Cette thèse propose un algorithme de mosaïquage pour la construction d'images panoramiques des parois internes de la vessie. Le temps de construction de ces images correspondant aux parties intéressantes de la vessie doit être inférieur à la durée d'un examen clinique standard. La méthode de mosaïquage doit aussi être robuste vis-à-vis des variabilités inter-examens liées aux patients et aux instruments. Ces images panoramiques pourront être utilisées par le clinicien comme référence pour guider des examens ultérieurs, pour l'archivage des données et pour suivre l'évolution des lésions. La première étape de l'algorithme est le pré-traitement des images cystoscopiques consistant en l'atténuation des inhomogénéités d'illumination et du motif de fibres optiques visible dans les images acquises par un fibroscope. La deuxième étape est le recalage des images. La solution retenue consiste en la corrélation par les transformées de Fourier des images qui fournit des translations initiales à un algorithme itératif basé sur la différence d'intensité entre les images. Ce dernier délivre les paramètres de la transformation perspective reliant deux images successives de la séquence. Dans la troisième étape nous projetons les images dans un repère commun en utilisant des transformations globales calculées avec les résultats des recalages. Nous utilisons un moyennage pondéré des intensités des pixels pour atténuer les bords visibles lors de la projection. Les résultats quantitatifs obtenus avec un fantôme et des résultats qualitatifs calculés pour des séquences réelles montrent que notre approche automatique de mosaïquage est robuste et rapide (temps compatible avec la durée d'un examen cystoscopique clinique). Nos tests ont également prouvé que l'algorithme de recalage fonctionne pour des transformations géométriques plus grandes que celles rencontrées typiquement entre images d'une séquence vidéo (90% de recouvrement entre images consécutives pour ces dernières).

L'objectif de cette thèse est de faciliter le diagnostic du cancer de la vessie. Durant une cystoscopie, un endoscope est introduit dans la vessie pour explorer la paroi interne de l'organe qui est visualisée sur un écran. Cependant, le faible champ de vue de l'instrument complique le diagnostic et le suivi des lésions. Cette thèse présente des algorithmes pour la création de cartes bi- et tridimensionnelles à large champ de vue à partir de vidéo-séquences cystoscopiques. En utilisant les avancées récentes dans le domaine de la minimisation d'énergies discrètes, nous proposons des fonctions coût indépendantes des transformations géométriques requises pour recaler de façon robuste et précise des paires d'images avec un faible recouvrement spatial. Ces transformations sont requises pour construire des cartes lorsque des trajectoires d'images se croisent ou se superposent. Nos algorithmes détectent automatiquement de telles trajectoires et réalisent une correction globale de la position des images dans la carte. Finalement, un algorithme de minimisation d'énergie compense les faibles discontinuités de textures restantes et atténue les fortes variations d'illuminations de la scène. Ainsi, les cartes texturées sont uniquement construites avec les meilleures informations (couleurs et textures) pouvant être extraites des données redondantes des vidéo-séquences. Les algorithmes sont évalués quantitativement et qualitativement avec des fantômes réalistes et des données cliniques. Ces tests mettent en lumière la robustesse et la précision de nos algorithmes. La cohérence visuelle des cartes obtenues dépasse celles des méthodes de cartographie de la vessie de la littérature.

L'objectif de cette thèse est de faciliter le diagnostic du cancer de la vessie. Durant une cystoscopie, un endoscope est introduit dans la vessie pour explorer la paroi interne de l'organe qui est visualisée sur un écran. Cependant, le faible champ de vue de l'instrument complique le diagnostic et le suivi des lésions. Cette thèse présente des algorithmes pour la création de cartes bi- et tridimensionnelles à large champ de vue à partir de vidéo-séquences cystoscopiques. En utilisant les avancées récentes dans le domaine de la minimisation d'énergies discrètes, nous proposons des fonctions coût indépendantes des transformations géométriques requises pour recaler de façon robuste et précise des paires d'images avec un faible recouvrement spatial. Ces transformations sont requises pour construire des cartes lorsque des trajectoires d'images se croisent ou se superposent. Nos algorithmes détectent automatiquement de telles trajectoires et réalisent une correction globale de la position des images dans la carte. Finalement, un algorithme de minimisation d'énergie compense les faibles discontinuités de textures restantes et atténue les fortes variations d'illuminations de la scène. Ainsi, les cartes texturées sont uniquement construites avec les meilleures informations (couleurs et textures) pouvant être extraites des données redondantes des vidéo-séquences. Les algorithmes sont évalués quantitativement et qualitativement avec des fantômes réalistes et des données cliniques. Ces tests mettent en lumière la robustesse et la précision de nos algorithmes. La cohérence visuelle des cartes obtenues dépassent celles des méthodes de cartographie de la vessie de la littérature / The aim of this thesis is to facilitate bladder cancer diagnosis. The reference clinical examination is cystoscopy, where an endoscope, inserted into the bladder, allows to visually explore the organ's internal walls on a monitor. The main restriction is the small field of view (FOV) of the instrument, which complicates lesion diagnosis, follow-up and treatment traceability.In this thesis, we propose robust and accurate algorithms to create two- and three-dimensional large FOV maps from cystoscopic video-sequences. Based on recent advances in the field of discrete energy minimization, we propose transformation-invariant cost functions, which allow to robustly register image pairs, related by large viewpoint changes, with sub-pixel accuracy. The transformations linking such image pairs, which current state-of-the-art bladder image registration techniques are unable to robustly estimate, are required to construct maps with several overlapping image trajectories. We detect such overlapping trajectories automatically and perform non-linear global map correction. Finally, the proposed energy minimization based map compositing algorithm compensates small texture misalignments and attenuates strong exposure differences. The obtained textured maps are composed by a maximum of information/quality available from the redundant data of the video-sequence. We evaluate the proposed methods both quantitatively and qualitatively on realistic phantom and clinical data sets. The results demonstrate the robustness of the algorithms, and the obtained maps outperform state-of-the-art approaches in registration accuracy and global map coherence

La cystoscopie est l’examen de référence pour le diagnostic et le traitement du cancer de la vessie. Le champ de vue (CdV) réduit des endoscopes complique le diagnostic et le suivi des lésions. Les mosaïques d’images sont une solution à ce problème car elles visualisent des CdV étendus. Toutefois, pour la vessie, le mosaïque d’images est un véritable défi à cause du faible contraste dans les images, des textures peu prononcées, de la variabilité intra- et inter-patient et des changements d’illumination dans les séquences. Ce défi est également à relever dans d’autres modalités endoscopiques ou dans des scènes non médicales comme les vidéos sous-marines. Dans cette thèse, une énergie variationnelle totale a d’abord été minimisée à l’aide d’un algorithme primal-dual du premier ordre pour obtenir un flot optique fournissant une correspondance dense et précise entre les points homologues des paires d’images. Les correspondances sont ensuite utilisées pour déterminer les paramètres des transformations requises pour le placement des images dans le repère global de la mosaïque. Les méthodes proposées pour l’estimation du flot optique dense incluent un terme d’attache aux données qui minimise le nombre des vecteurs aberrants et un terme de régularisation conçu pour préserver les discontinuités du champ devecteurs. Un algorithme de flot optique qui est robuste vis-à-vis de changements d’illumination importants (et utilisable pour différentes modalités) a également été développé dans ce contexte. La précision et la robustesse des méthodes de recalage proposées ont été testées sur des jeux de données (de flot optique) publiquement accessibles et sur des fantômes de vessies et de la peau. Des résultats sur des données patients acquises avec des cystoscopes rigides et flexibles, en lumière blanche ou en fluorescence, montrent la robustesse des algorithmes proposés. Ces résultats sont complétés par ceux obtenus pour d’autres séquences endoscopiques réelles de dermatoscopie, de scène sous-marine et de données d’exploration spatiale. / Cystoscopy is the reference procedure for the diagnosis and treatment of bladder cancer. The small field of view (FOV) of endoscopes makes both the diagnosis and follow-up of lesions difficult. Image mosaics are a solution to this problem since they visualize large FOVs of the bladder scene. However, due to low contrast, weak texture, inter- and intra-patient texture variability and illumination changes in these image sequences, the task of image mosaicing becomes challenging. This is also a major concern in other endoscopic data and non-medical scenes like underwater videos. In this thesis, a total variational energy has been first minimized using a first-order primal-dual algorithm in convex optimization to obtain optical flow vector fields giving a dense and accurate correspondence between homologous points of the image pairs. The correspondences are then used to obtain transformation parameters for registering the images to one global mosaic coordinate system. The proposed methods for dense optical flow estimation include a data-term which is modeled to minimize at most the outliers and a regularizer which is designed to preserve at their best the flow field discontinuities. An optical flow algorithm, which is robust to strong illumination changes (and which suits to different modalities), has also been developed in this framework. The registration accuracy and robustness of the proposed methods are tested on both publicly available datasets for optical flow estimation and on simulated bladder and skin phantoms. Results on patient data acquired with rigid and flexible cystoscopes under the white light and the fluorescence modality show the robustness of the proposed approaches. These results are also complemented with those of other real endoscopic data, dermoscopic sequences, underwater scenes and space exploration data.

Ce manuscrit se compose de 3 grandes parties. La première présente d'une part, un court curriculum vitae et d'autre part, une notice exposant l'ensemble de mes activités en matière d'enseignement, de recherche, d'administration et autres responsabilités individuelles et collectives depuis 1997. La deuxième grande partie est consacrée à une description du projet de recherche mené au CRAN depuis 2002-2003, dans le domaine de la caractérisation de tissus biologiques à l'aide de méthodes d'imagerie et de spectroscopie optique UV-Visible, au travers d'une approche "multi-échelles" et "multi-modalités". Leurs applications notamment au photodiagnostic in vivo en cancérologie (vessie, peau) sont développée au travers de 2 axes de recherche en : - imagerie endoscopique panoramique en lumière blanche (LB) et fluorescence (F), avec la construction automatique et rapide d'images panoramiques de parois internes de vessies par recalage et mosaïquage des images cystoscopiques, les validations quantitatives et qualitatives des performances des algorithmes développés, et la validation de la superposition d'images panoramiques LB/F au moyen d'un système d'excitation et d'acquisition Visible/UV multiplexées dans le temps, - spectroscopie fibrée d'autofluorescence (AF) et de diffusion élastique (DE) résolue spatialement, avec le développement et la validation métrologique d'un système de multiple excitation d'AF 360- 460 nm et de DE 360-760 nm, le traitement des données spectroscopiques multi-dimensionnelles, l'extraction, la sélection et la classification supervisée / non-supervisée de caractéristiques spectrales, l'identification de paramètres optiques de tissus à l'aide de simulations statistiques (Monte Carlo, modèles multi-couches), enfin l'application de la méthode à plusieurs études de différenciation in vivo entre les états sains/inflammatoires/cancéreux de la vessie de rats et entre les états sains/hyperplasiques/dysplasiques de la peau de souris. Pour chacun de ces axes, les problématiques, objectifs, principaux résultats et perspectives sont précisées. Finalement, la troisième et dernière grande partie de ce manuscrit donne la production scientifique et la version intégrale de plusieurs articles représentatifs.