Le développement de la chirurgie laparoscopique entraîne de nouveaux défis pour le chirurgien, sa perception visuelle et tactile du site opératoire étant modifiée par rapport à son expérience antérieure. De nombreux dispositifs ont été développés autour de la procédure chirurgicale afin d'aider le chirurgien à réaliser le geste avec la meilleure qualité possible. Ces dispositifs visent à permettre au chirurgien de mieux percevoir le contexte dans lequel il intervient, à planifier de façon optimale la stratégie opératoire et à l'assister lors de la réalisation de son geste. La conception d'un système d'analyse de la procédure chirurgicale, permettant d'identifier des situations à risque et d'améliorer la qualité du geste, est un enjeu majeur du domaine des Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur. L'évaluation de la qualité du geste explore plusieurs composantes de sa réalisation : les habiletés techniques du chirurgien, ainsi que ses connaissances théoriques et sa capacité de jugement. L'objectif de cette thèse était de développer une méthode d'évaluation de la qualité technique des gestes du chirurgien à partir de connaissances a priori, qui soit adaptée aux contraintes spécifiques du bloc opératoire sans modifier l'environnement du chirurgien. Cette évaluation s'appuie sur la définition de métriques prédictives de la qualité du geste chirurgical, dérivées des trajectoires des instruments au cours de la procédure. La première étape de ce travail a donc consisté en la mise au point d'une méthode de suivi de la position des instruments laparoscopiques dans la cavité abdominale au cours de la chirurgie, à partir des images endoscopiques et sans ajout de marqueurs. Ce suivi combine des modèles géométriques de la caméra, de l'instrument et de son orientation, ainsi que des modèles statistiques décrivant les évolutions de cette dernière. Cette méthode permet le suivi de plusieurs instruments de laparoscopie dans des conditions de banc d'entraînement, en temps différé pour le moment. La seconde étape a consisté à extraire des trajectoires des paramètres prédictifs de la qualité du geste chirurgical, à partir de régressions aux moindres carrés partiels et de classifieurs k-means. Plusieurs nouvelles métriques ont été identifiées, se rapportant à la coordination des mains du chirurgien ainsi qu'à l'optimisation de son espace de travail. Ce dispositif est destiné à s'intégrer dans un système plus large, permettant d'apporter au chirurgien, en temps réel, des informations contextualisées concernant son geste, en fusionnant par exemple les données issues de la trajectoire à des données multi-modales d'imagerie per-opératoire. / The development of laparoscopic surgery has led to new challenges for surgeons, their visual and tactile perception of the operating field having been modified compared to their prior experience. Numerous devices have been designed around the surgical process in order to help the surgeon to perform the best possible intervention. These devices aim at enhancing the surgeon's perception of the operating context, optimally planning the surgical strategy, and assisting him/her during the intervention. The design of a system dedicated to the analysis of the surgical process, enabling the identification of risky situations and improving the quality of the surgery, is a major issue in the field of Computer Assisted Medical Interventions. The assessment of quality in surgery covers different aspects: the technical skills of the surgeon, as well as his/her theoretical knowledge and decision-making abilities. The objective of this thesis was to develop a technical skills assessment device for laparoscopic surgery, using a priori knowledge, suitable for the operating room's specific constraints without modifying the surgeon's environment. This assessment is based on the definition of predictive metrics for the quality of the surgery, derived from the instruments' trajectories during the procedure. The first step of this work consisted in the implementation of an instrument tracking method, based on endoscopic images without addition of any markers, in order to retrieve the 3D position of the instrument's tip inside the abdominal cavity during the surgical procedure. This tracking combines geometric models of the camera, the instrument and its orientation, with statistical models describing the evolutions of the latter. This method allows for simultaneous off-line tracking of multiple instruments within a training bench environment. The second step consisted in the extraction, from these trajectories, of predictive metrics for the assessment of the technical skills of the surgeon, using partial least squares regression and k-means classifiers. Several new metrics were identified, relating to the coordination of the surgeon's hands and the optimization of his/her workspace. This device is intended to be integrated in a more general system, in order to provide the surgeon with context-aware information regarding the surgical process, for example by merging data obtained from the trajectory with per-operative multi-modal image data.

Dans cette thèse sont présentées deux méthodes visant à obtenir automatiquement une description tridimensionnelle des mouvements d'une main étant donnée une séquence vidéo monoculaire de cette main. En utilisant l'information fournie par la vidéo, l'objectif est de déterminer l'ensemble des paramètres cinématiques nécessaires à la description de la configuration spatiale des différentes parties de la main. Cet ensemble de paramètres est composé des angles de chaque articulation ainsi que de la position et de l'orientation globale du poignet. Ce problème est un problème difficile. La main a de nombreux degrés de liberté et les auto-occultations sont omniprésentes, ce qui rend difficile l'estimation de la configuration des parties partiellement ou totalement cachées. Dans cette thèse sont proposées deux nouvelles méthodes qui améliorent par certains aspects l'état de l'art pour ce problème. Ces deux méthodes sont basées sur un modèle de la main dont la configuration spatiale est ajustée pour que sa projection dans l'image corresponde au mieux à l'image de main observée. Ce processus est guidé par une fonction de coût qui définit une mesure quantitative de la qualité de l'alignement de la projection du modèle avec l'image observée. La procédure d'ajustement du modèle est réalisée grâce à un raffinement itératif de type descente de gradient quasi-newton qui vise à minimiser cette fonction de coût.Les deux méthodes proposées diffèrent principalement par le choix du modèle et de la fonction du coût. La première méthode repose sur un modèle de la main composé d'ellipsoïdes et d'une fonction coût utilisant un modèle de la distribution statistique de la couleur la main et du fond de l'image.La seconde méthode repose sur un modèle triangulé de la surface de la main qui est texturé est ombragé. La fonction de coût mesure directement, pixel par pixel, la différence entre l'image observée et l'image synthétique obtenue par projection du modèle de la main dans l'image. Lors du calcul du gradient de la fonction de coût, une attention particulière a été portée aux termes dûs aux changements de visibilité de la surface au voisinage des auto-occultations, termes qui ont été négligés dans les méthodes préexistantes.Ces deux méthodes ne fonctionnement malheureusement pas en temps réel, ce qui rend leur utilisation pour l'instant impossible dans un contexte d'interaction homme-machine. L'amélioration de la performance des ordinateur combinée avec une amélioration de ces méthodes pourrait éventuellement permettre d'obtenir un résultat en temps réel. / In this thesis we propose two methods that allow to recover automatically a full description of the 3d motion of a hand given a monocular video sequence of this hand. Using the information provided by the video, our aimto is to determine the full set of kinematic parameters that are required to describe the pose of the skeleton of the hand. This set of parameters is composed of the angles associate to each joint/articulation and the global position and orientation of the wrist. This problem is extremely challenging. The hand as many degrees of freedom and auto-occlusion are ubiquitous, which makes difficult the estimation of occluded or partially ocluded hand parts.In this thesis, we introduce two novel methods of increasing complexity that improve to certain extend the state-of-the-art for monocular hand tracking problem. Both are model-based methods and are based on a hand model that is fitted to the image. This process is guided by an objective function that defines some image-based measure of the hand projection given the model parameters. The fitting process is achieved through an iterative refinement technique that is based on gradient-descent and aims a minimizing the objective function. The two methos differ mainly by the choice of the hand model and of the cost function.The first method relies on a hand model made of ellipsoids and a simple discrepancy measure based on global color distributions of the hand and the background. The second method uses a triangulated surface model with texture and shading and exploits a robust distance between the synthetic and observed image as discrepancy measure.While computing the gradient of the discrepancy measure, a particular attention is given to terms related to the changes of visibility of the surface near self occlusion boundaries that are neglected in existing formulations. Our hand tracking method is not real-time, which makes interactive applications not yet possible. Increase of computation power of computers and improvement of our method might make real-time attainable.

Cette thèse est dédiée au développement de méthodes à base de graphes, permettant de traiter les problèmes fondamentaux de la vision par ordinateur tels que la segmentation, le suivi d’objets, l’appariement de formes et l’inférence de modèles 3D. La première contribution de cette thèse est une méthode unifiée reposant sur un champ de Markov aléatoire (MRF) d’ordre deux permettant de réaliser en une seule étape la segmentation et le suivi de plusieurs objets observés par une caméra unique, tout en les ordonnançant en fonction de leur distance à la caméra. Nous y parvenons au moyen d’un nouveau modèle stratifié (2.5D) dans lequel une représentation bas-niveau et une représentation haut-niveau sont combinées par le biais de contraintes locales. Afin d’introduire des connaissances de haut niveau a priori, telles que des a priori sur la forme des objets, nous étudions l’appariement non-rigide de surfaces 3D. La seconde contribution de cette thèse consiste en une formulation générique d’appariement de graphes qui met en jeu des potentiels d’ordre supérieur et qui est capable d’intégrer différentes mesures de similarités d’apparence, de similarités géométriques et des pénalisations sur les déformations des formes. En tant que la troisième contribution de cette thèse, nous considérons également des interactions d’ordre supérieur pour proposer un a priori de forme invariant par rapport à la pose des objets, et l’exploitons dans le cadre d’une nouvelle approche de segmentation d’images médicales 3D afin d’obtenir une méthode indépendante de la pose de l’objet d’intérêt et de l’initialisation du modèle de forme. La dernière contribution de cette thèse vise à surmonter l’influence de la pose de la caméra dans les problèmes de vision. Nous introduisons un paradigme unifié permettant d’inférer des modèles 3D à partir d’images 2D monoculaires. Ce paradigme détermine simultanément le modèle 3D optimal et les projections 2D correspondantes sans estimer explicitement le point de vue de la caméra, tout en gérant les mauvaises détections et les occlusions. / This thesis is devoted to the development of graph-based methods that address several of the most fundamental computer vision problems, such as segmentation, tracking, shape matching and 3D model inference. The first contribution of this thesis is a unified, single-shot optimization framework for simultaneous segmentation, depth ordering and multi-object tracking from monocular video sequences using a pairwise Markov Random Field (MRF). This is achieved through a novel 2.5D layered model where object-level and pixel-level representations are seamlessly combined through local constraints. Towards introducing high-level knowledge, such as shape priors, we then studied the problem of non-rigid 3D surface matching. The second contribution of this thesis consists of a higher-order graph matching formulation that encodes various measurements of geometric/appearance similarities and intrinsic deformation errors. As the third contribution of this thesis, higher-order interactions were further considered to build pose-invariant statistical shape priors and were exploited for the development of a novel approach for knowledge-based 3D segmentation in medical imaging which is invariant to the global pose and the initialization of the shape model. The last contribution of this thesis aimed to partially address the influence of camera pose in visual perception. To this end, we introduced a unified paradigm for 3D landmark model inference from monocular 2D images to simultaneously determine both the optimal 3D model and the corresponding 2D projections without explicit estimation of the camera viewpoint, which is also able to deal with misdetections/occlusions

Dans cette thèse, le problème de l'infiltration de bio-adhésifs résineux dans la dentine a été abordé par le biais de deux études, expérimentale et numérique. L'originalité de ces travaux réside dans le fait que l'échelle à laquelle nous nous sommes placés est nanoscopique. En effet, c'est l'infiltration d'un réseau de fibres de collagène de diamètre de l'ordre de 80nm qui pilote l'adhésion des composites résineux à la dentine. Une étude MEB a été menée pour confirmer et compléter la connaissance actuelle du milieu poreux. Cependant un paramètre manque dans la perspective d'une modélisation géométrique du réseau : la porosité n'est pas connue. Une étude complémentaire du substrat par porosimétrie à intrusion de mercure a donc été menée. La porosité volumique de la dentine déminéralisée est estimée à 55%. Deux tailles de pores sont révélées : la première correspond aux tubules et canalicules (autour de 1micron) et la seconde aux espaces interfibrillaires (autour de 50nm) jamais encore caractérisés de manière volumique. Cette étude permet aussi une investigation méthodologique. La lyophilisation, technique de séchage peu utilisée en odontologie, est évaluée et comparée à la technique de séchage utilisant l'HMDS. La lyophilisation semble être une technique de séchage fiable et convient parfaitement aux essais de porosimétrie. La modélisation géométrique du réseau fibreux est ensuite réalisée : les fibres sont considérées comme des zones à viscosité élevée. Cette modélisation est validée par comparaison des écoulements entre une fibre modélisée implicitement et une autre modélisée plus classiquement. L'orientation des fibres n'étant pas connue quantitativement, il a été choisi de construire trois types de réseau, le plus proche de la réalité (à la vue des images MEB) étant le réseau où les fibres sont disposées aléatoirement. Sa perméabilité a été estimée et validée par comparaison avec différentes études de réseaux fibreux ou non. Enfin, l'avancée du front est abordée de manière dynamique. Les équations d'avancée du front sont mises en place. Les équations de Navier Stokes sont couplées avec une méthode level set : l'interface correspondant au front d'infiltration n'est pas maillé (tout comme les fibres) mais correspond à une isovaleur d'une certaine fonction. Un attention particulière est portée aux conditions aux limites au niveau de la ligne triple et par le biais d'un terme ajouté à la formulation variationnelle, l'angle de contact est fixé. Ici, la principale difficulté est la prise ne compte des fibres qui ont été définies de manière implicite. Cette fois, les fibres sont uniquement le lieu de l'application de la condition aux limites fixant l'angle de contact et ne sont plus des zones de viscosité élevée car cela bloquerait le front. Le problème est résolu pour différentes géométries de réseaux fibreux. Tout d'abord, l'influence de certains paramètres sur des réseaux simples est sondée puis l'infiltration du modèle géométrique complet (réseau fibreux et tubules) est réalisée. Une conclusion cruciale pour les praticiens est mis en avant : augmenter le temps d'infiltration de la résine n'améliore pas l'infiltration. La simulation d'un essai de porosimétrie permet de distinguer deux tailles de pores distinctes et nécessite un ajustement car un décalage en pression par rapport à la courbe expérimentale est observée. L'outil construit permet une approche pédagogique de l'essai de porosimétrie et, après ajustement, pourra permettre la validation de diverses géométries. / In dentin restoration, collagen fiber network infiltration is an issue. In this thesis, an experimental study is lead prior to numerical modelling. Demineralized dentin porosity is a key parameter in dentin bonding that will in?uence the hybrid layer quality. Its characterization could be helpful to improve the monomers in?ltration. So, the objectives of the experimental study were to assess demineralized dentin porosity and quantify the different porous features distribution within the material using mercury intrusion porosimetry (MIP) technique. We compared hexamethyldisilazane (HMDS) drying and lyophilization (LYO) (freeze-drying) in sample preparation. The results showed two types of pores corresponding either to tubules and microbranches or to inter-?brillar spaces created by demineralization. Global porosity varied from 59% (HMDS-dried samples) to 70% (freeze-dried samples). Lyophilization drying technique seems to lead to less shrinkage than HMDS drying. FESEM revealed that collagen ?bers of demineralized lyophilized samples are less melted together than in the HMDS-dried samples. Using our experimental data , we have constructed a relevant numerical geometrical model of the network. The specificity of our model is that the fibers are taken into account implicitly using a regularized Heaviside function. This function is either used to set the viscosity or to localize the contact line where capillary forces are applied. A level set technique with respect to fluid infiltration front tracking in five fiber networks using the level set method and Navier-Stokes equations with capillary terms is used to point out efficient critical infiltration parameters. A variational formulation which can be implemented in FEM is proposed both for the infiltration front and the contact line. Because of lack of knowledge on fiber orientation, different configurations were tested through permeability assessment of the whole network. Fiber orientation, interfibrillar space and contact angle influence were investigated. Then a network representing the dentinal porous substrate is infiltrated by a wetting fluid and we came to a useful conclusion : increasing infiltration time will not improve the quality of the bonding. In order to link the numerical and experimental studies, infiltration curves of mercury into the porous network are compared. We used a non-wetting fluid (mercury) to invade the numerical porous network to model the porosimetry test. As mercury do not invade the porous network naturally, an incremental pressure is applied to force it to penetrate the porous medium. The simulation is qualitatively satisfying and enables to point out the porosimetry test limitations in a pedagogical way. Thanks to the simulation, we can see the mercury invading pore spaces: big pores are penetrated first and then small pores (which obviously cannot be seen during the experimental process). Quantitatively, two sizes of pore are detected and their contributions to total porosity are satisfying. Nevertheless, the pore size values have to be ajusted. To conclude, this thesis contributed to the characterization of demineralized dentin. The numerical modeling allows us to point out influencing parameters during capillary infiltration of a fibrous network and to illustrate the porosimetry test process an its limitations. An interesting tool to confirm a geometrical model has been built. The tools that have been built can easily been used to other porous structures.

Les caméras de surveillance sont de plus en plus fréquemment présentes dans notre environnement (villes, supermarchés, aéroports, entrepôts, etc.). Ces caméras sont utilisées, entre autres, afin de pouvoir détecter des comportements suspects (intrusion par exemple) ou de reconnaître une catégorie d'objets ou de personnes (détection de genre, détection de plaques d'immatriculation par exemple). D'autres applications concernent également l'établissement de statistiques de fréquentation ou de passage (comptage d'entrée/sortie de personnes ou de véhicules) ou bien le suivi d'un ou plusieurs objets se déplaçant dans le champ de vision de la caméra (trajectoires d'objets, analyse du comportement des clients dans un magasin). Compte tenu du nombre croissant de caméras et de la difficulté à réaliser ces traitements manuellement, un ensemble de méthodes d'analyse vidéo ont été développées ces dernières années afin de pouvoir automatiser ces tâches. Dans cette thèse, nous nous concentrons essentiellement sur les tâches de détection et de suivi des objets mobiles à partir d'une caméra fixe. Contrairement aux méthodes basées uniquement sur les images acquises par les caméras, notre approche consiste à intégrer un certain nombre d'informations contextuelles à l'observation afin de pouvoir mieux interpréter ces images. Ainsi, nous proposons de construire un modèle géométrique et géolocalisé de la scène et de la caméra. Ce modèle est construit directement à partir des études de prédéploiement des caméras et peut notamment utiliser les données OpenStreetMap afin d'établir les modèles 3d des bâtiments proches de la caméra. Nous avons complété ce modèle en intégrant la possibilité de prédire la position du Soleil tout au long de la journée et ainsi pouvoir calculer les ombres projetées des objets de la scène. Cette prédiction des ombres a été mise à profit afin d'améliorer la segmentation des piétons par modèle de fond en supprimant les ombres du masque de mouvement. Concernant le suivi des objets mobiles, nous utilisons le formalisme des automates finis afin de modéliser efficacement les états et évolutions possibles d'un objet. Ceci nous permet d'adapter le traitement de chaque objet selon son état. Nous gérons les occultations inter-objets à l'aide d'un mécanisme de suivi collectif (suivi en groupe) des objets le temps de l'occultation et de ré-identification de ceux-ci à la fin de l'occultation. Notre algorithme s'adapte à n'importe quel type d'objet se déplaçant au sol (piétons, véhicules, etc.) et s'intègre naturellement au modèle de scène développé. Nous avons également développé un ensemble de "rétro-actions" tirant parti de la connaissance des objets suivis afin d'améliorer les détections obtenues à partir d'un modèle de fond. En particulier, nous avons abordé le cas des objets stationnaires, souvent intégrés à tort dans le fond, et avons revisité la méthode de suppression des ombres du masque de mouvement en tirant parti de la connaissance des objets suivis. L'ensemble des solutions proposées a été implémenté dans le logiciel de l'entreprise Foxstream et est compatible avec la contrainte d'exécution en temps réel nécessaire en vidéosurveillance. / Video-surveillance cameras are increasingly used in our environment. They are indeed present almost everywhere in the cities, supermarkets, airports, warehouses, etc. These cameras are used, among other things, in order to detect suspect behavior (an intrusion for instance) or to recognize a specific category of object or person (gender detection, license plates detection). Other applications also exist to count and/or track people in order to analyze their behavior. Due to the increasing number of cameras and the difficulty to achieve these tasks manually, several video analysis methods have been developed in order to address them automatically. In this thesis, we mainly focus on the detection and tracking of moving objects from a fixed camera. Unlike methods based solely on images captured by cameras, our approach integrates contextual pieces of information in order better interpret these images. Thus we propose to build a geometric and geolocalized model of the scene and the camera. This model is built directly from the pre-deployment studies of the cameras and uses the OpenStreetMap geographical database to build 3d models of buildings near the camera. We added to this model the ability to predict the position of the sun throughout the day and the resulting shadows in the scene. By predicting the shadows, and deleting them from the foreground mask, our method is able to improve the segmentation of pedestrians. Regarding the tracking of multiple mobile objects, we use the formalism of finite state machines to effectively model the states and possible transitions that an object is allowed to take. This allows us to tailor the processing of each object according to its state. We manage the inter-object occlusion using a collective tracking strategy. When taking part in an occlusion, objects are regrouped and tracked collectively. At the end of the occlusion, each object is re-identified and individual tracking resume. Our algorithm adapts to any type of ground-moving object (pedestrians, vehicles, etc.) and seamlessly integrates in the developed scene model. We have also developed several retro-actions taking advantage of the knowledge of tracked objects to improve the detections obtained with the background model. In particular, we tackle the issue of stationary objects often integrated erroneously in the background and we revisited the initial proposal regarding shadow removal. All proposed solutions have been implemented in the Foxstream products and are able to run in real-time.

Toute organisation se doit de gérer leur performance en mettant en place un ensemble de processus organisationnels et de technologies visant à optimiser l'exécution de leur stratégie pour atteindre leurs objectifs. Afin de faire le suivi de l’atteinte des objectifs et d’aider à la prise de décision, les tableaux de bord de gestion (TBG) gagnent de plus en plus en popularité auprès des gestionnaires. Un TBG est un outil visuel présentant les informations nécessaires à l’atteinte d’un ou plusieurs objectifs. Ces informations sont consolidées et organisées sur un seul écran afin de pouvoir les surveiller en un seul coup d’œil et de suivre les progrès par rapport aux objectifs définis. Un TBG doit principalement permettre aux gestionnaires d’obtenir une représentation mentale véridique et complète de l’état de la situation. Le modèle théorique de la conscience de la situation (CS) caractérise cette représentation mentale en trois niveaux : perception, compréhension et projection. La prise de décision s’appuie en grande partie sur la capacité à anticiper l’état futur de l’environnement qui réfère au niveau de la projection de la CS. Cette projection se base principalement sur la connaissance du système causal de l’environnement. Or, dans le domaine de la gestion, les différentes méthodes de conception de TBG n’abordent pas ou peu ce système causal et aucune de ces méthodes ne rend explicite ce système causal dans l’interface visuelle d’un TBG. Ce mémoire a ainsi pour objectif premier de proposer une technique de conception de TBG causal basée sur le système causal de l’environnement afin de mieux soutenir les trois niveaux de la CS, principalement le niveau de la projection. La littérature scientifique sur la CS et les modèles mentaux sont à la base de cette technique de conception. Cette recherche se distingue par le fait qu’elle applique à la gestion des notions provenant du domaine de l’ingénierie cognitive. Ces notions ont été appliquées dans des domaines tels l’aviation et le contrôle de processus industriels, mais rarement à la gestion. Le deuxième objectif est d’appliquer cette technique pour la conception d’un TBG causal pour la gestion de l’unité des soins intensifs pédiatriques du Centre hospitalier universitaire Ste-Justine. Finalement, le dernier objectif de ce mémoire est d’évaluer expérimentalement le TBG causal en le comparant à un TBG traditionnel. Le TBG traditionnel est similaire au TBG causal sauf qu’il ne présente pas de manière explicite le système causal. Cette expérimentation a été réalisée auprès de dix gestionnaires hospitaliers pendant une simulation de tâches. Cette simulation durait environ une heure et était constituée de dix-huit questions. Chaque question était reliée à un des trois niveaux de la CS. Afin d’évaluer le soutien de la CS par rapport au type de TBG utilisé, l’efficacité des réponses et le temps de complétion des tâches sont les mesures de performance analysées. Les principaux résultats de cette étude démontrent que l’explicitation du système causal ne permet pas d’avoir de meilleures prédictions, mais permet de réduire significativement le temps de réponse pour les tâches liées aux niveaux de la compréhension et de la projection de la CS.

La dissolution biogénique réalisée par les microperforants constitue une des principales forces de destruction des récifs coralliens. Ce processus, stimulé par certains facteurs du changement global comme l'acidification, est encore peu connu et donc mal intégré dans les modèles de prédiction du devenir des récifs. Pour mieux comprendre ce processus et sa dynamique temporelle, des blocs de squelette corallien ont été exposés, sur un récif en Nouvelle-Calédonie, aux microperforants entre 1 et 12 mois et au cours de six séries temporelles; trois commençant en été et trois en hiver. Ainsi, les taux de dissolution biogénique ainsi que la diversité et l'abondance des microperforants ont été déterminés. En parallèle, un suivi de paramètres externes, abiotiques et biotiques, a été réalisé. Cette étude a mis en avant i/ trois étapes dans le processus de dissolution biogénique, décrites par un modèle logistique de croissance, contrôlées par les espèces microperforantes et par l'intensité du broutage ; ii/ les interactions entre les paramètres externes et la dynamique des successions de communautés microperforantes décrites dans un modèle conceptuel ; iii/ l'influence de paramètres externes sur la dynamique temporelle de la dissolution biogénique. Ainsi, Ostreobium quekettii, l'agent le plus actif dans la dissolution biogénique, est recruté plus rapidement et la dissolution biogénique augmente lorsque les squelettes sont exposés à des températures plus élevées ou soumis à une augmentation des nutriments. Ces résultats suggéreraient, dans le contexte du changement global, une accélération de la dissolution biogénique fragilisant d'autant plus les récifs coralliens. / Biogenic dissolution of carbonates due to microborers is one of the main destructive forces in coral reefs. Unfortunately this biogeochemical process received low attention and thus is considered as negligible by prediction models of coral reefs future while this process seems to be stimulated by global change factors such as acidification. In this context, dead coral skeletons were exposed, on a reef in New Caledonia, to microborers for six temporal series from 1 to 12 months of exposure (three started in summer and three in winter). Study of coral blocks allowed to determine together biogenic dissolution rates, the diversity and the abundance of microborers. In parallel, external biotic and abiotic parameters were recorded monthly and/or continuously. This experiment highlighted for the first time; I/ three steps in the temporal dynamics of the biogenic dissolution, described by a growth logistic models, driven by microborer communities and grazing intensity; II/ The interactions between microboring community successions and external parameters described by a conceptual model; III/ the influence of external parameters on the dynamic of biogenic dissolution. Thus, results showed an early installation of Ostreobium quekettii, the main agent of the biogenic dissolution and an increase of this process due to higher seawater temperature or nutrients. This suggests, in the context of global change, an acceleration of the biogenic dissolution weakening even more coral reef ecosystems.

Le manuscrit de thèse se propose de concilier les points de vue développés par les théories microscopiques et la théorie hydrodynamique sur la diffusion. Nous testons les hypothèses hydrodynamiques et tentons d'obtenir une reformulation de celles-ci à partir d'arguments microscopiques. En particulier, pour un fluide laminaire visqueux, la force exercée sur une particule sphérique ou encore le champ de vitesse autour d'une particule sphérique en mouvement, respectivement décrits par la force de Basset-Boussinesq et la solution de Stokes, seront l'objet de notre investigation. Leurs formes sont-elles pertinentes à l'échelle microscopique ? Si oui, comment peut-on les exprimer à l'échelle moléculaire ? Pour ce faire, nous avons réalisé des simulations moléculaires et basé notre développement à l'aide de la théorie de Mori-Zwanzig. Dans un premier temps, nous étudions l'évolution des fluctuations de la particule afin d'interpréter le comportement aux temps longs et réalisons le lien avec l'inertie, la diffusion et l'hydrodynamique. Puis nous proposons une nouvelle approche pour extraire le flot microscopique de fluides Lennard-Jones ou granulaires afin de le comparer directement aux solutions hydrodynamiques, ce qui nous permet d'étudier les conditions aux bords. Nous avons pu développer une expression analytique pour les conditions aux bords du flot où les fluctuations jouent un rôle clef. A l'aide des outils d'analyse développés, nous pouvons aussi investiguer le couplage entre le mouvement translationnel et rotationnel. Enfin nous étendons notre analyse à des systèmes tels que les ions aqueux et l'eau surfondue. / This work proposes to reconcile the points of view developed by microscopic theories and hydrodynamics on diffusion. We test the hydrodynamics hypothesis and try reformulate them from microscopic arguments. In particular, for a laminar viscous liquid, the exerced force on a spherical particle or the velocity field around the spherical particle with a prescribed velocity, respectively described by the Basset-Boussinesq force and the Stokes flow, will be the object of our investigation. Is their form relevant at microscopic scale ? If so, how can we express them at the molecular scale ? To do so, we realized molecular simulations and based our developement thanks to the Mori-Zwanzig theory which gives us exact microscopic relations. Initally, we study the evolution of fluctuations of the particle in order to interpret the behaviour at long times and link it with inertia, diffusion and hydrodynamics. Then we propose a novel approch to extract the microscopic flow of Lennard-Jones or granular fluids in order to compare it directly with the hydrodynamic solutions, which allows us to study boundary conditions. We were able to develop an analytical expression for boundary conditions of the flow where fluctuations play a key role. Thanks to our developed analysis tools, we also investigate the coupling between the translational and rotational movement. Finally, we extend our investigation to more realistic fluids such as aqueous solutions and water.

Les boîtes quantiques (ou Quantum Dots en anglais - QD) sont une nouvelle génération de sondes polyvalentes pour la biologie, en particulier pour l’imagerie. Pour des applications de marquage des voies intra-cellulaires, les QDs peuvent être conjugués à des biomolécules telles que des acides nucléiques ou des protéines. En partant des travaux du LPEM portant sur le développement de ligands permettant la dispersion des QDs dans l’eau et leur fonctionnalisation, une nouvelle méthode de conjugaison de l'ADN sur les QDs a été développée dans cette thèse. Cette méthode utilise les motifs présents sur les polymères des QDs pour le greffage d'ADN. Les paramètres affectant cette réaction ont été étudiés et cette stratégie de couplage a été étendue à d'autres nanoparticules et biomolécules. En partant de ces QDs-ADN, des protéines modifiées ADN ont pu être attachées aux QDs en utilisant le principe d’hybridation de l’ADN. Les propriétés des conjugués ainsi générés ont été mises en évidence en utilisant la Transferrine (QD-ADN-Tf) et ces complexes ont été étudiés in vitro et in cellulo. Ces conjugués ont ensuite été utilisés pour le suivi de la dynamique des endosomes, exploitant ainsi pleinement le potentiel des QDs pour l’imagerie directe. Dans la dernière partie, des études supplémentaires sur les facteurs influençant la «performance biologique» des QDs ont été réalisées. Pour cela, une large gamme de ligands polymères développée par le groupe a été utilisée pour sonder l'interaction de la surface des QDs avec l'interface biologique. Des expériences biochimiques et cellulaires ont permis de démontrer que les QDs revêtus de divers polymères ont des comportements différents. / Quantum dots (QD) are new generation of versatile probes for biology, particularly for bioimaging. For specific applications, QDs are conjugated to biomolecules such as nucleic acid or proteins and subsequently targeted to unique intra-cellular pathways. Building upon the state-of-the-art ligands for water-dispersible QDs developed by the lab, a novel and highly generalizable method to conjugate DNA to QD is developed in this thesis. This method employs thiols present on polymers on QDs for conjugation to maleimide-functionalized DNA. Extensive characterization of parameters affecting this reaction is carried out and the strategy is extended to other nanoparticles and biomolecules. Following this, a novel method to conjugate proteins to QD via DNA hybridization is discussed. Using a model protein Transferrin (Tf), the unique properties of thus generated QD-DNA-Tf conjugates are studied in-vitro and in-cellulo. These conjugates are subsequently used for tracking endosomal dynamics for up-to 20 minutes, exploiting the fullest potential of QDs for live imaging. In the last part, additional studies on factors affecting the ‘biological performance’ of QDs are carried out. Using a range of highly adaptable polymeric ligands developed by the group, interactions of surface-modified QDs with the biological interface are probed. Systematic biochemical and cellular experiments demonstrate that QDs coated with zwitterionic polymers have superior antifouling properties compared to poly(ethylene glycol)-based polymers and stability in diverse biological contexts.

Les procédures gastro-intestinales de l’oesophage impliquent un contrôle ou une surveillance périodique de l'anatomie interne (réalisation de multiples biopsies le long de l’oesophage). Le suivi et la relocalisation inter-opératoires de ces sites de biopsies (pour un même patient opéré plusieurs fois) est un challenge bien connu. L'objectif de cette thèse est de proposer une solution informatisée afin de guider le gastroentérologue pendant de telles procédures. Nous proposons un cadre novateur utilisant un système de suivi électromagnétique pour réaliser des enregistrements d'intervention de l’oesophage, couplant la vidéo à la profondeur de l'endoscope inséré. Ces enregistrements sont ensuite utilisés afin de repositionner l'endoscope de façon précise sur des sites de biopsie préalablement ciblés. Cette navigation consiste en une synchronisation vidéo entre la vue endoscopique courante et celles des surveillances endoscopiques précédentes enregistrées. Une première version de notre système est évaluée de manière incrémentale sur des données d'abord synthétiques puis réelles recueillies sur des cochons. Les résultats montrent que la relocalisation est obtenue avec une précision de l'ordre de 10mm, considérée comme largement acceptable par les experts. En outre, une expérience qualitative simulant une tâche réelle de relocalisation de site de biopsie, évaluée par 10 gastroentérologues, démontre les avantages du système de guidage assisté. Ce cadre est finalement étendu afin d'améliorer encore la précision de la relocalisation à partir d'une sélection optimale de l'image vidéo pré-enregistrée dont le point de vue est le plus proche de celui de l'image endoscopique courante / Gastrointestinal (GI) procedures, specifically, oesophageal interventions involve periodic monitoring or surveillance of the internal anatomy, which involve obtaining biopsies at different regions along the oesophagus. The tracking and relocalization of these biopsy sites ``inter-operatively'' poses a significant challenge for providing targeted treatments. This thesis, clarifies the concept of relocalization, and analyses the need for a platform to aide GI endoscopy. Based on the understanding of the clinical context in oesophageal procedures; a novel framework to use electromagnetic tracking system is proposed, which is used to perform a ``recording'' of an intervention. This framework and the recording is then used to provide a guided navigation to the GI expert, during a follow-up surveillance endoscopy; for accurate re-positioning of the endoscope at previously targeted sites. This is achieved using inter-operative video synchronization, and the various steps involved in achieving this are described in this thesis. A careful analysis of noise affecting the system is performed, to propose quantitative analysis using synthetic and realdata collected on pigs. A set of qualitative experiments were also proposed using 10 experts to indicate benefit to the GI community. The quantitative experiment indicated that the relocalization was achieved with an accuracy of 10mm, and the qualitative experiments showed that the biopsy site relocalization rate improved from 47.5% to 94%. The thesis then proceeds to provide two additional improvements using additional information collected during the GI intervention for a complete solution