Le sujet de la thèse est l'analyse de la variabilité de forme d'un ensemble de signaux avec comme principales applications le traitement des signaux électrophysiologiques mesurés sur la chaîne auditive et le cœur. Cette variabilité de forme des signaux est souvent présente dans les signaux issus de processus naturels et elle est porteuse d'information. Pour accéder à cette information, il est nécessaire de formaliser le concept d'écart de forme et de proposer des outils statistiques spécifiques. Certaines méthodes, issues de la communauté statistique, ont été récemment proposées pour analyser la variabilité présente dans un ensemble de signaux. Ces méthodes travaillent dans un cadre fonctionnel en considérant les données comme des observations de fonctions. Elles cherchent à éliminer la variabilité temporelle dans le but d'accéder à une variabilité d'amplitude par divers algorithmes dit de « recalage de courbes ». Dans cette thèse nous proposons de nouvelles méthodes d'analyse de forme qui utilisent aussi un réalignement temporel (ang : time warping) mais dont le sens diffère des approches de recalage de courbes. De plus, ces méthodes proposent une moyenne de forme et distance de forme permettant la mesure de la variabilité de forme. Au chapitre 1, nous présentons toutes ces méthodes et les comparons afin d'aider l'utilisateur à bien choisir suivant l'application dédiée. <br /><br />Au chapitre 2, nous nous intéressons à la caractérisation objective de l'acouphène, une sensation sonore fantôme. En effet, un problème majeur est l'absence de critère objectif pour le caractériser. Pour cela nous étudions l'activité spontanée composite (ASC) issue du nerf auditif et les potentiels évoqués (PE) issus de relais auditifs en présence de salicylate, un générateur d'acouphènes, chez le cochon d'Inde. La première partie du travail consiste en la présentation d'un modèle de génération de l'ASC. Ce modèle nous sert à tester en simulation des scénarios possibles d'altérations neurosensorielles en présence de salicylate. En complément de l'index spectral décrit dans la littérature, nous proposons d'employer un critère de similarité sur la distribution d'amplitude de l'ASC pour mesurer ces altérations. La seconde partie du chapitre consiste à étudier la variabilité temporelle des PE sur plusieurs relais auditifs en présence de salicylate. <br /><br />Au chapitre 3, nous montrons des applications de détection de pathologies à partir de l'analyse de forme d'une composante spécifique de l'ECG, l'onde P. Les pathologies concernées sont la fibrillation auriculaire et l'apnée du sommeil.

Cette thèse présente une méthodologie appliquée à la caractérisation de la dynamique de structures déformables sur des séquences temporelles (2D+t). Des indicateurs sont proposés pour estimer la mobilité de formes non-rigides, à partir de leurs contours. Deux approches complémentaires sont développées: En premier lieu, les descripteurs de forme sont utilisés pour quantifier les déformations globales des formes, et pour estimer des repères géométriques spécifiques. La deuxième approche repose sur l'appariement difféomorphique pour déterminer une paramétrisation unifiée des formes, afin de décrire les déformations. Une évaluation permet d'apprécier la qualité des indicateurs en termes de coût algorithmique, de robustesse face aux données altérées, et de capacité à différencier deux séquences.Cette approche de caractérisation est appliquée à des séquences IRM dynamiques de la cavité pelvienne, où les principaux organes pelviens (vessie, utérus-vagin, rectum) ont une grande variabilité morphologique, ils se déplacent et se déforment. Cette caractérisation est validée dans le cadre de deux applications. L'analyse statistique effectuée sur un ensemble de séquences permet de mettre en évidence des comportements caractéristiques des organes, d'identifier des références anatomiquement significatives, et d'aider à l'interprétation des diagnostics des organes. Aussi, dans le contexte de la réalisation d'une modélisation de la dynamique pelvienne patiente-spécifique, la caractérisation vise à évaluer quantitativement la précision de la modélisation, en utilisant l'IRM dynamique comme vérité-terrain. Ainsi, elle apporte des indications sur la correction des paramètres du modèle. / This thesis presents a methodology for the characterization of the dynamics of deformable structures on time-series data (2D+t). Some indicators are proposed in order to estimate non-rigid shape variations from their contours. Two complementary approaches are developed : First, shape descriptors are used to quantify the global deformations of the shapes, and to estimate specific geometric references. The second approach relies on the diffeomorphic mapping to determinate a unified parametrization of the shapes. Then, features are used to describe the deformations locally. Furthermore, the methodology has an evaluation step which consists in the assessment of the quality of the indicators in the algorithmic complexity, in the stability against data with a small variability, and in the ability to differentiate two sequences.The characterization is applied to dynamic MRI sequences of the pelvic cavity, where the main pelvic organs (bladder, uterus-vagina, rectum) have a high morphological variability, they undergo displacements and deformations. The characterization is validated within the context of two applications. Firslty, a statistical analysis is carried out on a set of sequences. It allows to highlight some properties of the organ behaviors, and to identify meaningful anatomical landmarks. The analysis helps also for the automatic interpretation of the organ diagnoses. Secondly, within the context of the development of a patient-specific pelvic dynamics modeling system, the characterization aims at assessing quantitatively the modeling precision. It uses the dynamic MRI as a ground truth. Thereby, it brings some clues about the correction of the model parameters.

L’hippocampe est une structure de substance grise du lobe temporal qui joue un rôle fondamental dans les processus de mémoire ainsi que dans de nombreuses pathologies (maladie d’Alzheimer, épilepsie, dépression...).Le développement de modèles morphométriques est essentiel pour étudier l’anatomie fonctionnelle de cette structure et les altérations associées à différentes pathologies. L’objectif de cette thèse est de développer et de valider des méthodes de morphométrie de l’hippocampe dans deux contextes distincts : l’étude de la forme externe de l’hippocampe à partir d’IRM conventionnelles (1.5T ou 3T) à résolution millimétrique, l’étude de sa structure interne à partir d’IRM 7T à très haute résolution spatiale. Ces deux contextes correspondent aux deux parties principales de la thèse.Dans une première partie, nous proposons une méthode pour la classification automatique de patients à partir de descripteurs morphométriques. Cette méthode repose sur une décomposition en harmoniques sphériques qui est combinée à un classifieur de type support vectormachine (SVM). La méthode est évaluée dans le contexte de la classification automatique de patients avec une maladie d’Alzheimer (MA), de patients mild cognitive impairment (MCI) et de sujets sains âgés. Elle est également comparée à d’autres approches et une validation plus exhaustive est proposée dans une population de 509 sujets issus de la base ADNI. Nous présentons enfin une autre application de la morphométrie pour l’étude des altérations structurelles associées au syndrome de Gilles de la Tourette.La seconde partie de la thèse est consacrée à la morphométrie de la structure interne de l’hippocampe à partir d’IRM à 7 Tesla. En effet, la structure interne de l’hippocampe est riche et complexe mais inaccessible à l’IRM conventionnelle. Nous proposons tout d’abord un atlas de la structure interne de l’hippocampe à partir de données postmortem acquises à 9.4T. Ensuite, nous proposons de modéliser la corne d’Ammon et le subiculum sous la forme d’un squelette et d’une mesure locale d’épaisseur. Pour ce faire, nous introduisons une méthode variationnelle originale utilisant des espaces de Hilbert à noyaux reproduisants. La méthode est ensuite validée sur l’atlas postmortem et évaluée sur des données in vivo de sujets sains et de patients avec épilepsie acquises à 7T. / The hippocampus is a gray matter structure in the temporal lobe that plays a key role in memory processes and in many diseases (Alzheimer's disease, epilepsy, depression ...).The development of morphometric models is essential for the study of the functional anatomy and structure alterations associated with different pathologies. The objective of this thesis is to develop and validate methods for morphometry of the hippocampus in two contexts: the study of the external shape of the hippocampus from conventional MRI (1.5T or 3T) with millimeter resolution, and the study of its internal structure from 7T MRI with high spatial resolution. These two settings correspond to the two main parts of the thesis.In the first part, we propose a method for the automatic classification of patients from shape descriptors. This method is based on a spherical harmonic decomposition which is combined with a support vector machine classifier (SVM). The method is evaluated in the context of automatic classification of patients with Alzheimer's disease (AD) patients, mild cognitive impairment (MCI) patients and healthy elderly subjects. It is also compared to other approaches and a more comprehensive validation is available in a population of 509 subjects from the ADNI database. Finally, we present another application of morphometry to study structural alterations associated with the syndrome of Gilles de la Tourette.The second part of the thesis is devoted to the morphometry of the internal structure of the hippocampus from MRI at 7 Tesla. Indeed, the internal structure of the hippocampus is rich and complex but inaccessible to conventional MRI. We first propose an atlas of the internal structure of the hippocampus from postmortem data acquired at 9.4T. Then, we propose to model the Ammon’s horn and the subiculum as a skeleton and a local measure thickness. To do this, we introduce a variational method using original Hilbert spaces reproducing kernels. The method is validated on the postmortem atlas and evaluated on in vivo data from healthy subjects and patients with epilepsy acquired at 7T.

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Le noyau est généralement décrit comme un ensemble de protons et de neutrons liés dans un potentiel de champ moyen. Cependant afin d'obtenir une meilleure description, il convient de tenir compte des interactions locales dont principalement l'appariement. Les appariements neutron-neutron et proton-proton sont assez bien étudiés alors que ce n'est pas le cas de l'appariement neutron-proton. Celui-ci peut être soit isovectoriel similaire à l'appariement nn/pp, soit isoscalaire et donc dans ce cas vraiment méconnu. La surliaison des noyaux N=Z pourrait être une manifestation de l'appariement np.Nous avons effectué l'étude de l'appariement np par réactions de transfert de paires np. Dans ce cas il est attendu que la section efficace de transfert de paires np soit augmentée en présence d'un appariement np important. L'appariement np devrait être important dans les noyaux N=Z avec des orbitales de J élevé. Or, des faisceaux de ces noyaux ne sont accessibles que depuis le développement des installations de faisceaux radioactifs.Nous avons effectué notre expérience au GANIL (Caen) avec un montage permettant une détection des produits issus de la réaction de transfert (p, ³ He). Cette réaction met en jeu à la fois des paires np isovectorielles et isoscalaires. Nous avons utilisé des faisceaux de ⁵⁶ Ni et de ⁵²Fe permettant d'observer l'évolution de l'appariement np avec l'occupation de la couche 0f7/2.Tout d'abord, nous avons analysé les données issues de la réaction ⁵⁶Ni(p,d)⁵⁵Ni et extrait des résultats que nous avons comparé à ceux existants. Cette démarche a permis de valider la procédure d'analyse des données.Après analyse des données issues de la réaction ⁵⁶Ni(p,3He)⁵⁴Co, nous avons extrait les populations des états du ⁵⁴Co qui donnent des informations sur l'intensité relative des deux types d'appariement np pour le noyau ⁵⁶Ni et montrent que l'appariement np isovectoriel est dominant dans ce noyau.De plus, dans le cadre d'un développement d'un futur détecteur de particules chargées, un travail de R&D sur la discrimination des particules légères par la forme des signaux a été réalisé et est présenté. / A nucleus is described as a set of independent neutrons and protons linked by a mean-field potential. However, in order to have a better description one needs to take in account some residual interactions such as pairing. Neutron-neutron and proton-proton pairings are well-studied but neutron-proton pairing is not well-known. np pairing can be isovector pairing such as nn and pp pairing or isoscalar which is yet unknown. Overbinding of N=Z nuclei could be a manifestation of np pairing.We have studied np pairing through transfer reactions. In this case, the cross-section of np pair transfer is expected to be enhanced in the presence of important np pairing. np pairing is expected to be important in N=Z nuclei with high J orbitals. Since the development of radioactive beam facilities, such beams are only available.The experiment was performed at GANIL with an efficient set-up so as to detect products from the (p,³He) transfer reaction. This reaction is affected by isovector and isoscalar np pairing. We used ⁵⁶Ni and ⁵²Fe beams so as to see the effect of the occupancy of 0f7/2 shell on the np pairing.First, we analysed the data from the ⁵⁶Ni(p,d)⁵⁵Ni reaction and we compared the results with the literature to validate analysis procedure.After analysing data from the ⁵⁶Ni(p,3He)⁵⁴Co reaction and extracting the population of the various states of ⁵⁴Co, we obtained information about the relative intensity between isoscalar and isovector np pairing in ⁵⁶Ni showing the predominance of isovector np pairing in this nucleus .Moreover, in the framework of developing a new charged particle detector, R&D on the discrimination of light nuclei using pulse shape analysis was performed and is presented.

Le but de notre étude était de valider un indicateur de la qualité de l’environnement, parmi trois approches : des mesures morphologiques de juvéniles de poissons ; la quantification de l’asymétrie fluctuante de leurs otolithes ; l’analyse de la forme de leurs otolithes. Les résultats in aquaria sur Dicentrarchus labrax ont montré une absence d’effet de mono contaminations par des polluants classiques comme le phosphore ou le zinc, à des concentrations correspondant à celles in situ en zones fortement anthropisées. Des concentrations plus élevées de zinc ont toutefois induit une modification de la forme des otolithes en plus d’un effet négatif sur la taille et le poids. Par nos prélèvement in situ sur trois ans d’Oblada melanura, nous avons mis en évidence de manière reproductible que, comparativement à des sites préservés et des arrivées de petits cours d’eau, des ports de plaisance de taille moyenne ont un effet négatif sur la longueur standard des juvéniles et induisent une modification de la forme de leurs otolithes. De l’ensemble de nos résultats nous pouvons déduire que tailles et poids sont facilement mesurables mais présentent des variabilités dans leurs réponses. La mesure de l’asymétrie des otolithes de juvéniles ne semble pas adaptée à une utilisation en bioindication. Au contraire, l’analyse de formes des sagittae de juvéniles paraît adaptée pour suivre des modifications de l’environnement pour des poissons de deux familles différentes, Moronidés et Sparidés. Cette analyse semble un outil prometteur en bioindication, applicable pour les gestionnaires de l’environnement. / The aim of our study was to validate the most suitable environmental indicator among three approaches: morphological measurements of fish juveniles; quantification of the fluctuating asymmetry of their otoliths; analysis of their otolith shape. In aquaria, results for Dicentrarchus labrax have shown that mono-contamination by classical pollutants, such as phosphorus or zinc, has no effect for concentrations corresponding to those measured in highly anthropized environments. Nevertheless, higher zinc concentrations induce otolith shape alterations in addition to their negative impact on fish size and weight. On the basis of our three-year in situ Oblada melanura samplings, we have demonstrated that, in a replicable manner, compared to preserved areas and small waterway mouths, mid-size recreational harbours negatively impact juvenile standard length and also alter otolith shape. By comparison with in aquaria results, these alterations are consistent with a synergy of disturbance sources which taken independently do not have any impact. Taking into account all our results, we deduce that size and weight are easy to measure but show response variability. Measurement of fish juvenile otoliths' fluctuating asymmetry does not seem to be suitable for use in bioindication. Conversely, fish juvenile sagittae shape analysis is well-suited to surveys of environmental modifications, for fishes from two different families, Moronidae and Sparidae. This analysis seems to be a promising tool for bioindication, with a practical application for environmental managers.

Analyse de la forme 3D est un sujet de recherche extrêmement actif dans les deux l'infographie et vision par ordinateur. Dans la vision par ordinateur, l'acquisition de formes et de modélisation 3D sont généralement le résultat du traitement des données complexes et des méthodes d'analyse de données. Il existe de nombreuses situations concrètes où une forme visuelle est modélisé par un nuage de points observés avec une variété de capteurs 2D et 3D. Contrairement aux données graphiques, les données sensorielles ne sont pas, dans le cas général, uniformément répartie sur toute la surface des objets observés et ils sont souvent corrompus par le bruit du capteur, les valeurs aberrantes, les propriétés de surface (diffusion, spécularités, couleur, etc), l'auto occlusions, les conditions d'éclairage variables. Par ailleurs, le même objet que l'on observe par différents capteurs, à partir de points de vue légèrement différents, ou à des moments différents cas peuvent donner la répartition des points tout à fait différentes, des niveaux de bruit et, plus particulièrement, les différences topologiques, par exemple, la fusion des mains. Dans cette thèse, nous présentons une représentation de multi-échelle des formes articulés et concevoir de nouvelles méthodes d'analyse de forme, en gardant à l'esprit les défis posés par les données de forme visuelle. En particulier, nous analysons en détail le cadre de diffusion de chaleur pour représentation multi-échelle de formes 3D et proposer des solutions pour la segmentation et d'enregistrement en utilisant les méthodes spectrales graphique et divers algorithmes d'apprentissage automatique, à savoir, le modèle de mélange gaussien (GMM) et le Espérance-Maximisation (EM). Nous présentons d'abord l'arrière-plan mathématique sur la géométrie différentielle et l'isomorphisme graphique suivie par l'introduction de la représentation spectrale de formes 3D articulés. Ensuite, nous présentons une nouvelle méthode non supervisée pour la segmentation de la forme 3D par l'analyse des vecteurs propres Laplacien de graphe. Nous décrivons ensuite une solution semi-supervisé pour la segmentation de forme basée sur un nouveau paradigme d'apprendre, d'aligner et de transférer. Ensuite, nous étendre la représentation de forme 3D à une configuration multi-échelle en décrivant le noyau de la chaleur cadre. Enfin, nous présentons une méthode d'appariement dense grâce à la représentation multi-échelle de la chaleur du noyau qui peut gérer les changements topologiques dans des formes visuelles et de conclure par une discussion détaillée et l'orientation future des travaux.

Les pays industrialisés comme le Canada doivent faire face au vieillissement de leur population. En particulier, la majorité des personnes âgées, vivant à domicile et souvent seules, font face à des situations à risques telles que des chutes. Dans ce contexte, la vidéosurveillance est une solution innovante qui peut leur permettre de vivre normalement dans un environnement sécurisé. L’idée serait de placer un réseau de caméras dans l’appartement de la personne pour détecter automatiquement une chute. En cas de problème, un message pourrait être envoyé suivant l’urgence aux secours ou à la famille via une connexion internet sécurisée. Pour un système bas coût, nous avons limité le nombre de caméras à une seule par pièce ce qui nous a poussé à explorer les méthodes monoculaires de détection de chutes. Nous avons d’abord exploré le problème d’un point de vue 2D (image) en nous intéressant aux changements importants de la silhouette de la personne lors d’une chute. Les données d’activités normales d’une personne âgée ont été modélisées par un mélange de gaussiennes nous permettant de détecter tout événement anormal. Notre méthode a été validée à l’aide d’une vidéothèque de chutes simulées et d’activités normales réalistes. Cependant, une information 3D telle que la localisation de la personne par rapport à son environnement peut être très intéressante pour un système d’analyse de comportement. Bien qu’il soit préférable d’utiliser un système multi-caméras pour obtenir une information 3D, nous avons prouvé qu’avec une seule caméra calibrée, il était possible de localiser une personne dans son environnement grâce à sa tête. Concrêtement, la tête de la personne, modélisée par une ellipsoide, est suivie dans la séquence d’images à l’aide d’un filtre à particules. La précision de la localisation 3D de la tête a été évaluée avec une bibliothèque de séquence vidéos contenant les vraies localisations 3D obtenues par un système de capture de mouvement (Motion Capture). Un exemple d’application utilisant la trajectoire 3D de la tête est proposée dans le cadre de la détection de chutes. En conclusion, un système de vidéosurveillance pour la détection de chutes avec une seule caméra par pièce est parfaitement envisageable. Pour réduire au maximum les risques de fausses alarmes, une méthode hybride combinant des informations 2D et 3D pourrait être envisagée. / Developed countries like Canada have to adapt to a growing population of seniors. A majority of seniors reside in private homes and most of them live alone, which can be dangerous in case of a fall, particularly if the person cannot call for help. Video surveillance is a new and promising solution for healthcare systems to ensure the safety of elderly people at home. Concretely, a camera network would be placed in the apartment of the person in order to automatically detect a fall. When a fall is detected, a message would be sent to the emergency center or to the family through a secure Internet connection. For a low cost system, we must limit the number of cameras to only one per room, which leads us to explore monocular methods for fall detection. We first studied 2D information (images) by analyzing the shape deformation during a fall. Normal activities of an elderly person were used to train a Gaussian Mixture Model (GMM) to detect any abnormal event. Our method was tested with a realistic video data set of simulated falls and normal activities. However, 3D information like the spatial localization of a person in a room can be very useful for action recognition. Although a multi-camera system is usually preferable to acquire 3D information, we have demonstrated that, with only one calibrated camera, it is possible to localize a person in his/her environment using the person’s head. Concretely, the head, modeled by a 3D ellipsoid, was tracked in the video sequence using particle filters. The precision of the 3D head localization was evaluated with a video data set containing the real 3D head localizations obtained with a Motion Capture system. An application example using the 3D head trajectory for fall detection is also proposed. In conclusion, we have confirmed that a video surveillance system for fall detection with only one camera per room is feasible. To reduce the risk of false alarms, a hybrid method combining 2D and 3D information could be considered.

Cette thèse a pour objet la recherche d'une méthodologie de traitement du signal pour améliorer l'étude fine du signal cardiaque (électrocardiogramme ou ECG), en particulier de l'onde P (d'origine auriculaire), avec pour intérêt privilégié la mesure des variations de forme. Après le rappel des propriétés du signal cardiaque, de sa grande variabilité physiologique et pathologique, ainsi que de ses différentes techniques de recueil, une étude critique des méthodes existantes de traitement de ce signal est effectuée: réduction du bruit, filtrages spécifiques, sommation synchrone et estimation du "jitter". Un logiciel convivial et interactif de prétraitement et traitement (sommation-moyennage, comparaison de forme) de l'ECG, et de l'onde P en particulier, a été développé. Mais la partie principale de ce travail concerne une nouvelle approche de mesure des écarts de forme des signaux bidimensionnels. Cette méthode est une extension à deux dimensions de la méthode des fonctions de répartition (MFR), notée MFR-2D. La théorie de la méthode est exposée, et, en particulier, la possibilité de l'appliquer aux représentations temps-fréquence des signaux monodimensionnels est démontrée. Au travers de simulations sur des gaussiennes, sa supériorité par rapport à la MFR-1D est soulignée, que le signal soit ou non bruité. Elle s'avère aussi capable, sur des exemples de coupes histologiques, d'être employée au traitement d'images. Appliquée aux spectrogrammes des ondes ECG (P, QRS et T), elle est utilisable pour la détection précoce des actions électrophysiologiques de médicaments (Cibenzoline, Quinidine). Les résultats obtenus montrent l'efficacité de la méthode à mesurer des variations de forme en les distinguant des fluctuations de durée des ondes.

EDELWEISS est une expérience de détection directe de matière noire froide non-baryonique sous forme de particules massives et faiblement interagissantes (connues sous l'acronyme de WIMPs), qui constituent actuellement les candidats les plus populaires pour rendre compte de la masse manquante de l'Univers. Dans ce but, EDELWEISS utilise des bolomètres de germanium opérés à température cryogénique (20 mK environ) dans le Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) à la frontière franco-italienne. En particulier, depuis 2008, un nouveau type de détecteur est en fonctionnement, équipé d'électrodes concentriques pour optimiser le rejet des évènements de surface (détecteurs à grilles coplanaires). Cette thèse se décompose en plusieurs axes de recherche. Tout d'abord, nous avons réalisé des mesures concernant la collecte des charges dans les cristaux. Les lois de vitesse des porteurs (électrons et trous) ont été déterminées dans le germanium à 20 mK dans la direction <100>, et une étude complète de la répartition des charges a été menée, avec une évaluation de l'anisotropie du transport et de la diffusion transverse des porteurs. Ces résultats permettent d'avoir une meilleure compréhension du fonctionnement interne des détecteurs d'Edelweiss. Ensuite, des études portant sur l'amélioration des performances ont été effectuées. Nous avons en particulier permis d'optimiser la procédure de régénération des cristaux et améliorer le rejet passif des évènements de surface (β). Le volume utile de détection des détecteurs a été évalué en utilisant les raies de deux radio-isotopes activés cosmiquement, le 68Ge et le 65Zn. Enfin, une étude exhaustive portant sur l'étude des spectres à basse énergie a été menée, ce qui permet de mettre au point une méthode d'analyse systématique pour la recherche de WIMPs de basse masse dans EDELWEISS.