This thesis deals with introduction to optical method called laser speckle contrast imaging (LSCI). The thesis contains a description of the basic theory that is related to the method, the LSCI own principle, the characteristics of this technique, its applications and also a description of various variants of LSCI. The second part of the thesis deals with the modification of acquisition software to be suitable for measurement of multi-exposure LSCI (MESI), verification of this method by experiment and conclusions of evaluated of data.

<p> The urgency for deeper knowledge about nervous system function and dysfunction has never been greater. With increasing rates of mental disorders and expanding healthcare costs, deciphering details of axonal development is essential to meeting this imperative. Models of neuronal growth are improving as roles of microtubules and motor proteins surface. However, traditional motor protein studies focus on intracellular cargo transport, leaving deficits in knowledge about how these proteins organize cytoskeletal filaments in the axon and growth cone during neuronal development. Inconsistent findings on microtubule activity in growing axons also leave gaps in quantitative assessments of microtubule translocation and assembly, limiting the ability to construct a comprehensive model of axonal elongation.</p> The goal of this study was to provide a more complete neuronal growth cone model by determining how individual microtubule translocation and assembly, mass microtubule movements, and motor protein activity contribute to axonal elongation. The underlying mechanisms of these processes were investigated by testing the roles of dynein and microtubule dynamics in axonal elongation of <i>Aplysia </i><i>californica </i>neurons using transillumination, fluorescent speckle, and super-resolution microscopy. Pharmacologically inhibiting either dynein activity or microtubule assembly reduced both bulk and individual microtubule anterograde translocation and neurite elongation rates. Suppressing both processes simultaneously had compensatory rather than additive effects. Super-resolution imaging also revealed fewer dynein motors co-localized with microtubules when microtubule assembly was inhibited. These results strongly suggest that disrupting microtubule assembly blocks neurite outgrowth partly because it inhibits dynein-mediated bulk microtubule translocation.

Une interface vocale silencieuse (SSI) est un système permettant une communication vocale à partir d’un signal non audible. Un tel système emploie des capteurs qui enregistrent des données non-acoustiques, pour la reconnaissance et la synthèse vocales. Cependant, l’extraction des caractéristiques articulatoires robustes à partir de ces signaux reste un défi. La langue est une composante majeure de l'appareil vocal, et l'articulateur le plus important dans la production de parole. Une simulation réaliste du mouvement de la langue en 3D peut fournir une représentation visuelle directe et efficace de la production de parole. Cette représentation pourrait à son tour être utilisée pour améliorer les performances de reconnaissance vocale d'un SSI, ou servir d'outil dans le cadre de recherches sur la production de parole et de l'étude des troubles de l'articulation. Dans cette thèse, nous explorons un nouveau cadre de visualisation en trois dimensions de la langue, qui combine l'imagerie échographique 2D et une technique de modélisation tridimensionnelle fondée sur la physique. Tout d'abord, différentes approches sont utilisées pour suivre le mouvement de la langue dans les séquences d'images échographiques, qui peuvent être regroupées en deux principaux types de méthodes : le suivi de la granularité et le suivi de contour. Les méthodes de suivi du chatoiement (speckle tracking) comprennent le recalage de déformations (deformation registration), le flux optique, et la méthode de transformation de caractéristiques visuelles invariante à l'échelle (Scale-invariant feature transform, ou SIFT). En outre, une méthode de suivi réinitialisation basée sur l'image est proposée afin d'améliorer la robustesse du suivi du chatoiement. En comparaison avec le suivi de chatoiement, l'extraction du contour de la surface de la langue à partir d'images échographiques présente des performances supérieures et une meilleure robustesse. Dans cette thèse, un nouvel algorithme de suivi de contour est présenté pour des séquences d'images échographiques de la langue. Cet algorithme permet de suivre le mouvement des contours de la langue sur de longues durées avec une bonne robustesse. Pour résoudre la difficulté causée par les segments manquants dus au bruit ou celle causée par la surface mi-sagittale de la langue qui est parallèle à la direction de propagation de l'onde ultrasonore, nous proposons d’utiliser des contours actifs avec une contrainte de similitude de contour, qui fournissent des informations a priori sur la forme de la langue. Des expériences sur des données synthétiques et sur des images réelles acquises sur différents sujets à la cadence de 60 images par seconde montrent que la méthode proposée donne un bon contour de suivi pour ultrasons des séquences d'images, même sur des durées de quelques minutes. Cette technique peut par conséquent être utile dans des applications telles que la reconnaissance vocale où de très longues séquences doivent être analysées dans leur intégralité… / A silent speech interface (SSI) is a system to enable speech communication with non-audible signal, that employs sensors to capture non-acoustic features for speech recognition and synthesis. Extracting robust articulatory features from such signals, however, remains a challenge. As the tongue is a major component of the vocal tract, and the most important articulator during speech production, a realistic simulation of tongue motion in 3D can provide a direct, effective visual representation of speech production. This representation could in turn be used to improve the performance of speech recognition of an SSI, or serve as a tool for speech production research and the study of articulation disorders. In this thesis, we explore a novel 3D tongue visualization framework, which combines the 2D ultrasound imaging and 3D physics-based modeling technique. Firstly, different approaches are employed to follow the motion of the tongue in the ultrasound image sequences, which can be divided into two main types of methods: speckle tracking and contour tracking. The methods to track speckles include deformation registration, optical-flow, and local invariant features-based method. Moreover, an image-based tracking re-initialization method is proposed to improve the robustness of speckle tracking. Compared to speckle tracking, the extraction of the contour of the tongue surface from ultrasound images exhibits superior performance and robustness. In this thesis, a novel contour-tracking algorithm is presented for ultrasound tongue image sequences, which can follow the motion of tongue contours over long durations with good robustness. To cope with missing segments caused by noise, or by the tongue midsagittal surface being parallel to the direction of ultrasound wave propagation, active contours with a contour-similarity constraint are introduced, which can be used to provide “prior” shape information. Experiments on synthetic data and on real 60 frame per second data from different subjects demonstrate that the proposed method gives good contour tracking for ultrasound image sequences even over durations of minutes, which can be useful in applications such as speech recognition where very long sequences must be analyzed in their entirety…

Dans ce manuscrit, nous présentons notre avancement pour réaliser une méthode spectroscopique pour étudier la transition d’Anderson avec des atomes froids. Cela repose sur la réalisation d'un potentiel désordonné sélectif en état de spin, le désordre n'étant significatif que pour l'un des deux états de spin impliqués. En combinant cela avec la technique de transfert par radiofréquence d’un état insensible au désordre à un état exclusivement sensible au désordre, il devient possible de charger une onde de matière dans le désordre dans des états d’énergie bien définies. Pour prouver le concept, nous avons effectué des mesures des fonctions spectrales d’atomes ultra-froids dans des potentiels désordonnés, qui sont directement proportionnels au taux de transfert des atomes. Nous présentons les résultats en montrant un excellent accord avec les calculs numériques. Cela a ouvert des perspectives pour d’autres études sur la transition d’Anderson. En particulier, nous cherchons à observer la transition entre les états diffusifs et les états localisés séparés par une énergie critique, appelée le seuil de mobilité. Une telle étude nécessite la réalisation d’un désordre sélectif en état de spin qui permet un long temps de propagation dans le désordre afin de distinguer les deux phases. À cette fin, nous présentons un nouveau schéma du désordre sélectif en état de spin avec deux lasers du speckle (speckle bichromatique). Cela ouvre la voie à une approche spectroscopique de la transition d’Anderson avec des atomes froids avec une résolution en énergie bien supérieure à celles des expériences précédentes. / In this manuscript, we present our progress towards realizing a spectroscopic method to study of Anderson transition with ultracold atoms. This relies on the realization of state-dependent disordered potential whereby the disorder is significant only for one of two involved spin-states. Combined with technique of radio-frequency transfer from the disorder-free state to the state with controlled disorder, it becomes possible to load a matter wave in the disorder in a well-defined energy states. As a proof of principle, we have performed measurements of the spectral functions of ultracold atoms in disordered potentials, which are directly proportional to the transfer rate of the atoms. We present the results showing excellent agreement with numerical calculations. This has opened up prospects for further studies of the Anderson transition. In particular we seek to observe transition between the diffusive and the localized states separated by a critical energy, the so-called mobility edge. Such study requires realization of state-dependent disorder which allows long propagation time in the disorder in order to distinguish the two phases. For this purpose, we present a new scheme of the state-dependent disorder with two laser speckles (bichromatic laser speckle). This paves the way towards spectroscopic approach of Anderson transition with ultracold atoms with energy resolution much higher than those in the previous experiments.

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An accurate PDF of irradiance for a FSO channel is important when designing a laser radar, active laser imaging, or a communications system to operate over the channel. Parameters such as detector threshold level, probability of detection, mean fade time, number of fades, BER, and SNR are derived from the PDF and determine the design constraints of the receiver, transmitter, and corresponding electronics. Current PDF models of irradiance, such as the Gamma-Gamma, do not fully capture the effect of aperture averaging; a reduction in scintillation as the diameter of the collecting optic is increased. The Gamma-Gamma PDF of irradiance is an attractive solution because the parameters of the distribution are derived strictly from atmospheric turbulence parameters; propagation path length, Cn2, l0, and L0. This dissertation describes a heuristic physics-based modeling technique to develop a new PDF of irradiance based upon the optical field. The goal of the new PDF is three-fold: capture the physics of the turbulent atmosphere, better describe aperture averaging effects, and relate parameters of the new model to measurable atmospheric parameters. The modeling decomposes the propagating electromagnetic field into a sum of independent random-amplitude spatial plane waves using an approximation to the Karhunen-Loeve expansion. The scattering effects of the turbulence along the propagation path define the random-amplitude of each component of the expansion. The resulting PDF of irradiance is a double finite sum containing a Bessel function. The newly developed PDF is a generalization of the Gamma-Gamma PDF, and reduces to such in the limit. An experiment was setup and performed to measure the PDF of irradiance for several receiver aperture sizes under moderate to strong turbulence conditions. The propagation path was instrumented with scintillometers and anemometers to characterize the turbulence conditions. The newly developed PDF model and the GG model were compared to histograms of the experimental data. The new PDF model was typically able to match the data as well or better than the GG model under conditions of moderate aperture averaging. The GG model fit the data better than the new PDF under conditions of significant aperture averaging. Due to a limiting scintillation index value of 3, the new PDF was not compared to the GG for point apertures under strong turbulence; a regime where the GG is known to fit data well.

Speckle noise occurs in a wide range of images due to sampling and digital degradation. Understanding how noise can be present in images have led to multiple denoising techniques. Most of these denoising techniques assume equal noise distribution. When the noise present in the image is not uniform, the resulting denoised image becomes less than the highest standard or quality. For this research, we will be focusing on speckle noise. Unlike Gaussian noise, which affects single pixels on an image, speckle noise affects multiple pixels. Hence it is not possible to remove speckle noise with the traditional gaussian denoising model. We develope a more accurate speckle denoising model and its stable numerical methods. This model is based on the TV minimization and the associated non-linear PDE and Krissian $et$ $al$.'s speckle noise equation model. A realistic and efficient speckle noise equation model was introduced with an edge enhancing feature by adopting a non-convex functional. An effective numerical scheme was introduced and its stability was proved. Also, while working with TV minimization for non-linear PDE and Krissian $et$ $al$ we used a dual approach for faster computation. This work is based on Chambolle's approach for image denoising. The NLM algorithm takes advantage of the high degree of redundancy of any natural image. Also, the NLM algorithm is very accurate since all pixels contribute for denoising at any given pixel. However, due to non-local averaging, one major drawback is computational cost. For this research, we will discuss new denoising techniques based on NLM and total variation for images contaminated by speckle noise. We introduce blockwise and selective denoising methods based on NLM technique and Partial Differential Equations (PDEs) methods for total variation to enhance computational efficiency. Our PDE methods have shown to be very computational efficient and as mentioned before the NLM process is very accurate.

Segmentation of ultrasonic images is a common task in healthcare that requires time and attention from healthcare professionals. Automation of medical image segmentation using deep learning solutions is fast growing field and has been shown to be capable of near human performance. Ultrasonic images suffer from low signal-to-noise ratio and speckle patterns, noise filtering is a common pre-processing step in non-deep learning image segmentation methods used to improve segmentation results. In this thesis the effect of speckle filtering of echocardiographic images in deep learning segmentation using U-Net is investigated. When trained with speckle reduced and despeckled datasets, a U-Net model with 0.5·106 trainable parameters saw an rage dice score improvement of +0.15 in the 17 out of 32 categories that were found to be statistically different compared to the same network trained with unfiltered images. The U-Net model with 1.9·106 trainable parameters saw a decrease in performance in only 5 out of 32 categories, and the U-Net model with 31·106 trainable parameters saw a decrease in performance in 10 out of 32 categories when trained with the speckle filtered datasets. No definite differences in performance between the use of speckle suppression and full speckle removal were observed. This result shows potential for speckle filtering to be used as a means to reduce the complexity required of deep learning models in ultrasound segmentation tasks. The use of the wavelet transform as a down- and up-sampling layer in U-Net was also investigated. The speckle patterns in ultrasonic images can contain information about the tissue. The wavelet transform is capable of lossless down- and up-sampling in contrast to the commonly used down-sampling methods, which could enable the network to make use textural information and improve segmentations. The U-Net modified with the wavelet transform shows slightly improved results when trained with despeckled datasets compared to the unfiltered dataset, suggesting that it was not capable of extracting any information from the speckle. The experiments with the wavelet transform were far from exhaustive and more research is needed for proper assessment. / Segmentering av ultraljudsbilder är en vanlig uppgift inom vården som kräver tid och uppmärksamhet från vårdpersonal. Automatisering av medicinsk bildsegmentering med djupinlärning är ett snabbt växande område och har visat kunna nå prestanda nära mänsklig nivå.  Ultraljudsbilder har dålig signal-brusförhållande och speckle mönster, ofta bearbetas bilder med brusfiltrering när icke djupinlärningsmetoder används för segmentering för att förbättra resultat. Effekten av speckle-filtrering i ultraljudsbilder i djupinlärnings segmentering med U-Net undersöks i den här masterexamensuppsatsen.   U-Net nätverket med 0.5·106 träningsbara parametrar presterade bättre när den tränades med speckle filtrerade dataset jämfört för med ofiltrerade bilder, men en ökning i dice-koefficienten av +0.15 i medel i de 17 kategorier av 32 som var statistikst signifikanta. En försämring av resultaten för U-Net nätverket med 1.9·106 träningsbara parametrar observerades i 5 av 32 kategorier, och en försämring av resultaten för U-Net nätverket med 31·106 träningsbara parametrar observerardes när de tränades med speckle filtrerade dataset i 10 av 32 kategorier. Inga skillnader i prestanda mellan användning av minskning av speckle och fullständig speckle borttagning observerades. Detta resultat visar att det finns potential för att använda speckle filtrering som en metod för att minska komplexiteten som kan krävas hos djupinlärningsnätverk inom ultraljudssegmentering. Användning av wavelet transformen som ett ned- och uppsamplings lager i U-Net undersöktes också. Speckle mönstren i ultraljudsbilder kan innehålla information om vävnaden. Wavelet transformen möjliggör ned- och uppsamplings av bilden utan informationsförlust till skillnad från de vanliga metoderna, vilket skulle kunna göra det möjligt för nätverket att utnyttja information om vävnadstexturen och förbättra segmenteringarna. U-Net nätverket som modifierades med wavelet transformen visar någorlunda bättre prestanda när den tränas med speckle filtrerade dataset jämfört med ofiltrerade dataset. Det tyder på att nätverket inte kunde utnyttja någon information från speckle mönstren. Wavelet transform experimenten var ej uttömmande och mer forskning behövs för en korrekt bedömning.

Le diabète est aujourd’hui la 7ème cause de mortalité dans le monde. Dans cette population, la cardiomyopathie diabétique est la principale cause de morbi-mortalité. Le développement de cette complication débutant dès l’apparition du diabète, un dépistage et une prise en charge précoces de cette pathologie sont donc de première importance et sont les deux objectifs visés par ces travaux. La première étude que nous avons réalisée a permis de démontrer l’utilité d’une évaluation compréhensive de la fonction régionale myocardique gauche par 2D speckle-tracking imaging, en conditions de stress à la dobutamine, dans le dépistage précoce de la cardiomyopathie diabétique chez des patients diabétiques de type 2 asymptomatiques. La deuxième partie de ces travaux a, quant à elle, donné lieu à deux études. L’étude clinique a permis de mettre en évidence une amélioration de la réponse au stress de la fonction régionale myocardique après 3 mois de supplémentation en vitamine D3 chez des patients carencés. L’étude expérimentale a, pour sa part, souligné les effets bénéfiques sur le remodelage et la fonction cardiaques de cette supplémentation, en prévention secondaire, dans un modèle murin de diabète de type 2 induit par un régime gras et sucré. Par ailleurs, cette étude a mis en lumière l’implication potentielle d’une modulation des taux myocardiques en espèces lipotoxiques par la vitamine D3 dans ces effets. L’ensemble de ces travaux de thèse a ainsi permis, d’une part, de proposer une technique de dépistage des signes précoces d’altération de la fonction cardiaque chez le patient diabétique de type 2 et, d’autre part, de montrer les effets bénéfiques d’une supplémentation en vitamine D3 dans ce contexte. / Diabetes has reached the 7th place in the world’s top ten mortality causes. In this population, morbi-mortality mainly originates from diabetic cardiomyopathy. This complication evolving from the onset of diabetes, early diagnosis and care are of paramount importance and are the two purposes of this work. In our first study, we demonstrated the relevance of a comprehensive 2D speckle-tracking imaging analysis, under dobutamine stress, in unmasking early left ventricular regional myocardial dysfunction in a population of asymptomatic type 2 diabetic patients. In the second part of this work, we performed two studies. In the first one, we brought to light an improvement of regional myocardial function response to dobutamine stress after a three-month vitamin D3 supplementation protocol, in deficient patients. The second study was performed in a mouse model of diet-induced type 2 diabetes. In this last work, we put forward the beneficial effects of vitamin D3 supplementation, in secondary prevention, on cardiac remodeling and function. These cardioprotective effects may be, at least in part, on account of modulatory effects of vitamin D3 on myocardial lipotoxic species levels. This whole work allow us to propose a tool enabling recognition of early cardiac function impairments in type 2 diabetic patients and to demonstrate the beneficial effects of vitamin D3 supplementation in this context.

L’activité physique régulière est bénéfique pour la santé cardiovasculaire. Cependant, destravaux ont rapporté des dysfonctions cardiaques après des exercices physiques prolongés (EPP) tels que les marathons ou les triathlons longue distance type "Ironman". Ces dysfonctions sont souvent associées à des dommages myocardiques. Récemment, des études échocardiographiques ont suggéré que ces dysfonctions étaient associées à des baisses de contractilité et de relaxation myocardiques.Toutefois, l’atteinte myocardique après un EPP reste à ce jour controversée et les mécanismes sousjacents de ces dysfonctions demeurent inconnus. Dans ce contexte, le but de ce travail de doctorat a été de vérifier la diminution de contractilité et/ou de relaxation du myocarde après un EPP ii) d’évaluer l’implication de la voie ß-adrénergique et du stress oxydant dans l’altération de la fonction cardiaque.Pour cela, une première approche clinique, basée sur l’utilisation de l’échocardiographie cardiaque haute résolution (et plus particulièrement une technique de pointe, le "Speckle TrackingEchocardiography") nous a permis d’appréhender la fonction myocardique par l’intermédiaire de l’évaluation des déformations et de la torsion du ventricule gauche pendant le cycle cardiaque. Une deuxième approche fondamentale, chez l’animal, nous a permis d’évaluer la fonction cardiaque après un EPP chez le rat au niveau de l’organe entier et de l’organe isolé dans des conditions basale et de stress (ß-adrénergique). Des investigations complémentaires ont été réalisées sur le tissu myocardique pour évaluer le stress oxydant (GSH/GSSG, MDA) et des marqueurs de dommages cellulaires cardiaques (troponines I) après avoir bloqué la NAD(P)H oxydase (Nox), enzyme fortement impliquée dans la production d’espèces réactives dérivées de l’oxygène au niveau cardiaque. Les résultats de ces travaux montrent clairement, chez l’Homme et l’animal, des baisses de contractilité et de relaxation myocardiques associées à une augmentation des marqueurs de dommages cellulaires cardiaques après un EPP. Alors que la voie ß-adrénergique ne semble pas être impliquée dans ces dysfonctions, nos résultats indiquent que le stress oxydant joue un rôle majeur, puisque lorsque la Nox est bloquée, la fonction cardiaque est majoritairement restaurée après l’EPP. / Regular physical activity is beneficial for cardiovascular health. However, recentstudies have uncovered the presence of cardiac dysfunctions following prolonged physical exercise(PPE), such as marathon racing, or long-distance triathlons like the “Ironman”. These cardiacdysfunctions are often associated with damage at the myocardial level. Recently, someechocardiographic studies suggested that these dysfunctions were linked to a diminished myocardialcontractility and relaxation capacity. Nonetheless, the specific impact of PPE on myocardial propertiesremains controversial, and the mechanisms underlying these dysfunctions are thus far unknown.Therefore, within this context, the objectives of this PhD research were to i) verify the purporteddecrease in myocardial contractility and relaxation capacity following PPE, and ii) evaluate the rolesof the B-adrenergic pathway and oxidative stress in the alteration of cardiac function. In order toexplore this adequately, two different approaches were used. Firstly, a clinical approach wasemployed, based on the use of high resolution echocardiography (or more specifically, a leading edgetechnique known as Speckle Tracking Echocardiography), and allowed us to characterise myocardialfunction via the evaluation of left ventricular strain and torsion during a cardiac cycle. The secondfundamental approach, using an animal model, allowed us to evaluate cardiac function following PPEin rats; at a whole organ (in vivo) level and at an isolated organ (ex vivo) level, during both resting andstress (ß-adrenergic) conditions. Complementary investigations were conducted on myocardial tissueto evaluate oxidative stress (GSH/GSSG,MDA) and markers of myocardial damage (troponin I), afterhaving blocked NAD(P)H oxidase (Nox); an enzyme strongly involved in the production of oxidativestress at the cardiac level. Our findings clearly demonstrate, in both humans and animals, a decrease inmyocardial contractility and relaxation capacity, associated with an increase in markers of myocardialdamage, following PPE. Whilst the ß-adrenergic pathway does not appear to be involved in thesedysfunctions, our results indicate that oxidative stress plays a major role, since cardiac function isrestored following PPE when the Nox is blocked.