Modéliser la déformation de structures anatomiques en temps réel est un problème crucial en simulation médicale. En raison des grandes différences existantes dans leur forme et leur constitution, un modèle unique est insuffisant face à la variété des comportements mécaniques. Par conséquent, nous avons identifié deux principaux types de structures: les organes pleins (cerveau, foie, prostate etc.) et les organes creux (colon, vaisseaux sanguins, estomac etc.).Notre réponse à cette problématique est double. Notre première contribution est une implémentation GPU d’un modèle éléments finis qui est non-linéaire, anisotropique et viscoélastique pour les structures pleines. Notre seconde contribution est un environnement pour modéliser en temps réel les structures fines via un modèle parallèlisable et co-rotationnel utilisant des éléments coques et une approche pour mailler une surface complexe avec des éléments coques courbes. Bien que les deux modèles de tissus soient basés sur la mécanique continue pour une meilleure précision, ils sont tous les deux capables de simuler la déformation d’organes en temps réel. Enfin, leur implémentation dans l’environnement open source SOFA permettra la diffusion de ces deux modèles afin de participer à l’amélioration du réalisme des simulateurs médicaux. / Modelling the deformation of anatomical structures in real-time is a crucial problem in medical simulation. Because their shape and their constitution greatly differ, a unique model cannot deal with the variousness of the mechanical behaviours. Hence, we identified two major types of structures in human body, they can be either solid (brain, liver, prostate etc.) or hollow (colon, blood vessels, stomach etc.). Our answer to this problematic is twofold. Our first contribution is an efficient GPU implementation of a non-linear, anisotropic and viscoelastic finite element model for solid organs. Our second contribution is a framework for real-time modelling of thin anatomical structures via a parallelisable co-rotational shell finite element formulation and a method to mesh a complex surface with curved shell elements. Although the two soft tissue models are based on continuum mechanics for greater accuracy, they may both be employed to simulate the deformation of entire organs in real-time. Finally, their implementation into the open source framework SOFA will provide worldwide researchers with new models to assist in enhancing the realism of medical simulators.

La géométrie numérique en temps réel est un domaîne de recherches émergent en informatique graphique.Pour pouvoir générer des images photo-réalistes de haute définition,beaucoup d'applications requièrent des méthodes souvent prohibitives financièrementet relativement lentes.Parmi ces applications, on peut citer la pré-visualisation d'architectures, la réalisation de films d'animation,la création de publicités ou d'effets spéciaux pour les films dits réalistes.Dans ces cas, il est souvent nécessaire d'utiliser conjointement beaucoup d'ordinateurs possédanteux-mêmes plusieurs unités graphiques (Graphics Processing Units - GPUs).Cependant, certaines applications dites temps-réel ne peuvent s'accomoder de telles techniques, car elles requièrentde pouvoir générer plus de 30 images par seconde pour offrir un confort d'utilisationet une intéraction avec des mondes virtuels 3D riches et réalistes.L'idée principale de cette thèse est d'utiliser la synthèse de géométrie,la géométrie numérique et l'analyse géométrique pourrépondre à des problèmes classiques en informatique graphique,telle que la génération de surfaces de subdivision, l'illumination globaleou encore l'anti-aliasing dans des contextes d'intéraction temps-réel.Nous présentons de nouveaux algorithmes adaptés aux architectures matérielles courantes pour atteindre ce but. / Eal-time geometry synthesis is an emerging topic in computer graphics.Today's interactive 3D applications have to face a variety of challengesto fulfill the consumer's request for more realism and high quality images.Often, visual effects and quality known from offline-rendered feature films or special effects in movie productions are the ultimate goal but hard to achieve in real time.This thesis offers real-time solutions by exploiting the Graphics Processing Unit (GPU)and efficient geometry processing.In particular, a variety of topics related to classical fields in computer graphics such assubdivision surfaces, global illumination and anti-aliasing are discussedand new approaches and techniques are presented.

La complexité visuelle des objets ne réside pas uniquement dans leurs formes, mais également dans l'apparence de leurs surfaces. Les détails de surface ne sont pas nécessaires à la compréhension des<br />formes. Ils sont cependant primordiaux pour enrichir l'aspect visuel des images produites, et répondre aux besoins croissants de réalisme des applications graphiques modernes (jeux vidéos, effets spéciaux,<br />simulateurs).<br />En synthèse d'image, les modèles d'habillage de surface, tels que le placage de texture, sont utilisés conjointement à la représentation des formes pour enrichir l'aspect des objets. Ils permettent de représenter les variations des propriétés du matériau le long de la surface, et ainsi de créer de nombreux détails, allant de fins motifs colorés à des aspects rugueux ou abimés.<br />Cependant, la demande croissante de l'industrie, en terme de richesse, de qualité et de finesse de détails, implique une utilisation des ressources toujours plus grande : quantité de données à stocker, temps et difficulté de création pour les artistes, temps de calcul des images. Les modèles d'habillage de surface actuels, en particulier le placage de texture, ne permettent plus de répondre efficacement à toutes les situations.<br />Nous proposons dans cette thèse de nouveaux modèles d'habillage, qui permettent d'atteindre de très hautes résolutions de détails sur les surfaces, avec peu de mémoire, un temps de création réduit et avec des performances interactives : nous les avons conçus pour les processeurs graphiques programmables récents. Nos approches sont multiples : combinaison semi-automatique de motifs sur la surface, gestion de texture dépendante du point de vue, méthodes basées sur des textures hiérarchiques pour éviter le recours à une paramétrisation planaire globale. Nous proposons également, à titre d'exemple, des applications concrètes de nos modèles d'habillage génériques à des cas difficiles, voire impossibles, à réaliser auparavant.

De nombreux problèmes d'optimisation propres à différents secteurs industriels et académiques (énergie, chimie, transport, etc.) nécessitent de concevoir des méthodes de plus en plus efficaces pour les résoudre. Afin de répondre à ces besoins, l'objectif de cette thèse est de développer une bibliothèque composée de plusieurs métaheuristiques hybrides distribuées et massivement parallèles. Dans un premier temps, nous avons étudié le problème du voyageur de commerce et sa résolution par la méthode colonie de fourmis afin de mettre en place les techniques d'hybridation et de parallélisation. Ensuite, deux autres problèmes d'optimisation ont été traités, à savoir, le problème d'affectation quadratique (QAP) et le problème de la résolution structurale des zéolithes (ZSP). Pour le QAP, plusieurs variantes basées sur une recherche taboue itérative avec des diversifications adaptatives ont été proposées. Le but de ces propositions est d'étudier l'impact de : l'échange des données, des stratégies de diversification et des méthodes de coopération. Notre meilleure variante est comparée à six des meilleurs travaux de la littérature. En ce qui concerne le ZSP, deux nouvelles formulations de la fonction objective sont proposées pour évaluer le potentiel des structures zéolitiques trouvées. Ces formulations sont basées sur le principe de pénalisation et de récompense. Deux algorithmes génétiques hybrides et parallèles sont proposés pour générer des structures zéolitiques stables. Nos algorithmes ont généré actuellement six topologies stables, parmi lesquelles trois ne sont pas répertoriées sur le site Web du SC-IZA ou dans l'Atlas of Prospective Zeolite Structures. / Many optimization problems specific to different industrial and academic sectors (energy, chemicals, transportation, etc.) require the development of more effective methods in resolving. To meet these needs, the aim of this thesis is to develop a library of several hybrid metaheuristics distributed and massively parallel. First, we studied the traveling salesman problem and its resolution by the ant colony method to establish hybridization and parallelization techniques. Two other optimization problems have been dealt, which are, the quadratic assignment problem (QAP) and the zeolite structure problem (ZSP). For the QAP, several variants based on an iterative tabu search with adaptive diversification have been proposed. The aim of these proposals is to study the impact of: the data exchange, the diversification strategies and the methods of cooperation. Our best variant is compared with six from the leading works of the literature. For the ZSP two new formulations of the objective function are proposed to evaluate the potential of the zeolites structures founded. These formulations are based on reward and penalty evaluation. Two hybrid and parallel genetic algorithms are proposed to generate stable zeolites structures. Our algorithms have now generated six stable topologies, three of them are not listed in the SC-JZA website or in the Atlas of Prospective Zeolite Structures.

Les neurosciences computationnelles ont permis de développer des outils mathématiques et informatiques permettant la création, puis la simulation de modèles représentant le comportement de certaines composantes de notre cerveau à l’échelle cellulaire. Ces derniers sont utiles dans la compréhension des interactions physiques et biochimiques entre les différents neurones, au lieu d’une reproduction fidèle des différentes fonctions cognitives comme dans les travaux sur l’intelligence artificielle. La construction de modèles décrivant le cerveau dans sa globalité, en utilisant une homogénéisation des données microscopiques est plus récent, car il faut prendre en compte la complexité géométrique des différentes structures constituant le cerveau. Il y a donc un long travail de reconstitution à effectuer pour parvenir à des simulations. D’un point de vue mathématique, les différents modèles sont décrits à l’aide de systèmes d’équations différentielles ordinaires, et d’équations aux dérivées partielles. Le problème majeur de ces simulations vient du fait que le temps de résolution peut devenir très important, lorsque des précisions importantes sur les solutions sont requises sur les échelles temporelles mais également spatiales. L’objet de cette étude est d’étudier les différents modèles décrivant l’activité électrique du cerveau, en utilisant des techniques innovantes de parallélisation des calculs, permettant ainsi de gagner du temps, tout en obtenant des résultats très précis. Quatre axes majeurs permettront de répondre à cette problématique : description des modèles, explication des outils de parallélisation, applications sur deux modèles macroscopiques. / Computational Neuroscience helped develop mathematical and computational tools for the creation, then simulation models representing the behavior of certain components of our brain at the cellular level. These are helpful in understanding the physical and biochemical interactions between different neurons, instead of a faithful reproduction of various cognitive functions such as in the work on artificial intelligence. The construction of models describing the brain as a whole, using a homogenization microscopic data is newer, because it is necessary to take into account the geometric complexity of the various structures comprising the brain. There is therefore a long process of rebuilding to be done to achieve the simulations. From a mathematical point of view, the various models are described using ordinary differential equations, and partial differential equations. The major problem of these simulations is that the resolution time can become very important when important details on the solutions are required on time scales but also spatial. The purpose of this study is to investigate the various models describing the electrical activity of the brain, using innovative techniques of parallelization of computations, thereby saving time while obtaining highly accurate results. Four major themes will address this issue: description of the models, explaining parallelization tools, applications on both macroscopic models.

La reconstruction tomographique à partir de données de projections est un problème inverse largement utilisé en imagerie médicale et de façon plus modeste pour le contrôle nondestructif. Avec un nombre suffisant de projections, les algorithmes analytiques permettentdes reconstructions rapides et précises. Toutefois, dans le cas d’un faible nombre de vues(imagerie faible dose) et/ou d’angle limité (contraintes spécifiques liées à l’installation), lesdonnées disponibles pour l’inversion ne sont pas complètes, le mauvais conditionnementdu problème s’accentue, et les résultats montrent des artefacts importants. Pour aborderces situations, une approche alternative consiste à discrétiser le problème de reconstruction,et à utiliser des algorithmes itératifs ou une formulation statistique du problème afinde calculer une estimation de l’objet inconnu. Ces méthodes sont classiquement basées surune discrétisation du volume en un ensemble de voxels, et fournissent des cartes 3D de ladensité de l’objet étudié. Les temps de calcul et la ressource mémoire de ces méthodesitératives sont leurs principaux points faibles. Par ailleurs, quelle que soit l’application, lesvolumes sont ensuite segmentés pour une analyse quantitative. Devant le large éventaild’outils de segmentation existant, basés sur différentes interprétations des contours et defonctionnelles à minimiser, les choix sont multiples et les résultats en dépendent.Ce travail de thèse présente une nouvelle approche de reconstruction simultanée àla segmentation des différents matériaux qui composent le volume. Le processus dereconstruction n’est plus basé sur une grille régulière de pixels (resp. voxels), mais sur unmaillage composé de triangles (resp. tétraèdres) non réguliers qui s’adaptent à la formede l’objet. Après une phase d’initialisation, la méthode se décompose en trois étapesprincipales que sont la reconstruction, la segmentation et l’adaptation du maillage, quialternent de façon itérative jusqu’à convergence. Des algorithmes itératifs de reconstructioncommunément utilisés avec une représentation conventionnelle de l’image ont étéadaptés et optimisés pour être exécutés sur des grilles irrégulières composées d’élémentstriangulaires ou tétraédriques. Pour l’étape de segmentation, deux méthodes basées surune approche paramétrique (snake) et l’autre sur une approche géométrique (level set)ont été mises en oeuvre afin de considérer des objets de différentes natures (mono- etmulti- matériaux). L’adaptation du maillage au contenu de l’image estimée est basée surles contours segmentés précédemment, pour affiner la maille au niveau des détails del’objet et la rendre plus grossière dans les zones contenant peu d’information. En finde processus, le résultat est une image classique de reconstruction tomographique enniveaux de gris, mais dont la représentation par un maillage adapté au contenu proposeidirectement une segmentation associée. Les résultats montrent que la partie adaptative dela méthode permet de représenter efficacement les objets et conduit à diminuer drastiquementla mémoire nécessaire au stockage. Dans ce contexte, une version 2D du calcul desopérateurs de reconstruction sur une architecture parallèle type GPU montre la faisabilitédu processus dans son ensemble. Une version optimisée des opérateurs 3D permet descalculs encore plus efficaces. / Tomography reconstruction from projections data is an inverse problem widely used inthe medical imaging field. With sufficiently large number of projections over the requiredangle, the FBP (filtered backprojection) algorithms allow fast and accurate reconstructions.However in the cases of limited views (lose dose imaging) and/or limited angle (specificconstrains of the setup), the data available for inversion are not complete, the problembecomes more ill-conditioned, and the results show significant artifacts. In these situations,an alternative approach of reconstruction, based on a discrete model of the problem,consists in using an iterative algorithm or a statistical modelisation of the problem to computean estimate of the unknown object. These methods are classicaly based on a volumediscretization into a set of voxels and provide 3D maps of densities. Computation time andmemory storage are their main disadvantages. Moreover, whatever the application, thevolumes are segmented for a quantitative analysis. Numerous methods of segmentationwith different interpretations of the contours and various minimized energy functionalare offered, and the results can depend on their use.This thesis presents a novel approach of tomographic reconstruction simultaneouslyto segmentation of the different materials of the object. The process of reconstruction isno more based on a regular grid of pixels (resp. voxel) but on a mesh composed of nonregular triangles (resp. tetraedra) adapted to the shape of the studied object. After aninitialization step, the method runs into three main steps: reconstruction, segmentationand adaptation of the mesh, that iteratively alternate until convergence. Iterative algorithmsof reconstruction used in a conventionnal way have been adapted and optimizedto be performed on irregular grids of triangular or tetraedric elements. For segmentation,two methods, one based on a parametric approach (snake) and the other on a geometricapproach (level set) have been implemented to consider mono and multi materials objects.The adaptation of the mesh to the content of the estimated image is based on the previoussegmented contours that makes the mesh progressively coarse from the edges to thelimits of the domain of reconstruction. At the end of the process, the result is a classicaltomographic image in gray levels, but whose representation by an adaptive mesh toits content provide a correspoonding segmentation. The results show that the methodprovides reliable reconstruction and leads to drastically decrease the memory storage. Inthis context, the operators of projection have been implemented on parallel archituecturecalled GPU. A first 2D version shows the feasability of the full process, and an optimizedversion of the 3D operators provides more efficent compoutations.

Les gliomes sont les tumeurs cérébrales primaires les plus communes chez l’adulte. Parmi eux, le glioblastome (GBM) représente la tumeur cérébrale la plus fréquente avec le pronostic le plus sombre. Son incidence annuelle est d'environ 3 à 5 cas pour 100 000 personnes (environ 3000 nouvelles chaque année en France). La survie médiane varie entre 11 et 13 mois selon la qualité de la résection tumorale.Le standard de soins inclue une résection chirurgicale et est suivie d'une radiothérapie et d'une chimiothérapie. Une résection maximale est souhaitée afin de diminuer les risques de récidive. Bien que l’utilisation de la technique de diagnostic photodynamique peropératoire, appelée résection fluoroguidée (FGR), améliore la qualité de résection, une récidive survient dans ces berges de la cavité opératoire dans 85% des cas.Des thérapies alternatives doivent être développées pour améliorer la survie globale des patients. Dans ce contexte, la thérapie photodynamique (PDT) semble pertinente. La PDT est basée sur la synergie de trois paramètres : une molécule, la photosensibilisateur (PS) qui se concentre préférentiellement dans les cellules tumorales, la lumière laser et l'oxygène. La lumière laser induit une réaction entre le PS et l’oxygène de la cellule. Cette réaction produit des molécules cytotoxiques (dont l'oxygène singulet) et conduit à la mort de cellules tumorales. Deux modalités de traitement sont étudiées : la PDT interstitielle (iPDT) ou la PDT peropératoire.L'objectif principal de cette thèse est de fournir des outils technologiques afin développer la PDT pour le traitement du GBM. Ainsi, les deux modalités de traitement ont été étudiées.Lorsque la résection n'est pas réalisable (environ 20% à 30% des cas), l'iPDT peut être privilégiée. Cette modalité vise à insérer des fibres optiques dans la cible thérapeutique pour éclairer les tissus tumoraux. Ainsi, la simulation de la propagation de la lumière dans les tissus est nécessaire pour planifier la localisation des fibres optiques. Considérée comme méthode de référence, un modèle Monte-Carlo accéléré par processeurs graphiques a été développé. Ce modèle calcule la propagation de la lumière émise par un diffuseur cylindrique dans des milieux hétérogènes. La précision du modèle a été évaluée avec des mesures expérimentales. L'accélération fournie par la parallélisation permet son utilisation dans la routine clinique.L'iPDT doit être planifiée à l'aide d'un système de planification de traitement (TPS). Une preuve de concept d'un TPS dédié au traitement stéréotaxique iPDT du GBM a été développée. Ce logiciel fournit des outils de base pour planifier l'insertion stéréotaxique de diffuseurs cylindriques et calculer la dosimétrie associée. Le recalage stéréotaxique et la précision du calcul dosimétrique ont été évalués avec des méthodologies spécifiques.Lorsque la résection est réalisable, la PDT peropératoire peut être appliquée au début de la FGR. Celle-ci profite de la présence du PS (la protoporphyrine IX) utilisé pour la FGR et qui s’est déjà concentrée dans les cellules tumorales. Ainsi, la stratégie de traitement proposée peut s’inclure facilement au standard de soin. Un dispositif médical a été conçu pour s'adapter à la cavité et éclairer de façon homogène les berges de la cavité opératoire. Le dispositif est constitué de deux parties : un trocart couplé à un ballon gonflable et un guide de fibre optique développé au sein du laboratoire ONCO-THAI permettant d'insérer la source lumineuse. Des méthodologies spécifiques ont été développées pour étalonner et évaluer l'appareil en termes de contrainte mécanique et de dosimétrie. L'étalonnage a permis la création d’une fonction de transfert permettant une prescription de durée de traitement rapide, robuste et facile. De plus, de nombreux tests ont été réalisés en amont de l'essai clinique qui évalue la sécurité de la procédure. / Gliomas are the most common primary brain tumors in adults. Among them, glioblastoma (GBM) represents the most frequent primary brain tumor and have the most dismal prognosis. Its annual incidence is about 3 to 5 cases for 100,000 persons (about 3000 news cases each year in France). Median survival varies between 11 to 13 months according the extent of tumor resection.The standard of care includes surgery and is followed by radiation therapy and chemotherapy. Maximal resection is expected to delay recurrence. Despite of using intraoperative photodynamic diagnosis, or fluorescence guided resection (FGR), which improves the extent of resection, relapse still occurs in these resection margins in 85% of cases.Alternatives therapies have to be developed to enhance patients’ overall survival. In this context, Photodynamic Therapy (PDT) seems relevant. PDT is based on the synergy of three parameters: a photosensitizing molecule, the photosensitizer (PS) that concentrates preferentially into the tumor cells, laser light and oxygen. Laser light induces a reaction between the PS and the oxygen of the cell. This reaction produces highly cytotoxic molecules (including singlet oxygen) and leads to death of tumor cells. Two treatment modalities are investigated: interstitial PDT (iPDT) or intraoperative PDT.The main goal of this thesis is to provide technological tools to develop the PDT for GBM treatment. Thus, the two treatment modalities have been investigated.When tumor resection is non-achievable (about 20% to 30% of cases), iPDT may be preferred. This modality aims to insert optical fibers directly into the target to illuminate tumor tissues. Thus, simulation of light propagation in brain tissues is required to plan the location of optical fibers. Considered as reference method, a Monte-Carlo model accelerated by graphics processing unit was developed. This model computes the light propagation emitted by a cylindrical diffusor inside heterogeneous media. Accuracy of the model was evaluated with experimental measurements. The acceleration provided by the parallelization allows its use in clinical routine.The iPDT has to be planned using a Treatment Planning System (TPS). A proof of concept of a TPS dedicated to the stereotactic iPDT treatment of GBM was developed. This software provides basic tools to plan the stereotactic insertion of cylindrical diffusors in patient’s brain and to compute the associated dosimetry. The stereotactic registration and the dosimetry computation’s accuracy were evaluated with specific methodologies.When tumor resection is achievable, the intraoperative PDT may be applied early after the FGR. It takes advantage of the presence of the PS (the protoporphyrin IX) used for FGR purpose and that is already concentrates into the tumor cells. Thus, the proposed treatment strategy fits into the current standard of care. A medical device was designed to fit to the resection cavity and illuminate homogeneously the cavity’s margins. The device is constituted of two parts: a trocar coupled to an inflatable balloon and a fiber guide developed in the ONCO-THAI laboratory allowing to insert the light source. Specific methodologies were developed to calibrate and assess the device in terms of mechanical properties and dosimetry. The calibration process leaded to a transfer function that provides fast, robust and easy treatment duration prescription to induce a PDT response in cavity margins. Furthermore, a comprehensive experimental design has been worked out prior to the clinical trial that evaluate the safety of the procedure.