Le but de cette thèse est d'étudier l'adéquation des approches parallèles à l'imagerie 3D, en prenant comme problème cible de la reconstruction d'images 3D en tomographie par rayons X. L'évolution technologique des systèmes d'acquisition, du premier scanner au Morphomètre, a généré de nouvelles problématiques au niveau des méthodes de reconstruction et au niveau des besoins informatiques. Une première partie est consacrée aux fondements de la tomographie assistée par ordinateur et à la présentation des machines parallèles. L'évolution des machines de calcul intensif, du Cray 1 au Cray T3D, permet de résoudre des problèmes de taille croissante. Dans la deuxième partie, nous définissons la méthodologie suivie pour paralléliser les algorithmes de reconstruction. Nous identifions les opérateurs de base (projection et rétroprojection) sur lesquel est porté l'effort de parallélisation. Nous définissons deux approches de parallélisation (locale et globale). Différentes versions optimisées de ces algorithmes parallèles sont présentées prenant en compte d'une part la minimisation des temps de communications (recouvrement calcul/communication, communication sur un arbre binaire) et d'autre part la régulation de charge (partitionnement adaptatif). Dans la troisième partie, à partir de ces opérateurs parallélisés, nous construisons trois méthodes de reconstruction parallèles : une méthode analytique (la méthode de Feldkamp) et deux méthodes algébriques (la méthode Art par blocs et méthode SIRT). Les algorithmes sont expérimentés sur différentes machines parallèles : Maspar, Réseau de stations Sun, Ferme de processeurs Alpha, Paragon d'Intel, IBM SP1 et Cray T3D. Pour assurer la portabilité sur les différentes machines, nous avons utilisé PVM. Nous évaluons nos performances et nous montrons nos résultats de reconstruction 3D à partir de données simulées. Puis, nous présentons des reconstructions 3D effectués sur le Cray T3D, à partir de données expérimentales du Morphomètre, prototype de scanner X 3D.

Cette thèse s’intéresse à la conception de nouveaux matériaux compositesferroélectriques/diélectriques aux propriétés accordables en tension. Des granules diélectriques(MgO, TiO2) obtenues par atomisation sont dispersées dans une matrice ferroélectrique (Ba1-xSrxTiO3). Le mélange est ensuite densifié par Spark Plasma Sintering (SPS). Une approcheoriginale est développée afin de déterminer les paramètres reliant la microstructure aux propriétésphysiques pour chacune des étapes de la boucle d’optimisation élaboration - caractérisation -modélisation. La stratégie adoptée s’appuie sur i) l’utilisation des propriétés spécifiques du frittageSPS qui offre une gestion précise des interfaces entre les différents composés. Cette méthode nonconventionnellea permis l’élaboration de composites ferroélectriques architecturés, constituésd’inclusions diélectriques de géométries contrôlées ; ii) les potentialités offertes par lamicrotomographie X comme moyen de description de la microstructure 3D des matériauxcomposites aux étapes clés de leur conception. Couplée à de puissants outils de traitements desimages elle permet d’extraire les éléments pertinents guidant l’optimisation et la compréhension despropriétés finales ; iii) le développement d’un modèle numérique 3D de l’accordabilité appliquédirectement à la géométrie réelle des matériaux extraite des images de microtomographie. Cetteétape est essentielle pour comprendre l’origine de la redistribution du champ électrique entre lesphases. Les résultats numériques obtenus sont directement confrontés aux mesuresexpérimentales. / This thesis is focused on the conception of new tunable ferroelectric/dielectric compositematerials. Dielectric granules (MgO, TiO2) obtained by spray-drying are dispersed in a ferroelectricmatrix (Ba1-xSrxTiO3). Mixing powder is then densified by Spark Plasma Sintering (SPS). An originalapproach is developed in order to determine parameters linking the microstructure to the physicalproperties for each step of the elaboration - characterization - modelling optimization procedure.The adopted strategy is based on i) specific SPS properties which provide an accurate control of theinterfaces between each components; ii) potentialities offered by X-ray microtomography to describethe internal 3D microstructure of the composite materials during the key steps of their elaboration.Associated with powerful image processing tools, it allows to obtain relevant elements guiding theoptimization and understanding of the final properties; iii) the development of a 3D numerical modelof tunability applied directly to the real geometry which has been extracted from 3Dmicrotomography images. This step is essential to understand the origin of the redistribution of theelectric field between the different phases. Numerical results are directly compared to experimentalmeasurements.

-------------------------------Abstract--------------------------------Since the prediction by Maria Göppert-Mayer in the thirties of the possibility for a fluorescent molecule to be simultaneously excited by multiple photons and, more recently, the development of pulsed lasers, multiphoton microscopy has gradually evolved to finally become one of the most used fluorescent imaging techniques for the studies of thick scattering tissues or for in vivo observations of animals. Either for neurological, physiological or morphological studies, the non invasiveness and the limitation of the excited volume to the focal volume have made this fluorescence microscopy technique an essential tool for biologists.However, in a world where the biological studies always require better microscopes and where there is always a need for the spatial resolution to be improved, it is essential to offer techniques allowing to obtain a better resolution in the three dimensions and to access resolution beyond the diffraction limit defined by Ernst Abbe more than a century ago. In this thesis, the saturated excitation of fluorescence technique is adapted to multiphoton microscopy. This method achieves super-resolved images by temporally modulating the excitation laser-intensity and by demodulating the higher harmonics from the saturated fluorescence signal. As a proof of principle, the improvement of the lateral and axial resolution has been measured on a sample of fluorescent microspheres. While the third harmonic already provides an enhanced resolution, we show in this work that a further improvement can be obtained with an appropriate linear combination of the demodulated harmonics.In the end, a near twofold improvement of the resolution has been obtained in the lateral but also in the axial directions. This improvement is in agreement with the estimated resolution improvement predicted in the theoretical and the mathematical analysis of the technique carried out in this work.We also present in vitro imaging of fluorescent microspheres incorporated in HeLa cells. Enhancements of lateral and axial resolution has been observed, showing that this super-resolution technique performs well in biological samples.Finally, the strengths and weaknesses of the technique have also been analysed and detailed to see in which niche in the world of biological imaging this method can find its place. To this end, its characteristics are compared to other super-resolution and super-localisation techniques that have been previously studied in this thesis.It points out that the imaging depth, the non invasiveness and the relatively low illumination power on the samples but also the limitation of the excited volume in multiphoton microscope coupled with the simple and cost-effective implementation as well as the relatively low illumination power on the sample used in the saturated excitation technique make this method an excellent candidate for deep in vivo studies trough scattering tissue like the skin. / -----------------------Résumé-----------------------Depuis la prédiction de Maria Göppert-Mayer dans les années 30 de la possibilité pour une molécule fluorescente d'être excitée simultanément par plusieurs photons et, plus récemment, depuis le développement des lasers pulsés, la microscopie multiphotonique s'est peu à peu développée pour finalement s'imposer aujourd'hui comme un des outils d'observation par fluorescence les plus performants pour les études de tissus épais diffusants, ou encore pour l'observation in vivo d'animaux. Que ce soit pour des études neurologiques, physiologiques ou morphologiques, l'aspect non invasif et la limitation du volume excité au volume focal ont rendu cet outil de microscopie indispensable aux biologistes.Cependant, dans un monde où les études biologiques nécessitent toujours de meilleurs microscopes et où la résolution spatiale en particulier doit toujours être améliorée, il convient de proposer des techniques permettant d'obtenir une meilleure résolution dans les trois dimensions et d'aller au-delà de la limite de diffraction définie par Ernst Abbe il y a plus d'un siècle.Dans cette thèse, la technique de saturation de l'excitation de la fluorescence est adaptée à la microscopie multiphotonique. Cette méthode permet d'obtenir des images de superrésolution en modulant temporellement l'intensité laser d'excitation et en démodulant les harmoniques supérieures présentes dans le signal saturé de fluorescence. La démonstration de principe sur des microsphères fluorescentes a été réalisée montrant une amélioration de la résolution latérale et axiale. Alors que l'utilisation de la troisième harmonique produit déjà une meilleure résolution, ce travail de thèse montre qu'une amélioration supplémentaire peut être obtenue en utilisant une combinaison linéaire particulière des harmoniques démodulées.Au final, un quasi doublement de la résolution a pu être observé tant dans les directions latérales que dans la direction axiale. Cette amélioration correspond à l'amélioration prédite dans l'analyse théorique et mathématique réalisée également dans ce travail.De plus, le passage aux études in vitro a été réalisé avec succès en observant des microsphères fluorescentes incorporées dans des cellules HeLa. Des améliorations de la résolution latérale et axiale ont également été observées montrant que cette technique de superrésolution peut être appliquée à l'étude d'échantillons biologiques. Les forces et les faiblesses de cette méthode sont également analysées et détaillées afin de voir dans quel créneau d'études biologiques la technique de saturation de l'excitation de fluorescence pourrait se faire une place. A cette fin, ses caractéristiques sont comparées aux autres méthodes de superrésolution et de superlocalisation détaillées dans la première partie de ce travail.Il en resort que l'importante profondeur d'imagerie, l'aspect non invasif et la limitation du volume excité de la microscopie multiphotonique couplés à la simplicité d'implémentation et les relativement faibles puissances utilisées pour saturer l'excitation font de cette technique un excellent candidat pour des études in vivo dans des zones en profondeur dans des milieux diffusants comme la peau. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'échocardiographie est la modalité d'imagerie la plus utilisée pour évaluer la morphologie et la fonction cardiaque. Il s'agit d'un outil non invasif pour le diagnostic et l'évaluation des maladies cardiaques et il permet en outre de surveiller la réponse au traitement. Cependant, la quantification des événements cardiaques rapides demeure un défi avec la cadence d’imagerie actuellement réalisable, en particulier dans des applications telles que l'échocardiographie d'effort. De plus, cette limitation devient plus prononcée en imagerie 3D conventionnelle focalisée en raison du temps nécessaire pour insonifier et acquérir un volume complet. Le fait que l’on puisse actuellement atteindre au mieux ~20 volumes par seconde est l'une des raisons qui limitent son utilisation courante dans la pratique clinique. Des améliorations dans ce domaine permettraient d'exploiter l'important potentiel de l'imagerie 3D pour la quantification complète de la déformation cardiaque.Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse était de développer des méthodes à haute cadence d'images et de tester leur performance dans des conditions réalistes visant la prise de décision pour une transition vers la pratique clinique. Pour atteindre cet objectif, des expériences in vitro et in vivo ont été menées en utilisant l'imagerie 2D et 3D. Notre première contribution a été une comparaison 2D entre deux modalités à haute cadence d'images en termes de qualité d'image et de performance d'estimation de mouvement. Motivés par nos résultats 2D mais surtout par le défi d'implémenter le MLT dans la pratique, nous avons étendu cette approche en 3D. Nous avons étudié la faisabilité de la MLT 3D dans des conditions statiques et dynamiques. Enfin, comme l’évaluation de nouvelles approches dans des conditions physiologiques de flux complexes constitue un pas en avant vers la transition clinique, notre troisième contribution a consisté à valider des modalités 2D et 3D à haut cadence d'images sur un fantôme du vortex / Echocardiography is the most widely used imaging modality for assessing cardiac morphology and function. It does provide a non-invasive tool in diagnosis and assessment of heart diseases and it allows, in addition, monitoring the response to the treatment. However, quantifying fast cardiac events remains a challenge when using the current achievable frame rate, especially in applications such as stress-echocardiography. Moreover, this limitation becomes more pronounced in 3D conventional focused imaging due to the time needed to insonify and acquire a full volume. The fact that only ~20 volumes per second can currently be achieved is one of the reasons restricting its common usage in clinical practice. Improvements in this field would allow exploiting the important potential of 3D imaging in providing a full quantification of cardiac deformation.In this context, the aim of this thesis was to develop high frame rate methods and to test their performance in realistic conditions aiming decision making towards clinical translation. To achieve this objective, both in vitro and in vivo experiments were conducted using 2D and 3D imaging. Our first contribution was a 2D comparison between two high frame rate modalities in terms of image quality and motion estimation performance. Motivated by our 2D results but especially by the challenge of implementing MLT in practice, we extended this approach to 3D. We studied the feasibility of 3D MLT in both static and dynamic conditions. Finally, as testing novel approaches in physiological complex flows conditions is a step forward towards clinical translation, our third contribution was to validate 2D and 3D high frame rate modalities on a ring vortex phantom

L'induction expérimentale de jumeaux (oursin) ou de siamois (poisson zébré) sollicite la plasticité et la robustesse de l'embryon en développement. Nous avons montré que les individus jumeaux et les paires de siamois suivent des voies de développement différentes de celles du type normal. Nous émettons l’hypothèse que ces différents chemins révèlent la plasticité développementale de l’organisme. Chez les deux espèces, la formation de jumeaux ou siamois est interprétée comme reposant sur i) la labilité des gradients de morphogènes déterminant les axes embryonnaires, ii) le répertoire des comportements cellulaires au cours de la blastulation et de la gastrulation en réponse aux gradients de morphogènes et aux signaux biomécaniques et/ou iii) les processus de régulation de la taille des champs morphogénétiques. Nous avons montré que le développement des jumeaux d'oursins explore un domaine de possibilités différent de celui des embryons typiques. Les jumeaux se développent d'abord sous forme d'une couche cellulaire unique et plate avant de se compacter en véritable blastula. Les jumeaux en développement appartiennent à 3 catégories phénotypiques en fonction du nombre de précurseurs de feuillets embryonnaires (nombre correct ou non) et de leurs contacts (contacts corrects ou non). Cependant, les 3 classes conduisent à un pourcentage similaire de larves de pluteus normales. Nous démontrons qu’une réorganisation cellulaire qui rétablirait des contacts normaux entre les différents types cellulaires n'est pas nécessaire, ce qui implique que le développement passe par des changements de destinées cellulaires. En outre, les larves de jumeaux ont un nombre normal de cellules mésenchymateuses primaires, sans division cellulaire supplémentaire. Cette situation est réminiscente de l'ablation des micromères dont la perte est compensée par un changement de destinée cellulaires des cellules mésenchymateuses secondaires. Les poissons zébrés siamois peuvent être obtenus par la surexpression de la voie nodale, la transplantation de l'organisateur de Spemann au début de la gastrulation, ou chez le mutant homozygote maternel Janus. Notre travail s'est concentré sur le premier cas. L’interaction des voies de signalisation dans la détermination des axes embryonnaires et dans l’instauration d’un centre d’organisation de type Spemann a fait l’objet de nombreuses études chez le poisson zébré. Cependant, l’état de l’art n’explique pas le lien entre les signaux biochimiques et les comportements cellulaires individuels, ni l’émergence de champs morphogénétiques et la régulation de leur taille. Lorsque organisateur endogène et organisateur induit ne sont pas en positions parfaitement opposées, l’étendue de la régulation de la taille des champs morphogénétique dépend de la position de l'organisateur induit. Le lignage cellulaire de poissons zébrés siamois reconstruit à partir de d’imagerie 3D + temps in toto révèle les comportements cellulaires sous-jacents à la fusion de champs morphogénétiques identiques. / The experimental induction of twins (sea urchin) or Siamese (zebrafish) challenges the plasticity and robustness of the developing embryo. We showed that individuals in twin and Siamese pairs follow different developmental paths that are in fact quite different than wild-type. We hypothesize that these different paths reveal the organism’s developmental plasticity. In both species, twinning is interpreted to rely on i) the lability of morphogen gradients setting the embryonic axes, ii) the repertoire of cell behaviors during blastulation and gastrulation in response to morphogen gradients and biomechanical cues and/or iii) the regulation of morphogenetic field size. We showed that the development of sea urchin twins explores a realm of possibilities different from that of typical embryos. The twins develop first as a single and flat cell layer before compacting into a bona fide blastula. Developing twins belong to 3 phenotypic categories depending on the number of germ layer precursors (correct number or not) and their contacts (correct contacts or not). However, the 3 classes lead to similar percentage of normal pluteus larvae. We demonstrate that cellular reorganization is not required to restore the normal contacts between the different cell types implying that development proceeds through fate changes. In addition, larvae from twins have a normal number of primary mesenchymal cells and this does not involve further cell division. This situation is reminiscent of the ablation of micromeres with transfating compensating for the loss, leading to a proper number of PMCs and is thus likely to involve the transfating of SMCs.Siamese zebrafish are observed through Nodal pathway overexpression, transplantation of the Spemann organizer at the onset of gastrulation, or in the maternal homozygous mutant Janus. Our work focused on the first case. The interplay of signaling pathways in setting embryonic axes and inducing a Spemann-type organizing center has been extensively studied in zebrafish. However, the current state of art does not explain the link between biochemical cues and individual cell behaviors, and from them the emergence of morphogenetic fields and the regulation of their size. If not in opposite positions, the extent of field size regulation is dependent on the position of the induced or transplanted organizer. The cell lineage of siamese zebrafish reconstructed from 3D+time live imaging reveals cell behaviors underlying the fusion of identical fields.

.Dans cette thèse, il a été étudié la structure des milieux poreux, en particulier sur des sols sableux et un paquet virtuel de sphères; Sur la base de références bibliographiques, nos propres outils ont été créés pour calculer la porosité, la surface spécifique et la distribution de la taille des pores. Nous avons construit un algorithme pour résoudre l'équation de diffusion de l'advection directement sur la structure du milieu poreux (en utilisant un résultat d'image 3D du scan $ mu $ CT du support poreux). Nous avons utilisé l'opérateur de division pour calculer la partie advective avec une méthode de volume fini (FV), mettant en œuvre un schéma de réduction de la variation totale (TVD). La partie diffusion a été calculée en utilisant une méthode de FV et avec l’aide du logiciel MUMPS pour résoudre le système linéaire résultant. A partir du champ de concentration obtenu avec l’algorithme et suivant une méthode de moyenne volumique, nous avons calculé les propriétés macroscopiques de: dispersivité et coefficient de dispersion à Pe = 223,23,2.3,0,23 pour un échantillon de sable de Fontainbleau NE34. Nous avons observé que ces résultats dépendent de la qualité de l'image 3D. Les propriétés structurelles et de transport ont été étudiées à l'aide d'images 3D à différentes résolutions. Les images à différentes résolutions ont été appelées images redimensionnées, elles ont été générées numériquement et prises directement à partir du micro CT scan. Comme premier résultat, nous avons proposé un critère basé sur la distribution de la taille des pores pour déterminer si une résolution d'image 3D convient ou non au calcul de la perméabilité d'un matériau granulaire avec une méthode de volume fini (FV). Dans un deuxième résultat, nous avons montré comment les propriétés des macros de transport de soluté sont moins affectées par une détérioration de la résolution que la propriété d’écoulement de la perméabilité (les deux cas sont calculés par une méthode FV). Et comme troisième résultat, nous avons montré qu'une image numérique redimensionnée préserve davantage le comportement des propriétés macroscopiques qu'une image réelle redimensionnée. / In this thesis it was studied the structure of the porous media, particularly on a sandy soils and a virtual pack of spheres; based on bibliographic references here were generated our own tools to compute the porosity, specific surface and pore size distribution. We built an algorithm to solve advection diffusion equation directly on the porous media structure (using a 3D image result of the $mu $ CT scan of the porous media). We used the splitting operator to compute the advective part with a Finite Volume (FV) method, implementing a Total Variation Diminishing (TVD) scheme. The diffusion part was computed using with a FV method with the assistance of the MUMPS software to solve the resulting linear system. From the concentration field obtained with the algorithm and following a volume averaging method, we computed the macroscopic properties of: dispersivity and dispersion coefficient at Pe=223,23,2.3,0.23 for a sample of Fontainbleau NE34 sand. We observing that these results depend on the quality of the 3D image, structural and transport properties were studied using 3D images at different resolutions. The images at different resolutions were called rescaled images, and they were generated numerically and taken directly from the micro CT scan. As a first result we proposed a criterion based on the pore size distribution to assess if a 3D image resolution is suitable or not for permeability computation of a granular material with a finite volume (FV) method. As a second result we showed how the solute transport macro properties are less affected by a deterioration of the resolution than the flow property of permeability (both cases computed through a FV method). And as a third result we showed that a numerical rescaled image preserve the behavior of the macroscopic properties more than a real rescaled image

La SER (Surface Équivalente Radar) est une grandeur caractérisant le pouvoir rétrodiffuseurd’une cible soumise à un champ électromagnétique. Dans de nombreuses applications,il est capital d’analyser et de contrôler la SER. L’imagerie 3D est l’outil adapté pourlocaliser et caractériser en trois dimensions les principaux contributeurs à la SER. Cependant,ce traitement est un problème de synthèse de Fourier qui n’est pas inversible car il y aplus d’inconnues que de données. Les méthodes conventionnelles telles que le Polar FormatAlgorithm, consistant en un reformatage des données avec complétion de zéro suivi d’unetransformée de Fourier inverse rapide, fournissent des résultats de qualité limitée.Dans ce travail, nous proposons une nouvelle méthode haute résolution. Elle est dénomméeSPRITE (pour SParse Radar Imaging TEchnique) et permet d’accroître considérablementla qualité des cartes de rétro-diffusion estimées. Elle repose sur une régularisation duproblème consistant en la prise en compte d’informations a priori de parcimonie et d’uneinformation de support. La solution est alors définie comme le minimiseur d’un critère pénaliséet contraint. L’optimisation est assurée par l’algorithme primal-dual ADMM (AlternatingDirection Method of Multiplier) dont une adaptation aux spécificités du problème mène à descalculs efficaces à l’aide de transformées de Fourier rapides.Finalement, la méthode est évaluée sur des données synthétiques et réelles. Comparativementà la méthode conventionnelle, la résolution est drastiquement accrue. Les images 3Dproduites sont alors un outil particulièrement adapté à l’analyse et au contrôle de SER. / The RCS (Radar Cross Section) is a quantity which characterizes the scattering power ofa target exposed to an electromagnetic field. Its analysis and control are important in manyapplications. 3D imaging is a suitable tool to accurately locate and characterize in 3D themain contributors to the RCS. However, this is a non-invertible Fourier synthesis problembecause the number of unknowns is larger than the number of data. Conventional methodssuch as the Polar Format Algorithm, which consists of data reformatting including zeropaddingfollowed by a fast inverse Fourier transform, provide results of limited quality.In this work, we propose a new high resolution method, named SPRITE (for SParse RadarImaging TEchnique), which considerably increases the quality of the estimated RCS maps. Itis based on a regularization scheme that accounts for information of sparsity and support. Thesolution is then defined as the minimizer of a penalized and constrained criterion. Optimizationis ensured by an appropriate adaptation of the ADMM (Alternating Direction Methodof Multiplier) algorithm that is able to quickly perform calculations using fast Fourier transforms.Finally, the method is evaluated on both simulated and real data. Compared to the conventionalmethod, the resolution is significantly increased and the images can support a betterRCS analysis and control.

Les changements anatomiques des patients au cours du traitement de radiothérapie peuvent engendrer des conséquences dosimétriques significatives sur les volumes cibles (VC) ou les organes à risques (OARs). Le processus de radiothérapie adaptative peut compenser ces variations, cependant son déploiement en clinique est ralentit par une charge de travail supplémentaire considérable pour les équipes médicales et aucun logiciel n'est disponible pour une utilisation en clinique. Nous avons développé un outil d'alerte dosimétrique in vivo simple permettant d'identifier rapidement les situations où une adaptation de traitement est requise pour un patient. L'évaluation dosimétrique des traitements délivrés a été réalisée sur l'imagerie embarquée 3D (CBCT) dont la précision des calculs de dose a dû être évaluée. L'outil d'alerte permet de s'affranchir d'une nouvelle délinéation de volumes d'intérêt et est basé sur des critères objectifs et quantifiables constitués par le dépassement des limites dosimétriques définies pour chacun des volumes considérés. La précision et la détectabilité de l'outil ont été validées puis il a été appliqué dans une étude rétrospective de 10 patients ORL afin de surveiller l'administration du traitement et d'identifier les patients pour lesquels une adaptation du traitement aurait pu être envisagée. Dans son implémentation clinique, le processus de radiothérapie adaptative requiert des algorithmes de recalage déformable capable de suivre les déformations locales d'un patient se produisant au cours du traitement, seulement leur utilisation n'est pas encore validée. Nous avons procédé à l'évaluation de la précision d'un algorithme de recalage déformable, de type Block Matching présentant l'avantage d'être adapté à l'imagerie multimodale CT/CBCT, en comparaison par rapport à un algorithme de recalage rigide. Une étude a été menée pour 10 patients ORL en se basant sur la comparaison de contours de volumes d'intérêt pour 76 CBCT. Les paramètres de similarité utilisés consistaient en l'Indice de Similarité Dice, la distance de Hausdorff robuste (en mm) et la différence de volume absolu (en cm3) / Changing anatomy during radiotherapy can lead to significant dosimetric consequences for organs at risk (OARs) and/or target volumes. Adaptive radiotherapy can compensate for these variations however its deployment for clinical work is hampered by the increased workload for the medical staff and there is still no commercialized software available for clinical use. We developed a simple in vivo dosimetric alert tool allowing rapid identification of patients who might benefit from an adaptive radiotherapy. Dosimetric evaluation of delivered treatment has been conducted onto 3D on board imaging (CBCT) whose dose calculation accuracy has been evaluated. The tool does not require a new volume of interest delineation. Tool alert is based on objectives and quantifiable criteria defined by the exceeding volumes of interest dose thresholds. Tool precision and detectability have been validated and applied in a retrospective study on 10 head and neck patients. The tool allows detecting patients where an adaptive treatment could have been considered. In its clinical implementation, adaptive radiotherapy process requires deformable matching algorithms to follow patient local's deformations occurring during treatment. Nevertheless, their use has not been validated. We conducted an evaluation of the Block Matching deformable algorithm, suitable for multimodality imaging (CT/CBCT), in comparison to rigid algorithm. A study has been conducted for 10 head and neck patients based on volume of interest contours comparison for 76 CBCT. Similarity parameters used consisted on Dice Similarity Index, Robust Hausdorff Distance (in mm) and the absolute volume difference (in cc)

Le principal objectif de cette thèse a été d'utiliser des outils numériques en sciences pour l'ingénieur dans le cadre d'applications médicales dont le but était de mieux appréhender la pathogénie des troubles fonctionnels, et de développer de nouvelles techniques thérapeutiques (sphère orofaciale). Dans un premier temps l'outil éléments finis s'appuyant sur des données rhéologiques a été utilisé afin de mieux appréhender la problématique de l'articulation temporo-mandibulaire. Les résultats numériques associés à une captation du mouvement de la mandibule ont permis de mieux comprendre, au sens, mécanique certains aspects mandibulaires. Par ailleurs, dans un deuxième temps, l'outil CAO a été mis en œuvre afin d'aider la préparation de la chirurgie maxillofaciale. Cette nouvelle approche a permis de mettre en œuvre une nouvelle méthodologie en chirurgie des tumeurs interruptrices en améliorant (i) le contrôle du résultat esthétique, (ii) la réduction du temps opératoire et (iii) le respect de la bonne congruence de l'ATM. / The main objective of this thesis was to use numerical engineering softwares in the framework of medical applications whose purpose was to understand the pathogenesis functional disorders, and to develop new therapeutic techniques (orofacial sphere). At first, finite elements tools based on rheological data has been used to understand the problem of TMJ. Numerical results associated with motion capture of the mandible have a better understanding the mandibular mechanical aspects. Moreover, in a second step, the CAD tools implemented to assist the preparation of the maxillofacial surgery. This new approach allowed a new methodology surgery interrupter tumors improving (i) controling the esthetic result, (ii) reducing the operating time and (iii) respecting a good TMJ congruence.

La présente dissertation est principalement consacrée à la conception et à la caractérisation d’une sonde universelle pour l’imagerie volumétrique ultrasons-optoacoustique et le développement d’un algorithme de reconstruction adapté aux exigences physiques pour la conception du système. Les traits distinctifs de cette dissertation sont l’introduction d’une nouvelle géométrie pour les sondes manuelles ultrasons-optoacoustique et des évaluations systématiques basées sur des méthodes de pré-reconstruction et post-reconstruction. Pour éviter l’interprétation biaisée, une évaluation capable d’évaluer le potentiel de la sonde doit être faite. Les caractéristiques mentionnées établissent un cadre pour l’évaluation des performances du système d’imagerie d’une manière précise. En outre, elle permet d’optimiser les performances suivant l’objectif fixé. Ainsi, deux algorithmes de reconstruction anticipée ont été élaborés pour la conception du système OPUS (optoacoustique ultrasons) capables de produire des images avec un contraste et une résolution homogènes sur tout le volume d’intérêt. L’intérêt d’avoir de tels algorithmes est principalement dû au fait que l’analyse des données médicales est souvent faite dans des conditions difficiles, car on est face au bruit, au faible contraste, aux projections limités et à des transformations indésirables opérées par les systèmes d’acquisition. Cette thèse montre, aussi, comment les artefacts de reconstruction peuvent être réduits en compensant les propriétés d’ouverture et en atténuant les artefacts dus à l’échantillonnage angulaire parcimonieux. Afin de transférer cette méthodologie à la clinique et de valider les résultats théoriques, une plate-forme d’imagerie expérimentale a été développée. En utilisant le système de mesure développé, l’évolution d’une nouvelle géométrie annulaire parcimonieuse et sa dynamique ont été étudiées et une preuve de concept a été démontrée à travers des mesures expérimentales dans le but d’évaluer les progrès réalisés. / When the interest is in multiscale and multipurpose imaging, there exists such a will in integrating multi-modalilties into a synergistic paradigm in order to leverage the diagnostic values of the interrogating agents. Employing multiple wavelengths radiation, optoacoustic imaging benefits from the optical contrast to specifically resolve molecular structure of tissue in a non-invasive manner. Hybridizing optoacoustic and ultrasound imaging comes with the promises of delivering the complementary morphological, functional and metabolic information of the tissue. This dissertation is mainly devoted to the design and characterization of a hybridized universal handheld probe for optoacoustic ultrasound volumetric imaging and developing adaptive reconstruction algorithms toward the physical requirements of the designed system. The distinguishing features of this dissertation are the introduction of a new geometry for optoacoustic ultrasonic handheld probe and systematic assessments based on pre and post reconstruction methods. To avoid the biased interpretation, a de facto performance assessment being capable of evaluating the potentials of the designed probe in an unbiased manner must be practiced. The aforementioned features establish a framework for characterization of the imaging system performance in an accurate manner. Moreover, it allows further task performance optimization as well. Correspondingly, two advanced reconstruction algorithms have been elaborated towards the requirement of the designed optoacoustic-ultrasound (OPUS) imaging system in order to maximize its ability to produce images with homogeneous contrast and resolution over the entire volume of interest. This interest is mainly due to the fact that the medical data analysis pipeline is often carried out in challenging conditions, since one has to deal with noise, low contrast, limited projections and undesirable transformations operated by the acquisition system. The presented thesis shows how reconstruction artifacts can be reduced by compensating for the detecting aperture properties and alleviate artifacts due to sparse angular sampling. In pursuit of transferring this methodology to clinic and validating the theoretical results, a synthetic imaging platform was developed. Using the measurement system, the evolution of a novel sparse annular geometry and its dynamics has been investigated and a proof of concept was demonstrated via experimental measurement with the intention of benchmarking progress.