Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'application du traitement de l'image et son automatisation dans le domaine de l'imagerie médicale montre l'évolution des tendances avec la disponibilité des technologies émergentes. Les procédés et outils de traitement de l’image médicale sont résumés, les différentes manières de travailler sur une image sont représentés pour expliquer une recherche expansive dans différents domaines, tandis que les applications disponibles sont discutées. Ces applications sont aussi illustrées par le biais d’outils du traitement de l’image développés pour des besoins spécifiques. La catégorisation de chaque travail est effectuée selon des paradigmes. Ces derniers sont définis selon le niveau de considération au niveau global (formation de l’image, amélioration, visualisation, analyse, gestion), au sein de l’image (scène, organe, région, texture, pixel), de l’outil (reconstruction, recalage, segmentation, morphologie mathématique), du processus d’automatisation et de son applicabilité (faisabilité, validation, reproductibilité, implémentation, optimisation) en clinique (prédiction, diagnostic, amélioration, aide à la décision), ou en recherche (niveau de preuve). Par ce biais, il est démontré le rôle de chaque outil pris en exemple dans la construction d’un processus d’automatisation qui est expliqué, et étendu du patient au compte rendu en passant par l’image. L’actualité de la recherche conjointe sur le traitement de l'image et le processus d'automatisation en imagerie médicale actuelle est débattue. Le rôle de la communauté des ingénieurs et radiologues dans et autour de ce processus d’automatisation est discuté. / The application of image processing and its automation in the field of medical imaging shows the evolution of trends with the availability of emerging technologies. Medical image processing methods and tools are summarized, different ways of working on an image are represented to explain expansive search in different domains, while available applications are discussed. These applications are also illustrated through image processing tools developed for specific needs. The categorization of each work is done according to paradigms. These are defined according to the level of consideration at the global level (image formation, improvement, visualization, analysis, management), within the image (scene, organ, region, texture, pixel), of the tool (reconstruction, registration, segmentation, mathematical morphology), the automation process and its applicability (feasibility, validation, reproducibility, implementation, optimization) in clinic (prediction, diagnosis improvement, decision support), or in research (level of evidence). In this way, it is demonstrated the role of each tool taken as an example in the construction of an automation process that is explained, and extended from the patient to the report through the image. News from the joint research on image processing and the automation process in current medical imaging is debated.The role of the community of engineers and radiologists in and around this automation process is discussed.

HIV-1 infections can be treated but not cured by the current antiretroviral therapy regimens. One of the major barriers to HIV-1 eradication is the persistence of the virus in treated HIV+ individuals under the form of reservoirs. A continuum of molecular mechanisms, at the epigenetic, transcriptional and post-transcriptional levels maintains HIV-1 gene expression silent in its reservoirs. A better understanding of HIV-1 molecular mechanisms of persistence thus allows to devise novel therapeutic approaches to eradicate the virus. In this context, our thesis aimed at characterizing the molecular mechanisms of HIV-1 persistence in its T-lymphoid and myeloid reservoirs. More specifically, we have studied the epigenetic and transcriptional mechanisms of HIV-1 persistence at three different levels. First, we have investigated the DNA methylation-mediated mechanisms underlying the heterogeneity of the DNA methylation inhibitor 5-aza-2’-deoxycytidine potency in the reactivation of HIV-1 gene expression from latently-infected CD4+ T cells. Second, we have studied the contribution of the intragenic binding sites for the cellular PU.1 transcription factor in the specific regulation of HIV-1 gene expression in myeloid lineages. Finally, in a third study, we have designed a new tool to study the transcriptional landscape of HIV-1 in LTRs-suppressed proviruses. Collectively, our work has offered individual insights into the molecular mechanisms underlying the heterogeneity of HIV-1 T-lymphoid and myeloid reservoirs, with the ultimate goal of developing new HIV-1 curative strategies and improving the quality of life of HIV+ individuals. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse porte sur la conception et la validation expérimentale d’une architecture de téléopération avec retour d’effort pour la chirurgie endoluminale. Dans cette perspective, un robot chirurgical, à échelle mésoscopique, a été utilisé en tant que dispositif téléopéré. Ce robot, nommé SPRINT, a été développé dans le cadre du projet Européen ARAKNES (FP7, bourse no. 224565). L’objectif de ce projet, est d’insérer les degrés de liberté robotisés nécessaires aux manipulations chirurgicales à l’intérieur de la cavité péritonéale, ce qui permet d’apporter une assistance active durant la chirurgie laparoscopique à trocart unique. Pour répondre à cette problématique, plusieurs études ont été menées. Tout d’abord, une analyse détaillée du processus de conception des robots chirurgicaux a été réalisée, afin de garantir le transfert des technologies issues de la recherche vers le bloc opératoire. Puis, la mise en œuvre d’une architecture logicielle générique et temps réel a été décrite, servant de base au système actuel. Ce dernier est constitué d’un contrôleur adaptatif qui utilise un observateur d’état actif (AOB) ainsi qu’un modèle viscoélastique de tissus mous du type Kelvin- Boltzmann. Une telle association permet d’améliorer les performances du système de téléopération par rapport aux contributions précédentes qui utilisaient des modèles moins réalistes de tissus, tel que le modèle élastique. Dans ce contexte, deux schémas de téléopération de type “position-position” et “position-force” ont été proposés afin de répondre aux contraintes matérielles de la plateforme ARAKNES. La transparence et la stabilité, i.e. les deux paramètres qui permettent de quantifier les performances des systèmes téléopérés, des schémas proposés ont été étudiées. De plus, les effets d’une mise à l’échelle des positions qui sont commandées par le chirurgien, ainsi que des efforts ressentis par ce dernier, ont été examinés du point de la performance du système téléopéré. Enfin, la possibilité d’effectuer une commande sans-fil des robots chirurgicaux a été aussi abordée afin d’augmenter les libertés de mouvement des méso-robots et d’explorer les possibilités d’amélioration en termes de performance mécanique et de miniaturisation. / This dissertation deals with the design, implementation and experimental validation of a force-reflecting teleoperation architecture for robotic assisted endoluminal surgery. For this purpose, a meso-scale surgical robot was used as target device to be teleoperated. This robot, codenamed SPRINT, was developed during the ARAKNES European project (FP7, grant agreement no. 224565). The key idea of ARAKNES was to transfer the robot’s degrees of freedom required for surgery inside the peritoneal cavity, allowing to provide robotic assistance in single port laparoscopic surgery. In order to attain the objectives of this work, several studies were carried out : First, the specifics of surgical robotic design were investigated with the objective of guar- anteeing the technology transfer from research centers into the operating room. Second, a generic real-time software architecture for surgical robots was described, serving as support for the current implementation of the teleoperation control system. The latter system employs an adaptive controller which is based on an active state observer (AOB) and a viscoelastic Kelvin-Boltzmann soft-tissue environment model. This com- bination allows improving the performance with respect to previous works in the field that use less realistic soft-tissue environment models, such as the elastic model. In this context, two teleoperation schemes of types “position–position” and “position–force” were proposed in order to fulfill the hardware requirements of ARAKNES. Both schemes were analyzed in terms of their transparency and stability, i.e. the two parameters that allow quantifying the performance of teleoperated systems. Furthermore, the effects of scaling the po- sitions and the forces which are respectively commanded and felt by the surgeon, were examined regarding the surgeon’s performance, and also the system’s performance. Finally, the possibility of performing wireless control of surgical robots was also explored in order to increase the freedom of movement and, possibly, to improve the mechanical performance and/or miniaturization of the surgical robots that were employed.

Cette étude s’attache à l’observation et l’analyse des représentations de la peau humaine dans les textes latins des débuts de la littérature romaine (IIème s. av. J.-C.) à l’apogée de l’Empire romain (IIème s. apr. J.-C.). A la suite d’une recherche lexicale et sémantique approfondie sur le vocabulaire explicite de la peau, le thème de la peau est étudié à travers plusieurs champs disciplinaires permettant d’aborder les évocations implicites de la peau, son vocabulaire, ses images et ses significations. L’étude de la physiologie de la peau, appuyée sur l’héritage grec, permet d’en poser une définition chez les Romains, par sa nature, ses fonctions, ses transformations. Peu représentée à l’état normal et sain, la peau est soumise à de multiples violences et maux. L’analyse de la traumatologie de la peau, à travers les poèmes épiques, et de ses pathologies, évoquées dans le Traité de la médecine de Celse, donnent à voir une peau maltraitée, aux blessures fatales, mais d’une importance capitale dans le diagnostic clinique, permettant de jauger la santé – et surtout la maladie – du corps dans son ensemble. Les soins de la peau, thérapeutiques – pour la guérir, chez Celse –, cosmétiques ou commotiques – pour l’entretenir ou la masquer, chez Pline l’Ancien –, s’imposent à la peau, la malmènent eux aussi bien souvent. À côté de cette peau dégradée, coexiste la peau idéale de la poésie amoureuse, à voir et à toucher, entre esthétique et érotique. Enfin, la peau apparaît comme une interface qui transmet à la société romaine des signes selon des critères géographique, sociaux, biographiques, moraux et psychologiques. Elle signale l’appartenance de l’individu à un groupe et définit son identité dans ce groupe. / The aim of this thesis is to observe and analyse representations of human skin in Latin literature from the 2nd century B.C. to the 2nd century A.D. Starting with a detailed lexical and semantic study of the vocabulary pertaining to the skin, the notion of skin is examined in various fields, allowing us to address implicit allusions to skin along with the associated vocabulary, images and meanings. A physiological approach, based on anatomical knowledge inherited from Greek philosophers, brings us to a definition of normal skin in terms of its nature, functions and changes. Rarely represented in its normal, healthy state, skin is subject to assaults and ill health in various ways. Analysing skin trauma in epic poems and skin pathology, which is referred to in Celsus’ De Medicina, reveals a prevailing representation of damaged and even fatally wounded skin, this being of utmost importance in clinical diagnosis, a means of measuring the health - and particularly illness - of the body as a whole. Therapeutics and cosmetics, in Celsus’ texts, aim to heal whereas in Pliny’s Naturalis Historia, the aim is to care for and mask imperfections. These often cause as much harm to the skin as good. This damaged skin coexists with ideal skin, mainly in elegiac poetry, a skin meant to be seen and touched, from an aesthetical and erotic perspective. Finally, human skin in Roman society acts as an interface, indicating to which social group anindividual may belong as much as one’s identity within that group, according to ethnical, social, biographical, moral and psychological criteria.

Les travaux présentés dans ce manuscrit proposent plusieurs contributions dans le développement de modèles algorithmiques du cerveau et de ses pathologies. Le point commun entre tous ces travaux est un modèle dit de "seconde génération", spécifique à la géométrie du patient et capable de simuler le comportement mécanique du cerveau. La première partie de cette thèse présente l'utilisation de ce modèle pour l'estimation des déformations du cerveau au cours de deux opérations : l'électrostimulation pour le traitement de la maladie de Parkinson et la résection de tumeur. Dans le premier cas, le pouvoir prédictif du modèle est utilisé pour simuler les déplacements du cerveau à partir des données disponibles avant l'opération. Dans le second, le modèle est utilisé conjointement avec de l'imagerie par résonance magnétique per-opératoire pour estimer les déplacements observés dans les images. Dans la deuxième partie, nous abordons une classe de modèles faisant intervenir les pathologies cérébrales. Ainsi nous proposons un nouveau modèle 3D d'hydrocéphalie consécutive à une hémorragie méningée. Ce modèle permet d'introduire sous la forme d'un couplage entre modèles scalaires et volumiques une composante temporelle dynamique nécessaire en simulation de chirurgie. Ensuite, nous nous intéressons à la modélisation de la croissance du glioblastome. L'évolution de la densité de cellules tumorales dans le parenchyme est simulée par une équation de réaction-diffusion anisotrope prenant en compte la direction des fibres. Enfin, une nouvelle relation d'équilibre est introduite pour modéliser le couplage entre la densité de cellules tumorales et le modèle mécanique.

Nous proposons avec cette thèse un système de segmentation automatique pour les images cérébrales (en particulier les IRM in vivo). Nous avons mis l'accent sur la conception d'une méthodologie de segmentation qui s'appuie au maximum sur l'expertise médicale a priori. Nous appréhendons le problème de la recherche des contours des structures cibles sous l'angle du processus d'appariement d'un groupe de patrons déformables (maillages simplexes) aux frontières des structures. Ces patrons évoluent en parallèle, sous la supervision d'un ensemble de règles dérivées à la fois de l'analyse de la dynamique des patrons et de l'expertise médicale. Nous soumettons les patrons à une variété de contraintes,concues à partir d'informations a priori sur la texture, la forme et les propriétes histologiques des tissus sous-jacents aux structures. L'information texturale est extraite par un classificateur linéaire/non-linéaire qui prend la forme d'un réseau de neurones à 2 étages. Cette architecture hybride, liée à une phase d'apprentissage dynamique, permet de produire de meilleures cartes de classification et donc de meilleures contraintes. Une approche originale, par apprentissage, du problème de l'appariement dense d'objets n-D permet l'introduction de connaissances a priori dans l'élaboration des modèles de forme des structures cibles. Nous présentons également un nouveau descripteur de forme, le descripteur "observed transport", dont la robustesse au bruit et le pouvoir de discrémination accru en font un bon candidat pour notre stratégie d'appariement. Enfin, un modèle plus fidèle des transformations induites par les processus histologiques, l'approche affine par morceau, permet la conception d'un algorithme de recalage biomédical mieux adapté à la reconstruction de volumes histologiques 3-D.

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont pour but d'apporter des solutions pour le contrôle par asservissement visuel d'une sonde manipulée par un système robotique. Les applications envisagées sont à la fois des tâches de positionnement sur une section désirée d'un organe ou des tâches de suivi pour la stabilisation active d'une vue échographique. Deux approches sont proposées dans cette optique. Une première approche est basée sur des primitives visuelles géométriques extraites depuis trois plans orthogonaux. Le choix de ces primitives assure un large domaine de convergence de la commande et un bon comportement de la tâche de positionnement. Néanmoins la limitation de la méthode est liée à l'extraction des primitives géométriques qui nécessite une étape préalable de segmentation rendue difficile par la faible qualité des images échographiques. Une seconde approche est alors envisagée où les informations visuelles considérées sont directement les intensités des pixels de l'image échographique. L'interaction de ces primitives avec le mouvement de la sonde est modélisée et introduite dans la loi de commande pour contrôler tous les mouvements de la sonde. Cette méthode permet d' éviter tout traitement d'image et de considérer un large éventail d'images anatomiques. Des expériences sur un bras robotique valident le bon comportement de la méthode pour des tâches de suivi.

Le principal objectif de cette thèse est la conception et la production d'outils à destination des radiologues pour la délinéation des organes à risque dans le cadre du traitement par radiothérapie du cancer de la prostate. Les images passées entrées sont des images CT. Elles sont d'abord placées dans un repère commun à l'aide d'un recalage log-euclidien concentré sur les structures osseuses du pubis. Une suite progressive de traitements est ensuite appliquée: dans un premier temps, la vessie est segmentée, puis la prostate est ensuite localisée paralellement à la vessie, pour finir avec l'intégration de la délinéation du rectum. Compte tenu de l'hétérogénéité des images de la base de données sur laquelle nous avons travaillé, notre contribution principale est la flexibilité. La vessie est une structure à forte variabilité en termes de forme et d'intensité, notamment à cause du degré de remplissage et la présence ou l'absence d'un produit de contraste. La méthode proposée s'adapte non seulement aux formes très différentes des vessies de notre base de donnée, mais aussi au degré de replissage donnant lieu, dans le cas ou un produit de contraste a été administré, une h'etérogénéité notable dans la structure à segmenter. Le contraste de la prostate avec les tissus environnants est quasi-nul; son interface avec la vessie est souvent très difficile à distinguer, même par les experts médicaux. L'incorporation d'informations anatomiques sur la forme et d'informations images, couplée à une nouvelle contrainte d'interaction entre deux maillages, permet d'obtenir une bonne segmentation de la prostate et d'éliminer les ambiguités au niveau de l'interface entre les deux structures. L'incorportation du rectum est l'étape la plus délicate: les différences entre les protocoles d'acquisition de la base de données utilisée interdisent toute modélisation de l'intérieur du rectum: présence de matières fécales, insuflation d'air, présence d'un produit de contraste, présence d'une sonde etc. Les hypotheses faites sur les tissus connexes au rectum ainsi qu'une nouvelle contrainte tubulaire couplée a une pré-segmentation du squelette du rectum permettent d'obtenir un résultat probant. La chaîne de traitement qui a conduit a l'élaboration de cette thèse est en cours d'incorporation dans le logiciel Isogray produit par DOSIsoft, ce qui permet une validation plus approfondie dans des conditions cliniques.

L'avènement de l'imagerie médicale et de nouvelles techniques opératoires a bouleversé les méthodes de travail des médecins. Mais ce changement nécessitera une formation renforcée des praticiens et chirurgiens. C'est pourquoi le dévelopment d'outils appropriés comme les simulateurs médico-chirurgicaux se fait de plus en plus ressentir. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressés au problème de la modélisation des phénomènes de déformation de tissu biologique et à la détection des collisions dans un environment virtuel. Dans un premier temps, nous présentons les différents modèles physiques existants et les différentes méthodes de résolution numérique associées aux objets déformable. Nous proposons ensuite un modèle développé pour la simulation de tissu biologique, en présentant successivement les aspects liés à la formulation du modèle, à la résolution du modèle, et au traitement des interactions physiques. Ce modèle, basé sur l'utilisation du principe de Pascal, permet de modéliser de manière relativement satisfaisante des corps biologiques, tout en permettant une simulation interactive. Dans un deuxième temps, nous présentons les différents algorithmes existants pour la détection de collision, ainsi que la difficulté d'adapter ces algorithmes aux simulateurs médicaux où les objets déformables complexes forment la base du modèle. Nous proposons ensuite les algorithmes développés pour traiter ce problème dans le cadre des simulateurs médicaux. Ces algorithmes présentent des caractéristiques de robustesse numérique et d'efficacité supérieures á l'existant, et permettent de traiter des corps déformables. Nous appliquons ces résultats dans le cadre d'un simulateur échographique de la cuisse humaine et d'une simulateur de chirurgie arthroscopique du LCA (ligament croisé antérieur du genou).