Les plus grandes villes au monde disposent de plans 2D très détaillés des rues et des espaces publics. Ces plans contiennent des informations relatives aux routes, trottoirs, façades et objets urbains tels que, entre autres, les lampadaires, les panneaux de signalisation, les poteaux, et les arbres.De nos jours, certaines autorités locales, agences nationales de cartographie et sociétés privées commencent à adjoindre à leurs cartes de villes des informations en 3D, des choix de navigation et d'accessibilité.En comparaison des premiers systèmes de scanning en 3D d'il y a 30 ans, les scanners laser actuels sont moins chers, plus rapides et fournissent des nuages de points 3D plus précis et plus denses.L'analyse de ces données est difficile et laborieuse, et les méthodes semi-automatiques actuelles risquent de ne pas être suffisamment précises ni robustes. C'est en ce sens que des méthodes automatiques pour l'analyse urbaine sémantique en 3D sont nécessaires.Cette thèse constitue une contribution au domaine de l'analyse sémantique de nuages de points en 3D dans le cadre d'un environnement urbain.Nos méthodes sont basées sur les images d'élévation et elles illustrent l'efficacité de la morphologie mathématique pour développer une chaîne complète de traitement en 3D, incluant 6 étapes principales:i)~filtrage et pré-traitement;ii)~segmentation du sol et analyse d'accessibilité;iii)~segmentation des façades;iv)~détection d'objets;v)~segmentation d'objets;vi)~classification d'objets.De plus, nous avons travaillé sur l'intégration de nos résultats dans une chaîne de production à grande échelle.Ainsi, ceux-ci ont été incorporés en tant que ``shapefiles'' aux Systèmes d'Information Géographique et exportés en tant que nuages de points 3D pour la visualisation et la modélisation.Nos méthodes ont été testées d'un point de vue qualitatif et quantitatif sur plusieurs bases de données issues de l'état de l'art et du projet TerraMobilita.Nos résultats ont montré que nos méthodes s'avèrent précises, rapides et surpassent les travaux décrits par la littérature sur ces mêmes bases.Dans la conclusion, nous abordons également les perspectives de développement futur. / Most important cities in the world have very detailed 2D urban plans of streets and public spaces.These plans contain information about roads, sidewalks, facades and urban objects such as lampposts, traffic signs, bollards, trees, among others.Nowadays, several local authorities, national mapping agencies and private companies have began to consider justifiable including 3D information, navigation options and accessibility issues into urban maps.Compared to the first 3D scanning systems 30 years ago, current laser scanners are cheaper, faster and provide more accurate and denser 3D point clouds.Urban analysis from these data is difficult and tedious, and existing semi-automatic methods may not be sufficiently precise nor robust.In that sense, automatic methods for 3D urban semantic analysis are required.This thesis contributes to the field of semantic analysis of 3D point clouds from urban environments.Our methods are based on elevation images and illustrate how mathematical morphology can be exploited to develop a complete 3D processing chain including six main steps:i)~filtering and preprocessing;ii)~ground segmentation and accessibility analysis;iii)~facade segmentation,iv)~object detection;v)~object segmentation;and, vi)~object classification.Additionally, we have worked on the integration of our results into a large-scale production chain. In that sense, our results have been exported as 3D point clouds for visualization and modeling purposes and integrated as shapefiles into Geographical Information Systems (GIS).Our methods have been qualitative and quantitative tested in several databases from the state of the art and from TerraMobilita project.Our results show that our methods are accurate, fast and outperform other works reported in the literature on the same databases.Conclusions and perspectives for future work are discussed as well.

Le but de ce travail de thèse est l’étude de la dynamique de sphères de grande taille dans un écoulement fortement turbulent. Pour ce faire, nous avons développé une nouvelle technique optique permettant de suivre la dynamique à 6 dimensions – position et orientation absolues – de plusieurs particules dans un écoulement complexe. Bien que la taille des particules soit comparable à l’échelle intégrale de l’écoulement, nous trouvons que sa dynamique de rotation et de translation est intermittente. De plus, nous observons que la translation et la rotation sont reliées par la force de Magnus. La répartition statistique de l’accélération n’est pas gaussienne et l’échange d’énergie avec le fluide est gouverné par la théorie mathématique des grandes déviations. Nous trouvons que le diamètre influence fortement la manière dont la particule explore l’écoulement. Nous avons ensuite appliqué le suivi de position et d’orientation à une particule instrumentée. Ce système mesure en permanence l’accélération lagrangienne qu’il subit via un accéléromètre embarqué et émet l’information à travers une électronique radio fréquence. L’orientation absolue est nécessaire pour exprimer les signaux de l’accéléromètre et ceux du suivi optique dans un repère commun; cela nous permet de comparer rigoureusement les mesures issues de ces deux techniques indépendantes. À partir de ces résultats nous avons développé des méthodes pour inférer des propriétés de l’écoulement à partir des signaux d’accélération de la particule instrumentée. / The aim of this dissertation is to gain a better understanding of the Lagrangian dynamics of solid large spheres in a complex turbulent environment. Therefore, a novel measurement technique to optically track the 6–dimensional dynamics – position and absolute orientation – of large spheres advected by a complex flow is developed. Although the sphere’s diameter is comparable to the integral length of the underlying flow, we find intermittency for both the translation and the rotation. Moreover, rotation and translation couple in agreement with a lift force. Apart from the fact that the acceleration statistics are not gaussian, and the exchange of energy between the particle and the carrier flow falls into the mathematical theory of large deviations. Additionally, we find that the particle diameter has a surprisingly strong influence on how a particle samples the flow. The 6D–tracking technique is then applied to an instrumented particle, which embarks a 3D–accelerometer and a radio-transmission system to constantly emit the felt Lagrangian acceleration as it is advected in the flow. Measuring the particle’s absolute orientation is a crucial step here to project the acceleration measured by the particle into the laboratory reference frame and enables us to compare the forces obtained by the two independent measurements. Based thereon methods for interpreting the acceleration signals of the instrumented particle are developed and tested.

Au cours de ce travail nous avons utilisé les potentialités de différentes modalités d'imagerie, que nous appliquons au domaine du végétal afin de contribuer au phénotypage haut-débit des semences et plantules. Nous nous somme principalement consacré à la recherche de réponses à deux problématiques spécifiques et importantes de ce secteur. Nous commençons par montrer l'applicabilité de l'imagerie en lumière visible inactinique et de l'imagerie thermographique passive pour imager le développement des semences et plantules, un phénomène biologique se déroulant normalement dans le sol et l’obscurité. Nous présentons nos apports à ce type d’imagerie, au travers de nos contributions à la conception et à la réalisation d’un système de vision en imagerie visible inactinique, ayant pour finalité la réalisation de mesures individualisées automatisées sur les semences, les plantules et les organes des plantules. Ce système gère les croisements de plantules, via l'utilisation originale de la diffusion anisotrope, ce qui nous a permis de multiplier, sans perte d'information, les débits par dix. De plus, ce système réalise la séparation des organes au moyen d’un critère générique basé sur le gravitropisme. La validation des algorithmes de traitement d'images du système de vision utilise des voies originales (simulation numérique et test de l'influence de l'incertitude via simulation agronomique). L’imagerie thermographique, qui capte le rayonnement thermique passif des objets, nous permet de visualiser et de mesurer les semences et plantules dans l'obscurité. Elle permet aussi de réaliser la segmentation et le suivi des organes de plantules. Cette technologie d'imagerie nous a aussi permis de montrer la faisabilité d'un dosage non destructif de teneur en sucre des organes de plantules de betterave. Ensuite nous proposons une méthodologie générique permettant la conception de capteurs bas-coût spectralement optimisés, en fonction de tâches applicatives déterminées. Cette méthodologie utilise la théorie de l’information, pour extraire de l’imagerie hyperspectrale, relativement coûteuse, l’information utile à la conception des capteurs dédiés bas-coût. L’intérêt de cette méthodologie pour le phénotypage des plantes est montré et justifie le transfert de celle-ci au monde de la recherche en biologie végétale. / Along this work, we have used the potentiality of different modalities of imagery that we apply to the plant domain so as to contribute to the high-throughput phenotyping of seeds and seedlings. We have mainly committed ourselves to the search for answers to two specific and important problematic in this domain. We begin by showing the applicability of visible imaging using an inactinic light and passive thermographic imaging to image the development of seeds and seedlings, a biological phenomenon usually occurring in soil and darkness. We present our contributions to this type of imaging through our contributions to the conception and the realization of a vision system using visible inactinic imaging, whose finality is the realization of individualized automated measurement on the seeds, the seedlings and the organs of the seedlings. This system handle seedling crossing, through the original use of anisotropic diffusion, which allowed us to multiply, without information loss, the output by ten. Furthermore, this system carries out the separation of the organs by means of a generic criterion based on gravitropism. The validation of the image processing algorithms of the vision system use original ways (numerical simulation and test of the influence of the uncertainty through agronomic simulation). Thermographic imaging, which captures the passive heat radiation of objects, allows us to visualize and to measure seeds and seedlings in the darkness. It also allows realizing the segmentation and the tracking of the organs of seedlings. This imaging technology also allowed us to demonstrate the feasibility of a non-destructive determination of sugar quantity in organs of beet seedlings. We then propose a generic methodology that allows the conception of spectrally optimized low-cost sensors, according to determined application tasks. This methodology uses information theory, to extract from, relatively expensive, hyperspectral imaging, the information needed for the conception of the dedicated low-cost sensors. The interest of this methodology for plant phenotyping has been shown and justifies its transfer to the world of research in plant biology.

Ce mémoire par article décrit le développement d’instrumentation optique et d’algorithmes qui ont servi à l’étude du développement rétinien du modèle murin par tomographie par cohérence optique (OCT de l’anglais, Optical Coherence Tomography). Le document est divisé en deux parties importantes. Le Chapitre 1 introduit les bases théoriques nécessaires à la compréhension de la problématique, alors que le Chapitre 2 décrit les outils qui ont été développés ou adaptés durant le projet pour mener à bien les expériences. Spécifiquement, les particularités du système optique développé pour permettre la focalisation d’un faisceau sur la rétine, maximiser le signal et minimiser l’impact des aberrations sphériques et de dispersion sur la qualité de l’image sont détaillées. Les algorithmes de traitement de signal OCT permettant la visualisation une tomographie sont aussi détaillés. La seconde partie est un manuscrit en préparation pour soumission au journal Investigative Ophthalmology & Visual Science pour publication. Le but de ce manuscrit est d’établir des chartes de référence détaillant la croissance et la maturation morphologique des tissus rétiniens de la souris wild-type (129S1/SvImJ) entre 7 et 21 jours de vie (Chapitre 3). L’article détaille l’algorithme de traitement d’images et de segmentation dédié à la quantification de l’épaisseur des tissus rétiniens dans le temps. Enfin, un aperçu des travaux de recherche rendus possibles par les outils développés dans ce projet est présenté. Cette section montre entre autres le potentiel de ces outils pour étudier des maladies développementales de la rétine. / This master thesis is including a manuscript submitted for publication and is divided into two sections. In particular, the document describes the development of optical instrumentation and methodological tools to study the retinal development in an animal model through optical coherence tomography (OCT). The first section is divided into two chapters. Chapter 1 describes the theoretical basis and the problem to solve. Chapter 2 describes the tools developed or adapted to enable the performance of the experiments. In particular, this chapter details the optical system designed to allow the optimal focalization of the light beam onto the retina, which maximizes the signal and minimizes the impact of spherical aberrations and light dispersion on image quality. Also, the processing algorithm used to segment retinal tissues from OCT tomography is discussed. The second section is divided into two chapters. Chapter 3 is a manuscript that was submitted for publication to Investigative Ophthalmology & Visual Science. This work describes the growth and maturation of specific retinal layers in the wild type mouse (129S1/SvImJ) between 7 and 21 days of life. The manuscript also describes the image processing and segmentation algorithm that allows the quantification of the thickness of the layers over time. Then, Chapter 4 describes specific research projects where these OCT imaging tools can be applied. Specifically, this chapter shows the potential to study retinal developmental diseases as well as perfusion methods.

Pertinence. Les névromes entraînent souvent des douleurs neuropathiques (DN) au membre résiduel (MR) chez les personnes amputées. Objectifs. (1) décrire la fréquence et la localisation des névromes avec l'imagerie musculosquelettique par ultrasonographie (IMU); (2) caractériser les névromes avec des biomarqueurs géométriques, de luminosité, de texture et d’hyperémie à l’IMU ; (3) déterminer l'association entre la DN et des mesures de résultats sociodémographiques, prothétiques, fonctionnels et de participation, et (4) évaluer l'association entre la DN, les biomarqueurs et la symptomatologie à la compression du névrome. Méthode. Vingt-trois participants avec amputations transtibiales ont complété des questionnaires avant d’être évalués par IMU. Des images des névromes ont été enregistrées et des biomarqueurs calculés. Résultats. La prévalence des névromes est 1,3/MR et ceux-ci touchent tous les nerfs sectionnés, avec une prédominance au nerf fibulaire superficiel (42%). Ils sont significativement plus épais (+247 %), plus hypoéchogènes (-19,31 %) et plus homogènes (+29,71 %) que le nerf proximal. Les névromes du nerf tibial présentent la plus grande aire transversale (CSA) (75,19 mm2). Une durée de port prothétique moindre, une incapacité fonctionnelle plus élevée et une douleur provoquée à la compression d’un névrome situé sur le nerf fibulaire superficiel sont positivement associés à la DN. Aucune association n’a été établie entre la CSA, le ratio d’épaisseur, l’épaisseur des tissus sus-jacents et la DN. Conclusion. Caractériser les névromes des MR avec des biomarqueurs à l’IMU pourrait devenir utile en clinique et en recherche. La validité prédictive des biomarqueurs en lien avec la douleur neuropathique reste à clarifier. / Relevance. The presence of neuromas often leads to neuropathic residual limb (RL) pain in individuals with amputation. Objectives. (1) depict the frequency and localization of neuromas using musculoskeletal ultrasound imaging (MSKUS) in RL; (2) characterize neuromas using geometric, luminosity, texture, and hyperemia MSKUS biomarkers; (3) determine the association between neuropathic RL pain and socio-demographic, prosthetic, functional, and participation outcome measures, and (4) assess the association between neuropathic RL pain, MSKUS biomarkers and symptomatology upon neuroma compression. Methods. 23 participants with transtibial amputations completed pain, function, and participation questionnaires before undergoing an MSKUS imaging assessment. Images of the neuromas in the longitudinal and transverse planes were recorded before computing MSKUS biomarkers. Results. There was a prevalence of 1.3 neuromas per RL. All sectioned peripheral nerves could be affected, with a predominance for the superficial fibular nerve (42% of all cases). Overall, neuromas were significantly thicker (thickness= +247%), darker (echogenicity= -19.31%) and smoother (homogeneity= +29.71%) than their proximal nerve’s portion. The largest neuroma cross-sectional area (CSA) appeared on the tibial nerve (75.19 mm2). Less daily prosthesis wearing time, higher disability, and eliciting pain upon compression of a neuroma on the superficial fibular nerve were positively associated to RL neuropathic pain intensity. No association was established between the CSA, thickness ratio, thickness of the overlying soft tissues and neuropathic RL pain. Conclusion. Characterizing neuromas using MSKUS biomarkers may become valuable in clinical practice and research protocols. The predictive validity of such biomarkers with regards to neuropathic pain remains to be clarified.

Le regroupement des neurones de propriétés similaires est à l’origine de modules permettant d’optimiser l’analyse de l’information. La conséquence est la présence de cartes fonctionnelles dans le cortex visuel primaire de certains mammifères pour de nombreux paramètres tels que l’orientation, la direction du mouvement ou la position des stimuli (visuotopie). Le premier volet de cette thèse est consacré à caractériser l’organisation modulaire dans le cortex visuel primaire pour un paramètre fondamental, la suppression centre / pourtour et au delà du cortex visuel primaire (dans l’aire 21a), pour l’orientation et la direction. Toutes les études ont été effectuées à l’aide de l’imagerie optique des signaux intrinsèques sur le cortex visuel du chat anesthésié. La quantification de la modulation par la taille des stimuli à permis de révéler la présence de modules de forte et de faible suppression par le pourtour dans le cortex visuel primaire (aires 17 et 18). Ce type d’organisation n’avait été observé jusqu’ici que dans une aire de plus haut niveau hiérarchique chez le primate. Une organisation modulaire pour l’orientation, similaire à celle observée dans le cortex visuel primaire a été révélée dans l’aire 21a. Par contre, contrairement à l’aire 18, l’aire 21a ne semblait pas être organisée en domaine de direction. L’ensemble de ces résultats pourront permettre d’alimenter les connaissances sur l’organisation anatomo-fonctionnelle du cortex visuel du chat mais également de mieux comprendre les facteurs qui déterminent la présence d’une organisation modulaire. Le deuxième volet abordé dans cette thèse s’est intéressé à l’amélioration de l’aspect quantitatif apporté par l’analyse temporelle en imagerie optique des signaux intrinsèques. Cette nouvelle approche, basée sur l’analyse de Fourier a permis d’augmenter considérablement le rapport signal / bruit des enregistrements. Toutefois, cette analyse ne s’est basée jusqu’ici que sur la quantification d’une seule harmonique ce qui a limité son emploi à la cartographie de l’orientation et de rétinotopie uniquement. En exploitant les plus hautes harmoniques, un modèle a été proposé afin d’estimer la taille des champs récepteurs et la sélectivité à la direction. Ce modèle a par la suite été validé par des approches conventionnelles dans le cortex visuel primaire. / The clustering of neurons of similar properties is at the basis of the brain modular architecture and is considered as a strategy to optimized processing. One consequence of this clustering is the presence of functional maps in the primary visual cortex of several mammals based on features such as orientation, direction of motion and stimulus position (retinotopy). The first section of this thesis was aimed at characterizing the modular organization of functions in primary and higher-order areas. First, we investigated the possibility that a fundamental cell property, the receptive field center / surround suppression, could be orderly represented in the primary visual cortex. Second, we determined the level of modular organization in area 21a for two key properties, orientation and direction of motion. All studies were based on the optical imaging of intrinsic signals in anesthetized cats. Results indicate the presence of high and low surround suppression modules in the primary visual cortex (areas 17 and 18). To date, such organization has been discovered only in a higher-order area in primate. A modular organization for orientation, similar to the one observed in areas 17 and 18 was observed in area 21a. On the other hand, in contrast to area 18, no direction modules were discovered in area 21a. Overall, the first part of this thesis increased our knowledge about the anatomo-fonctional organization of cat visual cortex. They will also be instrumental to better understand the factors leading to the presence of a modular organization in the cortex. The second section of this thesis was directed to the development of a novel quantitative tool for the temporal analysis of optical imaging intrinsic signals. This new approach, based on Fourier decomposition, allowed to greatly increase the signal to noise ratio of the recordings. Until now, this analysis was only been based on single harmonic quantification, limiting its application for orientation and rétinotopy mapping only. A model exploiting higher harmonics was then developed to estimate additional parameters such as the receptive field size and direction selectivity. Thereafter, this model was validated with success by conventional approaches on the primary visual cortex.

Les colonnes à bulles sont utilisées en minéralurgie et en traitement des eaux pour capturer différents types de particules. Leur capacité d’échange bénéficie aujourd’hui d’un regain d’intérêt pour assurer la production de micro-algues destinées à un usage médicinal, alimentaire, ou énergétique : les concentrations d’oxygène et de dioxyde de carbone peuvent être contrôlées grâce à la considérable aire interfaciale gaz-liquide dans la colonne à bulles. Une étude expérimentale en boucle fermée a été menée pour simuler le passage du gaz dans une succession de colonnes en série. Le modèle théorique associé confirme le rôle critique du diamètre des bulles lors du transfert de masse. Un générateur de micro-bulles (MBG) innovant a été conçu et testé. Le prototype est capable de produire des micro-bulles d’un diamètre moyen Dbubble = 0.252 mm. L’invention a été officiellement déclarée. Le dernier chapitre a pour objet l’amélioration des méthodes de traitement de Fluorescence Induite par Plan Laser (PLIF), qui permettent d’obtenir les coefficients de transfert de masse kl. La première correction présentée prend en compte les variations de l’extinction de la fluorescence due au pH pendant la calibration et a été évaluée sur une mesure de concentration de CO2 dans le sillage d’une bulle en ascension libre dans une colonne d’eau. La seconde correction proposée doit être appliquée quand la distance de la région de mesure où les variations de pH sont observées augmente. La nécessité de cette correction a été illustrée par un cas test dans le sillage d’un nuage de bulles en ascension libre dans une colonne d’eau / Bubble column are involved in many industrial fields ranging from chemical industry to mineral processing. It recently became an industrial stake for the production of micro-algae intended for medicinal use, food or energy: the oxygen and carbon dioxide concentrations can be controlled via the efficient mass transfer induced by the significant gas-liquid interfaciale area into the bubble column. Firstly, experimental closed-loop study has been carried out to simulate the passage of gas in a succession of columns in series. The associated theoretical model confirms the critical importance of the bubble diameter for mass transfer.Therefore, an innovative Micro-Bubble Generator (MBG) has been designed and tested. The prototype is able to produce micro-bubbles of average diameter Dbubble = 0.252 mm. The invention has been officially declared. The last chapter aims at improving data treatment methods for Planar Laser-Induced Fluorescence (PLIF), which enables to obtain experimentally mass transfer coefficient kl through concentration measurements. The first presented correction takes into account variations of the fluorescence extinction due to pH during the calibration step, and has been evaluated on CO2 concentration measurement in the wake of a free rising bubble. The second proposed correction should be applied when the length in the measurement region over which pH variations are observed increases: variations of the extinction coefficient will affect the local incident light intensity and therefore the measurements. The need for this correction has been illustrated on a test case in the wake of a cloud of free rising bubbles

Les broncho-pneumopathies chroniques obstructives (BPCO) constituent un groupe de maladies des poumons caractérisées par le blocage du passage de l’air, rendant la respiration de plus en plus difficile. L’emphysème et la bronchite chronique sont les deux principales affections parmi les BPCO, mais les BPCO peuvent également être provoquées par les dégâts causés par des bronchites chroniques asthmatiques. L’emphysème pulmonaire est une maladie pulmonaire caractérisée par l’élargissement des espaces aériens distaux en amont des bronchioles terminales non respiratoires, accompagné de la destruction des parois alvéolaires. Ces modifications du parenchyme pulmonaire sont pathognomoniques de l’emphysème. La bronchite chronique est une forme de bronchite caractérisée par une production excessive d’expectoration, entraînant l’apparition d’une toux chronique et l’obstruction des voies respiratoires. Dans toutes ces affections, les dégâts causés aux voies respiratoires finissent par affecter les échanges gazeux dans les poumons. L’emphysème est généralement diagnostiqué de façon indirecte, sur la base d’un examen clinique, d’explorations de la fonction respiratoire (EFR), et d’une évaluation visuelle subjective des scanners des tomodensitogrammes. Ces tests présentent une valeur limitée dans les cas d’emphysème léger ou modéré. La présente étude aborde la possibilité d’appliquer une démarche d’analyse non linéaire à la répartition de la densité de l’air au sein de l’arbre des voies respiratoires des poumons à un quelconque niveau des ramifications. Les images sources de tomodensitométrie (TDM) du poumon sont traitées en deux phases, afin de produire un coefficient fractal de répartition de la densité de l’air. Au cours de la première phase, les valeurs brutes de pixel des images sources correspondant à toutes les densités d’air possibles sont traitées par un outil logiciel, mis au point pour construire une image cible. On y parvient par suppression en cascade des éléments indésirables (SCEI) : une étape de prétraitement dans l’analyse de l’image source. Celle-ci permet d’identifier les valeurs de densité d’air au sein de l’arbre des voies respiratoires, tout en éliminant toutes les valeurs non relatives à la densité de l’air. La seconde phase consiste en une réduction itérative de la résolution (RIR). Chaque réduction de la résolution produit un nouvel histogramme. Chaque histogramme ainsi produit comporte un certain nombre de pics, chacun d’entre eux correspondant à un ensemble de densités d’air. La courbe mettant en relation chaque réduction de la résolution avec le nombre de pics correspondant, obtenus à la résolution concernée, est tracée. Ceci permet de calculer la dimension fractale par une régression linéaire sur un graphique log – log. / Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) refers to a group of lung diseases that block airflow and make it increasingly difficult for you to breathe. Emphysema and chronic bronchitis are the two main conditions that make up COPD, but COPD can also refer to damage caused by chronic asthmatic bronchitis. Pulmonary emphysema is defined as a lung disease characterized by “abnormal enlargement of the air spaces distal to the terminal, non-respiratory bronchiole, accompanied by destructive changes of the alveolar walls”. These lung parenchymal changes are pathognomonic for emphysema. Chronic bronchitis is a form of bronchitis characterized by excess production of sputum leading to a chronic cough and obstruction of air flow. In all cases, damage to your airways eventually interferes with the exchange of oxygen and carbon dioxide in your lungs. Habitual techniques of emphysema’s diagnosis are based on indirect features, such as clinical examination; Pulmonary Function Tests (PFT) and subjective visual evaluation of CT scans. These tests are of limited value in assessing mild to moderate emphysema. The presented work discusses the possibility of applying a nonlinear analysis approach on air density distribution within lung airways tree at any level of branching. Computed Tomography (CT) source images of the lung are subjected to two phases of treatment in order to produce a fractal coefficient of the air density distribution. In the first phase, raw pixel values from source images, corresponding to all possible air densities, are processed by a software tool, developed in order to, construct a product image. This is done through Cascading Elimination of Unwanted Elements (CEUE): a preprocessing analysis step of the source image. It identifies values of air density within the airways tree, while eliminating all non-air-density values. Then, during the second phase, in an iterative manner, a process of Resolution Diminution Iterations (RDI) takes place. Every resolution reduction produces a new resultant histogram. A resultant histogram is composed of a number of peaks, each of which corresponding to a cluster of air densities. A curve is plotted for each resolution reduction versus the number of peaks counted at this particular resolution. It permits the calculation of the fractal dimension from the regression slope of log-log power law plot.

Le regroupement des neurones de propriétés similaires est à l’origine de modules permettant d’optimiser l’analyse de l’information. La conséquence est la présence de cartes fonctionnelles dans le cortex visuel primaire de certains mammifères pour de nombreux paramètres tels que l’orientation, la direction du mouvement ou la position des stimuli (visuotopie). Le premier volet de cette thèse est consacré à caractériser l’organisation modulaire dans le cortex visuel primaire pour un paramètre fondamental, la suppression centre / pourtour et au delà du cortex visuel primaire (dans l’aire 21a), pour l’orientation et la direction. Toutes les études ont été effectuées à l’aide de l’imagerie optique des signaux intrinsèques sur le cortex visuel du chat anesthésié. La quantification de la modulation par la taille des stimuli à permis de révéler la présence de modules de forte et de faible suppression par le pourtour dans le cortex visuel primaire (aires 17 et 18). Ce type d’organisation n’avait été observé jusqu’ici que dans une aire de plus haut niveau hiérarchique chez le primate. Une organisation modulaire pour l’orientation, similaire à celle observée dans le cortex visuel primaire a été révélée dans l’aire 21a. Par contre, contrairement à l’aire 18, l’aire 21a ne semblait pas être organisée en domaine de direction. L’ensemble de ces résultats pourront permettre d’alimenter les connaissances sur l’organisation anatomo-fonctionnelle du cortex visuel du chat mais également de mieux comprendre les facteurs qui déterminent la présence d’une organisation modulaire. Le deuxième volet abordé dans cette thèse s’est intéressé à l’amélioration de l’aspect quantitatif apporté par l’analyse temporelle en imagerie optique des signaux intrinsèques. Cette nouvelle approche, basée sur l’analyse de Fourier a permis d’augmenter considérablement le rapport signal / bruit des enregistrements. Toutefois, cette analyse ne s’est basée jusqu’ici que sur la quantification d’une seule harmonique ce qui a limité son emploi à la cartographie de l’orientation et de rétinotopie uniquement. En exploitant les plus hautes harmoniques, un modèle a été proposé afin d’estimer la taille des champs récepteurs et la sélectivité à la direction. Ce modèle a par la suite été validé par des approches conventionnelles dans le cortex visuel primaire. / The clustering of neurons of similar properties is at the basis of the brain modular architecture and is considered as a strategy to optimized processing. One consequence of this clustering is the presence of functional maps in the primary visual cortex of several mammals based on features such as orientation, direction of motion and stimulus position (retinotopy). The first section of this thesis was aimed at characterizing the modular organization of functions in primary and higher-order areas. First, we investigated the possibility that a fundamental cell property, the receptive field center / surround suppression, could be orderly represented in the primary visual cortex. Second, we determined the level of modular organization in area 21a for two key properties, orientation and direction of motion. All studies were based on the optical imaging of intrinsic signals in anesthetized cats. Results indicate the presence of high and low surround suppression modules in the primary visual cortex (areas 17 and 18). To date, such organization has been discovered only in a higher-order area in primate. A modular organization for orientation, similar to the one observed in areas 17 and 18 was observed in area 21a. On the other hand, in contrast to area 18, no direction modules were discovered in area 21a. Overall, the first part of this thesis increased our knowledge about the anatomo-fonctional organization of cat visual cortex. They will also be instrumental to better understand the factors leading to the presence of a modular organization in the cortex. The second section of this thesis was directed to the development of a novel quantitative tool for the temporal analysis of optical imaging intrinsic signals. This new approach, based on Fourier decomposition, allowed to greatly increase the signal to noise ratio of the recordings. Until now, this analysis was only been based on single harmonic quantification, limiting its application for orientation and rétinotopy mapping only. A model exploiting higher harmonics was then developed to estimate additional parameters such as the receptive field size and direction selectivity. Thereafter, this model was validated with success by conventional approaches on the primary visual cortex.

En médecine, les analyses de population à grande échelle ont pour but d’obtenir des informations statistiques pour mieux comprendre des maladies, identifier leurs facteurs de risque, développer des traitements préventifs et curatifs et améliorer la qualité de vie des patients.Dans cette thèse, nous présentons d’abord le contexte médical de la maladie d’Alzheimer, rappelons certains concepts d’apprentissage statistique et difficultés rencontrées lors de l’application en imagerie médicale. Dans la deuxième partie,nous nous intéressons aux analyses transversales, c-a-d ayant un seul point temporel.Nous présentons une méthode efficace basée sur les séparateurs à vaste marge (SVM)permettant de classifier des lésions dans la matière blanche. Ensuite, nous étudions les techniques d’apprentissage de variétés pour l’analyse de formes et d’images, et présentons deux extensions des Laplacian eigenmaps améliorant la représentation de patients en faible dimension grâce à la combinaison de données d’imagerie et cliniques. Dans la troisième partie, nous nous intéressons aux analyses longitudinales, c-a-d entre plusieurs points temporels. Nous quantifions les déformations des hippocampus de patients via le modèle des larges déformations par difféomorphismes pour classifier les évolutions de la maladie. Nous introduisons de nouvelles stratégies et des régularisations spatiales pour la classification et l’identification de marqueurs biologiques. / In medicine, large scale population analysis aim to obtain statistical information in order to understand better diseases, identify their risk factors, develop preventive and curative treatments and improve the quality of life of the patients.In this thesis, we first introduce the medical context of Alzheimer’s disease, recall some concepts of statistical learning and the challenges that typically occurwhen applied in medical imaging. The second part focus on cross-sectional studies,i.e. at a single time point. We present an efficient method to classify white matter lesions based on support vector machines. Then we discuss the use of manifoldlearning techniques for image and shape analysis. Finally, we present extensions ofLaplacian eigenmaps to improve the low-dimension representations of patients usingthe combination of imaging and clinical data. The third part focus on longitudinalstudies, i.e. between several time points. We quantify the hippocampus deformations of patients via the large deformation diffeomorphic metric mapping frameworkto build disease progression classifiers. We introduce novel strategies and spatialregularizations for the classification and identification of biomarkers.