Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη αλγορίθμων επεξεργασίας ιατρικής εικόνας για την ενσωμάτωση τους σε ιατρικές εφαρμογές ακτινοθεραπευτικού ενδιαφέροντος. Οι αλγόριθμοι αυτοί στηρίζονται στην αρχή λειτουργίας των χαρτών αυτο-οργάνωσης Kohonen και αξιοποιούν την πληροφορία που περιέχεται σε περιοχές των εικόνων γύρω από σημεία ενδιαφέροντος, ώστε να εντοπίσουν αυτόματα, με ακρίβεια και αξιοπιστία, αντιστοιχίες μεταξύ των εικόνων. Πιο συγκεκριμένα, ένας επαναληπτικός αλγόριθμος προτείνεται για την αυτόματη εύρεση αντίστοιχων σημείων σε ιατρικές εικόνες δύο διαστάσεων. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος προϋποθέτει την εύρεση σημείων ενδιαφέροντος μόνο στη μια από τις δύο εικόνες και εντοπίζει τα αντίστοιχα σημεία στη δεύτερη εικόνα μέσα από μια επαναληπτική διαδικασία, η οποία προσομοιάζει τη φάση εκπαίδευσης του νευρωνικού δικτύου. Με βάση τα ζεύγη των αντίστοιχων σημείων, υπολογίζονται στη συνέχεια οι παράμετροι ενός μετασχηματισμού, κατάλληλου για να περιγράψει τη σχέση μεταξύ των δεδομένων εικόνων. Ο αλγόριθμος ευθυγράμμισης εφαρμόζεται σε δεδομένες εικόνες ηλεκτρονικής πυλαίας απεικόνισης (Electronic Portal Images), που λαμβάνονται πριν από κάθε συνεδρία της ακτινοθεραπείας, για τον υπολογισμό του σφάλματος τοποθέτησης του ασθενούς. Το ζήτημα της επαλήθευσης της θέσης του ασθενούς στην ακτινοθεραπεία αντιμετωπίζεται επίσης με τη βοήθεια μιας αυτόματης μεθόδου εύρεσης αντίστοιχων σημείων σε τρισδιάστατα δεδομένα, η οποία εφαρμόζεται για την ευθυγράμμιση της αξονικής τομογραφίας του σχεδιασμού της ακτινοθεραπείας και μιας αξονικής τομογραφίας επαλήθευσης, που λαμβάνεται πριν την πρώτη συνεδρία της ακτινοθεραπείας. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος εντοπίζει αντίστοιχα σημεία ενδιαφέροντος στις δεδομένες τομογραφικές εικόνες και υπολογίζει τις παραμέτρους ενός μη γραμμικού μετασχηματισμού ευθυγράμμισης. Μετά την ευθυγράμμιση των δύο τομογραφιών, υπολογίζεται η μετατόπιση του ισοκέντρου στην τομογραφία επαλήθευσης σε σχέση με τη θέση του ισοκέντρου που προβλέπεται στην αρχική τομογραφία του σχεδιασμού. Με την ενσωμάτωση αυτής της μεθόδου ευθυγράμμισης στη διαδικασία της ακτινοθεραπείας, ικανοποιούνται δύο ανάγκες της κλινικής πρακτικής. Αφενός, η μετατόπιση του ισοκέντρου, όπως υπολογίζεται από την προτεινόμενη μέθοδο, παρέχει μια αξιόπιστη ένδειξη για τη μετατόπιση του ασθενούς που απαιτείται πριν τη χορήγηση της ακτινοβολίας. Αφετέρου, επιχειρείται η καλύτερη αξιοποίηση των πόρων του τμήματος της ακτινοθεραπείας με τη διαδικασία της εύρεσης του ισοκέντρου της ακτινοθεραπείας να λαμβάνει χώρα στην αίθουσα του αξονικού τομογράφου και να μειώνεται συνεπώς ο χρόνος που απαιτείται για την προετοιμασία του ασθενούς στον γραμμικό επιταχυντή κατά την πρώτη συνεδρία της ακτινοθεραπείας. / Aim of the present thesis is the development of image processing algorithms for radiotherapy applications. These algorithms are based on the principles of Kohonen Self Organizing Maps and exploit the information contained in image regions around distinctive points of interest, in order to determine image correspondences in an automatic, accurate and robust way. In particular, an iterative algorithm is proposed for automatic detection of point correspondences in two-dimensional medical images. The proposed algorithm requires the extraction of interest points only in one image and detects the homologous points in the second image through an iterative procedure, respective to the training phase of a neural network. Subsequently, the parameters of an appropriate registration transformation are computed to describe the mapping between the two images. The computation is based on the detected point correspondence. The proposed registration algorithm is applied to Electronic Portal Images, acquired prior to the radiotherapy treatment delivery, in order to estimate the setup error of the patient. The issue of patient position verification in radiotherapy is also addressed in the present thesis by developing an algorithm for automatic detection of point correspondences in three-dimensional medical data. The algorithm is used to register the CT data of radiotherapy planning to an additional verification CT, acquired prior to the first treatment fraction. The proposed algorithm detects corresponding points in the two CT images and computes the parameters of a non-rigid registration transformation. After the registration of the two CT images, the isocenter displacement of the verification CT is calculated with respect to the ideal isocenter position, defined in the planning CT. By integrating the proposed registration procedure in the clinical practice, two needs are met. Firstly, the isocenter displacement, calculated by the proposed method, provides a reliable indication of the patient shift, needed before the treatment delivery, for optimization of the dose delivery. Secondly, an improvement of the radiotherapy department efficiency is attempted by performing the procedure of isocenter marking in the CT scanner room and, consequently, reducing the time expenditure of the patient in the LINAC during the first radiotherapy fraction.

L'objectif de ce travail était de rendre compte d'une revue complète de la littérature comparant les différentes méthodes et techniques de mesure de la pente tibiale par la radiographie conventionnelle, le scanner et l'IRM pour aider les chirurgiens orthopédistes à établir une méthode de mesure standardisée et fiable. Le travail inclut aussi deux études rétrospectives mesurant la pente tibiale en utilisant des modalités différentes. Il a été rapporté que la pente tibiale postérieure (PTS) a une influence sur la cinématique du genou notamment le ligament croisé antérieur (LCA). Une meilleure compréhension de la signification de la PTS pourrait améliorer le développement du dépistage des lésions du LCA, et les programmes de prévention, et pourrait servir de base pour des programmes de réadaptation individuels adaptés après la reconstruction du LCA. De plus, dans plusieurs interventions orthopédiques telle que l'ostéotomie tibiale haute, la pente tibiale peut modifier la mécanique du genou. Dès lors, une mesure préopératoire exacte de la pente tibiale postérieure est obligatoire. Plusieurs méthodes sont utilisées sur des radiographies conventionnelles, des scanners et l’IRM, mais jusqu'à présent il n'y a aucune méthode standard validée. La première partie de ce travail consiste en une introduction générale des structures anatomiques d'intérêt impliquées dans cette étude, à savoir l'articulation du genou, les ligaments croisés antérieurs, les ménisques et le tibia. Cette partie d'introduction inclut une description de l'anatomie brute, de la structure microscopique, de la fonction et quelques considérations cliniques. La deuxième partie du travail est consacrée à une revue systématique des modalités et techniques disponibles dans la littérature. Les informations quant aux méthodes de mesure de la pente tibiale chez des sujets normaux et avec LCA-lésé ont été extraites de toutes les études incluses de manière systématique, et ont été classifiées selon la technique de mesure et les modalités utilisées. L'axe le plus utilisé était l'axe tibial anatomique proximal (PTAA), et la méthode Midpoint est la plus fréquemment utilisée pour calculer le PTAA. Les valeurs les plus grandes de la pente tibiale médiale (MTS) et de la pente tibiale latérale (LTS) ont été obtenues en utilisant l'axe du cortex tibial antérieur, tandis que les valeurs les plus faibles ont été obtenues avec l'axe tibial diaphysaire. En comparaison directe, la plus grande valeur de la MTS pour le genou pathologique a été trouvée par les études radiologiques, tandis que les études IRM ont présenté les plus petites valeurs. Par conséquent, pour la LTS, les valeurs IRM étaient plus petites que celles des études par CT. La troisième partie du travail était une étude de cas-contrôle, en utilisant l'IRM; les LTS, MTS et pentes des ménisque interne et externe (LMS, MMS) ont été comparés chez 100 patients avec un LCA-déchiré isolé et chez un groupe témoin de 100 patients avec une douleur patello-fémorale et un LCA intact. La découverte la plus importante de cette étude consiste en ce que les pentes tibiales augmentées, aussi bien osseuse que méniscales, sont des facteurs de risque pour la blessure du LCA. Comme le ménisque a tendance à corriger la pente observée vers l'horizontale, la perte du ménisque postérieur peut potentialiser cet effet en augmentant la pente fonctionnelle. La quatrième partie du travail visait à évaluer les effets des caractéristiques des patients, du délai entre la blessure et l’intervention (TFI) et de la pente tibiale postérieure sur les formes de lésions des ménisques. Chez les 362 patients ayant un LCA-déchiré, le site de la lésion méniscale le plus commun était la corne postérieure (PH) du ménisque médial (MM), suivi par la lésion impliquant le MM entier. L'âge du patient, le BMI (Body Mass Index) et le TFI ont été significativement associés à l'incidence de la lésion du MM... [etc] / The aim of this work was to report a comprehensive literature review comparing the different methods and techniques of measurement of the posterior tibial slope (PTS) among the conventional radiograph, computed tomography (CT), and magnetic resonance imaging (MRI) in order to help the orthopedic surgeons to establish a standard and reliable measurement method. The work also includes two retrospective studies measuring the tibial slope using different modalities. It has been reported that the PTS has an influence on the kinematics of the knee notably the anterior cruciate ligament (ACL). A better understanding of the significance of the PTS could improve the development of ACL injury screening and prevention programmes, and might serve as a basis for individual adapted rehabilitation programmes after ACL reconstruction. Additionally, in several orthopedic interventions such as high tibial osteotomy, the tibial slope can result in altered knee mechanics. Therefore, an exact preoperative measurement of the posterior tibial slope is mandatory. Several methods are used on conventional radiographs, CT and MRI, but until now there is no standard validated method. The first part of this work was a general introduction about the anatomical structures of interest involved in this study, namely the knee joint, the anterior cruciate ligaments, the menisci, and the tibia, this introduction part included the gross anatomy, the microscopic structure, function, and some clinical considerations. The second part of the work is dedicated to a systematic review of the available modalities and techniques in the literature. Information regarding methods of measurement of the tibial slope in normal and ACL-injury subjects was extracted from all the studies in a systematic fashion and classified according to the measurement technique and used modalities. The most common used axis was the proximal tibial anatomical axis (PTAA), and the midpoint method is the most frequently used method for calculating the PTAA. By direct comparison, the greatest value of the medial tibial slope (MTS) for the pathological knee was achieved by the radiological studies, while the MRI studies presented the smallest values. Consequently, for the pathological lateral tibial slope (LTS), the MRI values were smaller than that of the CT studies. The greatest values of the MTS and LTS were obtained by the anterior tibial cortex axis, while the minimum values were achieved by the tibial diaphyseal axis.This third part of the work was a case-control study, by using MRI, the bony slopes as well as the lateral and medial meniscal slopes (LMS, MMS) were compared in 100 patients with isolated ACL injury and a control group of 100 patients with patello-femoral pain and an intact ACL. The most important finding of this study is that the increased tibial slopes, both bony and meniscal, are risk factors for ACL injury. As the meniscus tends to correct the observed slope towards the horizontal, loss of the posterior meniscus may potentiate this effect by increasing the functional slope. The fourth part of the work is aimed to evaluate the effects of the patient characteristics, time from injury (TFI), and PTS on meniscal tear patterns. In the 362 ACL-injured analyzed patients; the most common tear location was the posterior horn (PH) of the medial meniscus (MM), followed by tear involving the whole MM. Patient age, BMI, and TFI were significantly associated with the incidence of MM tear. An increase in the tibial slope, especially of the lateral plateau, seems to increase the risk of tear of the lateral meniscus (LM), and of both menisci

La transition entre le Sylvicole moyen et le Sylvicole supérieur, vers l’an 1000 de notre ère, correspond à un moment de bouleversements technologiques dans le Nord-Est américain. En Abitibi-Témiscamingue, il s’agit d’une transition entre les cultures Laurel orientale et Blackduck orientale. La poterie blackduckienne semble avoir été rapidement adoptée par les groupes laureliens, sans phase transitoire apparente. Ce mémoire s’intéresse aux technologies céramiques employées par les populations des cultures Laurel et Blackduck en Abitibi-Témiscamingue et cherche à comprendre s’il existe de la continuité ou de la discontinuité entre les deux ensembles. Plus précisément, il est question de voir comment se manifeste la transition entre les deux cultures et comment la technologie céramique permet de caractériser cette transition. Pour ce faire, quatre sites ont été sélectionnés de part et d’autre de la ligne de partage des eaux entre : le site Bérubé (DdGt 5), le site du lac Opasatica (DaGt-4), le site Nault (ClGt-2) et le site Léo-Guay (ClGt-3). Les vases laureliens et blackduckiens provenant de ces sites ont fait l’objet d’une analyse visuelle par attributs morphostylistiques et d’une analyse par attributs technologiques selon les données tomodensitométriques fournies par l’Institut national de recherche scientifique Eau-terre-environnement (INRS-ETE), à Québec. Puisque l’utilisation de la tomodensitométrie dans l’analyse technologique de la céramique est plutôt récente, ce mémoire se veut une contribution modeste, mais originale au développement de cette approche. À la lumière des analyses effectuées, la transition technologique s’est opérée plus lentement que la transition morphostylistique. Les potiers auraient graduellement développé un nouveau savoir-faire, par contact et par expérimentation, produisant un vase mieux adapté à la cuisson des aliments. / The transition between the Middle Woodland and Late Woodland periods, towards 1000 CE, corresponds to a moment of technological upheavals in the American Northeast. In Abitibi-Temiscamingue, it takes the form of a transition between the Eastern Laurel and Eastern Blackduck cultures. Blackduck pottery seems to have been quickly adopted by Laurel groups, with no apparent transitional phase. This masters’ thesis relates to the ceramic technologies employed by the populations of Laurel and Blackduck cultures in Abitibi-Temiscamingue and explors the continuity or lack of continuity between the two groups. More precisely, I ask how this transition between two cultures manifests itself and how ceramic technology allows us to characterize this transition. To that end, four sites have been selected on both sides of the watershed divide between: the Bérubé site, (DdGt-5), the lake Opasatica’s site (DaGt-4), the Nault site (ClGt-2) and the Léo-Guay site (ClGt-3). The Laurel and Blackduck vessels originating from these sites were subjected to a visual analysis using morphostylistic attributes and an analysis using technological attributes based on tomodensitometric data supplied by the Institut National de Recherche Scientifique - Eau Terre Environnement (INRS-ETE) research center located in Quebec City. Since the use of tomodensitometry in ceramic technological analysis is rather recent, this thesis seeks to be a modest but original contribution to the development of this approach. Based on our analyses, the technological transition happened more slowly than the morphostylistic transition. The potters would have gradually developed a new craftmanship, by contact and by experimentation, producing vessels better suited to cooking food.

The increasing occurrence of structural deformations in the electrodes of the jelly roll has raised quality concerns during battery manufacturing, emphasizing the need to detect them automatically with the advanced techniques. This thesis aims to explore and provide two models based on traditional computer vision (CV) and deep neural network (DNN) techniques using computed tomography (CT) scan images of jelly rolls to ensure that the product is of high quality. For both approaches, electrode peaks as keypoints of anodes and cathodes in prismatic lithium battery jelly rolls are detected to extract the geometric features to identify if a particular jelly roll has some structural deformations. For traditional CV methods, the images undergo some pre-processing steps, extraction of foreground through adaptive thresholding, and morphological operations to extract contour edges, followed by applying Harris corner detector to detect electrode peaks. However, this approach shows limitations in detecting small or negative distance differences in deformed images. Furthermore, this study proposes another approach based on supervised transfer learning using pre-trained deep learning models on annotated data. After exploring different architectures, the VGG19 model pre-trained on ImageNet dataset outperformed as compared to other architectures, even with insufficient training data, achieving a maximum accuracy of 93.13 % for 1-pixel distance, 98.87 % for 5-pixel distance and 99.29 % for 10-pixel distance on test data, where the performance metrics, such as Percentage of Correct Keypoint (PCK), Mean-Square Error and Huber loss are utilized. As a result, this baseline proves to be a valuable tool for detecting structural deformations in jelly rolls. Moreover, a GUI-based executable application is developed using both approaches for raising the OK or NG flags for detecting structural deformations in each jelly roll. / Den ökande förekomsten av strukturella deformationer av elektroderna i så kallade jelly rolls har väckt kvalitetsproblem under batteritillverkning, och betonat behovet av att upptäcka dem automatiskt med avancerade tekniker. Denna avhandling syftar till att utforska och tillhandahålla två modeller baserade på traditionell datorseende (CV) och djupa neurala nätverk (DNN) tekniker med hjälp av bilder från datortomografisk skanning (CT) av jelly rolls för att säkerställa att produkten är av hög kvalitet. För båda metoderna detekteras elektrodtoppar som nyckelpunkter på anoder och katoder i prismatiska litiumbatteriers jelly rolls för att extrahera de geometriska egenskaperna för att identifiera om en viss jelly roll har några strukturella deformationer. För traditionella CV-metoder genomgår bilderna några förbehandlingssteg, extraktion av förgrund genom adaptiv tröskling och morfologiska operationer för att extrahera konturkanter, följt av användning av Harris hörndetektor för att upptäcka elektrodtoppar. Denna metod visar dock begränsningar i att detektera små eller negativa avståndsskillnader i deformerade bilder. Vidare föreslår denna studie en annan metod baserad på övervakad överföringsinlärning med förtränade djupinlärningsmodeller på annoterade data. Efter att ha utforskat olika arkitekturer presterade VGG19-modellen förtränad på ImageNet-datasetet bättre jämfört med andra arkitekturer, även med otillräcklig träningsdata, och uppnådde en maximal noggrannhet på 91,56% för 1-pixels avstånd, 97,49% för 5-pixels avstånd och 98,91% för 10-pixels avstånd på testdata, där prestationsmått som procentandel av korrekta nyckelpunkter (PCK), medelkvadratfel och Huber-förlust används. Som ett resultat visar sig denna grundlinje vara ett värdefullt verktyg för att upptäcka strukturella deformationer i jelly rolls. Dessutom har exekverbar applikation med grafiskt gränssnitt utvecklats med båda metoderna för att höja OK/NG-flaggorna för att upptäcka strukturella deformationer i varje jelly roll.

This thesis deals with design and implementation of an application for medical data imaging in real-time. The first part of project is focused on methods for obtaining data in medical practice and visualization of large volume data on computer using familiar rendering approaches. Similar applications are used outside of medicine in other fields, such as chemistry to display molecular structures or microorganisms. Another part of project will focus on benefits of visualization of volumetric data using programmable hardware and new methods of parallelization of algorithms on graphics card using CUDA technology, and OpenCL. The resulting application will display the volume of medical data based on selected method accelerated by programmable shaders, and time-consuming operations will be paralleled on graphics card.