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Le but de ce travail a été de réaliser des études téphrostratigraphiques sur des environnements sédimentaires variés dans le but de définir, dans un premier temps, le degré d'efficacité des techniques de détection des téphras classiquement utilisées. Le travail d'analyse des cendres volcaniques a tout d'abord été ciblé sur des téphras clés et anciennement étudiés sur des sites reconnus, en Belgique et dans le Massif du Jura, dans le but d'actualiser des données avec les techniques d'analyses performantes actuelles. Le travail a ensuite été étendu à des sites de l'Est du Massif Central, dont le potentiel téphrostratigraphique n'avait jamais été exploité, offrant ainsi la possibilité de s'assurer sans ambiguïté de la source de cryptotéphras repérés dans le Jura et en Suisse, dont l'origine était incertaine. Ce travail d'échantillonnage a été réalisé dans des milieux lœssiques, carbonatés et tourbeux permettant également de discuter des conditions de conservation des dépôts volcaniques et de leurs constituants. Les études téphro-chrono-stratigraphiques s'inscrivent fréquemment dans une réflexion sur l'impact écologique et environnemental des éruptions volcaniques. Un nombre croissant d'études tendent à montrer un impact écologique des téphras, en étant la cause de bloom de diatomées. Ce travail de thèse a permis de discuter de cet aspect environnemental qui a été mené dans le Jura, dans un environnement défavorable à la préservation des diatomées. / The challenge of this work was to carry out several tephrostratigraphic studies in various sedimentary environments in order to test the efficiency of classical detection methods of tephra layers. First, analysis has been focused on tephra keys, previously studied in known sites, in Belgium and in the Jura Mountains, in order to update data with current analytical techniques. This work was later expanded to sites from eastern French Massif Central, an area with unexploited tephrostratigraphic potential, which offers the possibility to precise the source of cryptotephras identified in the Jura and Switzerland whose origin was uncertain. This work has been carried out in tephras sampled in loess, carbonate maris and peat allowing to discuss conservation conditions of volcanic deposits. Sorne tephro-chrono-stratigraphic studies show ecological and environmental impacts of volcanic deposits in lakes and peatlands, such as diatom blooms. This thesis allows to discuss this environmental aspect in carbonate maris, i.e. an unfavorable environment for preservation of diatoms.

Ce travail de thèse porte sur la modélisation dynamique 3D du rein et le suivi d’une tumeur de cet organe. Il s’inscrit dans le projet KiTT (Kidney Tumor Tracking) qui regroupe des chercheurs issus de plusieurs domaines : la modélisation géométrique, la radiologie et l’urologie. Le cadre de cette thèse suit une tendance de mini-invasivité des gestes chirurgicaux observée ces dernières années (HIFU, coelioscopie). Sa finalité est d’aboutir à un nouveau protocole de destruction de tumeurs rénales totalement non-invasif, par la diffusion d’agents physiques (ondes d’ultrasons) à travers la peau et focalisés sur la tumeur. Devant le mouvement et la déformation que le rein présente au cours du cycle respiratoire, la problématique de ces travaux de recherche est de connaître en permanence la position de la tumeur afin d’ajuster à moyen terme la diffusion des ondes en conséquence. / This Ph.D. thesis deals with the 3D dynamic modeling of the kidney and tracking a tumor of this organ. It is in line with the KiTT project (Kidney Tumor Tracking) which gathers researchers from different fileds: geometric modeling, radiology and urology. This work arised from the tendency of nowadays surgical gestures to be less and less invasive (HIFU, coelioscopy). Its goal is to result in a totally non-invasive protocol of kidney tumors eradication by transmitting ultrasound waves through the skin without breaking in it. As the kidney presents motions and deformations during the breathing phase, the main issue is to know the kidney and tumor positions at any time in order to adjust the waves accordingly.

Les technologies d’imagerie médicale permettent de visualiser pathologies et traumatismes. Cependant, même si cette imagerie permet des vues perspectives dynamiques, elle reste du domaine du 3D virtuel puisque sur un écran 2D. Une réplique présente dès lors un avantage certain : elle rend palpable la notion d'échelle et de volume et apparents des détails cachés ou ambigus et ainsi améliore ou facilite le diagnostic et la solution chirurgicale.Le prototypage rapide permet la fabrication d'une réplique à partir d'un fichier CAO issu des données d'imagerie, mais ce procédé n'est pour l'instant appliqué qu'à des cas très spécifiques. Nos travaux montrent qu'il peut l'être avec profit en orthopédie et traumatologie à des cas chirurgicaux certes complexes mais courants, et passer du laboratoire de recherche à l'établissement hospitalier.Une méthodologie est définie visant à passer des données DICOM3 à une réplique en ABS par prototypage rapide par dépôt de fil fondu via une reconstruction 3D numérique à l'aide de logiciels dédiés. Une étude de capabilité, transposable à tout procédé, quantifie la réponse et la fidélité de la machine et les paramètres optimaux. Trois applications (à partir de la tomographie RX) sont présentées à travers trois cas cliniques (ostéotomie, arthroplastie, trochléoplastie).Les exemples montrent que le procédé s'avère pertinent (et économiquement raisonnable) dès qu’il est question de géométrie complexe, de matérialisation du relief et d’appréciation d’un volume osseux. La représentation objective de l’échelle des volumes en constitue le point fort et l'intérêt est indéniable dans nombre de domaines de la chirurgie orthopédique et traumatologique. / The medical imaging technologies allow the visualization of diseases and injuries. However, even if dynamic perspective ones, these views remain a virtual 3D visualization because on a 2D screen. Real replicas have therefore a definite advantage: they can make palpable the notion of scale and volume and apparent hidden or ambiguous details and thus enhance or facilitate the diagnosis and the surgical solution.The rapid prototyping allows to achieve a replica from a CAD file issued from imaging data but this process is now only applied to specific cases. Our work shows that it can be applied with profit for complex but usual orthopaedic and trauma surgery cases. It can be so transfered from the research laboratory to the hospital.A methodology is defined to manufacture an ABS replica through rapid prototyping by fused deposition modelling from DICOM3 data and digital 3D reconstructions using dedicated software. The study of the capability, transferable to any process, quantifies the response and the accuracy of the machine and the optimal parameters. Three applications (from CT-scan) are presented through three clinical cases (osteotomy, arthroplasty and trochleoplasty) . The examples show that the method is appropriate (and economically reasonable) when it comes to complex geometry or assessment of bone volume. The objective representation of the volumes is the strength of the method and the interest is undeniable in many areas of orthopaedic surgery and traumatology.

La morphologie des os longs est affectée par les charges mécaniques qu'ils subissent, telles celles générées par les comportements locomoteurs. Dans ce mémoire, des images de coupes transversales de fémurs, tibias et humérus obtenues par CT-scan ont été analysées pour déterminer la locomotion de l'enfant de Dikika, un Au. afarensis juvénile, en se basant sur des comparaisons d'humains et de grands singes africains. Les résultats indiquent que le fémur de l'enfant de Dikika montre des signes de bipédie, mais ce n'est pas le cas du tibia. Malgré le fait que la forme de l'humérus est très similaire aux grands singes africains, la résistance de celui-ci aux tensions et torsions laissent supposer que l'enfant de Dikika ne pratiquait pas les locomotions typiques des grands singes comme l'arboricolisme ou encore la quadrupédie terrestre. Malgré tout, certains résultats montrent que la morphologie osseuse dépend aussi des processus ontogéniques et de la génétique de chaque taxon. / The morphology of long bones is affected by the mechanical loads they incur, such as those generated by locomotor behaviors. In this thesis, the images of cross sections of femora, tibiae and humeri obtained by CT-scan were analyzed to determine the locomotion of the Dikika child, a juvenile Au. afarensis, based on comparisons of humans and African apes. The results indicate that the Dikika child's femur shows signs of bipedalism, although the tibia does not. Despite the fact that the shape of the humerus is very similar to that of great African apes, its bending and torsional strength suggest that the Dikika's child did not practice locomotion typical of great apes such as arboricolism or terrestrial quadrupedism. Nevertheless, some results show that bone morphology also depends on the ontogenetic processes and the genetics of each taxon.

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Ce mémoire a pour objectif de mieux comprendre la tomodensitométrie par rayons-x appliquée à la géocryologie. La majorité des études ayant pour but d’analyser le pergélisol en utilisant la tomodensitométrie sont qualitative. De ce fait, il est principalement question de décrire les cryostructures et la disposition géométrique de la glace dans le pergélisol. Il existe peu d’études quantitatives où le volume de glace est estimé avec la tomodensitométrie. De ce fait les méthodologies quantitatives sont peu développées et leur degré de confiance est mal connu. Des échantillons de pergélisol ont été scannés puis analysés avec le logiciel de visualisation Dragonfly©. Une méthode d’analyse quantitative a été développée et combinée à des mesures en laboratoire afin de déterminer l’erreur entre la proportion en glace estimée sur les Ct-Scans et celle mesurée sur l’échantillon physique. Ensuite, une équation pour essayer de corriger cette erreur a été appliquée. Celle-ci a été déterminée à partir de comparaisons des estimations des volumes de glace sur les Ct-Scans et leurs valeurs mesurées en laboratoire. Ces comparaisons ont également permis d’estimer la quantité de matière organique présente dans un échantillon. Les cryostructures du pergélisol ont été modélisées en 3D. Cela a permis de bonifier la classification Nord-Américaine établie par Murton et French en 1994 et de quantifier les volumes respectifs de glace et de sédiments. / This thesis aims to better understand x-ray computed tomography in geosciences and more particularly its use with frozen ground science. Most studies in permafrost science using x-ray computed tomography were qualitative. Therefore, they mainly describe the permafrost cryostructures and the geometric arrangement of the ice in permafrost. There were few quantitative studies where the volumetric ice content of permafrost was estimated with Ct-Scans. As a result, quantitative methodologies are poorly developed, and their degree of confidence is also poorly assessed. Samples from different locations in the Canadian Arctic were scanned and analyzed using Dragonfly©, a visualization software. A quantitative analysis method has been developed and combined with laboratory measurements to calculate the error between the proportion of ice estimated on the Ct-Scans and the one measured on the physical sample. A correction method was developed and applied to the Ct-scans dataset to reduce the error in volumetric ice content estimations. This equation also allows to give an estimation of the organic matter proportion inside a sample. The permafrost cryostructures were modeled in 3D. This improved the visualization of the cryostructures of the North American classification established by Murton and French in 1994, and it allowed to quantify their volumetric ice and sediment contents.

COVID-19 is a highly contagious and virulent disease caused by the severe acute respiratory syndrome-coronavirus-2 (SARS-CoV-2). COVID-19 disease induces lung changes observed in lung computerized tomography (CT) and the percentage of those diseased areas on the CT correlates with the severity of the disease. Therefore, segmentation of CT images to delineate the diseased or lesioned areas is a logical first step to quantify disease severity, which will help physicians predict disease prognosis and guide early treatments to deliver more positive patient outcomes. It is crucial to develop an automated analysis of CT images to save their time and efforts. This dissertation proposes CoviNet, a deep three-dimensional convolutional neural network (3D-CNN) to diagnose COVID-19 in CT images. It also proposes CoviNet Enhanced, a hybrid approach with 3D-CNN and support vector machines. It also proposes CoviSegNet and CoviSegNet Enhanced, which are enhanced U-Net models to segment ground-glass opacities and consolidations observed in computerized tomography (CT) images of COVID-19 patients. We trained and tested the proposed approaches using several public datasets of CT images. The experimental results show the proposed methods are highly effective for COVID-19 detection and segmentation and exhibit better accuracy, precision, sensitivity, specificity, F-1 score, Matthew's correlation coefficient (MCC), dice score, and Jaccard index in comparison with recently published studies.

Sachant que plusieurs maladies entrainent des lésions qui ne sont pas toujours observables à l’oeil, cette étude préliminaire en paléopathologie humaine utilise une approche complémentaire issue de l’imagerie médicale, le ct-scan, afin de fournir des diagnostics plus précis. L’objectif est donc de tester ici l’efficacité et les limites de l’analyse scanographique durant l’analyse de spécimens archéologiques. Un échantillon de 55 individus a été sélectionné à partir de la collection ostéologique provenant du cimetière protestant St. Matthew (ville de Québec, 1771 – 1860). Une analyse macroscopique et scanographique complète a alors été effectuée sur chaque squelette. Les observations macroscopiques ont consisté à enregistrer une dizaine de critères standardisés par la littérature de référence en lien avec des manifestations anormales à la surface du squelette. Les ct-scans ont été réalisés à l’Institut National de la Recherche Scientifique de la Ville de Québec avec un tomodensitomètre Somatom de Siemens (définition AS+ 128). Les données scanographiques ont permis d’enregistrer une série de critères complémentaires sur la structure interne de l’os (amincissement/épaississement de la corticale, variation de densité, etc.) Selon la méthode du diagnostic différentiel, des hypothèses ou diagnostics ont été proposés. Ils sont principalement basés sur les critères diagnostiques mentionnés dans les manuels de référence en paléopathologie, mais aussi à l’aide de la littérature clinique et l’expertise de médecins. Les résultats présentés ici supportent que: 1) Dans 43% des cas, les données scanographiques ont apporté des informations essentielles dans la diagnose pathologique. Cette tendance se confirme en fonction de certaines maladies, mais pas d’autres, car certains diagnostics ne peuvent se faire sans la présence de tissus mous. 2) La distribution spatiale de la plupart des lésions varie selon les régions anatomiques, aussi bien en macroscopie qu’en scanographie. 3) Certains types de maladie semblent associés à l’âge et au sexe, ce qui est conforté par la littérature. 4) Cette recherche démontre aussi que le processus de diagnose nécessite, dans 38% des cas, une analyse complémentaire (ex. histologie, scintigraphie, radiographie) pour préciser le diagnostic final. / Because some diseases produce lesions that cannot be seen macroscopically, this preliminary paleopathological study will use the ct-scan, as a complementary approach in order to improve diagnosis. This project will attempt to evaluate the efficiency of the ct-scan approach for the analysis of archaeological specimens in paleopathological study. Fifty-five individuals from St. Matthew’s protestant cemetery (Quebec City, 1771- 1861) were selected for the present study. Both macroscopic and scanographic analyses were performed on each skeleton. Macroscopic observations were recorded according to at least ten standard criteria based on the reference literature that reports abnormal phenomena on skeletal surfaces. Ct-scans were obtained at the Institut National de la Recherche Scientifique of Quebec City with a SOMATOM CT-scanner (Siemens model, Definition AS+ 128). Scanographic data provided a series of complementary criteria on internal bone structures (thinning/thickening of the cortical layer, density variation, etc.). According to the method of the differential diagnosis, diagnoses were proposed. Most of them were based on diagnostic criteria reported in the paleopathological literature as well as in clinical studies. The results presented support that: 1) For 43% of our sample (N=55), ct-scan data provided key information for the paleopathological diagnosis. The ct-scan provided additional information for some diseases only, partly because some diagnoses cannot be done without the presence of soft tissues. 2) The distribution of most lesions, both macroscopic and scanographic, did vary according to the anatomical regions. 3) Some types of diseases seem to vary according to age and sex, as supported by the literature. 4) Our research also shows that the diagnosis could be improved and refined in 38% of the cases with complementary analyses (histology, scintigraphy, radiography, etc.).

Most applications in computer vision suffer from two major difficulties. The first is they are notoriously ridden with sub-optimal local minima. The second is that they typically require high computational cost to be solved robustly. The reason for these two drawbacks is that most problems in computer vision, even when well-defined, typically require finding a solution in a very large high-dimensional space. It is for these two reasons that multiscale methods are particularly well-suited to problems in computer vision. Multiscale methods, by way of looking at the coarse scale nature of a problem before considering the fine scale nature, often have the ability to avoid sub-optimal local minima and obtain a more globally optimal solution. In addition, multiscale methods typically enjoy reduced computational cost. This thesis applies novel multiscale active contour methods to several problems in computer vision, especially in simultaneous segmentation and reconstruction of tomography images. In addition, novel multiscale methods are applied to contour registration using minimal surfaces and to the computation of non-linear rotationally invariant optical flow. Finally, a methodology for fast robust image segmentation is presented that relies on a lower dimensional image basis derived from an image scale space. The specific advantages of using multiscale methods in each of these problems is highlighted in the various simulations throughout the thesis, particularly their ability to avoid sub-optimal local minima and their ability to solve the problems at a lower overall computational cost.