Dans le cadre de nombreuses règlementations, l’établissement de stratégies de suivi des populations de cétacés est devenu un besoin prioritaire. Les principales caractéristiques d’une stratégie de suivi sont la signification écologique, la crédibilité statistique et le rapport qualité/coût élevé. La mise en place d’indicateurs permet de réduire les coûts de suivi, et propose un outil de communication entre scientifiques et gestionnaires. Un indicateur est une donnée vérifiable et mesurable qui renseigne sur plus qu’elle-même. La collecte des données d’échouages est peu coûteuse, mais l’absence de stratégie d’échantillonnage des populations en mer est une entrave à leur utilisation dans le cadre de stratégies de suivi. L’objectif de cette thèse est de développer des indicateurs des populations de cétacés à partir des données d’échouages. Quatre indicateurs ont été développés au cours de cette thèse. La part des cétacés échoués par rapport aux cétacés morts en mer a été estimée. Les séries temporelles d’échouages ont été affranchies des conditions de dérive, par l’établissement de l’hypothèse nulle (hypothèse d’uniformité spatiale et temporelle des cétacés morts en mer) et constitue l’anomalie d’échouage. La cartographie de la mortalité de cétacés a été réalisée, et détermine le nombre de dauphins morts en mer, indépendamment de leur probabilité de s’échouer. Enfin la distribution de mortalité observée par rapport à la distribution attendue des cétacés morts sous l’hypothèse nulle a été calculée. Elle permet d’identifier des zones de fortes mortalité ou abondance relative. Ces quatre indicateurs pourront être intégrés à différents plans de gestion, nationaux ou internationaux. / Under national and international regulations, the establishment of cetacean population monitoring strategies became a priority. Monitoring main expected characteristics are the ecological significance, the statistical credibility and the cost-effectiveness. The use of indicators reduces monitoring cost, and constitutes communication tool between scientists and policy-makers. Indicators are measurable and verifiable data, which inform on more than themselves. The collect of stranding data is cost-efficient, but the lack of sampling strategy remains a hindrance to their use in context of monitoring strategy. The aim of this study is to develop cetacean population indicators based on stranding data.Four indicators were developed during this work. The proportion of stranded cetaceans compared to dead cetaceans at sea was estimated. Stranding long term time series were freed from drift conditions by the construction of the null hypothesis (that is a hypothesis of spatial and temporal uniformity of dead cetaceans). It constituted the stranding anomaly. The cetacean mortality cartography estimated the number of dead cetaceans at sea, independently of the stranding probability. Finally, cetacean mortality anomaly was calculated as the difference between mortality areas of stranded cetaceans and theoretical distribution of dead cetaceans predicted to strand under the null hypothesis. This anomaly identified high mortality or high relative abundance areas. These indicators could be integrated to many national and international management strategies.

L'approche Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) est une méthode de calcul pour simuler des écoulements fluides avec une méthode Lagrangienne de type suivi de particules. A l'inverse des méthodes Euleriennes, ce type d'approche ne nécessite pas de maillage. C'est là l'un des atouts majeurs de l'approche SPH puisqu'elle permet de s'affranchir des méthodes de suivi d'interfaces couramment utilisées dans les approches Euléeriennes (par exemple Volume-of-Fluid, Level-Set ou Front-Tracking). L'approche SPH est donc de plus en plus utilisée dans les domaines de l'hydro-ingénierie et de la géophysique notamment de part le traitement naturel des écoulements à surface libre dans la méthode SPH. Cependant, l'approche SPH n'est utilisée que depuis peu pour simuler des écoulements multiphasiques complexes et de nombreux problèmes restent en suspens, notamment concernant une formulation adéquate ou le micro-mélange aux interfaces. L'un des principaux enjeux de ces travaux de thèse est d'analyser de façon objective les différentes approches de type SPH existantes et d'évaluer leur capacité à simuler des écoulements multiphasiques complexes. Ainsi, la modélisation des phénomènes liés à la tension de surface a été réalisée et validée via l'utilisation de techniques de type Continuum Surface Force. Les phénomènes de convection naturelle ont quant à eux été modélisés grâce à une nouvelle formulation plus générale (non-Boussinesq). Une partie de ces travaux est dédiée à l'étude des problèmes de micro-mélange aux interfaces: les effets indésirables (notamment la fragmentation de l'interface) sont analysés et des solutions sont proposées. Une autre part de travail porte sur la modélisation des mouvements ascendants de bulles dans des liquides, avec l'inclusion des interactions entre bulles. Des simulations SPH ont été réalisées pour différents régimes d'écoulement, chacun d'eux correspondant à un ratio spécifique entre la tension de surface, la viscosité et la flottabilité. Les prédictions numériques de la topographie des bulles, de leur vitesse ainsi que de leur coefficient de trainée ont été validées. Pour ce faire, les résultats numériques ont été comparés non seulement aux données expérimentales de référence mais également à d'autres simulations numériques de bulles ascendantes. Dans ces travaux de thèse, une étude détaillée des concepts liés aux contraintes d'incompressibilité a été réalisée. Dans cet objectif, deux traitements différents ont été comparés: l'approche faiblement compressible (où une équation d'état adéquate est choisie) et l'approche incompressible (où une projection des champs de vitesse sur un espace sans divergence est réalisée de deux facons différentes). La pertinence de ces modèles pour des simulations d'écoulements multiphasiques est également évaluée. Les problèmes associés aux paramètres numériques sont discutés et un choix approprié de ces paramètres est proposé. Pour ce faire, de nombreux calculs de validation en deux et trois dimensions ont été réalisés. Enfin, une extension est proposée pour simuler les phénomènes liés à l'ébullition via une approche SPH. Ce sujet étant encore en friche, de nouvelles idées et schémas sont proposés pour le changement de phase liquide-vapeur dans l'approche SPH / Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is a fully Lagrangian, particle based approach for fluid-flow simulations. One of its advantages over Eulerian techniques is no need of a numerical grid. Therefore, there is no necessity to handle the interface shape as it is done in Volume-of-Fluid, Lavel-Set or Front-Tracking methods. Thus, the SPH approach is increasingly used for hydro-engineering and geophysical applications involving free-surface flows where the natural treatment of evolving interfaces makes it an attractive method. However, for real-life multi-phase simulations this method has only started to be considered and many problems like a proper formulation or a spurious fragmentation of the interface remain to be solved. One of the aims of this work is to critically analyse the existing SPH variants and assess their suitability for complex multi-phase problems. For modelling the surface-tension phenomena the Continuum Surface Force (CSF) methods are validated and used. The natural convection phenomena are modeled using a new, more general formulation, beyond the Boussinesq approximation. A substantial part of the work is devoted to the problem of a spurious fragmentation of the interface (the micro-mixing of SPH particles). Its negative effects and possible remedies are extensively discussed and a new variant is proposed. Contrary to general opinion, it is proven that the micro-mixing is not only the problem of flows with neglegible surface tension. A significant part of this work is devoted to the modelling of bubbles rising through liquids, including bubble-bubble interactions. The SPH simulations were performed for several flow regimes corresponding to different relative importance of surface tension, viscosity and buoyancy effects. The predicted topological changes, bubble terminal velocity and drag coefficients were validated with respect to reference experimental data and compared to other numerical methods. In the work, fundamental concepts of assuring the incompressibility constraint in SPH are also recalled. An important part of work is a thorough comparison of two different incompressibility treatments: the weakly compressible approach, where a suitably chosen equation of state is used, and truly incompressible method (in two basic variants), where the velocity field is projected onto a divergence-free space. Their usefulness for multi-phase modelling is discussed. Problems associated with the numerical setup are investigated, and an optimal choice of the computational parameters is proposed and verified. For these purposes the study is supported by many two- and three-dimensional validation cases. In addition, the present work opens new perspectives to future simulations of boiling phenomena using the SPH method. First ideas and sketches for the implementation of the liquid-vapour phase change are presented

Le cachalot, Physeter macrocephalus le plus grand des odontocètes, a été longtemps exposé à la pêche pour extraire l'huile contenue dans sa tête (spermaceti), et est maintenant vulnérable. Les cachalots nagent dans divers endroits du globe et atteignent les plus grandes profondeurs, où ils chassent par écholocation. Ils émettent des sons, des clics à large bande, à structure multi-pulsée générée par des réflexions intra-tête. Ces clics contiennent de l'information sur la taille de l'animal et sur son orientation, reposant sur les délais entre les pulses qui le composent (intervalle inter-pulse 'IPI'). Ces mesures sont utiles dans la préservation et les efforts de suivi populationnel du cachalot, puisqu'il est impossible de filmer ces mammifères nageant en grandes profondeurs.Les avancées technologiques permettant un essor considérable du nombre d'enregistrements sous-marins. Des algorithmes d'analyse automatiques sont alors requis pour le suivi de cette population ou des études comportementales et mesures de protection. La littérature offre une variété de méthodes pour le calcul de l'IPI. Cependant, elles souffrent d'un mélange des différents délais entre pulses résultant en une estimation de l'IPI peu précise et, par conséquent, de la taille de l'animal. De plus, ce mélange des différents délais entre pulses ne permet pas l'extraction de données sur l'orientation de l'animal. Dans cette thèse, une nouvelle méthode pour une analyse fine de l'IPI est présentée. Elle ne mélange pas les différents délais entre pulses, mais sélectionne les pulses à travers une analyse combinatoire et statistique. Il en résulte une meilleure estimation de la taille du cachalot. De plus une information supplémentaire, sur son orientation, est extraite. Notre algorithme est comparé avec ceux de l'état de l'art. Nous en discutons ses forces et faiblesses.Les résultats expérimentaux sont donnés autant sur des exemples avec un ou plusieurs cachalots émettant en même temps, que sur des données obtenues en différentes zones géographiques (France, Italie, Etats-Unis) et à partir de différents systèmes d'enregistrement. Ceci démontre la robustesse de la méthode proposée, et donne des perspectives pour le suivi des cachalots à l'échelle du globe. / The sperm whale, Physeter macrocephalus, the largest odontocete has been exposed for years to whaling due to the presence of liquid wax located in its head (spermaceti). This species is now considered as vulnerable. Sperm whales are located in various oceans and seas around the world. These animals are able to reach the deepest depths, where they use an echolocation technique to hunt. They emit broadband clicks that are comprised of a multi-pulse structure resulting from intra-head reflexions(spermaceti). These clicks contain information about the length of the animal and on its orientation, which reside in the delays between the pulse structure within the clicks, known as the Inter-Pulse-Interval (IPI). Measurement of these IPIs are determinant in the in the global preservation and the monitoring of sperwhales population since it is highly difficult to obtain visual clues of these deep-diving mammals.Moreover, the increasing technological advances have enabled the obtention of larger amount of underwater recordings. Therefore, the use of computational methodologies to automatically analyze the sperm whales click sounds have become a necessity in order to carry out populations monitoring and marine ecosystems studies. The current literature offers a variety of methodologies to calculate the IPI. However, these methodologies suffer from a merging of the different pulse delays and thus leading to less accurate estimation of the IPI and, in turn, of the whale's size. Moreover, from this merging methods no additional information regarding the orientation of the sperm whale can be easily extracted. In this thesis work, a new methodology for accurate IPI estimation is presented without relying on the merging of the different pulse delays, but, instead, by selecting the unique candidate pulse through a combinatorial and statistical analysis resulting in a better precision in the final estimation of the sperm whale's size and providing additional information on the whale's orientation.Our methodologies are compared with the known state of the art algorithms and their strengths and weaknesses are discussed. Experimental results are showcased of single and multi-whale examples from a variety of data obtained in different locations such as France, Italy and Canada and diverse acquiring systems. This strategy permits to testify and evaluate the robustness of the proposed methods and give perspectives in sperm whale monitoring at a global scale.

Les gestes de la main représentent un moyen naturel et intuitif de communication chez l'homme lui permettant d'interagir avec son environnement dans la vie de tous les jours. Ils permettent notamment de ponctuer et de renforcer l'expression orale d'un dialogue entre personnes. Outre la communication entre individus, les gestes de la main permettent de manipuler des objets ou encore d'interagir avec des machines. Avec le développement de la vision par ordinateur, on assiste à un véritable engouement pour de nouveaux types d'interactions qui exploitent le mouvement de la main et qui passent par une étape d'analyse et de reconnaissance du mouvement afin d'aboutir à l'interprétation des gestes de la main. La réalisation d'un tel objectif ouvre un large champ d'applications. C'est dans ce cadre que se positionne le travail réalisé au cours de cette thèse. Les objectifs visés étaient de proposer des méthodes pour: 1) permettre le transfert d'animation depuis une séquence réelle vers un modèle 3D représentant la main. Dans une telle perspective, le suivi permet d'estimer les différents paramètres correspondant aux degrés de liberté de la main. 2) identifier les gestes de la main en utilisant une base de gestes prédéfinie dans le but de proposer des modes d'interactions basés sur la vision par ordinateur. Sur le plan technique, nous nous sommes intéressés à deux types d’approches : le premier utilise un modèle 3D de la main et le deuxième fait appel à une base de gestes / Hand gestures take a fundamental role in inter-human daily communication. Their use has become an important part of human-computer interaction in the two last decades. Building a fast and effective vision-based hand motion tracker is challenging. This is due to the high dimensionality of the pose space, the ambiguities due to occlusion, the lack of visible surface texture and the significant appearance variations due to shading. In this thesis we are interested in two approaches for monocular hand tracking. In the first one, a parametric hand model is used. The hand motion tracking is first formulated as an optimization task, where a dissimilarity function between the projection of the hand model under articulated motion and the observed image features, is to be minimized. A two-step iterative algorithm is then proposed to minimize this dissimilarity function. We propose two dissimilarity functions to be minimized. We propose also in this thesis a data-driven method to track hand gestures and animate 3D hand model. To achieve the tracking, the presented method exploits a database of hand gestures represented as 3D point clouds. In order to track a large number of hand poses with a database as small as possible we classify the hand gestures using a Principal Component Analysis (PCA). Applied to each point cloud, the PCA produces a new representation of the hand pose independent of the position and orientation in the 3D space. To explore the database in a fast and efficient way, we use a comparison function based on 3D distance transform. Experimental results on synthetic and real data demonstrate the potentials of ours methods

Les dispositifs d'eye-tracking ont un très fort potentiel en tant que modalité d'entrée en IHM (Interaction Homme Machine), en particulier en situation de mobilité. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la mise en œuvre de cette potentialité en mettant en évidence les scénarios dans lesquels l’eye-tracking possède des avantages évidents par rapport à toutes les autres modalités d’interaction. Au cours de nos recherches, nous avons constaté que cette technologie ne dispose pas de méthodes pratiques pour le déclenchement de commandes, ce qui réduit l'usage de tels dispositifs. Dans ce contexte, nous étudions la combinaison d'un eye-tracking et des mouvements volontaires de la tête lorsque le regard est fixe, ce qui permet de déclencher des commandes diverses sans utiliser les mains ni changer la direction du regard. Nous avons ainsi proposé un nouvel algorithme pour la détection des mouvements volontaires de la tête à regard fixe en utilisant uniquement les images capturées par la caméra de scène qui équipe les eye-trackers portés sur la tête, afin de réduire le temps de calcul. Afin de tester la performance de notre algorithme de détection des mouvements de la tête à regard fixe, et l'acceptation par l'utilisateur du déclenchement des commandes par ces mouvements lorsque ses deux mains sont occupées par une autre activité, nous avons effectué des expériences systématiques grâce à l'application EyeMusic que nous avons conçue et développée. Cette application EyeMusic est un système pour l'apprentissage de la musique capable de jouer les notes d’une mesure d'une partition que l’utilisateur ne comprend pas. En effectuant un mouvement volontaire de la tête qui fixe de son regard une mesure particulière d'une partition, l'utilisateur obtient un retour audio. La conception, le développement et les tests d’utilisabilité du premier prototype de cette application sont présentés dans cette thèse. L'utilisabilité de notre application EyeMusic est confirmée par les résultats expérimentaux : 85% des participants ont été en mesure d’utiliser tous les mouvements volontaires de la tête à regard fixe que nous avons implémentés dans le prototype. Le taux de réussite moyen de cette application est de 70%, ce qui est partiellement influencé par la performance intrinsèque de l'eye-tracker que nous utilisons. La performance de notre algorithme de détection des mouvements de la tête à regard fixe est 85%, et il n’y a pas de différence significative entre la performance de chaque mouvement de la tête testé. Également, nous avons exploré deux scénarios d'applications qui reposent sur les mêmes principes de commande, EyeRecipe et EyePay, dont les détails sont également présentés dans cette thèse. / Eye-tracking has a very strong potential in human computer interaction (HCI) as an input modality, particularly in mobile situations. In this thesis, we concentrate in demonstrating this potential by highlighting the scenarios in which the eye-tracking possesses obvious advantages comparing with all the other interaction modalities. During our research, we find that this technology lacks convenient action triggering methods, which can scale down the performance of interacting by gaze. In this instance, we investigate the combination of eye-tracking and fixed-gaze head movement, which allows us to trigger various commands without using our hands or changing gaze direction. We have proposed a new algorithm for fixed-gaze head movement detection using only scene images captured by the scene camera equipped in front of the head-mounted eye-tracker, for the purpose of saving computation time. To test the performance of our fixed-gaze head movement detection algorithm and the acceptance of triggering commands by these movements when the user's hands are occupied by another task, we have implemented some tests in the EyeMusic application that we have designed and developed. The EyeMusic system is a music reading system, which can play the notes of a measure in a music score that the user does not understand. By making a voluntary head movement when fixing his/her gaze on the same point of a music score, the user can obtain the desired audio feedback. The design, development and usability testing of the first prototype for this application are presented in this thesis. The usability of our EyeMusic application is confirmed by the experimental results, as 85% of participants were able to use all the head movements we implemented in the prototype. The average success rate of this application is 70%, which is partly influenced by the performance of the eye-tracker we use. The performance of our fixed-gaze head movement detection algorithm is 85%, and there were no significant differences between the performance of each head movement. Apart from the EyeMusic application, we have explored two other scenarios that are based on the same control principles: EyeRecipe and EyePay, the details of these two applications are also presented in this thesis.

Les transformations opérées dans les systèmes de production de biens et de services dans le monde industriel pour répondre aux pressions du marché vers les années 70 sont en application depuis les deux dernières décennies dans les systèmes de santé en vue d'une organisation plus efficace et efficiente des soins. Faisant face à la demande croissante des soins, au vieillissement de la population et la pénurie des ressources humaines qualifiées dans ce domaine, les responsables se trouvent confronter à des contraintes qui les empêchent de répondre de façon satisfaisante aux attentes du patient. La mise en oeuvre d'une structure d'hospitalisation hors les murs (2HM) constitue une alternative viable à l'hospitalisation classique. Elle permet de soigner le patient dans son entourage, de réduire ses pressions psychologiques, de gérer de façon rationnelle les lits d'hôpitaux, d'éviter le risque d'infections nosocomiales et de réduire les dépenses de santé. Cependant, la situation semble plus critique dans les pays en voie de développement où pour beaucoup de services, les techniques en vigueur sont celles appliquées à la fin du XIXe siècle dans les pays industrialisés. Le service de la maternité est le plus affecté par cette carence en ressources. En Haïti, 75 % des accouchements se font à domicile sans la présence d'un professionnel de santé. Le taux de mortalité maternelle est de 670 pour 100 000, le plus élevé dans le continent américain. La mortalité infantile est de 80 pour mille naissances vivantes. Tandis que dans des pays voisins d'Haïti comme la République Dominicaine, Cuba et la Jamaïque, on retrouve respectivement, pour 100 000 naissances vivantes, des taux de mortalité maternelle 150, 45 et 170, et des taux de mortalité infantile pour 1 000 naissances vivantes s'élèvent à 27, 6 et 16. Il faut des solutions d'urgences permettant de réduire le risque de décès dans le processus de la maternité. L'objectif de notre travail est de pouvoir proposer une alternative à la prise en charge classique de la maternité pour la réduction des taux de décès maternels et infantiles dans le pays. En effet, une modélisation partielle du système hospitalier haïtien est opérée en deux étapes. Dans un premier temps, nous avons abordé le problème de dimensionnement des ressources en nous basant sur l'ingénierie de conception. Pour quantifier de façon optimale les ressources humaines qui sont impliquées dans la prise en charge de la maternité à domicile, nous avons suivi la méthodologie ASCI (Analyse, Spécification, Conception, Implémentation), initialement conçue au laboratoire LIMOS de l'Université de Clermont-Ferrand II par Michel Gourgand et Patrick Kellert au début des années 90. Grâce à cette méthodologie, nous avons conçu un modèle de connaissance (avec les réseaux de Pétri) qui nous a permis de formaliser les différentes connaissances du système ; des modèles d'action (en utilisant le langage de simulation ARENA) pour évaluer sa performance ; et un modèle de résultats qui a fourni des indicateurs permettant d'intervenir et d'améliorer ce système en cas de besoin. Et pour optimiser les résultats retrouvés, nous avons couplé notre simulation avec un outil d'optimisation « OptQuest for ARENA ». Deuxièmement, le pilotage distribué nous a permis de procéder à la coordination des plannings pour une assistance périodique de la maternité à domicile. Pour atteindre cet objectif, nous avons emprunté un outil de formulation de problème appliqué dans l'ingénierie industrielle qui est le « MLCLSP (Multi-Level Capacitated Lot Sizing Problem). Nous avons développé un algorithme d'optimisation linéaire mixte qui a permis d'obtenir des solutions optimales pour la planification des visites médicales chez les femmes enceintes ayant été préalablement adhérées à la plateforme de prise en charge de la maternité à domicile. L'optimisation du modèle algébrique de décision est réalisée dans le solveur MIP - CPLEX, implémenté dans le logiciel GAMS / The tools used in the transformations of the production systems of goods and services in the industrial world to respond to market pressures around the 1970's have been applied since the past two decades in the health system in order to organizing more effectively and more efficiently healthcare for the populations. Facing an increase care demands; an aging population and a lack of qualified human resources in this field, health facilities managers are confronted with constraints that prevent them from responding adequately to the patient's expectations. The implementation of a Home Health care structure appears to be a fair alternative to traditional hospitalization. That helps to treat the patient in his/her environment/home, to reduce psychological pressure, to manage rationally the beds in the hospitals, and to avoid the risk of nosocomial infections, at the end to cut down on health care costs. However, the situation appears more critical in the developing countries where for many services, the current techniques in application to plan and to organize care deliveries are those used in the late nineteenth century in industrialized countries. The maternity ward is most affected by this lack of resources. In Haiti, 75% of births are home deliveries without any qualified medical assistance. The maternal mortality rate is 670 per 100,000.00, the highest in the American continent. In the other side, the infant mortality rate is 80 ? live births. While in the other countries located in the Caribbean as well as Haiti, such as the Dominican Republic, Cuba and Jamaica, there are respectively per 100,000.00 live births, maternal mortality rates of 150, 45 and 170; and infant mortality rates per 1,000.00 births alive, amounted to 27, 6 and 16. We need emergency responses to reduce the risk of death in the motherhood process. The goal of our work is to propose an alternative to the traditional maternity ward in order to prevent and to reduce maternal and infant deaths in the country. Indeed, a partial modeling of Haitian hospital system is carried out into two steps. At first, we address the problem of resources staffing based on engineering of conception. To quantify in optimal way the human resources that will be part of the "maternity home care assistance" team, we have applied the methodology ASCI (Analysis, Specification, Design, Implementation), originally designed at LIMOS laboratory at the University of Clermont Ferrand II by Michel Gourgand and Patrick Kellert Gourgand in the early 90s. With this methodology, we have developed a model of knowledge (with Petri nets) which allowed us to formalize the different knowledge of the system; some models of actions (using simulation with ARENA software) to assess the performance of the system; and a model of results that has provided indicators to intervene and to improve the system if necessary. And to optimize the results found, we have coupled our simulation with an optimization tool "OptQuest for ARENA". Second, the distributed control has enabled us to proceed to the coordination of planning for periodic assistance of the maternity home care. To achieve this goal, we have borrowed a tool of problem formulation applied in industrial engineering which is "MLCLSP (Multi-Level Capacitated Lot Sizing Problem). We have developed a mixed linear optimization algorithm that allows us to obtain optimal results for the planning of medical visits to pregnant women who had previously register to the platform for maternity home care assistance. The optimization of the algebraic model of decision is realized in the MIP solver (Mixted-Integer Programing) - CPLEX, implemented in GAMS (General Algebraic Modeling System)

Les dernières décennies ont vu le développement important de la chirurgie mini-invasive. L'acte mini-invasif apporte de nombreux avantages pour les patients: séjour plus court à l'hôpital, réduction des coûts, un traumatisme réduit et la diminution des complications postopératoires. Dans ce contexte, l'assistance robotique est capable de rendre l'acte chirurgical plus intuitif et plus sûr pour les chirurgiens. Dans le domaine de la chirurgie cardiaque mini-invasive, les mouvements respiratoires et cardiaques sont deux sources de perturbations importantes pour les chirurgiens. Malgré l'existence de versions miniaturisées de stabilisateurs cardiaques mécaniques, le mouvement résiduel est encore considérable et doit être manuellement compensé par le chirurgien. Dans ces travaux de thèse, des techniques de suivi visuel pour l'estimation du mouvement 3D du coeur ont été développées. Pour la compensation active des mouvements physiologiques, seules les structures naturelles sur la surface du coeur sont utilisées. Deux contributions dans le domaine de la compensation des mouvements physiologiques pour la chirurgie cardiaque robotisée ont été proposées. La première est une méthode de suivi visuel 3D basée sur un modèle déformable de type ``plaque mince'' et une paramétrisation efficace pour le suivi 3D en images stéréo-endoscopiques. La seconde contribution est une méthode de suivi robuste qui prédit le mouvement futur du coeur pour contourner des problèmes comme les occlusions par les instruments chirurgicaux et les éventuelles réflexions spéculaires. La méthode de prédiction est basée sur une série de Fourier estimée à travers un filtre de Kalman étendu. / The past decades have witnessed the notable development of minimally invasive surgery (MIS). The benefits of this modality of surgery for patients are numerous, shortening convalescence, reducing trauma and surgery costs. In this context, robotic assistance aims to make the surgical act more intuitive and safer. In the domain of cardiac MIS, heartbeat and respiration represent two important sources of disturbances. Even though miniaturized versions of heart stabilizers have been conceived for the MIS scenario, residual motion is still considerable and has to be manually canceled by the surgeon. In this thesis, the focus is put on computer vision techniques for estimating the 3D motion of the heart relying solely on natural structures on the heart surface for active compensation of physiological motions. Two main contributions on the subject of motion compensation for robotized cardiac MIS are proposed. The first is a visual tracking method for estimating the 3D deformation of a region of interest on the heart surface. A thin-plate spline model is used for representing the heart surface deformations and a novel efficient parameterization for 3D tracking using stereo endoscopic images is proposed. The method is robust to illumination variations and large tissue deformations. The second contribution is a robust visual tracking method using motion prediction. A time-varying dual Fourier series for modeling the quasi-periodic beating heart motion is proposed. For estimating the parameters of the Fourier series, a probabilistic framework is based on the Extended Kalman filter (EKF) is used. The visual tracking method is integrated in the heart motion prediction framework, creating an unified framework for estimating the temporal motion and spatial deformation of the heart surface. Experimental results have shown the effectiveness of the proposed methods.

L'objectif de ces travaux a été de mettre en pratique l'utilisation de nanoparticules multimodales (NPs) à base de lanthanides pour l'imagerie biomédicale en général et le suivi de cellules mésenchymateuses (MSCs) en particulier. Dans cette optique, deux types de NPs ont été utilisées, présentant toutes deux une matrice d'oxysulfure de gadolinium (Gd2O2S) permettant l'imagerie par résonnance magnétique (IRM) et la tomodensitométrie. L'ajout d'éléments dopants apporte des propriétés de fluorescence : l'europium (Gd2O2S :Eu3+), plus adapté à un examen in vitro et le couple ytterbium/thulium (Gd2O2S :Yb3+/Tm3+) à un examen in vivo grâce au phénomène de conversion ascendante de photons (up-conversion). Nous avons, dans un premier temps, démontré la possibilité de visualiser ces NPs au cours du temps au sein d'un organisme vivant par des méthodes complémentaires (IRM et fluorescence). L'étude complète de leur distribution et des voies d'élimination nous a permis de mettre en évidence une métabolisation hépatobiliaire associée à une lente excrétion dans les fèces. Le marquage d'un grand nombre de types cellulaires (lignées et cellules primaires d'espèces différentes) a également mis en avant leur potentiel en tant que traceur cellulaire universel. Nous avons par la suite concentré nos travaux sur le suivi de cellules mésenchymateuses dans un contexte de thérapie cellulaire. La biocompatibilité cellulaire à court, moyen et long terme a été validée par une série d'analyses (MTT, rouge neutre, wound healing, différenciation) et la fiabilité du traceur a été confirmée par l'étude approfondie du marquage cellulaire. Enfin, après mise au point d'un système personnalisé dédié à l'imagerie par up-conversion chez le petit animal, nous avons pu réaliser le suivi de ces cellules marquées, au cours du temps après injection dans un organe solide. Nous avons alors été en mesure de visualiser les MSCs par imagerie multimodale : IRM ; tomodensitométrie et fluorescence par up-conversion. L'ensemble de ces résultats met en avant le potentiel de ces nanoparticules pour l'imagerie à long terme dans des études précliniques et/ou cliniques. / The objective of these works was to put into practice the use of lanthanide-based multimodal nanoparticles (NPs) for biomedical imaging in general and mesenchymal cells (MSCs) tracking in particular. To that purpose, two types of NPs have been used, both presenting a gadolinium oxysulfide (Gd2O2S) matrix allowing magnetic resonance imaging (MRI) and computed tomography. The addition of dopant elements brings fluorescence properties: europium (Gd2O2S :Eu3+) is more appropriate for an in vitro examination whereas the combination ytterbium/thulium (Gd2O2S :Yb3+/Tm3+) is more appropriate for an in vivo examination through the up-conversion process. First, we have demonstrated the possibility of visualizing those NPs over-time in a living organism with complementary methods (MRI and fluorescence). The complete study of their biodistribution and ways of elimination allowed us to highlight a hepatobiliary metabolization associated with a slow feces excretion. The labeling of a wide variety of cell types (lines and primary cells from different species) has also pointed out their potential as a universal cell tracer. Thereafter, we focused our research on mesenchymal cells tracking in a cell therapy context. Short, medium and long term biocompatibility was validated via a series of analyses (MTT, neutral red, wound healing and differentiation) and the reliability of the tracer was confirmed by detailed study of the cell labeling. Finally, after developing a custom-made system dedicated to up-conversion imaging in small animals, we were able to perform over-time tracking of those labeled cells after injection in a solid organ. We achieved multimodal imaging of the MSCs with MRI, computed tomography and up-conversion. Altogether, these results underline the potential of these nanoparticles for long term imaging in preclinical and/or clinical studies.

Ce travail avait deux objectifs généraux qui consistaient à réaliser le suivi de marqueurs biopsychologiques, tout d'abord a) au cours d'une saison chez des rugbymen professionnels, puis b) au cours de deux matchs d'une compétition de basketball. Plus précisément, nous avons cherché, dans une première étude portant sur l’ensemble d’une saison de rugbymen, à évaluer si le statut de l'athlète en compétition avait des répercussions sur les variations des marqueurs utilisés. Nous retrouvons des diminutions significatives des marqueurs tels que la testostérone, le ratio T/C et le DHEA-S au cours de la saison. Ces résultats laisseraient supposer qu'un niveau de fatigue se serait installé pour l'ensemble du groupe au cours de la saison. Cependant, nous avons rapporté des diminutions de testostérone, de DHEA-S, ainsi que de certains états d'humeurs négative (dépression-découragement et colère-hostilité) uniquement chez le groupe des titulaires. En effet, nous avons montré des résultats biopsychologiques opposés chez le groupe de joueurs qui n'avait pratiquement pas joué de la saison (paradoxalement une perception du surentraînement plus importante que celle des titulaires). Nous avons donc pu mettre en évidence que le statut tenait un rôle important pour rendre compte des réponses biopsychologiques des joueurs quelle que soit la période de la saison. Dans une deuxième étude (b), nous avons choisi de suivre les marqueurs biopsychologiques des joueurs, au cours deux rencontres d'une compétition officielle du championnat espoir de basketball. L'objectif était d'étudier l'évolution des marqueurs biopsychologiques chez des athlètes habitués à disputer des rencontres officielles tous les week-ends et de tester si un processus d'habituation pouvait s'installer chez les joueurs en phase précompétitive. Les résultats rapportés n'ont pas indiqué de signe clair d'habituation au stress précompétitif entre les deux rencontres étudiées. En effet, nous n'avons montré aucun changement significatif des marqueurs biopsychologiques (i.e, cortisol et marqueurs d'état d'anxiété) entre les valeurs de repos et les valeurs précompétitives quel que soit le match. Nous pouvons supposer que par conséquent, le processus d’habituation à la compétition pourrait déjà avoir eu lieu par le passé et les mesures effectuées pourraient n’être que la conséquence de celui-ci. En conclusion, la stabilité des indices biopsychologiques pourrait montrer une forme d'habituation au stress anticipatif chez des joueurs de sport collectif comparés à des sportifs en sport individuel. / This work had two main objectives which were to carry out the monitoring of biopsychological markers, first a) during a season with elite rugby players and b) within two games of a basketball competition. Specifically, we followed up, in a first study, a professional rugby team over a season evaluating whether the status of the competing athlete had an impact on changes in the markers under study. We found significant decreases in markers such as testosterone, the ratio T/C and DHEA-S during the season. These results would suggest that fatigue had increased for the entire group during the season. However, when investigating the role of status, we have only found decreases in testosterone and DHEA-S as well as some states of negative mood (depression, anger) in the group of holders. In the same vein, we have encountered opposite results for the biopsychological markers in the group of players who had been almost never used over the season. Consequently, we can suggest that the status has an important role to account for biopsychological responses of players regardless of the period of the season. In a second study (b), we chose to monitor biopsychological markers of the players in two games of an official competition of basketball championship. Our goal was to study the development of biopsychological markers in athletes used to compete for official meetings and to test if a habituation process could take place among players in the precompetitive phase. The results have not shown clear signs of habituation to precompetitive stress between the two games. We have not shown any significant change in the biopsychological values (i.e., cortisol and anxiety state markers)regardless of the game played. Consequently, the hypothesized habituation process to the competition may have already occurred in the past and results may just be the result of it. In conclusion, the relative stability of biopsychological markers could show a form of habituation to anticipatory stress in team sport players compared to athletes in individual sports.

La réalité mixte apporte certains avantages aux applications industrielles. Elle peut, entre autres, faciliter la visualisation et validation de projets ou assister des opérateurs durant des tâches spécifiques. Les systèmes de projection (PBS), tels que les CAVE ou la réalité augmentée spatiale, fournissent un environnement de réalité mixte permettant une collaboration directe avec des utilisateurs externes. Dans cette thèse, nous visons à améliorer l'utilisation des systèmes de projection pour des applications industrielles en abordant deux défis majeurs: (1) améliorer les composantes techniques des PBS et (2) augmenter l'expérience utilisateur dans les PBS. En tant que premier défi technique, nous visons à améliorer les systèmes de suivi de mouvements optiques. Nous proposons une approche permettant d’élargir l’espace de travail de ces systèmes grâce à deux méthodes. La première permet de suivre les mouvements à partir d’une seule caméra tandis ce que la deuxième permet de contrôler les caméras et suivre les objets dans l’espace de travail. Le système qui en résulte fournit des performances acceptables pour des applications en réalité mixte tout en augmentant considérablement l'espace de travail. Un tel système de suivi de mouvement peut permettre de mieux exploiter le potentiel des systèmes de projection et d’élargir le champ possible des interactions. En tant que deuxième défi technique, nous concevons un casque « tout-en-un » pour la réalité augmentée spatiale mobile. Le casque rassemble à la fois un système de projection et un système de suivi de mouvements qui sont embarqués sur la tête de l'utilisateur. Avec un tel système, les utilisateurs sont capables de se déplacer autour d'objets tangibles et de les manipuler directement à la main tout en projetant du contenu virtuel par-dessus. Nous illustrons notre système avec deux cas d'utilisation industriels: le prototypage virtuel et la visualisation médicale. Enfin, nous abordons le défi qui vise à améliorer l’expérience utilisateur dans les PBS. Nous proposons une approche permettant d’incarner un personnage virtuel et d’augmenter la perception spatiale des utilisateurs dans les PBS. Pour ce faire, nous ajoutons l’ombre virtuelle des utilisateurs dans les systèmes de projection immersifs. L'ombre virtuelle est directement corrélée aux mouvements des utilisateurs afin qu'ils la perçoivent comme si c'était la leur. Nous avons effectué une expérience afin d'étudier l'influence de la présence de l'ombre virtuelle sur le comportement des utilisateurs. / Mixed reality brings some advantages to industrial applications. It can, among others, facilitate visualizing and validating projects or assist operators during specific tasks. Projection-based Systems (PBS), such as CAVEs or spatial augmented reality provide a mixed reality environment enabling straightforward collaboration with external users. In this thesis, we aim at improving the usage of PBS for industrial applications by considering two main challenges: (1) improving the technical components of PBS and (2) improving the user experience when using PBS. As a first technical challenge, we propose to address the improvement of the tracking component. We introduce an approach that enables increasing the workspace of optical tracking systems by using two methods. As a first method, we propose to use monocular tracking. As a second method, we propose to use controlled cameras that follow the targets across the workspace. The resulting system provides acceptable performances for mixed reality applications while considerably increasing the workspace. Such a tracking system can make it easier to use large projection-based displays and can widen the range of available interactions. As a second technical challenge, we design an “all-in-one” headset for mobile spatial augmented reality on tangible objects. The headset gathers both a projection and a tracking system that are embedded on the user’s head. With such a system, the users are able to move around tangible objects and to manipulate them directly by hand while projecting virtual content over them. We illustrate our system with two industrial use cases: virtual prototyping and medical visualization. Finally, we address the challenge that aims at improving the user experience when using PBS. We introduce a method that provides virtual embodiment and increases the spatial perception of the users when using PBS. To do so we add the user’s virtual shadow in immersive projection-based systems. The virtual shadow is dynamically mapped to users’ movements in order to make them perceive the shadow as if it was their own. We then carry out an experiment to study the influence of the presence of the virtual shadow on the user experience and behavior.