Le but principal de ce projet est de préparer l’implantation clinique du système Clarity qui utilise une sonde ultrasonore pour visualiser l’anatomie interne du patient. Ce système est utilisé pour les cas de prostate et nécessite d’être adapté pour les cas de poumon. L’utilité de ce système est de suivre un substitut afin d’inférer la position d’une tumeur pulmonaire. L’hypothèse de cette étude est qu’un substitut interne serait mieux corrélé avec une tumeur pulmonaire que le seraient des marqueurs externes. Les sous-objectifs sont : 1) aborder l’adaptation du montage pour faire des acquisitions sur des patients ; 2) explorer la performance des algorithmes de détection de mouvements ainsi que des métriques de qualité d’image sur des images US et ciné IRM; 3) démontrer que la corrélation entre un substitut interne et une structure pulmonaire est plus grande que celle avec un substitut externe. Pour les acquisitions d’images US, la sonde est placée sur les volontaires et fixée à la table de traitement à l’aide d’un bras mécanique. Il a été démontré qu’une pression insuffisante peut causer une perte de signal dû à la forme curviligne de la sonde. La diminution de la moyenne des intensités de l’image et de l’écart-type confirme une perte de signal lors d’amplitudes respiratoires élevées justifiée par une perte de contact entre la sonde et la peau malgré la fixation de la sonde. Entre les algorithmes de corrélation croisée normalisée (NCC), d’erreur moyenne quadratique (RMS) et de flux optique, la méthode NCC semble la plus robuste pour suivre le substitut interne (structure dans le foie) dans les images IRM pour 5/9 volontaires sains ( = 0, 050). Cette méthode est utilisé présentement pour les cas de prostate. Le flux optique s’est montré plus efficace pour des cas spécifiques ce qui démontre l’intérêt d’adapter l’algorithme pour les cas de poumons. Enfin, il a été démontré sur les images IRM qu’un substitut interne au niveau du foie est plus efficace pour la majorité des volontaires (8/9) en comparaison avec un marqueur sur la peau placé dans la région abdominale. Le marqueur abdominal possède une meilleure corrélation qu’un marqueur thoracique (9/9) illustrant l’importance du positionnement d’un marqueur externe pour le suivi d’une tumeur pulmonaire. / The main objective of this thesis is to prepare the clinical implementation of the Clarity ultrasound system for indirect lung tumours tracking using a surrogate. It is currently used for motion management during prostate treatments and requires adaptation. Our hypothesis is that an internal marker would have a better correlation with the tumour’s position than an external surrogate. The sub-objectives are : 1) test different setups for the image acquisition on patients ; 2) explore the algorithms’ performance for motion detection as well as the image quality metrics on US and dynamic MRI images ; 3) evaluate the correlation between surrogates and a lung structure to determine which performs best. The ultrasound probe is fixed on the treatment couch for the acquisition on healthy volunteers using a mechanical arm. Low pressure on the patient’s skin results in a loss of signal due to the curvilinear shape of the probe. We observed a loss of contact between the probe and the volunteers’ skin due to ample movements causing a deterioration of the image quality. We tested three different motion detection algorithms on dynamic MRI images : normalized cross-correlation (NCC), root mean square error (RMS) and optical flow. The NCC algorithm is the most robust out of the three for 5/9 volunteers for the internal surrogate tracking ( < 0.050). In specific cases, the optical flow method performed better indicating an interest in developping a new algorithm for indirect lung tracking. Finally, the correlation between the surrogates and a lung structure were calculated using the MRI images. The internal surrogate inside the liver was proven more efficient for indirect lung tumour tracking for 8/9 volunteers. External markers give a greater prediction error. It has also been shown that the positioning of the external marker on the patient’s skin impacts the correlation. The abdominal marker is better than the thoracic one for all the volunteers.

Dans cette thèse, nous avons étudié le problème de l'estimation de mouvement chez les mammifères et nous proposons que passer à l’échelle des modèles ancrés dans la biologie pour les applications du monde réel peut nous donner de nouvelles perspectives en vision biologique. En utilisant un modèle classique qui décrit l'activité des neurones dans les aires corticales V1 et MT du cerveau des primates, nous avons proposé une architecture montante pour l'estimation de mouvement et l’avons évaluée sur des exemples de référence de vision par ordinateur (une première pour ce type de modèles), révélant des lacunes telles que le manque de sélectivité au niveau des frontières de mouvement et l'absence d'association spatiale du champ de vitesses. Pour y remédier, nous avons proposé deux extensions, une stratégie d’intégration modulée par la forme pour minimiser les erreurs aux discontinuités de texture et un schéma de régression pour le décodage. Ces extensions ont amélioré la précision de l'estimation, mais aussi souligné à nouveau le débat sur le rôle des différents types de cellules dans le codage mouvement, par exemple le rôle relatif des cellules “pattern” par rapport aux cellules “component”. Pour comprendre cela, nous avons utilisé un modèle de champs neuronaux représentant une population de cellules MT pour comprendre le rôle des récurrences. Nos résultats montrent qu'une variété de comportements peuvent être reproduits, ils expliquent les changements dynamiques en fonction des stimuli, et nous conduisent à remettre en cause les régimes élevés d'inhibition généralement choisis dans la littérature. / In this thesis, we studied the problem of motion estimation in mammals and propose that scaling up models rooted in biology for real world applications can give us fresh insights into the biological vision. Using a classic model that describes the activity of directionally-selective neurons in V1 and MT areas of macaque brain, we proposed a feedforward V1-MT architecture for motion estimation and benchmarked it on computer vision datasets (first publicly available evaluation for this kind of models), revealing interesting shortcomings such as lack of selectivity at motion boundaries and lack of spatial association of the flow field. To address these, we proposed two extensions, a form modulated pooling strategy to minimize errors at texture boundaries and a regression based decoding scheme. These extensions improved estimation accuracy but also reemphasized the debate about the role of different cell types (characterized by their tuning curves) in encoding motion, for example relative role of pattern cells versus component cells. To understand this, we used a phenomenological neural fields model representative of a population of directionally tuned MT cells to check whether different tuning behaviors could be reproduced by a recurrently interacting population or if we need different types of cells explicitly. Our results indicated that a variety of tuning behavior can be reproduced by a minimal network, explaining dynamical changes in the tuning with change of stimuli leading us to question the high inhibition regimes typically considered by models in the literature.

Le vieillissement entraîne une dégradation des mécanismes sensoriels d’intégration pouvant se manifester dans les tâches de la vie quotidienne des seniors par une perte d'autonomie et des risques de chute. Parmi les facteurs contribuant à l’augmentation de ces risques, certains pourraient relever d’une dégradation de la (re)pondération des signaux sensoriels se traduisant par une augmentation de la dépendance aux informations visuelles et aux références spatiales associées.Examiner la dépendance au référentiel visuel (DRV) dans le contexte du vieillissement permet ainsi de mieux comprendre:• si des effets d’âge sur la cognition et/ou la sensorimotricité sont liés à l’augmentation de la DRV;• si la DRV majorée des seniors indique un mode préféré de référentiation spatiale ou une conséquence des déficits liés à l'âge;• l’évolution de ces associations et ces mécanismes en étudiant des jeunes adultes, des adultes d'âge intermédiaire et des seniors.Dans le Chapitre 2, nous avons examiné les facteurs associés à une plus grande DRV avec l'âge. Nous avons confirmé les résultats classiques de la littérature en montrant une augmentation de la DRV avec l’âge, de plus celle-ci était associée avec une réduction de i) l’effet Aubert, indiquant une réduction de la dépendance au référentiel égocentré (DRE), ii) la capacité de traitement d'attention visuelle parallèle, et iii) la stabilité de fixation visuelle.Nous avons étudié ensuite les comportements d’orientation et de stabilisation de nos participants pendant des tâches posturales, et de marche face à des flux optiques linéaires projetés au sol. Dans le Chapitre 3, nos participants se tenaient 1) en posture érigée pieds serrés ou 2) marchaient sur place (MSP - contacts podaux intermittents) face à 1- une stimulation visuelle statique, 2- un flux optique naturel (aucune stimulation), 3- en approche ou 4- en recul. Les flux optiques ont surtout influencé la MSP induisant des dérives antéroposterieures de la tête, du tronc et du centre de pression (CdP). Les dérives étaient plus marquées chez les seniors par rapport aux autres groupes. Ces participants ont aussi montré des dérives naturelles en condition de MSP, i.e. sans stimulation visuelle projetée. La direction du flux optique a provoqué les effets les plus importants sur la dérive du CdP en association avec i) une DRV supérieure, ii) une DRE réduite et iii) une plus grande dérive naturelle,Dans le chapitre 4, nous avons étudié l'influence de ces mêmes flux sur le contrôle des paramètres de la marche et sur la stabilisation de la tête au cours de la marche. La dépendance au cadre de référence visuel s’est manifestée chez les seniors dans les conditions de i) flux naturel par une stratégie d’abaissement de la tête et une capacité réduite de stabilisation de la tête sur l’espace dont on peut penser que ces comportements visaient à maximiser l’utilisation des indices visuels disponibles, et ii) flux visuels imposés, par une réorientation du tronc et une augmentation de la fréquence du pas. Les résultats montrent aussi une adoption plus fréquente de la stratégie de stabilisation de la tête sur l’espace en conditions imposées de stimulation visuelle. Ce résultat suggère qu’un renforcement artificiel du flux optique mène à une adaptation posturale permettant une meilleure intégration des informations sensorielles pendant la marche.Nos résultats complètent les connaissances actuelles sur les relations entre la DRV et le contrôle sensorimoteur en fonction de la tâche perceptivo- motrice avec l’âge. Cette dépendance semble être associée à une réduction de l'exploitation du cadre de référence égocentrée en termes de perception de l’orientation du corps/verticale et de mouvement- propre, et se manifeste différemment selon la tâche. Enfin, notre travail ouvre des pistes de réflexion pour tenir compte de la DRV exacerbée dans la conception de protocoles d’entraînement pour des seniors plus dépendants. / Aging entails deficits in the mechanisms of sensory integration which may affect daily living tasks in old adults, ultimately leading to loss of autonomy and health risks, notably falls. Among the factors contributing to these risks, some may be associated with a degradation in sensory (re)weighting, leading to a greater reliance on visual cues and the associated frames of reference (FoR) (visual field dependence).Our aim was to study how preferential modes of spatial referencing influence sensorimotor control. Examining visual field dependence in the context of aging thus allows to better understand:• if age-related cognition and/or sensorimotor deficits are associated with increased reliance on the visual FoR;• whether this reliance indicates a preferred mode of spatial referencing or a consequence of age-related deficits;• how the above associations and mechanisms evolve by studying young, middle-aged and old adults.We first examined possible factors associated with greater reliance on the visual FoR with age (Chapter 2). We confirmed classic literature reports of increased visual field dependence in old age, and uncovered an association between greater visual field dependence and reduced i) reliance on the egocentric FoR, ii) parallel attentional visual processing ability, and iii) visual fixation stability.We subsequently examined the orientation and stabilisation behaviour of our participants during postural tasks and while walking under different conditions of linear ground optic flow. In Chapter 3, participants stood quietly or stepped in place (SIP – intermittent podal contacts with the ground surface) while confronted with 1- natural optic flow (no stimulus), 2- a static visual stimulation, 3- approaching and 4- receding optic flow. The results showed that the optic flow stimuli influenced SIP primarily as evidenced by anteroposterior drifting of the head, trunk and centre of pressure (COP). Old adults had larger amplitudes of drift compared to the younger participants, and drifted even under natural flow (natural drift) during SIP, indicating reduced egocentric self-motion perception. The most important directional optic flow effects were on the COP and were associated with i) increased reliance on the visual FOR, ii) reduced reliance on the egocentric FoR, and iii) greater natural drift.In Chapter 4 we investigated the influence of ground optic flow on the control of walking and head stabilisation. Reliance on the visual FoR in old adults was manifested under conditions of i) natural flow by a reduced head pitch orientation and ability to stabilise their head in space, which may indicate a strategy to maximise the salience of available visual cues and ii) imposed optic flow, by a re-orientation of the trunk in pitch and increase in stepping frequency. Our results also revealed a general improvement of head stabilisation under conditions of imposed visual stimulation towards a more frequent adoption of the head stabilisation in space strategy. This suggests that the artificial enhancement of optic flow provokes a postural adaptation in order to optimise sensory information processing when walking.Our findings extend current knowledge on the association between reliance on the visual FoR and sensorimotor control across adulthood and depending on the perceptivo-motor task. It is evident that this reliance is linked to a reduction in the exploitation of the egocentric FoR in terms of body orientation and self-motion perception, and that its manifestation depends on the task. Finally, our work provides insights for the design of training protocols aimed at frailer olds taking into account exacerbated reliance on the visual FoR.

Cette thèse étudie la précision en vision stéréo, les méthodes de détection dites a contrario et en présente une application à l'imagerie satellitaire. La première partie a été réalisée dans le cadre du projet DGA-ANR-ASTRID "STÉRÉO". Son but est de définir les limites effectives des méthodes de reconstruction stéréo quand on contrôle toute la chaîne d’acquisition à la précision maximale, que l’on acquiert des paires stéréo en rapport B/H très faible et sans bruit. Pour valider ce concept, nous créons des vérités terrains très précises en utilisant un rendeur. En gardant les rayons calculés durant le rendu, nous avons une information très dense sur la scène 3D. Ainsi nous créons des cartes d'occultations, de disparités dont l'erreur de précision est inférieure à 10e-6. Nous avons mis à la disposition de la communauté de recherche des images de synthèse avec un SNR supérieur à 500 : un ensemble de 66 paires stéréo dont le B/H varie de1/2500 à 1/50. Pour évaluer les méthodes de stéréo sur ce nouveau type de données, nous proposons des métriques calculant la qualité des cartes de disparités estimées, combinant la précision et la densité des points dont l'erreur relative est inférieure à un certain seuil. Nous évaluons plusieurs algorithmes représentatifs de l'état de l'art, sur les paires créées ainsi sur les paires de Middlebury, jusqu'à leurs limites de fonctionnement. Nous confirmons par ces analyses, que les hypothèses théoriques sur le bien-fondé du faible B/H en fort SNR sont valides, jusqu'à une certaine limite que nous caractérisons. Nous découvrons ainsi que de simples méthodes de flux optique pour l'appariement stéréo deviennent plus performantes que des méthodes variationnelles discrètes plus élaborées. Cette conclusion n'est toutefois valide que pour des forts rapports signal à bruit. L'exploitation des données denses nous permet de compléter les vérités terrain par une détection très précise des bords d'occultation. Nous proposons une méthode de calcul de contours vectoriels subpixéliens à partir d'un nuage de points très dense, basée sur des méthodes a contrario de classification de pixels. La seconde partie de la thèse est dédiée à une application du flot optique subpixélien et des méthodes a contrario pour détecter des nuages en imagerie satellitaire. Nous proposons une méthode qui n'exploite que l'information visible optique. Elle repose sur la redondance temporelle obtenue grâce au passage répété des satellites au-dessus des mêmes zones géographiques. Nous définissons quatre indices pour séparer les nuages du paysage : le mouvement apparent inter-canaux, la texture locale, l'émergence temporelle et la luminance. Ces indices sont modélisés dans le cadre statistique des méthodes a contrario qui produisent un NFA (nombre de fausses alarmes pour chacun). Nous proposons une méthode pour combiner ces indices et calculer un NFA beaucoup plus discriminant. Nous comparons les cartes de nuages estimées à des vérités terrain annotées et aux cartes nuageuses produites par les algorithmes liés aux satellites Landsat-8 etSentinel-2. Nous montrons que les scores de détection et de fausses alarmes sont supérieurs à ceux obtenus avec ces algorithmes, qui pourtant utilisent une dizaine de bandes multi-spectrales. / This thesis studies the accuracy in stereo vision, detection methods calleda contrario and presents an application to satellite imagery. The first part was carried out within the framework of the project DGA-ANR-ASTRID"STEREO". His The aim is to define the effective limits of stereo reconstruction when controlling the entire acquisition chain at the maximum precision, that one acquires stereo pairs in very low baseline and noise-free. To validate thisconcept, we create very precise ground truths using a renderer. By keeping the rays computed during rendering, we have very dense information on the 3Dscene. Thus we create occultation and disparity maps whose precision error is less than 10e-6. We have made synthetic images available to the research community with an SNR greater than 500: a set of 66 stereo pairs whoseB/H varies from 1/2500 to 1/50. To evaluate stereo methods onthis new type of data, we propose metrics computing the quality of the estimated disparity maps, combining the precision and the density of the points whose relative error is less than a certain threshold. We evaluate several algorithmsrepresentative of the state of the art, on the pairs thus created and on theMiddlebury pairs, up to their operating limits. We confirm by these analyzesthat the theoretical assumptions about the merit of the low B/H in highSNR are valid, up to a certain limit that we characterize. We thus discover that simple optical flow methods for stereo matching become more efficient than more sophisticated discrete variational methods. This conclusion, however, is only valid for high signal-to-noise ratios. The use of the dense data allows us to complete the ground truths a subpixel detection of the occlusion edges. We propose a method to compute subpixel vector contours from a very dense cloud ofpoints, based on pixel classification a contrario methods. The second part of the thesis is devoted to an application of the subpixelian optical flowand a contrario methods to detect clouds in satellite imagery. We propose a method that exploits only visible optical information. It is based onthe temporal redundancy obtained by the repeated passages of the satellites overthe same geographical zones. We define four clues to separate the clouds fromthe landscape: the apparent inter-channel movement, Local texture, temporal emergence and luminance. These indices are modeled in the statistical framework of a contrario methods which produce an NFA (number of false alarms for each). We propose a method for combining these indices and computing a much more discriminating NFA. We compare the estimated cloud maps to annotated ground truths and the cloud maps produced by the algorithms related to the Landsat-8and Sentinel-2 satellites. We show that the detection and false alarms scores are higher than those obtained with these algorithms, which however use a dozen multi-spectral bands.

Cette thèse porte sur deux sujets de vision par ordinateur axés sur l’analyse de mouvement dans une scène dynamique vue par une ou plusieurs caméras. En premier lieu, nous avons travaillé sur le problème de la capture de mouvement avec des caméras non synchronisées. Ceci entraı̂ne généralement des erreurs de mise en correspondance 2D et par la suite des erreurs de reconstruction 3D. En contraste avec les solutions matérielles déjà existantes qui essaient de minimiser voire annuler le délai temporel entre les caméras, nous avons proposé une solution qui assure une invariance aux délais. En d’autres termes, nous avons développé une méthode qui permet de trouver la bonne mise en correspondance entre les points à reconstruire indépendamment du délai temporel. En second lieu, nous nous sommes intéressés au problème du flux optique avec une approche différente des méthodes proposées dans l’état de l’art. Le flux optique est utilisé pour l’analyse de mouvement en temps réel. Il est donc important qu’il soit calculé rapidement. Généralement, les méthodes existantes de flux optique sont classées en deux principales catégories: ou bien à la fois denses et précises mais très exigeantes en calcul, ou bien rapides mais moins denses et moins précises. Nous avons proposé une alternative qui tient compte à la fois du temps de calcul et de la précision du résultat. Nous avons proposé d’utiliser les isocontours d’intensité et de les mettre en correspondance afin de retrouver le flux optique en question. Ces travaux ont amené à deux principales contributions intégrées dans les chapitres de la thèse. / In this thesis we focused on two computer vision subjects. Both of them concern motion analysis in a dynamic scene seen by one or more cameras. The first subject concerns motion capture using unsynchronised cameras. This causes many correspondence errors and 3D reconstruction errors. In contrast with existing material solutions trying to minimize the temporal delay between the cameras, we propose a software solution ensuring an invariance to the existing temporal delay. We developed a method that finds the good correspondence between points regardless of the temporal delay. It solves the resulting spatial shift and finds the correct position of the shifted points. In the second subject, we focused on the optical flow problem using a different approach than the ones in the state of the art. In most applications, optical flow is used for real-time motion analysis. It is then important to be performed in a reduced time. In general, existing optical flow methods are classified into two main categories: either precise and dense but computationally intensive, or fast but less precise and less dense. In this work, we propose an alternative solution being at the same time, fast and precise. To do this, we propose extracting intensity isocontours to find corresponding points representing the related optical flow. By addressing these problems we made two major contributions.

Percevoir son espace d’évolution est une activité déterminante dans l’élaboration des relations spatiales que nous tissons avec notre environnement. En neurosciences comportementales, l’étude de ces relations a généralement été abordée selon deux perspectives théoriques. L’une d’elle s’attache à décrire les relations au monde au travers des processus de perception directe impliquant notamment la notion d’affordances (i.e. de possibilités d’actions naturellement offertes par l’environnement) ; tandis que d’autres s’intéressent d’avantage aux aspects cognitifs de la perception avec la mise en place de processus de représentation spatiale. Cette dernière reflète notamment l’existence d’état(s) représenté(s) qu’il est possible de décrire à travers de la combinaison d’espaces stables appelés référentiels spatiaux. L’objectif de ce travail de thèse vise à mieux comprendre la contribution du référentiel égocentré (i.e. corporel) dans la perception de l’espace géocentré (i.e. gravitaire). La question a notamment été abordée autour de deux axes de recherche interrogeant d’une part (i) l’origine de l’influence égocentrée préalablement observée dans le noir sur la perception géocentrée, et d’autre part (ii) la présence du phénomène égocentré dans un contexte visuel plus enrichi suite à l’ajout d’un flux optique. Pour ce faire quatre études centrées autour d’un paradigme d’estimation des possibilités de franchissement d’obstacles hauts ont été réalisées. Pris dans leur ensemble, les résultats expérimentaux soulignent le caractère particulièrement puissant et complexe du phénomène égocentré corporel observé sur la perception de l’espace gravitaire. Ces résultats, discutés en termes d’interpénétrabilité entre référentiels spatiaux offrent un support d’étude intéressant sur la manière dont les référentiels sont utilisés dans les processus de représentation spatiale. / Perceiving space is a relevant task in determining our relationships with the environment. In behavioral neuroscience, investigating this spatial relationship can classically be explored with two theoretical approaches. The first one uses direct perception to describe the spatial relationships, involving affordances (i.e. the action ability naturally offer by the environment). The other one investigates the cognitive aspect of perception implying the use of spatial representation process. The later one traduces the existence of represented states which can be described through the interaction of different stable states called spatial reference frames. The present work investigates the contribution of the egocentric reference frame (body-related) on the perception of the geocentric space (earth-based). This was questioned through two research lines, (i) the origin of egocentric influence previously observed in darkness upon geocentric perception, (ii) the existence of the egocentric phenomenon in an enriched visual scene. To answer these questions, four experiments were conducted where the paradigm of passing under high obstacles was used. Overall, these results stress the powerful and complex aspect of the egocentric phenomenon observed upon geocentric perception. This work, discussed in term of interpenetrability between reference frames, provide an interesting support on the way how spatial reference frames are used in perceiving space.

Cancers et maladies cardio-vasculaires sont responsables de plus de 40 % des décès dans le monde. De nombreuses personnes souffrent par ailleurs quotidiennement de ces maladies. En réduire la fréquence dans le futur passe avant tout par une adaptation de notre mode de vie et une prévention accrue, éclairées par une connaissance plus approfondie des mécanismes de ces maladies. Il est également crucial d'améliorer les diagnostics et les traitements actuels afin de mieux prendre en charge les malades d'aujourd'hui et de demain.<p><p>Lorsque le tableau clinique présenté par un patient n'est pas clair, de nombreuses techniques d'imagerie médicale permettent d'affiner le diagnostic, de préciser le pronostic et de suivre l'évolution des maladies au cours du temps. Ces mêmes techniques sont également utilisées en recherche fondamentale pour faire progresser la connaissance du fonctionnement normal et pathologique du corps humain. Il s'agit par exemple de l'échographie, de l'imagerie par résonance magnétique, de la tomodensitométrie à rayons X ou encore de la tomographie par émission de positrons (TEP).<p><p>Certaines de ces techniques mettent en évidence le métabolisme de molécules, comme le glucose et certains acides aminés. C'est le cas de la tomographie par émission de positrons, dans laquelle une petite quantité de molécules marquées avec un élément radioactif est injectée au patient. Ces molécules se concentrent de préférence dans les endroits du corps humain où elles sont utilisées. Instables, les noyaux radioactifs se désintègrent en émettant un anti-électron, encore appelé positron. Chaque positron s'annihile ensuite à proximité du lieu d'émission avec un électron du corps du patient, provoquant l'émission simultanée de deux photons de haute énergie dans deux directions opposées. Après avoir traversé les tissus, ces photons sont captés par un anneau de détecteurs entourant le patient. Sur base de l'ensemble des événements collectés, un algorithme de reconstruction produit enfin une image de la distribution du traceur radioactif.<p><p>La tomographie par émission de positrons permet notamment d'évaluer l'efficacité du traitement des tumeurs avant que la taille de celles-ci n'ait changé, ce qui permet d'aider à décider de poursuivre ou non le traitement en cours. En cardiologie, cette technique permet de quantifier la viabilité du muscle cardiaque après un infarctus et aide ainsi à évaluer la pertinence d'une intervention chirurgicale.<p><p>Plusieurs facteurs limitent la précision des images TEP. Parmi ceux-ci, on trouve l'effet de volume partiel et le mouvement du coeur.<p><p>L'effet de volume partiel mène à des images floues, de la même manière qu'un objectif d'appareil photo incorrectement mis au point produit des photographies floues. Deux possibilités s'offrent aux photographes pour éviter cela :soit améliorer la mise au point de leur objectif, soit retoucher les images après les avoir réalisées ;améliorer la mise au point de l'objectif peut s'effectuer dans l'espace des données (ajouter une lentille correctrice avant l'objectif) ou dans l'espace des images (ajouter une lentille correctrice après l'objectif).<p><p>Le mouvement cardiaque provoque également une perte de netteté des images, analogue à l'effet de flou sur une photographie d'une voiture de course réalisée avec un grand temps de pose. Classiquement, on peut augmenter la netteté d'une image en diminuant le temps de pose. Cependant, dans ce cas, moins de photons traversent l'objectif et l'image obtenue est plus bruitée.<p><p>On pourrait alors imaginer obtenir de meilleurs images en suivant la voiture au moyen de l'appareil photo. <p><p>De cette manière, la voiture serait à la fois nette et peu corrompue par du bruit, car beaucoup de photons pourraient être détectés.<p><p>En imagerie TEP, l'effet de volume partiel est dû à de nombreux facteurs dont le fait que le positron ne s'annihile pas exactement à l'endroit de son émission et que le détecteur frappé par un photon n'est pas toujours correctement identifié. La solution passe par une meilleure modélisation de la physique de l'acquisition au cours de la reconstruction, qui, en pratique est complexe et nécessite d'effectuer des approximations.<p><p>La perte de netteté due au mouvement du coeur est classiquement traitée en figeant le mouvement dans plusieurs images successives au cours d'un battement cardiaque. Cependant, une telle solution résulte en une diminution du nombre de photons, et donc en une augmentation du bruit dans les images. Tenir compte du mouvement de l'objet pendant la reconstruction TEP permettrait d'augmenter la netteté en gardant un bruit acceptable. On peut également penser à superposer différentes images recalées au moyen du mouvement.<p><p>Au cours de ce travail, nous avons étudié des méthodes qui tirent le meilleur parti possible des informations fournies par les événements détectés. Pour ce faire, nous avons choisi de baser nos reconstructions sur une liste d'événements contenant la position exacte des détecteurs et le temps exact d'arrivée des photons, au lieu de l'histogramme classiquement utilisé.<p><p>L'amélioration de résolution passe par la connaissance de l'image d'une source ponctuelle radioactive produite par la caméra.<p><p>À la suite d'autres travaux, nous avons mesuré cette image et nous l'avons modélisée, pour la première fois, au moyen d'une fonction spatialement variable, non-gaussienne et asymétrique. Nous avons ensuite intégré cette fonction dans un algorithme de reconstruction, dans l'espace image. C'est la seule possibilité pratique dans le cas d'acquisitions en mode liste. Nous avons ensuite comparé les résultats obtenus avec un traitement de l'image après la reconstruction.<p><p>Dans le cadre de la correction de mouvement cardiaque, nous avons opté pour l'étude de la reconstruction simultanée de l'image et du déplacement, sans autres informations externes que les données TEP et le signal d'un électrocardiogramme. Nous avons ensuite choisi d'étudier la qualité de ces estimateurs conjoints intensité-déplacement au moyen de leur variance. Nous avons étudié la variance minimale que peut atteindre un estimateur conjoint intensité-mouvement, sur base des données TEP uniquement, au moyen d'un outil appelé borne de Cramer-Rao. Dans ce cadre, nous avons étudié différentes manières existantes d'estimer la borne de Cramer-Rao et nous avons proposé une nouvelle méthode d'estimation de la borne de Cramer-Rao adaptée à des images de grande dimension. Nous avons enfin mis en évidence que la variance de l'algorithme classique OSEM était supérieure à celle prédite par la borne de Cramer-Rao. En ce qui concerne les estimateurs combinés intensité-déplacement, nous avons observé la diminution de la variance minimale possible sur les intensités lorsque le déplacement était paramétrisé sur des fonctions spatiales lisses.<p><p>Ce travail est organisé comme suit. Le chapitre théorique commence par brosser brièvement le contexte historique de la tomographie par émission de positrons. Nous avons souhaité insister sur le fait que l'évolution des idées n'est romantique et linéaire qu'à grande échelle. Nous abordons ensuite la description physique de l'acquisition TEP. Dans un deuxième chapitre, nous rappelons quelques éléments de la théorie de l'estimation et de l'approximation et nous traitons des problèmes inverses en général et de la reconstruction TEP en particulier.<p><p>La seconde partie aborde le problème du manque de netteté des images et la solution que nous avons choisi d'y apporter :une modélisation dans l'espace image de la réponse impulsionnelle de la caméra, en tenant compte de ses caractéristiques non gaussienne, asymétrique et spatialement variable. Nous présentons également le résultat de la comparaison avec une déconvolution post-reconstruction. Les résultats présentés dans ce chapitre ont fait l'objet d'une publication dans la revue Physics in Medicine and Biology.<p><p>Dans un troisième volet, nous abordons la correction de mouvement. Une premier chapitre brosse le contexte de la correction de mouvement en TEP et remet en perspective les différentes méthodes existantes, dans un cadre bayésien unificateur.<p><p>Un second chapitre aborde ensuite l'estimation de la qualité des images TEP et étudie en particulier la borne de Cramer-Rao.<p><p>Les résultats obtenus sont enfin résumés et replacés dans leur contexte dans une conclusion générale.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le vieillissement dit "naturel", affecte physiologiquement les structures auditives périphériques; il en va de même du collicule supérieur (CS) lors du traitement des signaux auditifs et visuels. Chez le rat âgé, la sensibilité auditive périphérique diminue et l’extraction des attributs des signaux auditifs est modifiée, et ce, dès les noyaux cochléaires (premiers relais centraux de la voie auditive ascendante). De plus, les propriétés spectrales, temporelles et directionnelles des neurones auditifs du CS sont altérées lors du vieillissement. Ceci se manifeste aussi au niveau de l’organisation topographique de la sensibilité à la direction qui est abolie au sein des couches profondes du CS. Dans la même optique, l’extraction des attributs des fréquences spatiales concentriques mobiles (en présence ou en absence d’objet sonore modulé en amplitude) est altérée aussi au niveau des neurones audiovisuels du CS lors du vieillissement. En effet, au niveau spatial, chez l’animal âgé, la présence de déficits visuels est particulièrement marquée par une diminution de la sensibilité aux stimuli visuels et audiovisuels mobiles et rapides lors du déplacement de l’organisme dans son environnement. Compte tenu de l’ampleur des changements qui s’installent avec le vieillissement au niveau des structures périphériques et centrales, inévitablement, les mécanismes nerveux de la plasticité audiovisuelle de bas niveau, i.e. au niveau des neurones du CS, sont perturbés. En outre, chez l’animal âgé, le gain audiovisuel induit par l’activité des neurones du CS ne produit pas d’amélioration notable par rapport à la modalité unisensorielle. Dans l’ensemble, ces résultats montrent que le vieillissement perturbe l’activité neuronale du CS permettant de détecter les informations sensorielles pertinentes dans un environnement audiovisuel complexe. / Age-related physiological changes affect the peripheral auditory structures; this also applies to the superior colliculus (SC) auditory and visual processes. In aged rats, the peripheral hearing sensitivity decreases and at more central regions, particularly the first central node, in the ascending auditory projections, auditory processing of sounds is altered. Furthermore, at the level of the SC, spectral, temporal and directional properties of auditory neurons are also altered during aging. In addition, no systematic directional spatial arrangement is encountered among the neurons of aged rats, implying that the topographical organization of the auditory directional map is abolished in the deep layers of the SC. Moreover, in a condition where SC visual neurons are stimulated with looming concentric sinusoidal gratings (in the presence or in the absence of modulated audio signals), visual deficits in aged animals are particularly marked by a decrease in sensitivity to fast moving visual and audiovisual stimuli during self-motion. Given the links of age-related changes in the peripheral and in the central structures, inevitably, the mechanisms underlying the neuronal audiovisual plasticity, in the low-level (SC), are somehow disrupted. Specifically, in aged animals, the presence of the auditory stimulus when coupled with the visual signal did not enhance the response activity of the visual neurons. This seems to suggest that the mechanism that may serve to amplify the visual signal under weak or ambiguous and noisy conditions thus improving greater behavioral relevance of detecting rapidly approaching visual and audiovisual moving objects during self-motion is altered with aging. Overall, these results show that aging disrupts the SC neuronal activity that enables detection of relevant sensory information in a complex audiovisual environment.

Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème de l’atterrissage lunaire autonome et nous proposons une méthode innovante amenant une alternative à l’utilisation de capteurs classiques qui peuvent se révéler encombrants, énergivores et très onéreux.La première partie est consacrée au développement et à la construction de capteurs de mouvement inspirés de la vision des insectes volants et mesurant le flux optique.Le flux optique correspond à la vitesse angulaire relative de l’environnement mesurée par la rétine d’un agent. Dans un environnement fixe, les mouvements d’un robot génèrent un flux optique contenant des informations essentielles sur le mouvement de ce dernier. En utilisant le principe du « temps de passage », nous présentons les résultats expérimentaux obtenus en extérieur avec deux versions de ces capteurs.Premièrement, un capteur mesurant le flux optique dans les deux directions opposées est développé et testé en laboratoire. Deuxièmement un capteur adapté à la mesure des faibles flux optiques similaires à ceux pouvant être mesurés lors d’un alunissage est développé, caractérisé et enfin testé sur un drone hélicoptère en conditions extérieures.Dans la seconde partie, une méthode permettant de réaliser le guidage, la navigation et la commande (GNC pour Guidance Navigation and Control) du système est proposée. L’innovation réside dans le fait que l’atterrissage en douceur est uniquement assuré par les capteurs de flux optique. L’utilisation des capteurs inertiels est réduite au maximum. Plusieurs capteurs orientés dans différentes directions de visée, et fixés à la structure de l’atterrisseur permettent d’atteindre les conditions finales définies par les partenaires industriels. Les nombreuses informations décrivant la position et l’attitude du système contenues dans le flux optique sont exploitées grâce aux algorithmes de navigation qui permettent d’estimer les flux optiques ventraux et d’expansion ainsi que le tangage.Nous avons également montré qu’il est possible de contrôler l’atterrisseur planétaire en faisant suivre aux flux optiques estimés une consigne optimale au sens de la consommation d’énergie. Les simulations réalisées durant la thèse ont permis de valider le fonctionnement et le potentiel de la solution GNC proposée en intégrant le code du capteur ainsi que des images simulées du sol de la lune. / In this PhD thesis, the challenge of autonomous lunar landing was addressed and an innovative method was developed, which provides an alternative to the classical sensor suites based on RADAR, LIDAR and cameras, which tend to be bulky, energy consuming and expensive. The first part is devoted to the development of a sensor inspired by the fly’s visual sensitivity to optic flow (OF). The OF is an index giving the relative angular velocity of the environment sensed by the retina of a moving insect or robot. In a fixed environment (where there is no external motion), the self-motion of an airborne vehicle generates an OF containing information about its own velocity and attitude and the distance to obstacles. Based on the “Time of Travel” principle we present the results obtained for two versions of 5 LMSs based optic flow sensors. The first one is able to measure accurately the OF in two opposite directions. It was tested in the laboratory and gave satisfying results. The second optic flow sensor operates at low velocities such as those liable to occur during lunar landing was developed. After developing these sensors, their performances were characterized both indoors and outdoors, and lastly, they were tested onboard an 80-kg helicopter flying in an outdoor environment. The Guidance Navigation and Control (GNC) system was designed in the second part on the basis of several algorithms, using various tools such as optimal control, nonlinear control design and observation theory. This is a particularly innovative approach, since it makes it possible to perform soft landing on the basis of OF measurements and as less as possible on inertial sensors. The final constraints imposed by our industrial partners were met by mounting several non-gimbaled sensors oriented in different gaze directions on the lander’s structure. Information about the lander’s self-motion present in the OF measurements is extracted by navigation algorithms, which yield estimates of the ventral OF, expansion OF and pitch angle. It was also established that it is possible to bring the planetary lander gently to the ground by tracking a pre-computed optimal reference trajectory in terms of the lowest possible fuel consumption. Software-in-the-loop simulations were carried out in order to assess the potential of the proposed GNC approach by testing its performances. In these simulations, the sensor firmware was taken into account and virtual images of the lunar surface were used in order to improve the realism of the simulated landings.

L'athérosclérose est une maladie vasculaire complexe qui affecte la paroi des artères (par l'épaississement) et les lumières (par la formation de plaques). La rupture d'une plaque de l'artère carotide peut également provoquer un accident vasculaire cérébral ischémique et des complications. Bien que plusieurs modalités d'imagerie médicale soient actuellement utilisées pour évaluer la stabilité d'une plaque, elles présentent des limitations telles que l'irradiation, les propriétés invasives, une faible disponibilité clinique et un coût élevé. L'échographie est une méthode d'imagerie sûre qui permet une analyse en temps réel pour l'évaluation des tissus biologiques. Il est intéressant et prometteur d’appliquer une échographie vasculaire pour le dépistage et le diagnostic précoces des plaques d’artère carotide. Cependant, les ultrasons vasculaires actuels identifient uniquement la morphologie d'une plaque en termes de luminosité d'écho ou l’impact de cette plaque sur les caractéristiques de l’écoulement sanguin, ce qui peut ne pas être suffisant pour diagnostiquer l’importance de la plaque. La technique d’élastographie vasculaire non-intrusive (« noninvasive vascular elastography (NIVE) ») a montré le potentiel de détermination de la stabilité d'une plaque. NIVE peut déterminer le champ de déformation de la paroi vasculaire en mouvement d’une artère carotide provoqué par la pulsation cardiaque naturelle. En raison des différences de module de Young entre les différents tissus des vaisseaux, différents composants d’une plaque devraient présenter différentes déformations, caractérisant ainsi la stabilité de la plaque. Actuellement, les performances et l’efficacité numérique sous-optimales limitent l’acceptation clinique de NIVE en tant que méthode rapide et efficace pour le diagnostic précoce des plaques vulnérables. Par conséquent, il est nécessaire de développer NIVE en tant qu’outil d’imagerie non invasif, rapide et économique afin de mieux caractériser la vulnérabilité liée à la plaque. La procédure à suivre pour effectuer l’analyse NIVE consiste en des étapes de formation et de post-traitement d’images. Cette thèse vise à améliorer systématiquement la précision de ces deux aspects de NIVE afin de faciliter la prédiction de la vulnérabilité de la plaque carotidienne. Le premier effort de cette thèse a été dédié à la formation d'images (Chapitre 5). L'imagerie par oscillations transversales a été introduite dans NIVE. Les performances de l’imagerie par oscillations transversales couplées à deux estimateurs de contrainte fondés sur un modèle de déformation fine, soit l’ « affine phase-based estimator (APBE) » et le « Lagrangian speckle model estimator (LSME) », ont été évaluées. Pour toutes les études de simulation et in vitro de ce travail, le LSME sans imagerie par oscillation transversale a surperformé par rapport à l'APBE avec imagerie par oscillations transversales. Néanmoins, des estimations de contrainte principales comparables ou meilleures pourraient être obtenues avec le LSME en utilisant une imagerie par oscillations transversales dans le cas de structures tissulaires complexes et hétérogènes. Lors de l'acquisition de signaux ultrasonores pour la formation d'images, des mouvements hors du plan perpendiculaire au plan de balayage bidimensionnel (2-D) existent. Le deuxième objectif de cette thèse était d'évaluer l'influence des mouvements hors plan sur les performances du NIVE 2-D (Chapitre 6). À cette fin, nous avons conçu un dispositif expérimental in vitro permettant de simuler des mouvements hors plan de 1 mm, 2 mm et 3 mm. Les résultats in vitro ont montré plus d'artefacts d'estimation de contrainte pour le LSME avec des amplitudes croissantes de mouvements hors du plan principal de l’image. Malgré tout, nous avons néanmoins obtenu des estimations de déformations robustes avec un mouvement hors plan de 2.0 mm (coefficients de corrélation supérieurs à 0.85). Pour un jeu de données cliniques de 18 participants présentant une sténose de l'artère carotide, nous avons proposé d'utiliser deux jeux de données d'analyses sur la même plaque carotidienne, soit des images transversales et longitudinales, afin de déduire les mouvements hors plan (qui se sont avérés de 0.25 mm à 1.04 mm). Les résultats cliniques ont montré que les estimations de déformations restaient reproductibles pour toutes les amplitudes de mouvement, puisque les coefficients de corrélation inter-images étaient supérieurs à 0.70 et que les corrélations croisées normalisées entre les images radiofréquences étaient supérieures à 0.93, ce qui a permis de démontrer une plus grande confiance lors de l'analyse de jeu de données cliniques de plaques carotides à l'aide du LSME. Enfin, en ce qui concerne le post-traitement des images, les algorithmes NIVE doivent estimer les déformations des parois des vaisseaux à partir d’images reconstituées dans le but d’identifier les tissus mous et durs. Ainsi, le dernier objectif de cette thèse était de développer un algorithme d'estimation de contrainte avec une résolution de la taille d’un pixel ainsi qu'une efficacité de calcul élevée pour l'amélioration de la précision de NIVE (Chapitre 7). Nous avons proposé un estimateur de déformation de modèle fragmenté (SMSE) avec lequel le champ de déformation dense est paramétré avec des descriptions de transformées en cosinus discret, générant ainsi des composantes de déformations affines (déformations axiales et latérales et en cisaillement) sans opération mathématique de dérivées. En comparant avec le LSME, le SMSE a réduit les erreurs d'estimation lors des tests de simulations, ainsi que pour les mesures in vitro et in vivo. De plus, la faible mise en oeuvre de la méthode SMSE réduit de 4 à 25 fois le temps de traitement par rapport à la méthode LSME pour les simulations, les études in vitro et in vivo, ce qui pourrait permettre une implémentation possible de NIVE en temps réel. / Atherosclerosis is a complex vascular disease that affects artery walls (by thickening) and lumens (by plaque formation). The rupture of a carotid artery plaque may also induce ischemic stroke and complications. Despite the use of several medical imaging modalities to evaluate the stability of a plaque, they present limitations such as irradiation, invasive property, low clinical availability and high cost. Ultrasound is a safe imaging method with a real time capability for assessment of biological tissues. It is clinically used for early screening and diagnosis of carotid artery plaques. However, current vascular ultrasound technologies only identify the morphology of a plaque in terms of echo brightness or the impact of the vessel narrowing on flow properties, which may not be sufficient for optimum diagnosis. Noninvasive vascular elastography (NIVE) has been shown of interest for determining the stability of a plaque. Specifically, NIVE can determine the strain field of the moving vessel wall of a carotid artery caused by the natural cardiac pulsation. Due to Young’s modulus differences among different vessel tissues, different components of a plaque can be detected as they present different strains thereby potentially helping in characterizing the plaque stability. Currently, sub-optimum performance and computational efficiency limit the clinical acceptance of NIVE as a fast and efficient method for the early diagnosis of vulnerable plaques. Therefore, there is a need to further develop NIVE as a non-invasive, fast and low computational cost imaging tool to better characterize the plaque vulnerability. The procedure to perform NIVE analysis consists in image formation and image post-processing steps. This thesis aimed to systematically improve the accuracy of these two aspects of NIVE to facilitate predicting carotid plaque vulnerability. The first effort of this thesis has been targeted on improving the image formation (Chapter 5). Transverse oscillation beamforming was introduced into NIVE. The performance of transverse oscillation imaging coupled with two model-based strain estimators, the affine phase-based estimator (APBE) and the Lagrangian speckle model estimator (LSME), were evaluated. For all simulations and in vitro studies, the LSME without transverse oscillation imaging outperformed the APBE with transverse oscillation imaging. Nonetheless, comparable or better principal strain estimates could be obtained with the LSME using transverse oscillation imaging in the case of complex and heterogeneous tissue structures. During the acquisition of ultrasound signals for image formation, out-of-plane motions which are perpendicular to the two-dimensional (2-D) scan plane are existing. The second objective of this thesis was to evaluate the influence of out-of-plane motions on the performance of 2-D NIVE (Chapter 6). For this purpose, we designed an in vitro experimental setup to simulate out-of-plane motions of 1 mm, 2 mm and 3 mm. The in vitro results showed more strain estimation artifacts for the LSME with increasing magnitudes of out-of-plane motions. Even so, robust strain estimations were nevertheless obtained with 2.0 mm out-of-plane motion (correlation coefficients higher than 0.85). For a clinical dataset of 18 participants with carotid artery stenosis, we proposed to use two datasets of scans on the same carotid plaque, one cross-sectional and the other in a longitudinal view, to deduce the out-of-plane motions (estimated to be ranging from 0.25 mm to 1.04 mm). Clinical results showed that strain estimations remained reproducible for all motion magnitudes since inter-frame correlation coefficients were higher than 0.70, and normalized cross-correlations between radiofrequency images were above 0.93, which indicated that confident motion estimations can be obtained when analyzing clinical dataset of carotid plaques using the LSME. Finally, regarding the image post-processing component of NIVE algorithms to estimate strains of vessel walls from reconstructed images with the objective of identifying soft and hard tissues, we developed a strain estimation method with a pixel-wise resolution as well as a high computation efficiency for improving NIVE (Chapter 7). We proposed a sparse model strain estimator (SMSE) for which the dense strain field is parameterized with Discrete Cosine Transform descriptions, thereby deriving affine strain components (axial and lateral strains and shears) without mathematical derivative operations. Compared with the LSME, the SMSE reduced estimation errors in simulations, in vitro and in vivo tests. Moreover, the sparse implementation of the SMSE reduced the processing time by a factor of 4 to 25 compared with the LSME based on simulations, in vitro and in vivo results, which is suggesting a possible implementation of NIVE in real time.