Ce travail de thèse porte sur l'imagerie multispectrale à haut contraste pour la détection et la caractérisation directe d'exoplanètes. Dans ce contexte, le développement de méthodes innovantes de traitement d'images est indispensable afin d'éliminer les tavelures quasi-statiques dans l'image finale qui restent à ce jour, la principale limitation pour le haut contraste. Bien que les aberrations résiduelles instrumentales soient à l'origine de ces tavelures, aucune méthode de réduction de données n'utilise de modèle de formation d'image coronographique qui prend ces aberrations comme paramètres. L'approche adoptée dans cette thèse comprend le développement, dans un cadre bayésien, d'une méthode d'inversion fondée sur un modèle analytique d'imagerie coronographique. Cette méthode estime conjointement les aberrations instrumentales et l'objet d'intérêt, à savoir les exoplanètes, afin de séparer correctement ces deux contributions. L'étape d'estimation des aberrations à partir des images plan focal (ou phase retrieval en anglais), est la plus difficile car le modèle de réponse instrumentale sur l'axe dont elle dépend est fortement non-linéaire. Le développement et l'étude d'un modèle approché d'imagerie coronographique plus simple se sont donc révélés très utiles pour la compréhension du problème et m'ont inspiré des stratégies de minimisation. J'ai finalement pu tester ma méthode et d'estimer ses performances en terme de robustesse et de détection d'exoplanètes. Pour cela, je l'ai appliquée sur des images simulées et j'ai notamment étudié l'effet des différents paramètres du modèle d'imagerie utilisé. J'ai ainsi démontré que cette nouvelle méthode, associée à un schéma d'optimisation fondé sur une bonne connaissance du problème, peut fonctionner de manière relativement robuste, en dépit des difficultés de l'étape de phase retrieval. En particulier, elle permet de détecter des exoplanètes dans le cas d'images simulées avec un niveau de détection conforme à l'objectif de l'instrument SPHERE. Ce travail débouche sur de nombreuses perspectives dont celle de démontrer l'utilité de cette méthode sur des images simulées avec des coronographes plus réalistes et sur des images réelles de l'instrument SPHERE. De plus, l'extension de la méthode pour la caractérisation des exoplanètes est relativement aisée, tout comme son extension à l'étude d'objets plus étendus tels que les disques circumstellaire. Enfin, les résultats de ces études apporteront des enseignements importants pour le développement des futurs instruments. En particulier, les Extremely Large Telescopes soulèvent d'ores et déjà des défis techniques pour la nouvelle génération d'imageurs de planètes. Ces challenges pourront très probablement être relevés en partie grâce à des méthodes de traitement d'image fondées sur un modèle direct d'imagerie. / This research focuses on high contrast multispectral imaging in the view of directly detecting and characterizing Exoplanets. In this framework, the development of innovative image post-processing methods is essential in order to eliminate the quasi-static speckles in the final image, which remain the main limitation for high contrast. Even though the residual instrumental aberrations are responsible for these speckles, no post-processing method currently uses a model of coronagraphic imaging, which takes these aberrations as parameters. The research approach adopted includes the development of a method, in a Bayesian Framework, based on an analytical coronagraphic imaging model and an inversion algorithm, to estimate jointly the instrumental aberrations and the object of interest, i.e. the exoplanets, in order to separate properly these two contributions. The instrumental aberration estimation directly from focal plane images, also named phase retrieval, is the most difficult step because the model of on-axis instrumental response, of which these aberrations depend on, is highly non-linear. The development and the study of an approximate model of coronagraphic imaging thus proved very useful to understand the problem at hand and inspired me some minimization strategies. I finally tested my method and estimated its performances in terms of robustness and exoplanets detection. For this, I applied it to simulated images and I studied the effect of the different parameters of the imaging model I used. The findings from this research provide evidence that this method, in association with an optimization scheme based on a good knowledge of the problem at hand, can operate in a relatively robust way, despite the difficulties of the phase retrieval step. In particular, it allows the detection of exoplanets in the case of simulated images with a detection level compliant with the goal of the SPHERE instrument. The next steps will be to verify the efficiency of this new method on simulated images using more realistic coronagraphs and on real images from the SPHERE instrument. In addition, the extension of the method for the characterization of exoplanets is relatively easy, as its extension to the study of larger objects such as circumstellar disks. Finally, the results of this work will also bring some crucial insights for the development of future instruments. In particular, the Extremely Large Telescopes have already risen some technical challenges for the next generation of planet finders, which may partly be addressed by an image processing method based on an imaging model.

Le but de la radiothérapie est d’irradier les cellules cancéreuses tout en préservant au maximum les tissus sains environnants. Or, dans le cas du cancer du poumon, la respiration du patient engendre des mouvements de la tumeur pendant le traitement. Une solution possible est de repositionner continuellement le faisceau d’irradiation sur la cible tumorale en mouvement. L’e cacité et la sûreté de cette approche reposent sur la localisation précise en temps réel de la tumeur. Le suivi indirect consiste à inférer la position de la cible tumorale à partir de l’observation d’un signal substitut, visible en continu sans nécessiter de rayonnement ionisant. Un modèle de corrélation spatial doit donc être établi. Par ailleurs, pour compenser la latence du système, l’algorithme de suivi doit pouvoir également anticiper la position future de la cible. Parce que la respiration du patient varie dans le temps, les modèles de prédiction et de corrélation peuvent devenir imprécis. La prédiction de la position de la tumeur devrait alors idéalement être complétée par l’estimation des incertitudes associées aux prédictions. Dans la pratique clinique actuelle, ces incertitudes de positionnement en temps réel ne sont pas explicitement prédites. Cette thèse de doctorat s’intéresse au contrôle en temps réel de la précision du suivi indirect de tumeurs mobiles en radiothérapie. Dans un premier temps, une méthode bayésienne pour le suivi indirect en radiothérapie est développée. Cette approche, basée sur le filtre de Kalman, permet de prédire non seulement la position future de la tumeur à partir d’un signal substitut, mais aussi les incertitudes associées. Ce travail o re une première preuve de concept, et montre également le potentiel du foie comme substitut interne, qui apparait plus robuste et fiable que les marqueurs externes communément utilisés dans la pratique clinique. Dans un deuxième temps, une adaptation de la méthode est proposée afin d’améliorer sa robustesse face aux changements de respiration. Cette innovation permet de prédire des régions de confiance adaptatives, capables de détecter les erreurs de prédiction élevées, en se basant exclusivement sur l’observation du signal substitut. Les résultats révèlent qu’à sensibilité élevée (90%), une spécificité d’environ 50% est obtenue. Un processus de validation innovant basé sur ces régions de confiance adaptatives est ensuite évalué et comparé au processus conventionnel qui consiste en des mesures de la cible à intervalles de temps fixes et prédéterminés. Une version adaptative de la méthode bayésienne est donc développée afin d’intégrer des mesures occasionnelles de la position de la cible. Les résultats confirment que les incertitudes prédites par la méthode bayésienne permettent de détecter les erreurs de prédictions élevées, et démontrent que le processus de validation basé sur ces incertitudes a le potentiel d’être plus e cace que les validations régulières. Ces approches bayésiennes sont validées sur des séquences respiratoires de volontaires, acquises par imagerie par résonance magnétique (IRM) dynamique et interpolées à haute fréquence. Afin de compléter l’évaluation de la méthode bayésienne pour le suivi indirect, une validation expérimentale préliminaire est conduite sur des données cliniques de patients atteints de cancer du poumon. Les travaux de ce projet doctoral promettent une amélioration du contrôle en temps réel de la précision des prédictions lors des traitements de radiothérapie. Finalement, puisque l’imagerie ultrasonore pourrait être employée pour visualiser les substituts internes, une étude préliminaire sur l’évaluation automatique de la qualité des images ultrasonores est présentée. Ces résultats pourront être utilisés ultérieurement pour le suivi indirect en radiothérapie en vue d’optimiser les acquisitions ultrasonores pendant les traitements et faciliter l’extraction automatique du mouvement du substitut. / The goal of radiotherapy is to irradiate cancer cells while maintaining a low dose of radiation to the surrounding healthy tissue. In the case of lung cancer, the patient’s breathing causes the tumor to move during treatment. One possible solution is to continuously reposition the irradiation beam on the moving target. The e ectiveness and safety of this approach rely on accurate real-time localization of the tumor. Indirect strategies derive the target positions from a correlation model with a surrogate signal, which is continuously monitored without the need for radiation-based imaging. In addition, to compensate for system latency, the tracking algorithm must also be able to anticipate the future position of the target. Because the patient’s breathing varies over time, prediction and correlation models can become inaccurate. Ideally, the prediction of the tumor location would also include an estimation of the uncertainty associated with the prediction. However, in current clinical practice, these real-time positioning uncertainties are not explicitly predicted. This doctoral thesis focuses on real-time control of the accuracy of indirect tracking of mobile tumors in radiotherapy. First, a Bayesian method is developed. This approach, based on Kalman filter theory, allows predicting both future target motion in real-time from a surrogate signal and associated uncertainty. This work o ers a first proof of concept, and also shows the potential of the liver as an internal substitute as it appears more robust and reliable than the external markers commonly used in clinical practice. Second, an adaptation of the method is proposed to improve its robustness against changes in breathing. This innovation enables the prediction of adaptive confidence regions that can be used to detect significant prediction errors, based exclusively on the observation of the surrogate signal. The results show that at high sensitivity (90%), a specificity of about 50% is obtained. A new validation process based on these adaptive confidence regions is then evaluated and compared to the conventional validation process (i.e., target measurements at fixed and predetermined time intervals). An adaptive version of the Bayesian method is therefore developed to valuably incorporate occasional measurements of the target position. The results confirm that the uncertainties predicted by the Bayesian method can detect high prediction errors, and demonstrate that the validation process based on these uncertainties has the potential to be more e cient and e ective than regular validations. For these studies, the proposed Bayesian methods are validated on respiratory sequences of volunteers, acquired by dynamic MRI and interpolated at high frequency. In order to complete the evaluation of the Bayesian method for indirect tracking, experimental validation is conducted on clinical data of patients with lung cancer. The work of this doctoral project promises to improve the real-time control of the accuracy of predictions during radiotherapy treatments. Finally, since ultrasound imaging could be used to visualize internal surrogates, a preliminary study on automatic ultrasound image quality assessment is presented. These results can later be used for indirect tracking in radiotherapy to optimize ultrasound acquisitions during treatments and facilitate the automatic estimation of surrogate motion.

In translational medicine, complementary functional and morphological imaging techniques are used extensively to observe physiological processes in vivo and to assess structural changes as a result of disease progression. The combination of magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET) provides excellent soft tissue contrast from MRI with exceptional sensitivity and specificity from PET. This thesis explores the use of sequentially acquired PET and MR images to improve the quantification of small animal PET data. The primary focus was to improve image-based estimates of the arterial input function (AIF), which defines the amount of PET tracer within blood plasma over time. The AIF is required to produce physiological parameters quantifying key processes such as metabolism or perfusion from dynamic PET images. The gold standard for AIF measurement, however, requires serial blood sampling over the course of a PET scan, which is invasive in rat studies but prohibitive in mice due to small total blood volumes. To address this issue, the geometric transfer matrix (GTM) and recovery coefficient (RC) techniques were applied using anatomical MR images to enable the extraction of partial volume corrected image based AIFs from mouse PET images. A non-invasive AIF extraction method was also developed for rats, beginning with the optimization of an automated voxel selection algorithm to assist in extracting MR contrast agent signal time courses from dynamic susceptibility contrast (DSC) MRI data. This procedure was then combined with dynamic contrast enhanced (DCE) MRI to track a combined injection of Gadolinium-based contrast agent and PET tracer through the rat brain. By comparison with gold standard tracer blood sample data, it was found that normalized MRI-based AIFs could be successfully converted into PET tracer AIFs in the first pass phase when fitted with gamma variate functions. Finally, a MR image segmentation method used to provide PET attenuation correction in mice was validated using the Cambridge split magnet PET/MR scanner?s transmission scanning capabilities. This work recommends that contributions from MR hardware in the PET field of view must be accounted forto gain accurate estimates of tracer uptake and standard uptake values (SUVs). This thesis concludes that small animal MR data taken in the same imaging session can provide non-invasive methods to improve PET image quantification, giving added value to combined PET/MR studies over those conducted using PET alone.

This thesis deals with the possibilities of determining perfusion parameters of vascular system, using contrast-enhanced ultrasound imaging, which is non-invasive method. Properties of ultrasonography and use of contrast agents are briefly summarized. The methods selected for perfusions analysis were Bolus-tracking¬¬, Burst-replenishment and both of them combined – Bolus&Burst. Parametric models based on these methods were created for modelling an approximation of set perfusion parameters with the use of blind deconvolution.

Inom materialforskning och en stor del av den mekaniska och mekatroniska industrin finns ett intresse av att utnyttja blixtröntgen för att studera dynamiska händelseförlopp i inneslutna system, ej synbara med konventionella kameror. I och med att många rörelser inom de benämna områdena även sker i hyperhastighet så tillåter blixtröntgen statisk bildtagning  av rörelser i flera km/s, med minimal rörelseoskärpa. Detta examensarbete har grundats i att utveckla och utvärdera koncept för en komplett systemuppställning inklusive höghastighetskamera för denna tillämpning.  Syftet med arbetet har således varit att både identifiera och definiera produktens ingående produktkrav, för att spegla den funktion och syftet som önskas uppfyllas, och utifrån detta generera koncept för uppställningen på systemnivå, samt för separata  komponenter. Slutligen har de utvalda koncepten utvärderats genom praktiska prestandatester för att kontrollera dess uppfyllelse av produktkraven. Datainsamlingen för arbetet skedde i form av flertalet praktiska experiment för insamling av kvantitativ data, samt återkommande uppföljningsmöten med involverade medarbetare för insamling av kvalitativ data.  Undersökningen resulterade i ett koncept för en slutprodukt, benämnt funktionsprototyp som motsvarade och uppfyllde de definierade produktkraven vad gäller funktionalitet och prestanda. En diskussion fördes även för den kommande vidareutvecklingen av slutprodukten, inklusive färdigställandet av samtliga koncept och den följande designfasen. / In materials research and a large part of the mechanical and mechatronic industry, there is an interest in using flash X-rays to study dynamic events in enclosed systems, not visible with conventional cameras. Since many movements within the named areas also take place at hyper-speed, flash X-rays allow to capture static images of movements in several km / s, with minimal distortion. This thesis has been based on developing and evaluating concepts for a complete system setup including a high speed camera for this application. The purpose of the work has thus been to both identify and define the product's included product requirements, to reflect the function and purpose that is desired to be fulfilled, and based on this generate concepts for the set-up at system level, as well as for separate components. Finally, the selected concepts have been evaluated through practical performance tests to check its compliance with the product requirements. The data collection for the work took place in the form of two practical experiments for the collection of quantitative data, as well as recurring follow-up meetings with involved employees for the collection of qualitative data. The study resulted in a concept for an end product, called an end concept that corresponded to, and met the defined product requirements in terms of functionality and performance. A discussion was also held for the further development of the end product, including the completion of all concepts and the subsequent design phase.