Dans ce manuscrit, nous nous sommes intéressés à l'analyse d'IRM cérébrales dans le cadre notamment du suivi de patients souffrant de sclérose en plaques (SEP). L'extraction automatique de quantificateurs pour la SEP a de nombreuses applications potentielles, tant dans le domaine clinique que pour des tests pharmaceutiques. Dans un premier temps, nous nous sommes consacrés à l'étude générale de la maladie, afin de situer le rôle de l'imagerie. Nous présentons ensuite les différents prétraitements nécessaires à la robustesse du système, puis la segmentation des tissus sains via un modèle probabiliste des volumes partiels, ainsi qu'une nouvelle version de l'algorithme EM doté d'un traitement spécifique des points aberrants. L'utilisation des différentes séquences du protocole d'acquisition permet de spécialiser le processus pour la détection des lésions de sclérose en plaques. Une évaluation quantitative des résultats ainsi qu'un ensemble de perspectives sont enfin détaillées.

Le but de cette thèse est de définir, implémenter et évaluer des modèles statistiques de variabilité de courbes et de surfaces basés sur des courants en anatomie numérique. Les courants ont été récemment introduits en imagerie médicale dans le but de définir une métrique entre courbes et surfaces qui ne dépend pas de correspondance de points entre les structures. Cette métrique a été utilisée pour guider le recalage de données anatomiques. Dans cette thèse, nous proposons d'étendre cet outil pour analyser la variabilité de structures anatomiques grâce à l'inférence de modèles statistiques génératifs. Outre la définition et la discussion de tels modèles, nous proposons un cadre numérique pour les estimer efficacement. Plusieurs applications en imagerie cérébrale et cardiaque tendent à montrer la généralité et la pertinence de cette approche. Dans la première partie, nous introduisons de nouveaux outils numériques d'approximation et de compression des courants. Tout d'abord, un cadre rigoureux de discrétisation basé sur des grilles régulières est proposé: il définit des projections en dimension finie des courants qui convergent vers le courant initial quand la grille devient plus fine. Cela permet de définir de manière générique des algorithmes robustes et efficaces pour traiter les courants, avec un contrôle de la précision numérique. En particulier, cela donne une implémentation plus stable de l'algorithme de recalage de courants. Enfin, nous définissons une méthode d'approximation qui calcule une représentation éparse d'un courant à n'importe quelle précision grâce à la recherche d'une base adaptée au signal. Cette représentation éparse est d'un grand intérêt pour compresser de grands ensembles de données anatomiques et pour interpréter les statistiques sur de tels ensembles. Dans la deuxième partie, nous définissons un modèle statistique original qui considère un ensemble de courbes ou de surfaces comme le résultat de déformations aléatoires d'une forme prototype inconnue plus des perturbations résiduelles aléatoires dans l'espace des courants. L'inférence de tels modèles sur des données anatomiques décompose la variabilité en une partie géométrique (capturée par des difféomorphismes) et une partie de "texture" (capturée par les courants résiduels). Cette approche nous permet de traiter trois problèmes anatomiques: d'abord l'analyse de la variabilité d'un ensemble de lignes sulcales est utilisée pour décrire la variabilité de la surface corticale, ensuite l'inférence du modèle sur un ensemble de faisceaux de fibres de la matière blanche montre qu'à la fois la partie géométrique et la texture peuvent contenir de l'information anatomiquement pertinente et enfin l'analyse de la variabilité est utilisée dans un contexte clinique pour la prédiction de la croissance du ventricule droit du coeur chez des patients atteints de la Tétralogie de Fallot. Dans la troisième partie, nous définissons des modèles statistiques pour l'évolution de formes. Nous proposons d'abord une méthode de recalage spatio-temporel qui met en correspondance les ensembles de données longitudinales de deux sujets. Ce recalage prend en compte à la fois les différences morphologiques entre les sujets et la différence en terme de vitesse d'évolution. Nous proposons ensuite un modèle statistique qui estime conjointement un scénario moyen d'évolution à partir d'un ensemble de données longitudinales et sa variabilité spatio-temporelle dans la population. Cette analyse ouvre de nouvelles perspectives pour caractériser des pathologies par une différence de vitesse de développement des organes.

Dans cette thèse, nous présentons différentes approches pour le calcul, en temps-réel, de la déformation de modèles anatomiques volumiques. Une des applications principales de ce type de modèles concerne la simulation de chirurgie laparoscopique. Cette technique chirurgicale récente, et en permanente évolution, nécessite une formation accrue. Dans ce cadre, l'utilisation d'un simulateur présente de multiples avantages : polyvalence, fréquences d'entraînement élevées, outils d'évaluation, simulation de cas pathologiques rares, etc. La première partie de cette thèse concerne la modélisation du comportement déformable des tissus mous, en prenant en compte les aspects biomécaniques ainsi que les contraintes de temps de calcul. Le premier modèle que nous proposons est basé sur une modélisation par éléments finis d'un solide élastique linéaire. Le calcul, en temps-réel, de la déformation repose sur des combinaisons linéaires de déformation élémentaires obtenues lors d'une étape de pré-calcul. Afin de prendre en compte, dans la déformation, d'éventuelles modifications topologiques du maillage - pouvant représenter, par exemple, l'incision de tissus mous - nous avons proposé un second modèle, appelé "masses/tenseurs". Enfin, nous proposons une formulation originale, appelée "modèle hybride", permettant de combiner, dans une même représentation, les deux modèles déformables précédents. Dans la seconde partie de cette thèse, nous nous intéressons aux problèmes liés à l'utilisation de systèmes à retour d'effort pour les interactions avec un modèle déformable. Nous proposons ainsi une architecture matérielle intégrant les différents modules assurant le calcul des déformations, des forces, le contrôle des systèmes à retour d'effort, la détection de collision, l'affichage graphique, etc. Un premier prototype du simulateur, réalisé sur la base de cette architecture et incluant deux systèmes à retour d'effort, a permis de valider l'ensemble des algorithmes. Finalement, nous proposons en annexe une étude relative à une nouvelle technique de reconstruction faciale. En utilisant différents outils d'analyse et de traitement d'images médicales, nous avons réalisé une série d'expériences visant à retrouver une approximation du visage d'une personne à partir de la seule donnée de son crâne et d'un ensemble réduit de paramètres.

Dans cette thèse, nous avons analysé le comportement biomécanique In Vitro et In Vivo d'une prothèse discale cervicale à articulation sphérique. Les expérimentations In Vitro nous ont permis d'étudier la cinématique segmentaire dans les trois plans de l'espace au niveau instrumenté et aux niveaux adjacents. La mesure de la pression intradiscale a apporté des informations sur les variations de contraintes après arthroplastie au niveau des disques adjacents. Différentes configurations ont ainsi été évaluées : arthroplastie et arthrodèse à 1 et 2 niveaux, montage hybride. L'influence de la précharge sur le comportement biomécanique du rachis cervical a fait l'objet d'un travail spécifique en se basant sur les essais In Vitro et sur la simulation numérique. Les analyses In Vivo 2D ont été effectuées sur des clichés dynamiques en flexion-extension et ont permis le calcul des amplitudes de mobilité et de la position des centres moyens de rotation dans une population de patients opérés (n=32). Celles-ci ont intéressé le niveau opéré mais également les niveaux adjacents à court et moyen terme. Grâce au système stéréo-radiographique EOSTM, nous avons pu compléter l'analyse cinématique In Vivo par la mesure des amplitudes de mobilité des segments instrumentés dans les trois plans de l'espace.

Les travaux présentés dans cette Habilitation à Diriger des Recherches concernent la restitution des déformations volumiques du ventricule gauche du cœur au cours du temps. Les données sont des images échocardiographiques acquises pendant un seul cycle cardiaque avec un nouveau prototype de sonde ultrasonore, dont le capteur est mis en rotation rapide (jusqu'à 8 tours par seconde) à l'intérieur de la tête de la sonde. Ces recherches s'inscrivent dans la thématique scientifique des modèles dynamiques déformables de la discipline " Traitement du Signal et de l'Image ". Elles portent plus particuliè-rement sur les modélisations harmoniques multidimensionnelles. En 2D, les contours du ventricule sont modélisés pour restituer simplement des portions absentes (frontières virtuelles) ou déformées de ces contours, en fournissant des paramètres de forme directement interprétables et en nombre limité. En 3D, un volume du ventricule est reconstruit à partir de quelques contours en utilisant un modèle dont les paramètres sont les coefficients de Fourier basses fréquences de ces contours. En 4D, les déformations du ventricule sont obtenues pendant un cycle cardiaque en étendant le modèle précédent. L'ajustement des paramètres du modèle aux données (itératif, mais robuste et rapide) réalise une pseudo-interpolation circulaire de Shannon sur les données, même lorsque la répartition spatiale de celles-ci n'est pas uniforme ou qu'elle varie au cours du temps. Un protocole clinique, VG4D, a été développé pour valider l'ensemble des travaux. Il est utilisé dans les services de Cardiologie et de Médecine Nucléaire du Centre Hospitalier Régio¬nal d'Orléans et Universitaire de Tours. Les campagnes d'expérimentation menées ont montré l'intérêt de VG4D pour visualiser la contraction du ventricule au cours du temps.

Une technique d'imagerie innovante reposant sur la localisation tridimensionnelle d'un radioisotope émetteur (bêta, gamma) à l'aide d'un télescope Compton au xénon liquide a été proposée au laboratoire SUBATECH en 2003. Cette technique, appelée imagerie 3 gammas, repose sur l'association d'une caméra à tomographie d'émission de positons pour la reconstruction des deux photons d'annihilation et d'une chambre à projection temporelle au xénon liquide pour la reconstruction du troisième photon. L'interaction de ce dernier avec le xénon liquide induit un signal de scintillation, lu avec un tube photomultiplicateur, qui permet de déclencher l'acquisition du signal d'ionisation, lu avec un MICROMEGAS (MICRO MEsh Gaseous Structure), donnant accès à la mesure de l'énergie et de la position de chaque interaction. Dans le cadre de ce développement, nous proposons une alternative à la lecture du signal de scintillation avec des tubes photomultiplicateurs classiques : un photomultiplicateur gazeux cryogénique de large surface. Ce photodétecteur est doté d'une photocathode réflective solide d'iodure de césium pour la photoconversion des photons UV et de microstructures amplificatrices telles que le THGEM (THick Gaseous Electron Multiplier), le MICROMEGAS et le PIM (Parallel Ionization Multiplier). Il devrait permettre une segmentation virtuelle du volume de xénon liquide afin de réduire l'occupation du télescope. Les premiers résultats obtenus à l'aide d'un premier prototype de petite surface à la température du xénon liquide (173 K) sont présentés.

Cette thèse analyse le processus de réforme des hôpitaux psychiatriques en France du lendemain de la Seconde Guerre mondiale au milieu des années 1970. Empruntant à l'interactionnisme symbolique une analyse en termes de trajectoire, elle étudie le travail réalisé par les acteurs autour du problème des hôpitaux psychiatriques pour le constituer, le faire avancer, l'orienter ou le réorienter au cours de différentes phases. Elle développe spécifiquement une analyse de l'engagement réformateur comme forme d'engagement singulier reposant sur l'élaboration de visions du monde, la construction d'entreprises réformatrices, la constitution de majorités et le travail sur des publics. Reposant sur le dépouillement des principales revues professionnelles et de plusieurs fonds d'archives d'administrations de la santé, ainsi que sur une série d'entretiens menés avec des protagonistes de l'histoire, la thèse s'attache à saisir les différents projets élaborés au cours de la période, qu'ils émanent des professionnels, de l'Etat ou du travail conjoint d'intervenants en provenance de mondes sociaux différents, et à comprendre leur évolution à travers les interactions des acteurs. Deux thèmes principaux traversent l'ensemble de ces projets : la question du mode de prise en charge des malades mentaux chroniques et la définition du mandat de la psychiatrie. En dernière analyse, la réforme des hôpitaux psychiatriques a été travaillée au lendemain de la Seconde Guerre mondiale à partir d'une conception de l'intervention psychiatrique et d'une vision de la responsabilité fondées sur l'engagement des professionnels face à leurs patients. Sa trajectoire doit ainsi être analysée dans le cadre des transformations des modes de régulation experts ou professionnalisés de certains secteurs de la vie sociale au cours du XXe siècle.

Dans cette thèse nous traitons de la simulation d'interaction fluide- structure (FSI) dans les problèmes en hémodynamique, en mettant l'accent sur l'assimilation de données et sur la simulation dans les conditions physiologiques. La première partie présente et analyse un schéma de couplage semi-implicite des équations de Navier-Stokes (NSE) et d'un modèle de conditions aux limites réduit, lorsque les NSE sont résolues avec une méthode de projection. Cela permet de simuler des problèmes de mécanique de fluides et de FSI de fac ̧on plus robuste, c'est à dire en évitant les possibles instabilités associées à des cas-tests réalistes. La deuxième partie est consacrée à l'assimilation des données avec des méthodes séquentielles en FSI. Nous présentons d'abord une étude sur l'application d'un fil- tre de Kalman réduit pour l'estimation efficace des paramètres physiques d'intérêt, comme la distribution de la rigidité de la paroi de l'artère et la résistance proximale dans le fluide, à partir des mesures de deplacement à l'interface fluide-structure. Ensuite, nous analysons certains observateurs de Luenberger utilisés pour la mé- canique des solides en FSI, dans le but de construire des estimateurs d'état efficaces pour des problèmes FSI de grande taille. Dans la troisième et dernière partie, nous appliquons les méthodologies mention- nées ci-dessus aux problèmes physiques réels. Tout d'abord, la rigidité de la paroi est estimée (pour des modèles solides linéaires et non linéaires) à partir de données provenant d'un tube de silicone simulant une aorte. Pour finir, nous analysons une aorte réelle avec une coarctation réparée, nous testons les techniques d'estimation avec des données synthétiques et nous montrons quelques résultats obtenues à partir de données issues du patient.

Objectifs : Rapporter le développement et les expérimentations d'un nouveau système robotisé destiné à la curiethérapie prostatique possédant un système de suivi de la prostate et une possibilité de fusion écho-IRM. Matériel et méthodes : Un robot d'implantation d'aiguilles transpérinéales guidé par échographie transrectale avec suivi per-opératoire des mouvements et de la déformation de la prostate a été créé. Les expériences ont été conduites sur 90 cibles réalisées dans 9 fantômes conçus pour être mobiles et déformables. Les expériences ont été ensuite conduites chez 2 cadavres. Le robot a cherché à déposer des billes de verre simulant des grains de curiethérapie aussi près que possible des cibles dans des fantômes évaluables par différentes modalités d'imagerie dont le scanner et dans des prostates de cadavre. Les résultats étaient mesurés en segmentant les cibles et les billes de verre sur des volumes tomodensitométriques des fantômes et des cadavres. Résultats : Le robot était capable d'atteindre les cibles choisies dans les fantômes avec une précision médiane de 2.73 mm, avec un déplacement médian de la prostate de 5.46 mm. La précision était meilleure à la base qu'à l'apex (2.28 mm vs 3.83 mm, p<0.01) et n'était pas significativement différente pour les implantations horizontales et obliques (2.7 vs 2.82 mm, p=0.18). Les tests sur cadavre ont montré la faisabilité et l'ergonomie du robot en salle d'opération mais des expérimentations plus poussées sont nécessaires. Conclusion : Ce robot destiné à la curiethérapie prostatique est le premier système utilisant le suivi de la prostate per-opératoire pour guider des aiguilles dans la prostate. Les expériences préliminaires montrent sa capacité à atteindre des cibles malgré les mouvements de la prostate. Les applications pourraient être élargies à la thérapie focale et aux biopsies guidées compte-tenu de sa possibilité à fusionner l'imagerie IRM et l'échographie.

Pour de nombreuses applications informatiques, il est nécessaire d'interpréter des données échantillonnées et de fournir une représentation aussi correcte que possible des objets dont elles proviennent. Entre autres, on peut penser à l'imagerie médicale, au reverse engineering, à des applications de réalité virtuelle ou encore aux effets spéciaux pour le cinéma. Le problème étudié dans le cadre de cette thèse peut être formulé ainsi : à partir d'un ensemble S de points 3D échantillonnés sur un objet O, il s'agit de fournir un modèle géométrique de la surface délimitant O. Dans un premier temps, on détaille l'implantation d'une solution classique en Géométrie algorithmique dans le cadre du progiciel CGAL (http://www.cgal.org/). Les modules développés, Alpha-formes en dimensions 2 et 3, sont dorénavant partie intégrante de la libraire et distribués avec la version 2.3. Ensuite, on présente une nouvelle approche pour la reconstruction 3D à partir de nuages de points, dont le principe est de déployer une surface orientable sur les données. Cette méthode se révèle être très efficace, et surtout capable de fournir des réponses dans des cas difficiles. Elle offre, en outre, d'excellentes performances et permet de traiter de gros jeux de données. Enfin, on décrit une nouvelle méthode de reconstruction 3D pour des points organisés en sections. Il s'agit d'une méthode d'interpolation reposant sur les voisins naturels, un système de coordonnées barycentriques locales. Elle réunit deux grandes tendances: elle propose une définition fonctionnelle, C^1 presque partout, de l'objet reconstruit tout en ne considérant que des structures géométriques discrètes de type triangulation de Delaunay. L'interpolation de coupes parallèles permet, de surcroît, une solution efficace, grâce à des calculs uniquement réalisés en dimension 2.