Pour l'évaluation de la fonction rénale, l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) dynamique à rehaussement de contraste est une alternative intéressante à la scintigraphie. Les résultats obtenus doivent cependant être évalués à grande échelle avant son utilisation en pratique clinique. L'exploitation des séquences acquises demande un recalage de la série d'images et la segmentation des structures internes du rein. Notre objectif est de fournir un outil fiable et simple à utiliser pour automatiser en partie ces deux opérations. Des méthodes statistiques de recalage utilisant l'information mutuelle sont testées sur des données réelles. La segmentation du cortex, de la médullaire et des cavités est réalisée en classant les voxels rénaux selon leurs courbes temps-intensité. Une stratégie de classification en deux étapes est proposée. Des classificateurs sont d'abord construits grâce à la coupe rénale principale en utilisant deux algorithmes de quantification vectorielle (K-moyennes et Growing Neural Gas). Ils sont validés sur données simulées, puis réelles, en évaluant des critères de similarité entre une segmentation manuelle de référence et des segmentations fonctionnelles ou une seconde segmentation manuelle. Les voxels des autres coupes sont ensuite triés avec le classificateur optimum pour la coupe principale. La théorie de la généralisation permet de borner l'erreur de classification faite lors de cette extension. La méthode proposée procure les avantages suivants par rapport à une segmentation manuelle : gain de temps important, intervention de l'opérateur limitée et aisée, bonne robustesse due à l'utilisation de toute la séquence et bonne reproductibilité / Dynamic-Contrast-Enhanced Magnetic Resonance Imaging has a great potential for renal function assessment but has to be evaluated on a large scale before its clinical application. Registration of image sequences and segmentation of internal renal structures is mandatory in order to exploit acquisitions. We propose a reliable and user-friendly tool to partially automate these two operations. Statistical registration methods based on mutual information are tested on real data. Segmentation of cortex, medulla and cavities is performed using time-intensity curves of renal voxels in a two step process. Classifiers are first built with pixels of the slice that contains the largest proportion of renal tissue : two vector quantization algorithms, namely the K-means and the Growing Neural Gas with targeting, are used here. These classifiers are first tested on synthetic data. For real data, as no ground truth is available for result evaluation, a manual anatomical segmentation is considered as a reference. Some discrepancy criteria like overlap, extra pixels and similarity index are computed between this segmentation and functional one. The same criteria are also evaluated between the referencee and another manual segmentation. Results are comparable for the two types of comparisons. Voxels of other slices are then sorted with the optimal classifier. Generalization theory allows to bound classification error for this extension. The main advantages of functional methods are the following : considerable time-saving, easy manual intervention, good robustness and reproductibility

Pour l'évaluation de la fonction rénale, l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) dynamique à rehaussement de contraste est une alternative intéressante à la scintigraphie. Les résultats obtenus doivent cependant être évalués à grande échelle avant son utilisation en pratique clinique. L'exploitation des séquences acquises demande un recalage de la série d'images et la segmentation des structures internes du rein. Notre objectif est de fournir un outil fiable et simple à utiliser pour automatiser en partie ces deux opérations. Des méthodes statistiques de recalage utilisant l'information mutuelle sont testées sur des données réelles. La segmentation du cortex, de la médullaire et des cavités est réalisée en classant les voxels rénaux selon leurs courbes temps-intensité. Une stratégie de classification en deux étapes est proposée. Des classificateurs sont d'abord construits grâce à la coupe rénale principale en utilisant deux algorithmes de quantification vectorielle (K-moyennes et Growing Neural Gas). Ils sont validés sur données simulées, puis réelles, en évaluant des critères de similarité entre une segmentation manuelle de référence et des segmentations fonctionnelles ou une seconde segmentation manuelle. Les voxels des autres coupes sont ensuite triés avec le classificateur optimum pour la coupe principale. La théorie de la généralisation permet de borner l'erreur de classification faite lors de cette extension. La méthode proposée procure les avantages suivants par rapport à une segmentation manuelle : gain de temps important, intervention de l'opérateur limitée et aisée, bonne robustesse due à l'utilisation de toute la séquence et bonne reproductibilité.

Modèles et analyses statistiques de l'image biomédicale

Le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquent chez l'homme en France et aux pays occidentaux. Il est la troisième cause de décès liés au cancer, étant responsable d'environ 10% des morts. La curiethérapie, une technique de radiothérapie, est liée à une meilleure qualité de vie après le traitement, par rapport aux autres méthodes de traitement. La curiethérapie de la prostate consiste à insérer des sources radioactives dans la prostate afin de délivrer une dose d'irradiation localisée à la tumeur tout en protégeant les tissus sains environnants. L'imagerie multimodale est utilisée afin d'améliorer la précision du traitement. Les images Tomodensitométriques préopératoires, appelées Computed Tomography (CT), peuvent être utilisées pour calculer une distribution personnalisée et plus précise de dose. Pendant l'intervention, le chirurgien utilise un système de guidage temps-réel par l'Ultrason Transrectale, Transrectal Ultrasound (TRUS), pour placer correctement les sources radioactives dans leurs positions souhaitées. Par conséquent, si les positions des sources sont déterminées sur l'image CT, elles doivent être transférées à l'image US. Cependant, un recalage US/CT direct et robuste est difficilement envisageable parce que les tissus mous, telle que la prostate, offrent peu de contraste en CT et en US. En revanche, l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) fournit un meilleur contraste et peut, potentiellement, améliorer le traitement en améliorant la visualisation. Donc, ces trois modalités (IRM, CT et US) doivent être correctement alignées. Pour compenser les déformations de la prostate, due au changement de taille et forme entre les différentes acquisitions, un recalage non-rigide est nécessaire. Une méthode de recalage entièrement automatique est nécessaire, afin de faciliter son intégration au bloc opératoire. Nous proposons dans un premier temps un recalage IRM/CT basé sur la maximisation de l'information mutuelle en combinaison avec un champ de déformation paramétré par B-Splines. Nous proposons de contraindre le recalage sur des volumes d'intérêt (VOIs) afin d'améliorer la robustesse et le temps de calcul. L'approche proposée a été validée sur des jeux de données cliniques. Une évaluation quantitative a montré que l'erreur de recalage est égale à 1.15±0.20 mm; qui répond à la précision clinique souhaitée. Ensuite, nous proposons un deuxième recalage US/IRM, où nous utilisons une approche multi-résolution pour éviter les minima locaux et améliorer le temps de calcul. Un critère de similarité, qui met en corrélation l'intensité de l'image US avec l'intensité ainsi que le gradient de l'image IRM, a été utilisé afin de trouver la transformation qui aligne les deux images. Cette méthode a été validée sur un fantôme de prostate dans un premier temps pour évaluer sa faisabilité. Ensuite, elle a été validée sur des jeux de données cliniques en utilisant des critères qualitatives et quantitatives. La distance Hausdorff a montré que l'erreur de recalage est égale à 1.44±0.06 mm. L'approche proposée dans ce travail permet d'aller vers un protocole de curiethérapie guidée par l'imagerie multimodale qui puisse améliorer la précision globale de cette procédure. Malgré ces résultats plutôt encourageants, les travaux futurs impliqueront une évaluation plus approfondie sur plus de jeux de données afin d'évaluer la fiabilité et l'efficacité de cette méthode avant de l'intégrer au bloc opératoire. / Prostate cancer is the most common cancer in men in France and western countries. It is the third leading cause of death from cancer, being responsible for around 10% of deaths. Brachytherapy, a radiotherapy technique, is associated with a better health-related quality of life after the treatment, compared to other treatment techniques. Prostate brachytherapy involves the implantation of radioactive sources inside the prostate to deliver a localized radiation dose to the tumor while sparing the surrounding healthy tissues. Multi-modal imaging is used in order to improve the overall accuracy of the treatment. The pre-operative Computed Tomography (CT) images can be used to calculate a personalized and accurate dose distribution. During the intervention, the surgeon utilizes a real-time guiding system, Trasnrectal Ultrasound (TRUS), to accurately place the radioactive sources in their desired pre-planned positions. Therefore, if the positions of the sources were determined on CT, they need to be transferred to US. However, a robust and direct US/CT registration is hardly possible since they both provide low soft tissue contrast. Magnetic Resonance Imaging (MRI), on the other hand, has a superior contrast and can potentially improve the treatment planning and delivery by providing a better visualization. Thus, these three modalities (MRI, US and CT) need to be accurately registered. To compensate for prostate deformations, caused by changes in size and form between the different acquisitions, non-rigid registration is essential. Fully automatic registration methodology is necessary in order to facilitate its integration in a clinical workflow. At first, we propose a registration between pre-operative MR and CT images based on the maximization of the mutual information in combination with a deformation field parameterized by cubic B-Splines. We propose to constrain the registration to volumes of interest (VOIs) in order to improve the robustness and the computational efficiency. The proposed approach was validated on clinical patient datasets. Quantitative evaluation indicated that the overall registration error was of 1.15±0.20 mm; which satisfies the desired clinical accuracy. Then, we propose a second intra-operative US/MRI registration, where a multi-resolution approach is implemented to reduce the probability of local minima and improve the computational efficiency. A similarity measure, which correlates intensities of the US image with intensities and gradient magnitude of the MRI, is used to determine the transformation that aligns the two images. The proposed methodology was validated on a prostate phantom at first to assess its feasibility. Subsequently, the method was validated on clinical patient datasets and evaluated using qualitative and quantitative criteria, resulting in a registration error of 1.44±0.06 mm. The approach proposed in this work allows going towards a multimodal protocol for image-guided brachytherapy which can improve the overall accuracy of this procedure. Despite such encouraging results, future work will involve further evaluation on a larger number of datasets in order to assess the reliability and the efficiency of this methodology before integrating it in a clinical workflow.

Après une déprivation sensorielle ou après une réhabilitation sensorielle périphérique, les aires sensori-motrices primaires du cerveau se réorganisent anatomiquement et fonctionnellement. Dans le cas du transfert tendineux, une réhabilitation des fonctions manuelles est opérée grâce à une inversion de certaines fonctions de flexion en extension. Chez les patients opérés, la commande centrale de ces mouvements élémentaires repose sur des processus de plasticité cérébrale, processus encore mal connus, lents qui se stabilisent en une année et qui présentent une co-occurrence avec la récupération manuelle. Nous faisons l'hypothèse que l'IRM fonctionnelle de haute résolution permet de détecter la plasticité cérébrale liée à cette récupération motrice. Cette thèse a pour but de mettre en place des méthodes de suivi longitudinal individuel à partir des images fonctionnelles cérébrales des patients pour étudier la plasticité cérébrale lors de la récupération fonctionnelle. On a d’abord cherché à obtenir des cartes de référence de la motricité fine de la main sur un groupe de sujets contrôles. Ces cartes sont ensuite utilisées pour évaluer, à partir des données obtenues lors du suivi longitudinal de patients, la plasticité cérébrale liée au transfert tendineux. Pour mieux comprendre la représentation des mouvements de flexion et d'extension de la main dans le cortex moteur primaire, nous avons mis en place une étude en IRM fonctionnelle de haute résolution à 3T sur un groupe de 13 sujets sains. Pour généraliser les résultats individuels obtenus pour chaque mouvement au niveau de la population, il faut pouvoir réaligner les cerveaux individuels dans un référentiel commun afin d'effectuer une analyse statistique sur le groupe. Or, la variabilité anatomique inter-individuelle des aires motrices primaires constituait un verrou scientifique car celles-ci ne se réalignaient pas correctement par les méthodes classiques. Dans un premier temps, nous avons donc évalué différentes méthodes de recalage non-linéaires au niveau du cortex moteur pour assurer un alignement inter-individuel robuste. Nous avons comparé une méthode locale, Demons qui permet des déformations locales très importantes des images, une méthode classique non-linéaire (SPM), qui permet un alignement global des images, et une méthode de recalage global difféomorphique (DARTEL) utilisant de nombreux degrés de liberté. De plus, nous avons appliqué une méthode récente basée sur l’alignement des sillons corticaux au préalable à l’utilisation de DARTEL (DISCO+DARTEL) en partenariat avec l’équipe du LSIS, (CNRS Marseille) qui ajoute un caractère local à la technique globale de recalage. Nous montrons que cette dernière méthode produit le meilleur alignement sur des critères à la fois anatomiques (distance de Hausdorff, superposition des masques de tissus, et caractéristiques du champ de déformations) et fonctionnels (précision de la localisation et robustesse statistique des activations détectées). Nous avons alors pu établir des cartes de référence en haute résolution des mouvements élémentaires de la main, selon la dominance manuelle, selon la direction du mouvement et selon le segment de la main. Ces cartes présentent de multiples foyers d’activation et un chevauchement important dans la région dite du « hand-knob ». Dans un deuxième temps, nous avons évalué la robustesse de nos résultats, en réalisant une deuxième série d’examens sur les mêmes sujets contrôles (test-retest). Deux patients ont été suivis longitudinalement: avant la chirurgie (M0), à 1 mois (M1), à 3 (M3), 6 (M6) et 12 mois (M12) après la chirurgie. On a observé le recrutement au cours de la récupération de la SMA, de M1 et S1 ipsilatéral, de S1 contralatéral et des lobules V et VI du cervelet. Par rapport aux sujets sains, les patients mettent en place une réorganisation compensatoire au cours de la récupération fonctionnelle. / After a sensory deprivation or a peripheral sensory rehabilitation, primary sensorimotor areas undergo anatomical and functional reorganization. The hand tendon transfer is a rehabilitative surgery that restores the hand extension function by changing the insertion of chosen flexor muscles. During rehabilitation, the central control of the flexion and extension movements is based on elementary processes of brain plasticity, still poorly understood, but known to be slow, taking up to one year and occurring simultaneously with manual recovery. We hypothesize that high-resolution functional MRI (fMRI) may reveal brain plasticity linked to motor-behavior recovery.This PhD thesis aims to develop fMRI methods for individual patient follow-up after hand tendon transfer surgery. We first defined reference maps, based on a group of healthy subjects, for fine cortical representation of voluntary hand movements. These maps were then used to evaluate brain plasticity linked to the hand tendon surgery. To better understand the representation of the hand’s movements of flexion and extension in the primary motor cortex, we carried out a high-resolution, functional MRI study (using a static magnetic field of 3 Tesla), on a group of 13 healthy subjects. It was necessary to register all individual brains into a common reference system in order to perform a group statistical analysis. However, the inter-individual anatomical variability of the primary motor areas prevented us from performing the registration by conventional methods. We evaluated various methods of nonlinear registration to ensure a robust inter-individual alignment of central sulci. We compared: 1. a local method (Demon), which allows for important local deformations, 2. a standard non-linear method (SPM), which allows for a global image alignment and 3. a global diffeomorphic registration method (DARTEL) with a large number of degrees of freedom. In addition, we applied a fourth, more recent method, in partnership with LSIS, (CNRS Marseille) which iteratively reinforces the alignment of identified sulci before applying DARTEL (DISCO+DARTEL). This adds a local sulci-based constraint to the global deformation. We found that the fourth method produced the best alignment according to both anatomical criteria (Hausdorff distance, mask tissues overlaps and characteristics of the deformations field) and functional criteria (localization accuracy and statistical robustness of activations detected). We were then able to establish high spatial resolution reference maps of the elementary movements of the hand. These maps showed multiple foci of activity and significant overlaps in the region known as the "hand-knob."This first step of testing completed, we entered into a second round of testing where we evaluated the reproducibility of our initial results by performing a second series of tests on the same control group (“test-retest”).Two patients were followed up: before surgery (M0) and 1 month (M1), 3 (M3), 6 (M6) and 12 months (M12) after surgery. Functional recruitment was observed during recovery in SMA, M1, ispilateral and contralateral S1 and lobules V-VI of the cerebellum. Compared with healthy subjects, these two patients presented compensatory cortex reorganization during progressive recovery of hand function.

Le suivi longitudinal en oncologie consiste à évaluer régulièrement l'évolution tumorale afin de définir un protocole de traitement adapté à chaque patient. Il est alors nécessaire d'identifier des biomarqueurs pertinents, qui permettent de quantifier précocement l'évolution tumorale. Les examens d'imagerie permettent d’assurer un suivi non invasif et de proposer des biomarqueurs complémentaires de ceux préexistants. Cette recherche de nouveaux biomarqueurs nécessite de s’appuyer sur des études cliniques et d’effectuer une étude comparative des examens réalisés à différents temps, dans différentes modalités, et ce tant au niveau global que local. Dans cette thèse, nous nous sommes attachés à développer une approche intégrée de traitement d’images pour analyser la pertinence d'indices pour le suivi tumoral. Cette stratégie se décompose en trois étapes: le recalage des données acquises à différents temps et provenant de modalités différentes, la segmentation des lésions tumorales sur les examens de chaque modalité, et le calcul d'indices globaux et locaux traduisant l'évolution spatio-temporelle de la tumeur.L'aspect le plus innovant réside dans l'étape de recalage pour laquelle, au vu des difficultés rencontrées avec les approches classiques, nous avons proposé une nouvelle approche consistant en l'utilisation de plusieurs méthodes de recalage et la sélection de la meilleure pour chaque jeu de données, grâce à un critère quantitatif défini en fonction des applications considérées. L'apport de cette approche a été démontré dans le cadre de deux études cliniques : 1) le suivi de patients atteints de gliomes de haut grade traités par un médicament antiangiogénique nécessitant la mise en correspondance de données de tomographie d’émission monophotonique (TEMP) obtenues après injection de Sestamibi marqué au Technétium-99m avec des images de résonnance magnétique (IRM) pondérées en T1 et acquises après l'injection d'un produit de contraste; 2) le suivi de patients atteints de lésions hépatiques et traités par différents médicaments anticancéreux, nécessitant le recalage de données de perfusion en tomodensitométrie (TDM).La stratégie complète d'analyse a été appliquée à la première étude. Les zones tumorales ont été segmentées sur les IRM en utilisant une méthode classique de Level Set 2D et sur les données TEMP à l'aide de cinq méthodes de seuillage qui diffèrent par les options de choix du seuil. Malgré une forte corrélation en terme de volumes globaux, les indices locaux ont permis de montrer qu'une partie des volumes tumoraux détectés sur les examens TEMP précoces (réalisés 15 minutes après injection) et tardifs (réalisés 3 heures après injection) pouvaient être localisés en-dehors des volumes détectés sur les IRM après injection de Gadolinium. La corrélation élevée constatée entre, d’une part, les variations d'intensité au sein des volumes tumoraux au cours du traitement sur les examens TEMP tardifs et, d’autre part, l'indice de survie globale, suggère que cette variation relative d'intensité pourrait être prédictive de la durée de survie globale des patients, ce qui n’est pas le cas des indices utilisant les données IRM sur notre série limitée de patients. Ainsi ces résultats montrent que l’imagerie TEMP, avec un examen réalisé 3 heures après l’injection de Sestamibi marqué au Technétium-99m, peut être complémentaire de l’IRM, pour évaluer l'évolution tumorale des glioblastomes.Les perspectives de ce travail de thèse sont d'appliquer la stratégie d'analyse à d'autres études cliniques. Néanmoins chaque étape doit être adaptée aux spécificités de l'application concernée, notamment aux modalités d'imagerie impliquées et à la zone anatomique considérée. La principale difficulté à résoudre réside dans l'automatisation et la robustesse des différentes étapes de traitement d’images envisagées. / Longitudinal follow-up in oncology consists in assessing tumor progression in order to define a treatment strategy for each patient. It is thus necessary to identify relevant biomarkers that allow an early evaluation of the tumor’s response to the treatment. Biomedical imaging exams help to ensure a non-invasive monitoring of patients and to propose complementary biomarkers to existing ones. This search for new biomarkers requires relying on clinical studies to compare globally and locally exams acquired at different times and in different modalities.In this PhD dissertation, we focused on developing an integrated image processing framework to analyze the relevance of indices for evaluating the tumor evolution. The strategy includes three steps: registration data acquired at different times and in different modalities, the segmentation of tumor lesions on exams in each modality, and the computation of global and local indices reflecting the spatiotemporal evolution of the tumor.The most innovative aspect lies in the registration step: due to the difficulties faced with conventional methods, we proposed a new approach consisting in using several registration methods and selecting the best one for each dataset, thanks to a quantitative criterion based on the specific features of the application. The contribution of this approach was proven in two clinical studies: 1) monitoring of patients with high-grade gliomas treated with an antiangiogenic drug, where Single Photon Emission Tomography data (SPECT) obtained after injection of Technetium-99m Sestamibi have to be matched with T1-weighted Magnetic Resonance Images (MRI) acquired after the injection of a contrast agent; 2) monitoring of patients with liver damage treated with various anticancer drugs, requiring the alignment of Computed Tomography (CT) data.The complete image processing framework was applied to the first study. Tumor areas were segmented on MR images using a conventional 2D Level Set method, as well as on the TEMP data using five thresholding methods that differ in the choice of the threshold options. Despite a strong correlation in terms of overall volumes, local indices have shown that some of the detected tumor volumes on early SPECT exams (performed 15 minutes after injection) and late SPECT exams (performed 3 hours after injection) could be located out of the tumor volumes detected on MRI. The high correlation found between the intensity variations in tumor volume during treatment on late SPECT exams and the index of Overall Survival (OS) suggests that this relative change of intensity could be predictive of the patient overall survival, which is not the case with the indices derived from the MRI data on our limited series of patients. Thus, these results show that SPECT imaging, with an exam performed 3 hours after injection of Technetium-99m Sestamibi, can be complementary to MRI in the assessment of tumor progression in glioblastomas.The main perspective for this PhD work would consist in applying the analysis strategy to other clinical studies. However, each step must be adapted to suit the specific nature of the targeted application, including the imaging modalities involved and the considered anatomical area. The expected sticking points are the automation and the robustness of the different steps of the processing chain.

La cryptographie visuelle consiste à partager entre plusieurs « Shadow Images » (SIs) un secret qui ne se révèlera à l'oeil de l'observateur qu'à leur superposition. Depuis les travaux de Naor et Shamir, ce procédé cryptographique a été étendu à Des schémas numériques variés, adaptés à diverses problématiques. En revanche, les travaux concernant son implémentation physique sont peu nombreux à ce jour. Cette thèse est consacrée à l'implémentation de la cryptographie visuelle sur des SIs imprimés en demi-tons en vue de l'authentification de documents. Le SI associé au document peut être imprimé sur support opaque ou transparent, les autres SIs étant imprimés sur films transparents. Nous avons résolu la difficulté de leur superposition par une méthode de Fourier permettant le recalage de la structure quasi-périodique d'un SI. La précision de cette méthode nous a permis de développer un système optique de superposition par projection. On verra que les phénomènes physiques responsables du rendu visuel de SIs superposés sont propices à une protection contre la copie illicite du SI associé à un document. La complexité de ces phénomènes et leur dépendance au type d'impression imposent une modélisation physique pour obtenir un rendu précis. Cette approche nous a conduit à considérer la problématique de la reproduction des couleurs et à développer des modèles spectraux adaptés à la superposition de supports imprimés non diffusants et/ou diffusants, en réflexion et en transmission. La précision de ces modèles prédictifs est tout à fait satisfaisante au regard de celle habituellement obtenue dans le domaine de la reproduction des couleurs. Cela nous a permis d'introduire une approche originale de la cryptographie visuelle par ajustement de couleur (color matching) : une même couleur, à une tolérance près basée sur la vision humaine, est générée par différents demi-tons imprimés sur les supports à superposer. La couleur du message peut ainsi constituer un secret partagé entre les SIs de la même façon que l'est le contenu du message. Chaque SI pris individuellement ne laisse fuir aucune information sur la couleur du message, qui ne sera révélée qu'à leur superposition. Cela peut permettre de prévenir une attaque par falsification du SI associé au document (cheating attack ). De plus, le rendu des couleurs étant très dépendant du système d'impression utilisé, une reproduction fidèle à partir d'un système d'impression différent est difficile. La difficulté peut être encore accrue par l'utilisation de caractéristiques d'impression non standard / In this thesis, we will focus on the physical implementation of visual cryptography, which consists in sharing a secret message between several unmeaning images, so-called shadow images, at least one of them being printed. By the principle of the method, no information leaks about the message until the images are properly stacked together. As the alignment of the shadow images hampers the deployment of the visual cryptography in practice, we develop a dedicated image registration method. In contrast with existing methods, ours is not intrusive. We make use of the particular shape of the elementary constituents of the shadow images, the shares, to extract in the Fourier domain the main parameters of the geometrical transformations occurring between the superposed images. We prove that this method allows subpixel accuracy in shadow images registration. We benefit from such ability by implementing visual cryptography in an image projection configuration : the digital shadow image is projected onto the printed one. In this way, the registration is performed automatically by using a digital camera (the resulting superposition being observable by the eye). For the purpose of authentication, one has to deal with specific attacks: the shadow image attached to a given document could be tampered with or copied. In order to prevent such attacks, we have increased the di_culty to reproduce the shadow image by considering color. This approach requires a complete management of colors. Thanks to recent advances in color reproduction, we are able to predict the reflectance and transmittance spectra of supports printed in color. In this thesis, we develop new spectral prediction models namely for piles of printed transparencies as well as for transparencies stacked onto papers, all printed in color. Thus, we are able to predict the color of each share in a shadow image to be printed and to achieve color matching i.e. we are able to reach a color by various combinations of superposed colors. Such a prediction allowed us to introduce a new approach in visual cryptography: color matching when revealing the secret message to be shared into two (or more) shadow images, in order to authenticate the shadow images provider. As the prediction models are sensitive to the calibration of the printing system (printer, inks, supports, halftoning and geometry measurement conditions), the use of special materials will increase the di_culty to generate visually acceptable fake pairs of shadow images

La contention, c'est-a-dire une action mécanique appliquée sur un membre humain dans le but d'aider le sang à refluer vers le coeur, est de plus en plus répandue et pénètre le marché du grand public. Notamment, la contention progressive telle que proposée par BVSport® pour les membres inférieurs est actuellement utilisée lors d'efforts musculaires prolongés ou lors de la récupération musculaire après l'effort. Des essais cliniques ont aussi montré son efficacité dans le cas d'insuffisances veineuses légères à modérées. Les développements récents vont maintenant vers une personnalisation de la prescription et une adaptation de la contention aux différents degrés d'insuffisance veineuse. Cependant, actuellement, aucun moyen de mesure ne permet de déterminer la pression qui est réellement appliquée sur un patient donné par l'article de contention présent, encore moins la pression transmise au système vasculaire profond. L'apport majeur de ce travail réside dans la mise en oeuvre d'une méthodologie qui permet de répondre à ces deux problématiques.Cependant, actuellement, aucun moyen de mesure ne permet de déterminer la pression qui est réellement appliquée sur un patient donné par l'article de contention présent, encore moins la pression transmise au système vasculaire profond. L'apport majeur de ce travail réside dans la mise en oeuvre d'une méthodologie qui permet de répondre à ces deux problématiques. Pour cela, il est d'abord nécessaire d'identifier de manière atraumatique et non-invasive les propriétés mécaniques in vivo des tissus biologiques de la jambe. Les caractérisations in vivo des tissus mous biologiques sont rares dans la littérature (elles concernent principalement la peau), car aucune méthode de mesure atraumatique de la déformation des tissus internes n'a été validée jusqu'à présent. Dans ce travail, la contention progressive est utilisée comme chargement mécanique. Des images IRM de la jambe sont prises sous différents niveaux de contention et un modèle EF 2D du mollet sous contention a été développé en déformations planes. Le modèle est soumis a une pression qui tient compte du rayon de courbure de la jambe (lot de Laplace) et cette pression est déduite de la réponse du tricot aux essais de traction spécifiques mis en place. L'identification des paramètres mécaniques du modèle est réalisée en optimisant la mesure de similarité entre les images de la jambe comprimée et les images déformées par le modèle. Finalement, une fois l'identification réalisée, le modèle numérique 2D permet alors un calcul biofidèle et personnalisé des pressions internes au mollet engendrées par le port d'un tricot de contention donné. Cela permet d'une part de déterminer la répartition spatiale des pressions à l'intérieur du mollet et d'autre part de comparer les pressions appliquées sur le mollet à celles prescrites. On montre ainsi que l'effet de la contention progressive dépend de manière non négligeable de la morphologie des tissus sous-jacents (muscles et graisse sous-cutanée). La méthodologie développée dans ce travail doit maintenant être appliquée sur un nombre de patients significatif pour pouvoir dégager les principales tendances de distributions des pressions internes en fonction des différents morphotypes.

La cryptographie visuelle consiste à partager entre plusieurs " Shadow Images " (SIs) un secret qui ne se révèlera à l'oeil de l'observateur qu'à leur superposition. Depuis les travaux de Naor et Shamir, ce procédé cryptographique a été étendu à Des schémas numériques variés, adaptés à diverses problématiques. En revanche, les travaux concernant son implémentation physique sont peu nombreux à ce jour. Cette thèse est consacrée à l'implémentation de la cryptographie visuelle sur des SIs imprimés en demi-tons en vue de l'authentification de documents. Le SI associé au document peut être imprimé sur support opaque ou transparent, les autres SIs étant imprimés sur films transparents. Nous avons résolu la difficulté de leur superposition par une méthode de Fourier permettant le recalage de la structure quasi-périodique d'un SI. La précision de cette méthode nous a permis de développer un système optique de superposition par projection. On verra que les phénomènes physiques responsables du rendu visuel de SIs superposés sont propices à une protection contre la copie illicite du SI associé à un document. La complexité de ces phénomènes et leur dépendance au type d'impression imposent une modélisation physique pour obtenir un rendu précis. Cette approche nous a conduit à considérer la problématique de la reproduction des couleurs et à développer des modèles spectraux adaptés à la superposition de supports imprimés non diffusants et/ou diffusants, en réflexion et en transmission. La précision de ces modèles prédictifs est tout à fait satisfaisante au regard de celle habituellement obtenue dans le domaine de la reproduction des couleurs. Cela nous a permis d'introduire une approche originale de la cryptographie visuelle par ajustement de couleur (color matching) : une même couleur, à une tolérance près basée sur la vision humaine, est générée par différents demi-tons imprimés sur les supports à superposer. La couleur du message peut ainsi constituer un secret partagé entre les SIs de la même façon que l'est le contenu du message. Chaque SI pris individuellement ne laisse fuir aucune information sur la couleur du message, qui ne sera révélée qu'à leur superposition. Cela peut permettre de prévenir une attaque par falsification du SI associé au document (cheating attack ). De plus, le rendu des couleurs étant très dépendant du système d'impression utilisé, une reproduction fidèle à partir d'un système d'impression différent est difficile. La difficulté peut être encore accrue par l'utilisation de caractéristiques d'impression non standard

Afin de mieux comprendre le comportement mécanique de l'os trabéculaire et d'améliorer la prédiction du risque de fracture, l'objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique " bio-fidèle " prenant en compte l'hétérogénéité tissulaire, et de déterminer les contraintes mécaniques au sein des travées osseuses, dans le domaine de déformation élastique. À l'échelle tissulaire, une étude par nanoindentation a permis de dissocier les comportements élastiques et plastiques de l'os en fonction de sa composition (minéral/collagène). Ainsi, le comportement élastique du tissu osseux serait principalement lié à sa quantité de minéral alors que ses propriétés plastiques seraient davantage liées à la phase organique. Une loi reliant le degré de minéralisation de l'os (DMB) au module élastique a été déterminée dans l'os humain. La création d'un modèle numérique reproduisant de manière rigoureuse le comportement élastique de l'os trabéculaire, nécessite la prise en compte de l'hétérogénéité de la quantité de minéral (DMB) et donc son acquisition en 3D. Grâce à une méthode de recalage d'image 2D/3D, les acquisitions de microtomographie ont été comparées aux valeurs obtenues par microradiographie quantitative, méthode de référence de mesure du DMB. Sous certaines conditions, la microtomographie permet une évaluation correcte de l'hétérogénéité minérale. La création et l'analyse d'un modèle numérique par éléments finis de l'os trabéculaire, à partir des images de tomographie, a montré l'importance des paramètres du modèle (taille et formulation des éléments) ainsi que le rôle de l'hétérogénéité minérale sur l'évaluation des contraintes locales appliquées aux travées osseuses.