Cette thèse aborde le problème de la compensation des déformations cérébrales survenant au cours des opérations neurochirurgicales. Ces déformations des structures cérébrales dégradent la précision des systèmes de neuronavigation, ce qui limite leur utilisation tout au long de la procédure neurochirurgicale. La compensation de ces déformations est aujourd'hui l'un des enjeux majeurs de la neurochirurgie guidée par l'image. La méthode proposée repose sur le recalage non rigide d'images échographiques intraopératoires de type main libre et d'images préopératoires obtenues par résonance magnétique nucléaire (RMN). Afin de réaliser ce recalage non rigide multimodal, un processus incluant différents traitements est détaillé dans ce manuscrit. Tout d'abord, une nouvelle méthode de reconstruction tridimensionnelle des images échographiques de type main libre est présentée. Puis, un travail portant sur le filtre de débruitage des moyennes non locales est proposé. Ce travail aborde deux aspects: l'amélioration de la qualité du débruitage avec une réduction du temps de calcul d'une part, et l'adaptation de ce filtre aux caractéristiques du chatoiement présent dans les images ultrasonores d'autre part. Finalement, une nouvelle approche du problème de recalage des images ultrasonores et des images obtenues par RMN est décrite. Ces différents traitements sont integrés au sein d'une chaîne entièrement automatique de compensation des déformations cérébrales. Les premiers résultats obtenus sur les images de quatre patients sont présentés à la fin de ce document.

La recherche d'un compromis entre cadence et qualité de l'image est un enjeu majeur dans la définition de nouvelles méthodes d'imagerie cohérente. L'objectif de cette thèse est de proposer des modes d'imagerie innovants exploitant au mieux les performances des plateformes matérielles. Les applications étant l'échographie ultrasonore et l'acoustique sous-marine. Le manuscrit propose d'abord un cadre formel au problème du compromis cadence/contraste et démontre l'optimalité des méthodes de synthèse d'émission. L'équivalence, en termes de contraste et de résolution, entre la synthèse canonique et l'imagerie focalisée est ensuite établie. Le problème du rapport signal à bruit est adressé par l'utilisation de matrice d'émission maximisant l'énergie d'insonification (matrice de Hadamard). On introduit ensuite une méthode originale, dite d' " allègement de synthèse ", permettant une amélioration significative de la cadence. Pour cela, on recherche un optimum matriciel en terme de maximisation de l'énergie des faisceaux d'émission dans la zone d'insonification. Cet optimum est une matrice composée de séquences sphéroïdales aplaties. On introduit alors la " synthèse sphéroïdale " qui exploite les propriétés de cette matrice et permet de déplacer le compromis cadence/contraste en un compromis cadence/taille de l'image. La dernière partie de ce manuscrit est consacrée à la mesure et la correction des mouvements propres de la plateforme par des méthodes de micronavigation. Les résultats de ce travail de thèse font l'objet de validations expérimentales sur un échographe ultrasonore à 128 voies programmables et sur un sonar à antenne synthétique.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude du lien entre le stress prénatal et les troubles des interactions et la question particulière de l'échographie fœtale. Dans un premier temps, nous avons étudié les implications de l'échographie fœtale sur les représentations maternelles d'elle même et de son futur enfant par le prisme analytique. Puis, nous avons mesuré par une étude prospective cas témoin, l'impact d'une image suspecte et de bon pronostic vue à l'échographie fœtale, les " softs markers ", sur les représentations maternelles en pré et post-partum et sur les interactions précoces mère enfant. Dans un autre temps, nous avons analysé, par une étude rétrospective, les profils cliniques des enfants reçus en unité petite enfance dans leur première année de vie et tenté d'en dégager la part des troubles des interactions. Les résultats de ces études, montrent combien l'apparente bénignité de l'échographie fœtale est trompeuse. La séquence échographique porte en elle plusieurs facteurs perturbateurs : le décalage entre les attentes parentales et celles de l'échographiste, les caractériqutques de l'image échographique et l'effet d'" annonce " de suspicion d'anomalie qui font écho aux mouvements ambivalents des femmes enceintes pour leur fœtus. L'analyse des représentations maternelles montre par ailleurs qu'après la sidération de l'annonce et la suspension des investissements dans l'attente des résultats rassurants, la dynamique psychique est détournée de ses objectifs premiers et que cette " déviation ", s'amplifie et s'installe avec le temps. Les mères montrent des patterns d'investissement évitant ou désorganisé de leur enfant dont les conséquences vont être perceptibles au cours des interactions précoces mesurées à la naissance et aux deux mois de l'enfant. À la naissance, la mère est en difficulté pour percevoir les signaux de son enfant. Elle est plus intrusive et opératoire. L'enfant, lui, montre moins d'initiative et des comportements de retrait. Les niveaux d'anxiété et de dépression maternels sont supérieurs en pré et post partum dans la population clinique. Les analyses multivariées montrent que le type de représentations et le niveau de dépression au troisième trimestre prédit les perturbations de l'interaction. En unité petite enfance au cours de la première année, nous constatons un pic de consultation avant trois mois. Les troubles de la relation isolés (Axe II) représentent 25% des consultants et expliquent 18% de la variance des 3 profils cliniques dégagés. Ce lien puissant entre le pré et le post natal insiste sur la nécessité d'une prise en charge la plus précoce possible en particulier dès la période prénatale.

L'échographie est aujourd'hui l'une des modalités les plus populaires de diagnostic médical. Il permet d'observer, en temps réel, le mouvement des organes qui facilite le diagnostic des pathologies pour des médecins. L'échocardiographie [1, 2], l'imagerie du flux sanguin [3, 4] et l’élastographie [5-7] sont les domaines préférés de l'estimation de mouvement en utilisant l'échographie (en raison de son haut frame-rate).En conséquence, les images avec meilleurs qualités sont nécessaires. . En imagerie cardiaque, le système classique d'imagerie est limité dans la direction transversale (la direction perpendiculaire à celle de propagation). Travaillant sur la formation des images, ce problème peut être résolu en modifiant la façon de formateur de voie afin d'introduire des oscillations transversales (OTs) dans la fonction d’étalement du point (PSF). La technique d’oscillation transversale a montré son potentiel d'améliorer la précision de l'estimation de mouvement local dans la direction transversale (la direction perpendiculaire à celle de propagation). La classique OT en géométrie linéaire, basée sur l'approximation de Fraunhofer, relie la PSF et la fonction de pondération par la transformée de Fourier. Motivé par l'adaptation des OTs en échocardiographie, nous proposons une technique spécifique basée sur la rétro-propagation afin de construire des OTs en géométrie sectorielle. La performance de la méthode de rétro-propagation proposée a été étudiée progressivement, comparée avec la méthode de la transformée de Fourier, par exemple, l'évaluation de la qualité de la PSF quantifié, dans l'estimation de mouvement cardiaque en simulation, et en étude la qualité des PSF visuellement expérimentale. Les résultats quantifiés montrent les OT-images sont mieux contrôlés par la méthode proposée que par le formateur de voie conventionnelle. Une autre méthode, basée sur la décomposition d'onde plane et un principe différent de rétro-propagation, a été présentée. Cette méthode mieux prend en compte la propriété 2D de PSF, en décomposant la PSF dans un ensemble d'ondes planes directionnelle, les rétro-propage à la sonde, en utilisant les résultats de superposition comme excitations, un PSF simulée et conforme fortement au PSF théorique est acquis. En adaptant cette méthode à la géométrie sectorielle, la qualité de la PSF obtenue en face et sur la côté de la sonde est meilleure en utilisant la décomposition en ondes planes à celle de la transformée de Fourier, le travail supplémentaire sera adressé à adapter la décomposition en ondes planes à imagerie sectorielle et l’estimation du mouvement. / Echography is nowadays one of the most popular medical diagnosis modalities. It enables real-time observation the motion of moving organs which facilitates the diagnosis of pathologies for physician. Echocardiography [1, 2], blood flow imaging [3, 4] and elastography [5-7] are the favorite domains of motion estimation in using of echography (e.g., due to its high frame-rate capacity). Thus the requirements for imaging with high quality are on the primary place. In cardiac imaging, the conventional imaging system is somehow limited in the transverse direction (the direction perpendicular to the beam axis). Working on the image formation, this problem can be addressed by modifying the beamforming scheme in order to introduce transverse oscillations (TOs) in the system point spread function (PSF). Transverse oscillation techniques have shown their potential for improving the accuracy of local motion estimation in the transverse direction (i.e., the direction perpendicular to the beam axis). The conventional design of TOs in linear geometry, which is based on the Fraunhofer approximation, relates PSF and apodization function through a Fourier transform. Motivated by the adaptation of TOs in echocardiography, we propose a specific beamforming approach based on back-propagation in order to build TOs in sectorial geometry. The performance of the proposed back-propagation method has been studied gradually, in comparison with the Fourier transform, such as in evaluation of the quality of PSF, in estimation of simulated cardiac motion and in experiments study, etc. The quantified results demonstrate the proposed method leads to better controlled TOs images than the conventional beamforming. Another method based on plane wave decomposition and a different back-propagation principle has been presented. This method is better taking into account the 2D property of PSF, by decomposing the PSF into a set of plane waves directionally, back-propagating them to the probe, by using the superposition results as excitations, a simulated PSF with high accordance to the theoretical one is acquired. By adapting this method to sectorial geometry, the quality of PSF obtained in front of probe is better using the plane wave decomposition method than that of Fourier relation, but it is limited for the scanning on the side of probe, so the further work will be addressed to adapting the plane wave decomposition method to the complete sectorial imaging.

Sachant que l’Athérosclérose commence durant l’enfance par des marqueurs subcliniques, cette étude explore l’association entre l’indice de masse corporelle (IMC) et l’élastographie vasculaire non-invasive (NIVE) des artères carotides communes chez les enfants. On compare aussi les techniques de mesure de l’intima-média (IMT) des artères carotides en se basant sur le mode-B et la radiofréquence (RF) chez les enfants avec IMC normal et élevé. Il s’agit d’une étude prospective effectuée entre 2005 et 2011. Les paramètres de « NIVE » ont été comparés pour deux groupes d’IMC (normal et élevé) de 60 enfants respectivement, faisant tous partie de la cohorte de l’étude QUebec Adipose and Lifestyle Investigation in Youth (QUALITY). Les paramètres de NIVE incluent la contrainte axiale cumulative (CAS) en %, la translation axiale cumulative (CAT) en mm. L’épaisseur de l’intima-média est calculée selon trois méthodes : logiciel «M’ath-Std» (mode-B), « echotracking » des signaux de RF et probabilité de distribution des signaux de RF sur la plateforme NIVE. Une analyse ANOVA et corrélation Pearson ont été effectuées sur le logiciel SAS version 9.3. Une corrélation intra-class (ICC) a été effectuée sur un logiciel MedCalc version 17.2. L’âge moyen était 11,4 ans pour le groupe IMC normal et 12 pour le groupe IMC élevé. Cinquante-huit pourcent étaient des garçons dans le groupe IMC normal et 63% dans le groupe IMC élevé. Les deux groupes étaient différents selon l’âge, stade de Tanner, tension artérielle (systolique et diastolique), et LDL mais similaire pour le sexe. En contrôlant pour les variables confondantes, la CAS n’est pas différente entre les deux groupes. La CAT est plus basse chez les enfants avec IMC normal (CAT=0.51 +/-0.17 mm pour le groupe « IMC normal » et 0.67+/-0.24 mm pour le groupe « IMC élevé » (p<0.001)). Il y a une très faible corrélation entre les trois techniques de mesure d’IMT ICC=0,34 (95% intervalle de confiance 0,27-0,39). L’IMT est significativement plus élevé dans le groupe d’enfants « IMC élevé ». Mode-B (0.55 mm « IMC normal » vs. 0.57 mm « IMC élevé »; p=0.02); IMT RF (0.45 mm « IMC normal » vs. 0.48 mm « IMC élevé »; p=0.03) et IMT probabilité de distribution des signaux RF (0.32 mm « IMC normal » vs. 0.35 mm « IMC élevé »; p=0.010). La NIVE montre une différence significative dans la CAT de l'artère carotide commune des enfants avec un IMC normal par rapport à l'IMC élevé. Des variations significatives de la mesure des IMT ont été observées entre les différentes techniques. Cependant, les enfants avec IMC élevé ont des valeurs IMT plus élevées, indépendamment de la méthode utilisée. Les deux marqueurs subcliniques peuvent être utilisés pour la stratification des enfants à risque de maladies cardiovasculaires. La même méthode devrait toujours être utilisée. / Knowing that cardiovascular disease risk factors are present in asymptomatic children, this study explores the association between non-invasive vascular elastography (NIVE) as a subclinical marker of atherosclerosis and obesity in children. In the absence of a gold standard, we also compare B-mode and Radiofrequency (RF) based ultrasound measurements of intima-media thickness (IMT) in children with normal and increased body mass index (BMI). This is a prospective study between 2005 and 2011. NIVE parameters and IMT of the common carotid artery were compared between 60 children with normal BMI and 60 children with increased BMI enrolled in the QUebec Adipose and Lifestyle Investigation in Youth cohort (QUALITY). NIVE parameters included cumulated axial strain (CAS) (%) and cumulated axial translation (CAT) in mm. The three methods of IMT measurements included M’ath Std (B-mode), RF echotracking system and RF probability distribution using NIVE platform. ANOVA analysis and Pearson correlation were calculated using SAS version 9.3. Intra-class correlation coefficient (ICC) and regression analysis was done on MedCalc software version 17.2. The mean age was 11.4 years for the normal BMI group and 12 years for the increased BMI group. Fifty-eight percent were boys in the normal BMI group and 63% in the increased BMI group. The two groups were significantly different with respect to age, Tanner stage, systolic and diastolic blood pressure and were similar with respect to sex. After controlling for confounders, the results show no difference in CAS between the two groups and a significantly lower CAT in the normal BMI group (CAT=0.51+/-0.17 mm for the normal BMI group and 0.67+/-0.24 mm for the increased BMI group (p<0.001)). There is a weak correlation among the three techniques. ICC=0.34 (95% confidence interval (CI): 0.27-0.39). There is however significantly increased IMT in children with increased BMI according to all three techniques. The results were as follow: for B-mode IMT (0.55 mm (normal BMI group) vs. 0.57 mm (increased BMI group); p=0.02); for RF echotracking IMT (0.45 mm (normal BMI group) vs. 0.48 mm (increased BMI group); p=0.03) and for RF probability distribution IMT (0.32 mm (normal BMI group) vs. 0.35 mm (increased BMI group); p=0.010).NIVE is a one-step technique for IMT and CAT measurement in children at risk. Significant IMT measurement variation is observed between the three techniques. However, children with increased BMI tend to have higher IMT values regardless of the technique. Both subclinical markers can be used for optimal stratification of children with cardiovascular disease risk factors. The same technique should be used throughout.

Le contrôle non destructif est devenu nécessaire pour assurer la qualité des matériaux et des composants soit en service ou à l'étape de la production. Ceci nécessite l'utilisation d'une technique d’inspection rapide, robuste et fiable. En tant que technique de contrôle principale, la technologie des ultrasons a des capacités uniques pour évaluer la position, la taille et la forme des discontinuités. Ces informations ont un rôle essentiel dans les critères d'acceptation qui sont fondés sur la sécurité et les exigences de qualité des composants fabriqués. Par conséquent, un usage intensif de la technique des ultrasons apparaît notamment dans l'inspection des composites fabriqués à grande échelle dans l'industrie aérospatiale. D'importants progrès techniques ont contribué à l'optimisation des techniques d'acquisition par ultrasons telles que la technique de "Sampling Phased Array". Cependant, les systèmes d'acquisition doivent être complétés par une procédure d'analyse automatisée de données afin d'éviter l'interprétation manuelle fastidieuse de toutes les données produites. Un tel complément permet d'accélérer le processus d'inspection et d'améliorer sa fiabilité. L'objectif de cette thèse est de proposer une chaîne d’analyse dédiée au traitement automatique des volumes échographiques 3D obtenus en utilisant la technique Sampling Phased Array. Tout d'abord, une étude détaillée du bruit de speckle affectant les données échographiques a été effectuée, puisque ce type de bruit réduit la qualité des données échographiques. Ensuite, une chaîne d’analyse complète a été développée, constituée d'une procédure de segmentation suivie d'un processus de classification. La méthodologie de segmentation proposée est adaptée aux données ultrasonores 3D et a pour objectif de détecter tous les défauts potentiels à l'intérieur du volume d'entrée 3D. La procédure de segmentation étant en priorité dédiée à la détection des défauts qui est vitale, une difficulté principale est le taux élevé de fausses alarmes qui peuvent être détectées également. La classification correcte des fausses alarmes est nécessaire afin de réduire le taux de rejet des pièces saines. Cela doit être fait sans risquer la perte des vrais défauts. Par conséquent, la segmentation doit être suivie d'un processus de classification efficace qui doit distinguer les défauts réels des fausses alarmes. Ceci a été réalisé en utilisant une approche de classification spécifique basée sur une approche de fusion de données. La chaîne complète d'analyse a été testée sur plusieurs mesures ultrasonores volumiques de composites plastiques à renfort fibre de carbone. Les résultats expérimentaux de la chaîne ont révélé une grande précision ainsi qu'une très bonne fiabilité de détection, de caractérisation et de classification des défauts avec un taux très faible de fausses alarmes. / Non-destructive testing has become necessary to ensure the quality of materials and components either in-service or at the production stage. This requires the use of a rapid, robust and reliable testing technique. As a main testing technique, the ultrasound technology has unique abilities to assess the discontinuity location, size and shape. Such information play a vital role in the acceptance criteria which are based on safety and quality requirements of manufactured components. Consequently, an extensive usage of the ultrasound technique is perceived especially in the inspection of large scale composites manufactured in the aerospace industry. Significant technical advances have contributed into optimizing the ultrasound acquisition techniques such as the sampling phased array technique. However, acquisition systems need to be complemented with an automated data analysis procedure to avoid the time consuming manual interpretation of all produced data. Such a complement would accelerate the inspection process and improve its reliability. The objective of this thesis is to propose an analysis chain dedicated to automatically process the 3D ultrasound volumes obtained using the sampling phased array technique. First, a detailed study of the speckle noise affecting the ultrasound data was conducted, as speckle reduces the quality of ultrasound data. Afterward, an analysis chain was developed, composed of a segmentation procedure followed by a classification procedure. The proposed segmentation methodology is adapted for ultrasound 3D data and has the objective to detect all potential defects inside the input volume. While the detection of defects is vital, one main difficulty is the high amount of false alarms which are detected by the segmentation procedure. The correct distinction of false alarms is necessary to reduce the rejection ratio of safe parts. This has to be done without risking missing true defects. Therefore, there is a need for a powerful classifier which can efficiently distinguish true defects from false alarms. This is achieved using a specific classification approach based on data fusion theory. The chain was tested on several ultrasound volumetric measures of Carbon Fiber Reinforced Polymers components. Experimental results of the chain revealed high accuracy, reliability in detecting, characterizing and classifying defects.

Dans les examens médicaux et les actes de thérapie, les techniques minimalement invasives sont de plus en plus utilisées. Des instruments comme des aiguilles de biopsie, ou des électrodes sont utilisés pour extraire des échantillons de cellules ou pour effectuer des traitements. Afin de réduire les traumatismes et de faciliter le suivi visuelle de ces interventions, des systèmes d’assistance par imagerie médicale, comme par exemple, par l’échographie 2D, sont utilisés dans la procédure chirurgicale. Nous proposons d’utiliser l’échographie 3D pour faciliter la visualisation de l’aiguille, mais en raison de l’aspect bruité de l’image ultrasonore (US) et la grande quantité de données d’un volume 3D, il est difficile de trouver l’aiguille de biopsie avec précision et de suivre sa position en temps réel. Afin de résoudre les deux principaux problèmes ci-dessus, nous avons proposé une méthode basée sur un algorithme RANSAC et un filtre de Kalman. De même l’étude est limitée à une région d’intérêt (ROI) pour obtenir une localisation robuste et le suivi de la position de l’aiguille de biopsie en temps réel. La méthode ROI-RK se compose de deux étapes: l’étape d’initialisation et l’étape de suivi. Dans la première étape, une stratégie d’initialisation d’une ROI en utilisant le filtrage de ligne à base de matrice de Hesse est mise en œuvre. Cette étape permet de réduire efficacement le bruit de granularité du volume US, et de renforcer les structures linéaires telles que des aiguilles de biopsie. Dans la deuxième étape, après l’initialisation de la ROI, un cycle de suivi commence. L’algorithme RK localise et suit l’aiguille de biopsie dans une situation dynamique. L’algorithme RANSAC est utilisé pour estimer la position des micro-outils et le filtrage de Kalman permet de mettre à jour la région d’intérêt et de corriger la localisation de l’aiguille. Une stratégie d’estimation de mouvement est également appliquée pour estimer la vitesse d’insertion de l’aiguille de biopsie. Des volumes 3D US avec un fond inhomogène ont été simulés pour vérifier les performances de la méthode ROI-RK. La méthode a été testée dans des conditions variables, telles que l’orientation d’insertion de l’aiguille par rapport à l’axe de la sonde et le niveau de contraste (CR). La précision de la localisation est de moins de 1 mm, quelle que soit la direction d’insertion de l’aiguille. Ce n’est que lorsque le CR est très faible que la méthode proposée peut échouer dans le suivi d’une structure incomplète de l’aiguille. Une autre méthode, utilisant l’algorithme RANSAC avec apprentissage automatique a été proposée. Cette méthode vise à classer les voxels en se basant non seulement sur l’intensité, mais aussi sur les caractéristiques de la structure de l’aiguille de biopsie. Les résultats des simulations montrent que l’algorithme RANSAC avec apprentissage automatique peut séparer les voxels de l’aiguille et les voxels de tissu de fond avec un CR faible. / In medical examinations and surgeries, minimally invasive technologies are getting used more and more often. Some specially designed surgical instruments, like biopsy needles, or electrodes are operated by radiologists or robotic systems and inserted in human’s body for extracting cell samples or delivering radiation therapy. To reduce the risk of tissue injury and facilitate the visual tracking, some medical vision assistance systems, as for example, ultrasound (US) systems can be used during the surgical procedure. We have proposed to use the 3D US to facilitate the visualization of the biopsy needle, however, due to the strong speckle noise of US images and the large calculation load involved as soon as 3D data are involved, it is a challenge to locate the biopsy needle accurately and to track its position in real time in 3D US. In order to solve the two main problems above, we propose a method based on the RANSAC algorithm and Kalman filter. In this method, a region of interest (ROI) has been limited to robustly localize and track the position of the biopsy needle in real time. The ROI-RK method consists of two steps: the initialization step and the tracking step. In the first step, a ROI initialization strategy using Hessian based line filter measurement is implemented. This step can efficiently reduce the speckle noise of the ultrasound volume, and enhance line-like structures as biopsy needles. In the second step, after the ROI is initialized, a tracking loop begins. The RK algorithm can robustly localize and track the biopsy needles in a dynamic situation. The RANSAC algorithm is used to estimate the position of the micro-tools and the Kalman filter helps to update the ROI and auto-correct the needle localization result. Because the ROI-RK method is involved in a dynamic situation, a motion estimation strategy is also implemented to estimate the insertion speed of the biopsy needle. 3D US volumes with inhomogeneous background have been simulated to evaluate the performance of the ROI-RK method. The method has been tested under different conditions, such as insertion orientations angles, and contrast ratio (CR). The localization accuracy is within 1 mm no matter what the insertion direction is. Only when the CR is very low, the proposed method could fail to track because of an incomplete ultrasound imaging of the needle. Another methodology, i.e. RANSAC with machine learning (ML) algorithm has been presented. This method aims at classifying the voxels not only depending on their intensities, but also using some structure features of the biopsy needle. The simulation results show that the RANSAC with ML algorithm can separate the needle voxels and background tissue voxels with low CR.