L'objectif principal de notre projet est de créer un modèle numérique complet du système pelvien de la femme enceinte prenant en compte l'intégralité des structures anatomiques de suspensions du pelvis, leurs propriétés biomécaniques et permettant la simulation d'accouchement eutocique et dystocique.Nous travaillons avec un modèle tridimensionel du pelvis de la femme enceinte créé à partir d'IRM réalisées chez une parturiente volontaire à différents âges gestationnels de la grossesse (16, 32 et 38SA) et en post-partum (2mois, 1an). Chaque organes, muscles et ligaments du pelvis ont été reconstruits numériquement permettant de générer un modèle géométrique complet représentatif du système pelvien. Nous avons effectué une analyse géométrique de ces structures, notamment musculaires et ligamentaires. Par la suite nous avons effectué des simulations numériques par méthode des Eléments Finis (EF), en intégrant notamment les propriétés biomécaniques des tissus et des trajectoires de tête imposées. Ce système permet d'analyser les déformations des structures périnéales lors d'un accouchement normal puis dystocique.L'étude approfondie au cours de la grossesse des ligaments utérosacrés et du muscle releveur de l'anus, met en évidence une modification géométrique de ces structures, jouant un rôle dans la statique pelvienne et ce dès le 2ème trimestre de grossesse. Cette reconstruction numérique en 3D a permis de réaliser un modèle d'enseignement (mannequin simple) et d'entraînement au geste de délivrance artificielle et de révision utérine. Cet outil a été testés auprès de gynécologue-obstétriciens, sages-femmes et internes afin d'élaborer un modèle final dont l'intérêt pédagogique a été validé. Par la suite, nous avons élaboré un modèle de simulation d'accouchement, paramétré, permettant de faire varier différents critères maternels et foetaux comme l'orientation, la taille et la flexion de la tête foetale. Dans un premier temps la simulation d'accouchement physiologique permet l'analyse de l'impact de l'accouchement sur ces mêmes structures pelviennes. Nous avons dans un second temps fait varier différents critères permettant d'aboutir à la dystocie. Nous travaillons également sur le développement de capteurs de pressions et mouvements, intégrés à des cuillères de forceps. Cet outil permet d'effectuer une analyse numérique du geste d'extraction par forceps.Cet outil paramétré de simulation numérique d'accouchement va permettre d'étudier les différents impacts de l'accouchement sur l'équilibre fragile des structures pelviennes. Ainsi il serait possible d'analyser la survenue de complications obstétricales maternelles et foetales. Ainsi il serait possible d'expliquer les lésions périnéales à court, moyen et long terme lié à l'accouchement. Cet outil permettrait également d'enseigner la mécanique et la gestuelle obstétricale parfois complexe. / We aim at developing a complete 3D numerical model of a parturient pelvic system representing all the anatomical structures of the pelvis such as ligament, muscle and organs. Then we generate a parametric FE model that allows simulating normal and dystocic vaginal delivery.We have developed a parturient pelvic numerical model at different gestational ages, 16, 32 and 38 weeks of gestation, (WG) and in postpartum (2months and 1year) from MRI. The different organs, muscles and ligaments of the pelvic system were segmented in order to generate a complete anatomical 3D model. Starting from this numerical model we studied the changes the muscles and ligaments undergo during pregnancy. Then we performed a Finite Element (FE) model that allows simulation and analysis of the deformations of pelvic anatomical structures under the stress induce by normal and dystocic vaginal delivery. In particular, we investigated the influence of the head size, terms and cephalic orientation and flexion. We particularly studied the structures that play an important role in the stability of the pelvic system.ResultsThe analysis during pregnancy of the US ligaments and levator ani muscle (LAM) reveals some geometrical modification, even then at the beginning of the second pregnancy trimester. This 3D anatomical model help to develop a teaching model for manual removing of the placenta, that could be integrated in a simple physic mannequin. The proof of pedagogical interest of this tool was made by different series of tests, underwent by gynaecolog-obstetrician and midwives. Then we worked with FE simulation of the vaginal delivery. The model developed is parametric. Than mean we can then change different maternal and fetal criteria such as gestational age, fetal head size, orientation and flexion. First place we performed normal vaginal delivery to study the impact of the fetal head descent in the pelvic system, and his stress impact on the different anatomical structures. Then we introduce dystocic element. We can evaluate and localize the strain levels and the most injured areas. Posterior cephalic presentation presents higher injury risk than the anterior one. Maternal geometry at different terms brings equivalent results contrary to the fetal head sizes that have an influence on the strain level and the potential damage induced. We developed pressure and trajectories sensors integrated in a forceps. We can then record an ex-vivo forceps extraction and then integrate all the information in the FE model.ConclusionThis multi-parametric investigation allows us to have a customizable and predictive tool evaluating the potential damages on the pelvis during vaginal delivery. We could then explain, understand and maybe predict some maternal and fetal complications that could happen during vaginal delivery. We can in particular try to explain the perinea injuries during, after and long time after vaginal delivery. This tool can be used to teach the complexity of obstetric.

Un modèle géologique tridimensionnel des Pyrénées et de leurs bassins d'avant-pays est construit avec le logiciel GeoModeller. Ce modèle tient compte de toutes les informations géologiques et géophysiques disponibles et couvre l'ensemble des Pyrénées, de l'Océan Atlantique à la Mer Méditerranée, et de la Chaîne Ibérique au Massif Central, jusqu'à 70 km de profondeur. Il est capable d'expliquer les principales caractéristiques des anomalies de Bouguer et des temps de trajet sismiques. Des inversions 3D sont réalisées pour affiner ce modèle. La modélisation et l'inversion géologiques et géophysiques révèlent des différences dans la structure crustal entre les Pyrénées occidentales et centrales et les Pyrénées orientales. Elles montrent en outre la présence de manteau exhumé et enfermé dans la croûte sous le Massif du Labourd et à Saint-Gaudens ainsi que la nécessité d'une anomalie de faible densité dans les Pyrénées orientales. / A three-dimensional geological model of the Pyrenees and their foreland basins is constructed with the GeoModeller software. This model accounts for all the geological and geophysical information available and covers the whole Pyrenees, from the Atlantic Ocean to the Mediterranean Sea, and from the Iberian Range to the Massif Central, down to 70 km depth. It is able to explain main features of Bouguer gravity anomalies and of seismic travel times. 3D inversion is performed to refine this model. Joint geological and geophysical modeling and inversion reveal differences in the crustal structure between the western and central Pyrenees and the eastern Pyrenees. They show furthermore the presence of exhumed mantle material enclosed in the crust beneath the Labourd Massif and Saint-Gaudens, as well as the necessity of a low density anomalie in the eastern Pyrenees.

Des catastrophes comme celles de Ghislenghien (Belgique), Ludwigshafen (Allemagne), ou Lyon (France), ont été attribuées à des travaux à proximité de réseaux de gaz. Bien que les canalisations soient une des méthodes les plus sures de transport pour les substances dangereuses, chaque année plusieurs cas d'accidents sont enregistrés en France. La plupart d'entre eux sont attribués à des travaux à proximité des réseaux et certains illustrent le manque de fiabilité des informations fournies. Pour prévenir de tels accidents qui impliquent les ouvriers et le public, les autorités françaises ont mis en place deux réglementations : DT-DICT : pour la sécurisation des réseaux à proximité d'excavation ; Multifluide : pour celle des réseaux dangereux lors d'événements aléatoires. Eviter de tels accidents nécessite d'acquérir et de contrôler des informations 3D concernant les différents réseaux urbains, et particulièrement ceux enterrés. Des stratégies de prévention doivent alors être adoptées. Voilà pourquoi travailler sur les réseaux et leur visualisation et la cartographie des risques, en prenant en compte le flou, est une recherche récente et importante. Les applications logicielles que je développe devraient aider les services publics et les entrepreneurs à se concentrer sur la prévention des événements dangereux grâce à des ensembles de données précises pour les utilisateurs, la définition d'un réseau de géomatique, mais aussi des méthodes telles que la triangulation, la modélisation par éléments, les calculs géométriques, l'intelligence artificielle, la réalité virtuelle. / Disasters like the ones that happened in Ghislenghien (Belgium), Ludwigshafen (Germany), or Lyon (France), have been attributed to excavations in the vicinity of gas pipelines. Though pipes are one of the safest methods of transportation for conveying hazardous substances, each year many cases of damage to gas pipes are recorded in France. Most of them are due to works in the vicinity of the networks and some illustrate the lack of reliability of the provided information. Concessionaries have to take stock of the situation and to suggest areas of improvement, so that everyone could benefit from networks becoming safer.To prevent such accidents which involve workers and the public, French authorities enforce two regulations: DT / DICT: reform of the network no-damage by securing the excavations, Multifluide: reform which is interested in securing networks of hazardous events.So, to avoid such accidents or other problems, it is necessary to acquire and control the 3D information concerning the different city networks, especially buried ones.Preventive strategies have to be adopted. That’s why working on the networks and their visualization and risk cartography, taking the blur into account, is a recent and appropriate research. The software applications I develop should help the utility and construction contractors and focus on the prevention of hazardous events thanks to accurate data sets for users and consumers, the definition of a geomatics network but also some methods such as triangulation methods, element modeling, geometrical calculations, Artificial Intelligence, Virtual Reality.

Alors que l'exploration fonctionnelle repose sur des techniques d'imagerie médicale sophistiquées, le relevé anatomique de surface fait encore appel à des pratiques cliniques manuelles imprécises et coûteuses. A partir d'images couleur prises à main levée avec un appareil photo numérique, un outil innovant d'évaluation des plaies chroniques a été développé. Il combine les deux modes d'examen pratiqués, l'analyse colorimétrique et la mesure dimensionnelle des tissus lésés, dans un système convivial, pour une diffusion massive dans les équipes de soin. S'appuyant sur une vérité terrain établie par des cliniciens, une base d'échantillons cutanés a été constituée. Ils sont issus d'une segmentation non supervisée d'image couleur après correction colorimétrique assurant l'indépendance aux conditions d'éclairage, aux changements de point de vue et d'appareil. Ils sont ensuite caractérisés par des descripteurs de couleur et de texture, sélectionnés et re-conditionnés par des techniques d'analyse de données, pour faire l'apprentissage des quatre catégories de tissus par un séparateur à vaste marge à noyau perceptron. Les résultats de classification mono vue sont alors fusionnés grâce au modèle 3D de la plaie qui établit les correspondances spatiales d'une paire d'images stéréoscopiques. Il en résulte une nette amélioration de la robustesse de la classification, également stable sur plusieurs reconstructions. Les surfaces tissulaires exactes sont obtenues par simple rétro projection des régions tissulaires sur le modèle 3D. Ce modèle géométrique est également renforcé puisque le détourage automatique de la plaie utilise la détection de peau saine pour éliminer des triangles du maillage.

Cette thèse traite de la modélisation 3D d'un objet à partir de données sensorielles obtenues par des capteurs laser ou stéréoscopiques. Ce processus nécessite plusieurs étapes, étudiées durant la thèse; chacune fait l'objet d'un chapitre du manuscrit. La première phase consiste à acquérir des données sensorielles depuis divers points de vue: nous avons exploité les nombreuses données 3D disponibles sur le Web, mais nous avons aussi testé nos algorithmes sur des données 3D denses acquises par stéréovision; nous avons pour ce faire, exploité et analysé des méthodes de calibrage et de stéréovision préexistantes dans notre laboratoire. Les nuages de points 3D de chaque image sont ensuite recalés par un algorithme de type ICP "Iteration Closest Point"; afin de réduire le temps de calcul, la méthode a été adaptée pour utiliser des informations spécifiques des images comme les points de contour ou les sommets d'un maillage local plus ou moins sous-échantillonné. Nous comparons deux stratégies: recalage entre images successives ou recalage incrémental, entre l'image courante et le modèle courant. Les méthodes proposées ont été évaluées et comparées selon différents critères: temps d'exécution, sensibilité à l'estimée initiale, à la résolution... La méthode de recalage a également été testée afin de recaler des coupes laser acquises par un robot mobile évoluant dans un environnement intérieur. La partie suivante est la fusion des vues issues du recalage pour obtenir un seul modèle après chaque recalage incrémental ou à la fin du processus de recalage. La représentation choisie est un maillage triangulaire. Ce maillage est construit par une version adaptée de l'algorithme de la boule pivotante, ou "Ball Pivoting Algorithm" (BPA), proposé initialement par l'équipe de G.Taubin: nous avons choisi cette méthode car elle permet la construction d'un maillage à partir de points 3D ayant une distribution et une précision non uniforme. Notre version de BPA effectue la segmenta tion simultanée des surfaces et le recyclage des maillages existants. Le maillage obtenu est comparé avec ceux construits par déformation d'une surface active. Dans un contexte Robotique, nous avons étudié le problème de la planification des positions du capteur pour la prise des vues, problème plus connu sous le nom de "Next Best View". Le but est la minimisation du nombre de vues nécessaires pour modéliser un objet, tout en favorisant la convergence du processus du recalage. Nous avons poursuivi d'abord des travaux fondés sur l'optimisation d'une fonction d'utilité; du fait de problèmes de convergence, une méthode plus simple a été mise en oeuvre dans le cas particulier de la modélisation d'un objet posé sur une table, par un capteur stéréo monté sur un bras manipulateur mobile. Finalement toutes ces méthodes ont été validées, d'abord sur des données de synthèse pour les analyser, puis sur des données précises acquises par télémétrie laser ou profilométrie, et enfin sur des données que nous avons acquises par stéréo dans le monde réel.

Ce projet a été réalisé dans le cadre d'une thèse CIFRE avec le laboratoire IRCOM-SIC à Poitiers et l'entreprise GABILLY située à Limoges. Cette société fabrique des chaussures orthopédiques grâce aux mesures sur le pied effectuées manuellement par un podo-orthésiste. La précision est de +/- 4 mm. Cette société souhaite développer un système de métrologie du pied pour obtenir une précision de 1 mm. Les informations fournies par un tel système doivent aussi donner des indications de pression du pied. Ce système dépend des contraintes imposées par la prise de mesure sur le patient, par la difficulté de numériser et modéliser l'objet entier, par le choix du système d'acquisition et de la modélisation. Le système à développer doit être le plus simple possible, entièrement automatique, le moins cher possible et doit être géré par un ordinateur PC standard. Il doit permettre d'extraire à partir du pied humain un nuage de points. Le projet a été envisagé sous un axe vision à l'aide de caméras couleur. Une technique d'étalonnage particulière avec une simple mire plane a été mise en place pour faciliter la prise en main du système. La détection de la mire est effectuée par la transformée de Hough. Le système d'acquisition en trois dimensions pour le pied humain est un système de vision passive. Les méthodes mises en oeuvre doivent permettre de traiter n'importe quel type de pied donc de peau, quelque soit la couleur, la forme ou la texture. Dans un premier temps, une étude sur la peau humaine a permis de choisir un espace de représentation de la couleur et une couleur particulière pour le fond du système. Les images du pied sont segmentées par une méthode spécifique afin d'éliminer tous les pixels n'appartenant pas au pied. La segmentation est effectuée dans l'espace Teinte-Luminance-Saturation et par une opération de dilatation géodésique. Les points de pression sont obtenus par un traitement spécifique de l'histogramme de l'image de la Teinte segmentée. Ensuite, plu-sieurs méthodes de reconstruction 3D ont été mises en place pour extraire un nuage de points 3D appartenant à la surface du pied. La première méthode est une technique de reconstruction par projection et la deuxième est basée sur la stéréovision dont la mise en correspondance des points est faite par corrélation. La modélisation ou reconstruction de surface du nuage de points obtenu n'est pas le premier objectif mais elle permet de valider les méthodes d'extraction de nuages de points, plusieurs méthodes de reconstruction de surfaces ont été expérimentées sur des nuages de points organisés et non organisés. Finalement, deux systèmes d'acquisition ont été développés : 2D et 3D. Le système 2D est inclus dans le système 3D et il permet la fabrication des semelles orthopédiques qui représentent cinquante des cas rencontrés. Les informations extraites sont les contours de la plante du pied, la métrologie et les points de pression. Les fichiers de nuage de points obtenus sont directement exploitables par les logiciels de conception assistée par ordinateur.

Avec le vieillissement de la population, la pose de prothèses totales de hanche est devenue une opération courante. Pourtant, des complications peuvent avoir lieu, entrainant des luxations précoces. L'analyse fonctionnelle et tridimensionnelle (3D) de la hanche devient donc un enjeu clinique important. Des méthodes de reconstruction 3D du fémur proximal et du bassin ont été développées in vitro, sur des os isolés. Le but de cette recherche est l'analyse tridimensionnelle quantitative de l'articulation de la hanche in vivo. Le système EOS® a été utilisé pour obtenir deux radiographies face et profil en position debout, avec une très faible irradiation. La difficulté principale pour la reconstruction de la hanche in vivo est liée à la superposition des structures osseuses sur la vue de profil. Afin de lever ce verrou scientifique, des méthodes basées sur la déformation d'objets paramétriques pré-personnalisés, obtenus à partir d'une base de données, ont été développées afin d'obtenir un outil précis et reproductible de reconstruction. Cette méthodologie a été développée pour le fémur proximal et pour le bassin. La reproductibilité inter-opérateurs obtenues est de 2,2 mm et de 2,6 mm (2 écart-types) pour respectivement le fémur proximal et le bassin. Ces méthodes ont également été utilisées pour l'analyse de patients nécessitant la pose ou la reprise d'une prothèse totale de hanche. Des stéréoradiographies en positions debout, assis et accroupi ont été réalisées. Un ensemble de paramètres positionnels et morphologiques ont été évalués. Des différences statistiquement significatives ont été remarquées entre les patients avant chirurgie et un groupe de sujets contrôle, notamment pour la position du bassin. Ces recherches ont permis la réalisation d'un outil d'analyse de la hanche in vivo. Elles ont également souligné le potentiel du système EOS® pour l'analyse quantitative fonctionnelle et tridimensionnelle de l'articulation de la hanche saine et prothésée.

Dans les applications de modélisation de l'environnement, on dispose généralement de plusieurs images<br />3D de la même scène prises de points de vue différents. Le recalage de ces vues consiste à estimer les<br />transformations rigides qui permettent de les ramener dans un référentiel commun. Cette thèse propose<br />des solutions pour réaliser le recalage automatique de nuages de points denses et non structurés acquis<br />par un scanner 3D/couleur à haute résolution, en vue de la construction de modèles 3D texturés d'objets<br />complexes. La première contribution de ce travail concerne l'utilisation de l'information couleur pour<br />améliorer les performances du recalage en utilisant l'algorithme ICP (Iterative Closest Point)<br />initialement conçu pour le traitement de données géométriques pures. Lorsque le niveau du bruit sur la<br />couleur n'est pas trop élevé, l'utilisation de cette information photométrique permet d'améliorer la<br />convergence de l'algorithme et de réduire l'erreur résiduelle de recalage dans l'espace 3D. Une étude<br />concernant la robustesse de la méthode au bruit sur la couleur montre qu'on peut diminuer l'effet négatif<br />des changements d'illumination en choisissant un espace couleur perceptuel qui permet de séparer les<br />composantes chromatiques de la composante intensité. La deuxième contribution de ce travail concerne<br />l'automatisation du processus de recalage. En effet, pour éviter que l'algorithme itératif de recalage ne<br />converge vers un minimum local, il est nécessaire de lui fournir une transformation initiale proche de la<br />solution exacte. Pour estimer cette transformation de manière automatique on recherche un ensemble de<br />paires de points couleur dans les deux nuages à apparier. Ces paires sont construites à partir de points<br />d'intérêt extraits des images couleur à l'aide du détecteur de Harris Précis Couleur. La transformation<br />3D initiale est ensuite estimée en appliquant l'algorithme RANSAC aux paires 3D résultant de<br />l'appariement précédent. Cette méthode permet d'éliminer l'influence des mauvais appariements couleur<br />et fournit généralement une initialisation correcte du processus de recalage. Les tests effectués sur des<br />images réelles illustrent les performances et la faisabilité des solutions proposées.

Cette thèse porte sur la modélisation d'environnements naturels et la localisation d'un robot mobile autonome. L'environnement, inconnu ou partiellement connu au départ, est perçu incrémentalement par le robot au moyen d'un capteur 3D (télémètre laser ou vision stéréoscopique). Les domaines d'application de ce travail se situent dans le cadre de la robotique mobile d'intervention et de l'exploration planétaire. Une première partie établit sous la forme d'un cahier des charges les caractéristiques que doit présenter le modèle de l'environnement et fait une analyse critique des différentes représentations étudiées dans la littérature. L'approche proposée est alors introduite et se base sur une décomposition de l'environnement en deux entités élémentaires: le sol et les objets. La deuxième partie porte sur la modélisation d'une perception. Elle précise comment le robot segmente le sol et les objets à partir des images 3D et l'illustre par de nombreux exemples sur des données issues de scènes et de capteurs différents. Un modèle géométrique est calculé indépendamment pour chacun des objets et des relations topologiques (caractérisant leurs dispositions relatives) sont établies entre eux. Des objets particuliers, appelés amers, sont sélectionnés sur la base de critères de précision et de distinction. Le robot identifie pour chacun d'eux leur sommet qui est une caractéristique reconnaissable et en calcule la position et l'incertitude en fonction de la forme de l'amer et de la résolution du capteur. La troisième et dernière partie traite de la modélisation incrémentale de l'ensemble de l'environnement. Après chaque perception, le robot cherche à reconnaître les amers ou une configuration d'amers dans le modèle. Les appariements trouvés lui permettent de réestimer à la fois sa position et son incertitude ainsi que celles des amers. Cette opération de localisation et de construction de la carte des amers est réalisée à l'aide du filtre de Kalman étendu. Le maintien des liens de corrélation entre les amers et le robot permet de conserver la cohérence globale de la carte. Plusieurs expérimentations de modélisation incrémentale sont présentées et analysées méthodiquement. Les positions estimées du robot et celles des amers sont comparées à des valeurs de reférences, notamment obtenues grâce à un théodolite laser, et permettent de conclure sur la validité des localisations et de la carte construite.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal