Les récents progrès de l’imagerie de la prostate rendent possibles la détection de tumeurs de petite taille et le guidage de traitements ciblés dont le but est de minimiser la morbidité de la thérapie. Nous proposons des méthodes de traitement d’images médicales, pour assister et le praticien dans la prise de décision diagnostique et les traitements focalisés par laser du cancer de la prostate.Nous nous intéressons d’abord au diagnostic guidé par l’Imagerie à Résonance Magnétique (IRM). Nous développons des algorithmes pour l’extraction des contours de la prostate et la segmentation de ses zones centrale et périphérique. La détection des lésions suspectes est abordée en expérimentant des attributs de texture extraits de la géométrie fractale, dans des schémas de classification supervisée et non supervisée. La deuxième partie de cette thèse s’intéresse au guidage de la thérapie focalisée par laser. Une méthode de recalage non rigide est proposée pour fusionner les données de planification à l’échographie de guidage per-opératoire. Nous évaluons nos algorithmes en utilisant des données simulées et des fantômes physiques afin de comparer à une vérité terrain connue. Des examens de patients, analysés par des experts, sont utilisés pour des évaluations dans des conditions réelles, tenant compte de la variabilité inter-observateur. Les résultats obtenus montrent que les méthodes développées sont suffisamment précises, rapides et robustes. Des validations multi-centriques et des transferts à l’industrie devraient à l’avenir concrétiser les retombées de ces travaux et contribuer à l’amélioration des gestes diagnostiques et thérapeutiques du cancer de la prostate. / In the last decade, new diagnosis procedures and treatment options have been developed and made possible thanks to the recent progress in prostate imaging modalities. The newest challenges in this field are to detect the smallest tumours and to treat locally to minimise the treatment morbidity. In this thesis, we introduce image processing methods for the guidance and assistance of diagnosis and treatment, in laser-based prostate cancer focal therapies. First, we propose novel approaches for extracting three dimensional outlines of the gland, and segmenting its zones (peripheral and central) from Magnetic Resonance Imaging (MRI) data. Computer-aided detection of prostate’s peripheral zone tumours is then investigated by experimenting novel texture features based on fractal geometry, using both supervised and unsupervised classification methods. The results of these different approaches were studied and compared.The second part of this work addresses the guidance of laser-based focal ablation of prostate tumours. A novel non rigid registration method is introduced for fusion of pre-operative MRI and planning data, and per-operative ultrasound imaging. We evaluate our algorithms using simulated data and physical phantoms, which enable comparison to ground truth. Patients’ data, combined to expert interpretation, are also used while taking into account the inter-observer variability.The results we obtained show that the methods we developed are satisfyingly accurate, fast and robust. Multi-centric validation and transfer to the industrial world would bring the contributions of this work to clinical routine, and help improving diagnosis and therapy of prostate cancer.

L'imagerie médicale joue désormais un rôle central tant en recherche fondamentale sur le développement des maladies que dans l'aide au diagnostic des pathologies. Il existe plusieurs techniques ou modalités d'imagerie qui permettent de visualiser de façon non invasive des corps biologiques et d'en fournir leurs propriétés structurelles et fonctionnelles. Un des problèmes majeurs rencontré est de pouvoir analyser et traiter ces techniques d'imagerie dans un référentiel commun. Ce problème, connu sous le nom de recalage ou registration, consiste en une estimation d'une transformation géométrique permettant la superposition spatiale des caractéristiques correspondantes entre les images. Deux contextes d'application peuvent être distingués : Le recalage monomodal qui traite les séquences temporelles d'images provenant de la même modalité et le recalage multimodal qui traite la mise en correspondance d'images venant de différentes modalités. Le laboratoire TomOptUs de l'Université de Sherbrooke a développé un lit multimodal, avec marqueurs fiduciaux, destiné à accueillir un petit animal pour des prises de mesures avec différentes modalités. Il est donc intéressant de recaler ces modalités en utilisant l'information basée sur les attributs géométriques ou sur l'intensité des pixels ou voxels. Le laboratoire a aussi développé un système laser-scanner permettant de mesurer le relief d'un objet ou d'un animal afin d'obtenir des images profilométriques. Avec ces images, il devient possible de faire un recalage de surface avec d'autres modalités d'imagerie dans la mesure où on veut obtenir le profil extérieur de l'animal afin de faire une reconstruction interne 3D. Le cadre de cette recherche consiste à développer un programme informatique permettant de répondre au besoin du laboratoire en matière de recalage d'image à l'aide de marqueurs fiduciaux et de recalage d'images profilométriques. Le présent document couvre la théorie et les algorithmes utilisés ainsi que la conception informatique détaillée permettant d'obtenir des résultats concluants.

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

Thèse de doctorat : mécanique des structures : Ecole centrale de Paris : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 42 réf.

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

Cette thèse présente des outils de vidéo inpainting permettant de reconstruire de manière efficace les zones perdues d'une séquence vidéo. Deux catégories d'approches sont particulièrement étudiées. Dans une première étape les approches basées sur l'exemple sont considérées. Différentes contributions ont été proposées. Une application des méthodes de neighbor embedding pour l'approximation des pixels perdus dans un exemple est d'abord considérée en utilisant deux méthodes de réduction de dimensionnalité: la factorisation de matrice non négative (FMN) et le locally linear embedding (LLE). La méthode d'inpainting proposée a été ensuite adaptée à l'application de dissimulation d'erreurs en utilisant une étape de pré-traitement d'estimation des vecteurs de mouvement perdus. Une approche multisolution a également été considérée pour réduire la complexité. Les évaluations expérimentales de cette approche démontrent son efficacité dans les applications de suppression d'objets et de dissimulation des erreurs. Une deuxième catégorie de méthodes de vidéo inpaintinting a été par la suite étudiée en utilisant une approche basée sur l'optimisation globale d'une fonction d'énergie exprimant la cohérence spatio-temporelle de la région reconstruite. Enfin, le problème d'inpainting des vidéos capturées par des caméras en mouvement a été étudié. L'alignement des images en utilisant une homographie par région montre de meilleure performances que les méthodes classiques d'alignement par optimisation d'une homography par pixel. / This thesis presents video inpainting tools to efficiently recover space-time holes in different kinds of video sequences. Two categories of video inpainting approaches are particularly studied. The first category concerns exemplar-based approach. Several contributions have been proposed for this approach. Neighbor embedding techniques have been proposed for patch sampling using two data dimensionality reductions methods: non-negative matrix factorization (NMF) and locally linear embedding (LLE). An analysis of similarity metrics for patches matching have then been proposed based on both subjective and objective tests. The proposed framework have been also adapted to the error concealment application by using a preprocessing step of motion estimation. A multiresolution approach has been considered to reduce the computational time of the method. The experimental evaluations demonstrate the effectiveness of the proposed video inpainting approach in both object removal and error concealment applications. The video inpainting problem has been also solved using a second approach based on the optimization of a well-defined cost function expressing the global consistency of the recovered regions. The camera moving videos has later been takled by using a region-based homography. The neighboring frames in the sequence are aligned based on segmented planar regions. This method has been shown to give better performance compared to classical optimization-based homography.

Les travaux décrits dans ce manuscrit ont pour thème général le recalage de séquences d'images multimodales : Image par Résonance Magnétique (IRM), Tomographie par Émission de Positons (TEP) et images de scanner X (CT) synchronisées à l'électrocardiogramme (ECG). Ces modalités présentent un intérêt pour l'évaluation de la fonction cardiaque permettant un diagnostic et un suivi des pathologies cardio-vasculaires. La TEP permet d'évaluer la fonction ventriculaire et l'IRM est une méthode de référence pour l'étude de la fonction ventriculaire gauche. L'intérêt de ce recalage est de pouvoir fusionner des images fonctionnelles, apportées par la TEP étudiant la viabilité myocardique et des images anatomiques plus précises apportées par l'IRM. Le recalage de ces séquences d'images, nécessite la mise en place de méthodes adaptées aux modalités mises en jeu et se décompose en deux étapes distinctes : (i) un recalage global 3D rigide, entre les données IRM et CT, fondé sur une approche modèle et (ii) un recalage local 2D utilisant l'information mutuelle et une Free Form Deformation (FFD). Concernant la première étape, nous proposons l'utilisation de modèles cardiaques 3D définis sur les données IRM et CT et recalés par ICP. Le recalage local 2D fait l'objet de deux contributions. Afin de rendre l'information mutuelle sensible aux informations des données TEP et CT, nous proposons la création d'une image composite qui permet de rendre compte des contours du myocarde (visibles sur les images TEP) et de l'enveloppe totale du coeur (visible sur les images CT). Pour optimiser notre processus dans l'étude de la séquence complète des images, nous proposons une initialisation originale aux transformations utilisées en utilisant le champ de déplacement temporel issu des données IRM. L'ensemble des résultats obtenus a été évalué par un expert

Dans l'analyse d'images médicales, les déformations géométriques sont utilisées pour modéliser la variabilité entre les patients. Dans les applications orthopédiques, la variabilité géométrique est habituellement observable à différentes échelles. Dans le cas des os mandibulaires, par exemple, on observe des différences anatomiques entre le côté gauche et droit sur une échelle grossière, ou entre les dents sur une échelle plus fine. Chaque niveau de granularité contient des régions d'intérêt pour les applications cliniques. La difficulté est de relier les déformations géométriques avec les régions d'intérêt pour chaque type d'échelles. Dans cette thèse, nous présentons cette liaison par l'introduction du recalage difféomorphe et structuré. Le coeur de notre méthode est le paramétrage des déformations géométriques avec des arbres de transformations localement affines qui décrivent la variabilité entre les patients. En second lieu, nous modélisons statistiquement les paramètres de déformations dans une population par la formulation d'un modèle statistique génératif. Cette méthode nous permet d'intégrer des statistiques de déformations comme une probabilité a priori dans un cadre Bayésien et elle nous permet d'étendre le recalage classique d'un schéma grossier à un schéma fin avec une optimisation simultanée pour toutes les échelles. Nous validons notre approche sur plusieurs applications orthopédiques: la conception des implants pour une population, des simulations biomécaniques et la sélection d'allogreffes. L'amélioration de l'intelligibilité pour les cliniciens et de la précision obtenue fait de notre méthode un candidat prometteur pour des usages cliniques.

La tomographie d’émission par positrons (TEP) est un outil qui permet, grâce à l’injection d’une dose de radiotraceur, de diagnostiquer et caractériser différents problèmes de santé, dont le cancer et les pathologies cardiaques. Pour exploiter cette modalité de l’imagerie médicale à son plein potentiel, plusieurs éléments, dont chacun comporte son lot de défis, doivent être réunis. La conversion des données fournies par la caméra TEP en une image interprétable par un spécialiste, dénommé la reconstruction TEP, est un sous-problème particulièrement intéressant. Ce problème a déjà été abordé à maintes reprises dans la littérature, et ce, dans plusieurs contextes différents. Parmi ceux-ci, la reconstruction d’une acquisition où le sujet, ou une partie de ce dernier, est en mouvement engendre, à cause des caractéristiques inhérentes de cette modalité, des données contaminées par ce même mouvement. Cette contamination peut, si elle n’est pas prise en compte, modifier l’image reconstruite et en fausser l’interprétation. Plusieurs méthodes ont été développées pour atténuer, voire éradiquer, la contamination de l’image reconstruite. Parmi celles-ci, il existe une sous- famille de méthodes spécialement conçues pour s’attaquer aux biais induits par des mouvements cycliques. En effet, les mouvements de type cyclique, i.e. le mouvement cardiaque ou respiratoire, possèdent une propriété particulière qui peut, moyennant certaines hypothèses, être exploitée dans la phase de reconstruction. Différentes approches ont été présentées dans la littérature pour exploiter cette particularité et chacune d’entre-elles offre son lot d’avantages et d’inconvénients. Afin d’obtenir des images de qualité semblable à celle obtenue à partir d’un sujet immobile, toutes ces approches nécessitent d’augmenter la dose de radiotraceur injectée dans le sujet. Cette augmentation sera dénommé le facteur de compensation de dose. L’objectif de cette maîtrise est d’étudier ces approches afin de diminuer le facteur de compensation de dose. Pour y parvenir, un compte-rendu sur l’état de l’art de cette problématique sera présenté. Ce compte-rendu est divisé en trois volets : une étude des propriétés théoriques de chacune de ces approches, une comparaison numérique de leurs performances et une revue des lacunes qui persistent dans ce domaine. L’analyse des propriétés théoriques a débouché sur la création d’une nouvelle variante d’une des approches. L’introduction de cette nouvelle méthode, dont la résolution est explicitée, permet d’établir des parallèles théoriques avec l’approche originelle. La comparaison, en terme de vitesse de convergence, de ces variantes semble indiquer que le nouveau modèle offre un gain en vitesse de reconstruction, et ce, sans perte de qualité. La caractérisation des modèles représentant chaque approche, résultant de leur analyse théorique, a permis de motiver l’utilisation de solveurs généraux. Une méthodologie a été développée pour effectuer la comparaison numérique des per-formances. Les résultats des tests de performance permettent de déceler une lacune commune à certaines approches. Une hypothèse sur la source de cet inconvénient de même que quelques arguments la soutenant sont formulés.

En cherchant à connaitre les origines de la vie sur Terre, on se demande également si elle peut se trouver ailleurs. Malgré le fait que Mars nous est voisine et qu'elle ne semble pas en démontrer la présence, on désire toutefois l'étudier et la comparer avec la Terre. Pour y arriver, l'Homme a recours à la technologie : les télescopes, satellites, sondes et robots servent à observer Mars. À chacune des expéditions d'observation de Mars, nous cherchons à en connaître davantage et améliorons en conséquence la technologie utilisée. C'est pour cela que la prochaine génération de véhicules d'exploration planétaire nécessitera une plus grande autonomie de navigation. De tels requis impliquent une gestion adéquate de données géoréférencées potentiellement volumineuses et denses, représentées sous la forme de cartes. Ce mémoire présente l'état des recherches faites sur un système de gestion de données utilisable dans un contexte d'exploration planétaire autonome. Pour valider un tel système, il a fallu utiliser, mais ,également constituer, un répertoire de cartes en trois dimensions ayant été géoréférencées. Afin d'obtenir un répertoire représentatif du contexte d'utilisation, il a également été nécessaire de développer un comportement d'exploration et de navigation sur une plateforme robotisée, capable d'acquérir les cartes requises. À l'aide de ce répertoire, il a été possible de vérifier les capacités, les performances ainsi que l'exactitude des opérations effectuées à l'aide du système de gestion proposé. Un article intégré au mémoire présente la conception d'un tel système de gestion de données, ainsi qu'une solution permettant de gérer dynamiquement une variété de données, l'incertitude des relations spatiales entre deux cartes, de procurer un mécanisme de planification de chemins au travers des cartes, ainsi que la corrélation des cartes pour les opérations de localisation. Cet article présente également les résultats expérimentaux sur l'utilisation du système de gestion atlas par un véhicule d'exploration autonome. En plus de démontrer la faisabilité et l'utilité d'un tel gestionnaire de données en navigation autonome, le système pourrait également être utilisé comme plateforme d'analyse afin de comparer les performances de différents algorithmes de recalage de surfaces.