de mode coulissant , un algorithme amélioré est également proposé et appliqué à l'robot sous-marin. (3) Recherche de reconstructions d'environnement sous-marines en trois dimensions : les algorithmes et les expériences de reconstructions d'environnement sous-marines sont enquêtés. L'algorithme de traitement d'image de DT-MRI et la théorie de reconstructions d'obstacle en trois dimensions sont adoptés et améliorés pour l'application du robot sous-marin. / The complicated underwater environment and the poor underwater vision make super-mini underwater cable robot hardly to be controlled. Traditionally, the manual control method by operators is adopted by this kind of robots. Unfortunately, the robots can hardly work normally in these practical circumstances. Therefore, to overcome these shortcomings and improve the abilities of these underwater cable robots, this paper proposes several improvements, including the system design, the motion controller design, three dimensional obstacle recognition and three dimensional path reconstruction technologies etc. The details are displayed as follow: (1) Super-mini underwater robot system design: several improvement schemes and important design ideas are investigated for the super-mini underwater robot.(2) Super-mini robot motion controller design: The motion controller design of underwater robot in complicated circumstance is investigated. A new adaptive neural network sliding mode controller with balanced parameter controller (ANNSMB) is proposed. Based on the theory of adaptive fuzzy sliding mode controller (AFSMC), an improved algorithm is also proposed and applied to the underwater robot. (3)Research of three dimensional underwater environment reconstructions: The algorithms and the experiments of underwater environment reconstructions are investigated. DT-MRI image processing algorithm and the theory of three dimensional obstacle reconstructions are adopted and improved for the application of the underwater robot. (4) The super-mini underwater robot path planning algorithms are investigated.

DL’objectif de cette thèse est le développement de techniques adaptées à l’application de la théorie de l’acquisition compressée en imagerie ultrasonore 3D et Doppler. En imagerie ultrasonore 3D une des principales difficultés concerne le temps d’acquisition très long lié au nombre de lignes RF à acquérir pour couvrir l’ensemble du volume. Afin d’augmenter la cadence d’imagerie une solution possible consiste à choisir aléatoirement des lignes RF qui ne seront pas acquises. La reconstruction des données manquantes est une application typique de l’acquisition compressée. Une autre application d’intérêt correspond aux acquisitions Doppler duplex où des stratégies d’entrelacement des acquisitions sont nécessaires et conduisent donc à une réduction de la quantité de données disponibles. Dans ce contexte, nous avons réalisé de nouveaux développements permettant l’application de l’acquisition compressée à ces deux modalités d’acquisition ultrasonore. Dans un premier temps, nous avons proposé d’utiliser des dictionnaires redondants construits à partir des signaux d’intérêt pour la reconstruction d’images 3D ultrasonores. Une attention particulière a aussi été apportée à la configuration du système d’acquisition et nous avons choisi de nous concentrer sur un échantillonnage des lignes RF entières, réalisable en pratique de façon relativement simple. Cette méthode est validée sur données 3D simulées et expérimentales. Dans un deuxième temps, nous proposons une méthode qui permet d’alterner de manière aléatoire les émissions Doppler et les émissions destinées à l’imagerie mode-B. La technique est basée sur une approche bayésienne qui exploite la corrélation et la parcimonie des blocs du signal. L’algorithme est validé sur des données Doppler simulées et expérimentales. / This thesis is dedicated to the application of the novel compressed sensing theory to the acquisition and reconstruction of 3D US images and Doppler signals. In 3D US imaging, one of the major difficulties concerns the number of RF lines that has to be acquired to cover the complete volume. The acquisition of each line takes an incompressible time due to the finite velocity of the ultrasound wave. One possible solution for increasing the frame rate consists in reducing the acquisition time by skipping some RF lines. The reconstruction of the missing information in post processing is then a typical application of compressed sensing. Another excellent candidate for this theory is the Doppler duplex imaging that implies alternating two modes of emission, one for B-mode imaging and the other for flow estimation. Regarding 3D imaging, we propose a compressed sensing framework using learned overcomplete dictionaries. Such dictionaries allow for much sparser representations of the signals since they are optimized for a particular class of images such as US images.We also focus on the measurement sensing setup and propose a line-wise sampling of entire RF lines which allows to decrease the amount of data and is feasible in a relatively simple setting of the 3D US equipment. The algorithm was validated on 3D simulated and experimental data. For the Doppler application, we proposed a CS based framework for randomly interleaving Doppler and US emissions. The proposed method reconstructs the Doppler signal using a block sparse Bayesian learning algorithm that exploits the correlation structure within a signal and has the ability of recovering partially sparse signals as long as they are correlated. This method is validated on simulated and experimental Doppler data.

Le développement de plusieurs méthodes de reconstruction quantitatives dédiées à la Tomographie par Emission Mono Photonique du petit animal a été au cœur de cette thèse. Dans cette optique, une modélisation rigoureuse par simulation Monte Carlo du processus d’acquisition du système disponible, a été mise en place et validée. La modélisation matricielle combinée à l’algorithme de reconstruction itératif OS-EM, a permis la caractérisation des performances du système. Les valeurs de sensibilité et de résolution spatiale tomographique sont respectivement de 0,027% au centre du champ de vue et de 0,87 mm. Les limitations majeures des méthodes Monte Carlo nous ont conduit à développer une génération matricielle efficace et simplifiée des effets physiques occurrents dans le sujet. Mon approche, basée sur une décomposition de la matrice système, associée à une base de données pré-calculées, a démontré un temps acceptable pour un suivi quotidien (1h), conduisant à une reconstruction d’images personnalisée. Les approximations inhérentes à l’approche mise en place ont un impact modéré sur les valeurs des coefficients de recouvrement, une correction d’environ 10% ayant été obtenue. / My thesis focuses on the development of several quantitative reconstruction methods dedicated to small animal Single Photon Emission Computed Tomography. The latter is based on modeling the acquisition process of a 4-heads pinhole SPECT system using Monte Carlo simulations.The system matrix approach, combined with the OS-EM iterative reconstruction algorithm, enabled to characterize the system performances and to compare it to the state of the art. Sensitivity of about 0,027% in the center of the field of view combined with a tomographic spatial resolution of 0,87 mm were obtained.The major drawbacks of Monte Carlo methods led us to develop an efficient and simplified modeling of the physical effects occurring in the subject. My approach based on a system matrix decomposition, associated to a scatter pre-calculated database method, demonstrated an acceptable time for a daily imaging subject follow-up (1h), leading to a personalized imaging approach. The inherent approximations of the scatter pre-calculated approach have a moderate impact on the recovery coefficients results, nevertheless a correction of about 10% was achieved.