In a near future, the computation power will be widely used in endoscopy rooms. It will enable the augmented reality already implemented in some surgery. Before reaching this, a preliminary step is the development of a 3D reconstruction endoscope. In addition to that, endoscopists suffer from a lack of quantitative data to evaluate dimensions and distances, notably for the polyp size measurement.<p>In this thesis, a contribution to more a robust 3D reconstruction endoscopic device is proposed. Structured light technique is used and implemented using a diffractive optical element. Two patterns are developed and compared: the first is based on the spatial-neighbourhood coding strategy, the second on the direct-coding strategy. The latter is implemented on a diffractive optical element and used in an endoscopic 3D reconstruction device. It is tested in several conditions and shows excellent quantitative results but the robustness against bad visual conditions (occlusions, liquids, specular reflection,) must be improved. <p>Based on this technology, an endoscopic ruler is developed. It is dedicated to answer endoscopists lack of measurement system. The pattern is simplified to a single line to be more robust. Quantitative data show a sub-pixel accuracy and the device is robust in all tested cases. The system has then been validated with a gastroenterologist to measure polyps. Compared to literature in this field, this device performs better and is more accurate. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The main objective of this thesis is the development of new processing techniques for digital holograms. The present work is part of the HoloFlow project that intends to integrate the DHM technology for the monitoring of water quality. Different tools for an automated analysis of digital holograms have been developed to detect, refocus and classify particles in continuous fluid flows. A detailed study of the refocusing criterion permits to determine its dependencies and to quantify its robustness. An automated detection procedure has been developed to determine automatically the 3D positions of organisms flowing in the experiment volume. Two detection techniques are proposed: a usual method based on a global threshold and a new robust and generic method based on propagation matrices, allowing to considerably increase the amount of detected organisms (up to 95 %) and the reliability of the detection. To handle the case of aggregates of particles commonly encountered when working with large concentrations, a new separation procedure, based on a complete analysis of the evolution of the focus planes, has been proposed. This method allows the separation aggregates up to an overlapping area of around 80 %. These processing tools have been used to classify organisms where the use of the full interferometric information of species enables high classifier performances to be reached (higher than 93 %). / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse décrit le développement et la mise en œuvre d'un système d'acquisition 3D ayant pour but la localisation temps réel en 3D et l'identification d'électrodes et des antennes utilisées lors d'un examen MEG/EEG. La seconde partie concerne la mise en correspondance de ces données avec les informations de la résonance magnétique. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans ce travail est proposée une méthodologie générale de micromécanique expérimentale multi-échelle des polycristaux. Elle a été appliquée dans le cas d'un polycristal de sel gemme, qui en plus d'avoir des applications industrielles de stockage d'énergie et de déchets, constitue un matériau modèle de micromécanique présentant une déformation plastique aussi bien à l'ambiante qu'à haute température. La déformation ductile à l'échelle de la microstructure opère par la plasticité cristalline intra-granulaire traditionnelle, mais aussi des mécanismes de déformation inter-granulaires, tels que le glissement aux joints de grains. Nous avons dans un premier temps quantifié précisément la part de chacun de ces mécanismes locaux dans la déformation macroscopique du sel en se basant sur la technique de corrélation d'images numériques (CIN), obtenues au cours d'un essai de compression uni-axiale in-situ dans la chambre d'un microscope électronique à balayage (MEB). Afin d'augmenter la précision de cette quantification, des motifs spéciaux gravés aux interfaces des grains par micro-lithograhie ont été proposés. Ensuite, les observations surfaciques (par MEB) ont été étendues au cœur du matériau grâce à la micro-tomographie à rayons X et à la technique de corrélation d'images volumiques (CIV). Pour ce faire, des particules micrométriques de cuivre (3 % en volume) ont été dispersées dans le matériau lors de son élaboration, afin d'avoir un marquage local volumique adapté pour la CIV. Différentes microstructures (en termes de taille moyenne de grain) ont été considérées. De nouvelles procédures de CIV ont permis d'accéder à la répartition tridimensionnelle de la déformation ductile à l'échelle de la microstructure polycristalline avec une précision inferieure à la taille moyenne de grain. Les mécanismes de déformation observés à cœur d'échantillon sous chargement uni-axial sont cohérents avec ceux identifiés par les observations surfaciques. L'importance des mécanismes inter-granulaires dans la déformation ductile et dans l'endommagement diffus du sel a été confirmée. Une caractérisation tridimensionnelle de la microstructure par DCT (Diffraction Contrast Tomography) a été effectuée et comparée à des mesures surfaciques d'orientation cristalline par EBSD (Electron BackScattered Diffraction). Enfin, la comparaison des champs de déformation surfacique et volumique obtenus sur les mêmes échantillons a permis de retrouver les mêmes organisations et développements des localisations de déformation ductile en surface et en volume, et de les relier aux conditions de chargement et à la microstructure / We develop in this study new experimental methodologies for the multi-scale experimental investigation of the micromechanics of polycrystalline materials. These methodologies are applied to synthetic halite (NaCl), which is a convenient model polycristal due to its viscoplastic behavior at both ambient and high temperatures (350°C). In addition, halite is used for industrial applications such as underground energy and waste storage. The ductile deformation at the scale of the microstructure operates not only through conventional intra-granular plasticity, but also through inter-granular deformation mechanisms, such as grain-boundary sliding (GBS). First, we precisely quantify the relative contribution of each of these local mechanisms to the macroscopic deformation of halite. For this purpose, we apply digital image correlation (DIC) technique to high resolution images obtained during uniaxial compression tests in the chamber of a scanning electron microscope (SEM). The DIC algorithms have been modified to account for the discontinuous kinematics at grain boundries. We also propose a method to improve accuracy of GBS quantification, which consists in creating specific artificial patterns across grain-boundaries by electron beam lithography. The results show that GBS is present from the beginning of plastic deformation of the polycrystal. The 2D observations (using SEM) are complemented by 3D volume investigations using X-ray computed microtomography and Digital Volume Correlation (DVC) techniques. In order to obtain local volume markers differing in contrast (density) from NaCl and adapted to DVC, micrometric copper particles (3 % in volume) are dispersed into the material during its elaboration. Various microstructures (in terms of average grain size) are considered. New DVC protocols allow us to obtain the three-dimensional distribution of ductile deformation at the scale of the polycrystalline microstructure, with a spatial resolution finer than the average grain size. 3D and 2D local mechanical fields are compared on the same samples submitted to uniaxial compression. The strain patterns and the deformation mechanisms observed in depth of the sample are consistent with those identified by 2D observations. The results show the same organization and development of strain localization bands in relation with the loading conditions and microstructure, both at the surface and in volume. The importance of inter-granular mechanisms for the plastic deformation and diffuse damage of halite is also confirmed in 3D. Finally, in view of a further numerical model of the plasticity of the polycrystal, the three-dimensional polycrystalline microstructure is characterized by diffraction contrast tomography and compared to 2D measurements obtained by electron BackScattered diffraction

À l’heure actuelle, le paludisme reste un problème de santé majeur et demeure une des maladies parasitaires les plus menaçantes. Parmi les cinq espèces de malaria infectant l’homme, Plasmodium falciparum est la forme la plus mortelle. Lors de la phase érythrocytaire de son cycle de vie, causant tous les symptômes du paludisme, P.falciparum utilise les phospholipides pour créer les membranes nécessaires au développement de cellules filles. Chez P. falciparum, la phosphatidylcholine est principalement obtenue grâce à la voie de synthèse de novo, dite voie de Kennedy. Dans cette voie de biosynthèse, la seconde étape catalysée par la CTP:phosphocholine cytidylyltransferase [EC 2.7.7.15] est limitante et apparait essentielle pour la survie du parasite murin P. berghei lors de la phase sanguine. Les objectifs de mon travail de thèse ont été de caractériser structuralement cette enzyme et d’identifier des effecteurs, principalement grâce à des approches de « fragment-based drug design » (FBDD). Ainsi, la première structure cristalline du domaine catalytique de l’enzyme (PfCCT) a été déterminée avec une résolution de 2.2 Å. De plus, les structures de trois complexes enzyme-substrat (en présence de CMP, de phosphocholine ou de choline) et d’un complexe enzyme-produit (CDP-Choline) ont été déterminées. Ces structures cristallographiques apportent des informations détaillées sur la poche de liaison de l’enzyme et elles ont révélé des informations sur le mécanisme de la réaction catalytique à l’échelle atomique. La seconde partie de ma thèse présente les méthodes développées pour identifier des inhibiteurs potentiels de la PfCCT. Une approche de FBDD a été utilisée pour identifier et sélectionner de petites molécules (fragments, PM<300 Da) se liant à la PfCCT. Diverses techniques biophysiques (fluorescence-based thermal shift assay, différence de transfert de saturation par RMN, dénaturation chimique isotherme) ont permis la sélection de 23 fragments à partir du criblage d’une bibliothèque (~ 300 molécules). En parallèle, un criblage in silico de plus grandes bibliothèques de fragments (environ 15 000 composés) a permis d’identifier 100 fragments “hits”. Enfin, 5 composés déjà connus pour inhiber la croissance parasitaire (Malaria Box fournit par Medecines for Malaria Venture) ont été sélectionnés pour leur inhibition de l’activité de la PfCCT recombinante. L’ensemble de ces données ouvre la voie pour l’élaboration de futurs composés ciblant la PfCCT et inhibant la biosynthèse de phosphatidylcholine chez P. falciparum. / Malaria remains a major global health problem and the most threatening parasitic disease. Among the 5 malaria species that affect humans, Plasmodium falciparum is the most deadly form. During its life cycle, in erythrocytic stage, which causes all the malaria symptoms, P. falciparum relies on phospholipids to build the membranes necessary for daughter cell development. Approximately 85% of parasite phospholipids consist of phosphatidylcholine (PC) and phosphatidylethanolamine (PE) synthesized by the parasite through the de novo Kennedy pathways. In the pathway of phosphatidylcholine biosynthesis, the second step catalyzed by CTP:phosphocholine cytidylyltransferase [EC 2.7.7.15] is rate limiting and appears essential for the parasite survival at its blood stage. In this PhD thesis I focus on the structural characterization of this enzyme and the identification of effectors mainly by fragment-based drug design approach (FBDD). The first reported crystal structure of the catalytic domain of the enzyme target (PfCCT) has been solved at resolution 2.2 Å. Four other crystal structures of PfCCT in complex with substrates (CMP, phosphocholine and choline) or product (CDP-choline) have been determined. These structural data give detailed images of the binding pocket and reveal the enzyme structures at all catalytic steps that provide crucial information on the catalytic mechanism at atomic level. The second part of the project present the methods developed to identify potential PfCCT inhibitors. A FBDD approach was used in order to identify and select small molecules (fragments, MW< 300 Da) binding to the PfCCT. A combination of biophysical techniques (fluorescence-based thermal shift assay, saturation transfer difference NMR and isothermal chemical denaturation) allowed the selection of 23 fragment hits from the screenings of fragment library (~ 300 molecules). In parallel in silico screening of larger fragment libraries (~15,000 compounds) resulted in 100 selected hits. Finally, 5 compounds already known to inhibit parasite growth (Malaria Box from Medicines for Malaria Venture) were selected for their inhibition of the recombinant PfCCT activity. The results obtained within this thesis brought important knowledge and structural insights on the catalytic mechanism of PfCCT. Taken together, these results pave the way for future structure-based drug design to target PfCCT and to inhibit the essential phosphatidylcholine biosynthesis in P. falciparum.

Afin de cibler une meilleure rentabilité des gisements d'hydrocarbures, la simulation numérique présente un intérêt grandissant dans le secteur pétrolier. Dans ce contexte, deux principaux types d'applications sont distingués : l'ingénierie du réservoir, où les modèles géologiques sont définis comme statiques et l'exploration des gisements par la simulation de la formation des hydrocarbures. Cette dernière application nécessite des modèles de bassins dynamiques. Pour ce type de simulation, la modélisation mathématique et numérique a connu une avancée importante durant les dernières années. En revanche, la construction de maillages indispensables pour les simulations reste une tâche lourde dans le cas de géométries complexes et dynamiques. La difficulté se traduit par la particularité du domaine à mailler, qui est dictée par la mécanique des milieux granulaires, c'est-à-dire des milieux quasi-incompressibles et hétérogènes. De plus, les données sismiques sont des surfaces non-implicites modélisant des blocs volumiques. Dans ce cadre, nous nous intéressons à la génération de maillages lagrangiens hexa-dominants des bassins à géométrie complexe. Le maillage souhaité doit contenir une couche de mailles principalement hexaédriques entre deux horizons et respecter les surfaces failles traversant ces horizons. Une méthodologie originale basée sur la construction d’un espace déplié est proposée. Le maillage souhaité est alors traduit par une grille 3D contrainte dans cet espace. Plusieurs techniques d’optimisation de maillages sont aussi proposées / To target more profitable oil and gas deposits, the numerical simulation is of growing interest in the oil sector. In this context, two main types of applications are distinguished: reservoir engineering where geological models are defined as static and exploration for the simulation of hydrocarbons formation. The latter application requires dynamic basins models. For this type of simulation, mathematical and numerical modeling has been an important advance in recent years. However, the construction of meshes needed for the simulations is a difficult task in the case of complex and dynamic geometries. The difficulty is reflected by the characteristic of the domain to mesh, which is defined from the mechanics of granular media which are almost incompressible and heterogeneous environments. In addition, the seismic data represent non-implicit surfaces modeling volume blocks. In this context, we focus on Lagrangian hex-dominant mesh generation of basins with complex geometry. The desired mesh must contain a layer of almost hexahedral meshes between two horizons and conform to fault surfaces through these horizons. A novel methodology based on the construction of an unfolded space is introduced. The desired mesh is then seen as a constrained 3D grid in this novel space. Several mesh optimization techniques are also proposed

La RMN à l’état solide est une méthode de choix pour l’étude des protéines insolubles et des complexes protéiques de haut poids moléculaire. L’insolubilité intrinsèque des protéines fibrillaires, ainsi que leur architecture complexe, rendent difficile leur caractérisation structurale par la cristallographie et par la RMN en solution. La RMN à l‘état solide n’est pas limitée par le poids moléculaire et constitue donc un outil puissant pour l’étude des protéines fibrillaires. L’attribution des résonances RMN est le prérequis pour obtenir des informations structurales à résolution atomique. La première partie de ce travail de thèse décrit le développement de méthodes en RMN à l’état solide pour l’attribution des résonances. Nous avons appliqué ces méthodes afin d’attribuer le domaine C-terminal du prion Ure2 (33 kDa), qui est à ce jour la plus grande protéine attribuée par RMN à l’état solide. Nos résultats fournissent les bases pour l’étude de protéines à haut poids moléculaire à l’échelle atomique. Ceci est démontré dans la seconde partie de ce travail de thèse avec les premières études RMN à l’état solide des fibrilles des prions Ure2 et Sup35. Nous avons caractérisé la structure de ces prions pour les fibrilles entières ainsi que pour les domaines isolés. La troisième fibrille étudiée est l’α- synuclein, fibrille associée à la maladie de Parkinson, pour laquelle nous présentons l’attribution des résonances RMN ainsi que la structure secondaire d’un nouveau polymorphe. Les études présentées ici fournissent de nouvelles clés pour comprendre la diversité des architectures de fibrilles, en considérant les fibrilles comme entités individuelles d’un point de vue structural / Solid-state NMR is the method of choice for studies on insoluble proteins and other high molecular weight protein complexes. The inherent insolubility of fibrillar proteins, as well as their complex architecture, makes the application of x-ray crystallography and solution state NMR difficult. Solid-state NMR is not limited by the molecular weight or by the absence of long-range structural order, and is thus a powerful tool for the 3D structural investigation of fibrillar proteins. The assignment of the NMR resonances is a prerequisite to obtain structural information at atomic level. The first part of this thesis describes the development of solid-state NMR methods to assign the resonances in large proteins. We apply these methods to assign the 33 kDa C-terminal domain of the Ure2p prion which is up to now the largest protein assigned by solid-state NMR. Our results provide the basis to study high molecular weight proteins at atomic level. This is demonstrated in the second part with the first high-resolution solid-state NMR study of Ure2 and Sup35 prion fibrils. We describe the conformation of the functional domains and prion domains in the full-length fibrils and in isolation. The third fibrillar protein addressed in this work is the Parkinson’s disease related α-synuclein whereof we demonstrate the NMR resonance assignment and the secondary structure determination of a new polymorph. Thus, the studies described here provide new insights in the structural diversity of fibril architectures, and plead to view fibrils as individuals from a structural point of view, rather than a homogenous protein family

Les biofilms électroactifs (EA) sont des consortia de bactéries mono- ou multi-espèces qui ont la capacité de catalyser des réactions électrochimiques en échangeant des électrons avec les électrodes sur lesquelles ils se développent. Les biofilms EA ont ouvert la voie à de nombreux procédés électrochimiques innovants, l’exemple le plus connu étant la pile à combustible microbienne. Dans ce cadre, des électrodes tridimensionnelles poreuses sont couramment mises en oeuvre afin d’offrir aux biofilms EA une surface maximale pour se développer. Toutefois, à ce jour les études théoriques qui permettraient de guider l’élaboration de ces électrodes restent très peu nombreuses. Une synthèse bibliographique a mis en évidence l’importance cruciale de la taille des pores et a montré que des pores de l’ordre du millimètre conduisent aux densités de courant les plus élevées. La première partie de la thèse a donc été consacrée à caractérise l’impact de la taille des pores, entre 1 à 5 mm, sur le développement et les performances électrochimiques d’un biofilm EA multiespèces. Ces tailles permettent la colonisation microbienne sur plusieurs centimètres de profondeur et favorisent la stabilité du courant à long terme. Par contre, l’effet limitant des transferts de matière est significatif, particulièrement pour ce qui concerne les espèces tampon. Enfin, un découplage est mis en évidence entre la colonisation qui se déploie sur plusieurs semaines et l’établissement du courant qui se réalise en quelques jours seulement. Un second dispositif expérimental a mis en évidence une sélection des populations microbiennes en fonction des longueurs de pore de 5 à 24 mm. La deuxième partie de la thèse se focalise sur l’étude des premiers instants de formation du biofilm électroactif à la surface d’une électrode. Une tentative d’identification des mécanismes impliqués dans le mouvement des bactéries électroactives vers l’électrode est proposée. / Electroactive (EA) biofilms refer to single- or multi-species bacterial consortia, which have theability to catalyse electrochemical reactions by exchanging electrons with the electrodes on whichthey develop. EA biofilms have paved the way for many innovative electrochemical processes, themost well-known example is microbial fuel cell. In this context, 3-dimensional porous electrodesare commonly used to offer EA biofilms a maximum surface area for development. However, todate, very few theoretical studies have been carried out to guide the development of theseelectrodes. A bibliographic synthesis highlighted the importance of the pore size and indicated thatpore sizes of the order of a few millimetres lead to the highest current densities. The first part ofthe thesis was therefore devoted to characterizing the impact of size, between 1 and 5 mm, on thedevelopment and electrochemical performance of a multi-species EA biofilm. These sizes allowmicrobial colonization several centimetres deep and promote long-term current stability. However,limiting effect of the mass transfer is significant, particularly for the buffer species. Finally, adecoupling is highlighted between the colonisation, which takes place over several weeks, and theestablishment of the current which takes a few days only. A second experimental set up showsthat a selection occurs on the microbial populations in function of pore lengths from 5 to 24 mm.The second part of the thesis focuses on the study of the early stages of the EA biofilm formation at the electrode surface. In particular, an attempt to identify the mechanisms involved in the electroactive bacteria movement towards the electrode is proposed.

L’ingénierie tissulaire osseuse a pour objectif de repousser les limitesexistantes de la régénération osseuse. Les stratégies proposées consistent àassocier à une matrice tridimensionnelle (3D) des cellules autologues, capables derégénérer en 3D un tissu fonctionnel. Le but de ce travail a été d’étudier l’importancede la communication cellulaire entre les cellules du compartiment stromal et lescellules endothéliales au sein d’une matrice tridimensionnelle poreuse constituée depolysaccharides naturels biodégradables. Nos résultats montrent que l’architecture etla nature de cette matrice permettent de guider la différenciation ostéoblastique descellules humaines mésenchymateuses issues de la moelle osseuse. L’organisationcellulaire en agrégats observée stimule les interactions cellulaires, et plusparticulièrement la formation de jonctions communicantes de type GAP et l’activitédes Connexines 43. Nous avons en également étudié la fonction des Pannexines 1et 3 dans la culture 3D. En conclusion, l’ensemble de nos travaux démontre que lesinteractions cellule-cellule constituent des événements majeurs dans cesmécanismes de régénération tissulaire. Les données cellulaires et expérimentalestémoignent de l’intérêt d’utiliser la totalité de la suspension de moelle osseuse pourfavoriser à la fois l’ostéoformation et la vascularisation du tissu. / Bone tissue engineering aims to resolve the existing limitations of boneregeneration methods. One of the proposed strategies consists on the association,within a three-dimensional (3D) matrix, with autologous cells able to regenerate afunctional 3D tissue. The purpose of this study was therefore to investigate theimpact of cellular communication, between cells of the stromal compartment andendothelial cells, within the three-dimensional porous matrix made of biodegradablenatural polysaccharides, focusing on bone repair. Our results show that thearchitecture and the nature of the 3D macroporous matrix promotes the guidance ofmesenchymal stems cells, derived from human bone marrow, towards theosteoblastic lineage. Also, that the organization in aggregates, promoted by the 3Dmatrices, stimulated cell communication, evidenced by the formation of GAPjunctions and activity of Connexins 43. We also focused on the function ofPannexines 1 and 3 for the 3D culture in these matrices of polysaccharides. Inconclusion, this work shows that cell-cell interactions play a major role in order toimprove bone tissue regeneration. Also, cellular and experimental data demonstratesthe advantage of using a total fraction of bone marrow cells to promote both boneformation and vascularization.

Une interface vocale silencieuse (SSI) est un système permettant une communication vocale à partir d’un signal non audible. Un tel système emploie des capteurs qui enregistrent des données non-acoustiques, pour la reconnaissance et la synthèse vocales. Cependant, l’extraction des caractéristiques articulatoires robustes à partir de ces signaux reste un défi. La langue est une composante majeure de l'appareil vocal, et l'articulateur le plus important dans la production de parole. Une simulation réaliste du mouvement de la langue en 3D peut fournir une représentation visuelle directe et efficace de la production de parole. Cette représentation pourrait à son tour être utilisée pour améliorer les performances de reconnaissance vocale d'un SSI, ou servir d'outil dans le cadre de recherches sur la production de parole et de l'étude des troubles de l'articulation. Dans cette thèse, nous explorons un nouveau cadre de visualisation en trois dimensions de la langue, qui combine l'imagerie échographique 2D et une technique de modélisation tridimensionnelle fondée sur la physique. Tout d'abord, différentes approches sont utilisées pour suivre le mouvement de la langue dans les séquences d'images échographiques, qui peuvent être regroupées en deux principaux types de méthodes : le suivi de la granularité et le suivi de contour. Les méthodes de suivi du chatoiement (speckle tracking) comprennent le recalage de déformations (deformation registration), le flux optique, et la méthode de transformation de caractéristiques visuelles invariante à l'échelle (Scale-invariant feature transform, ou SIFT). En outre, une méthode de suivi réinitialisation basée sur l'image est proposée afin d'améliorer la robustesse du suivi du chatoiement. En comparaison avec le suivi de chatoiement, l'extraction du contour de la surface de la langue à partir d'images échographiques présente des performances supérieures et une meilleure robustesse. Dans cette thèse, un nouvel algorithme de suivi de contour est présenté pour des séquences d'images échographiques de la langue. Cet algorithme permet de suivre le mouvement des contours de la langue sur de longues durées avec une bonne robustesse. Pour résoudre la difficulté causée par les segments manquants dus au bruit ou celle causée par la surface mi-sagittale de la langue qui est parallèle à la direction de propagation de l'onde ultrasonore, nous proposons d’utiliser des contours actifs avec une contrainte de similitude de contour, qui fournissent des informations a priori sur la forme de la langue. Des expériences sur des données synthétiques et sur des images réelles acquises sur différents sujets à la cadence de 60 images par seconde montrent que la méthode proposée donne un bon contour de suivi pour ultrasons des séquences d'images, même sur des durées de quelques minutes. Cette technique peut par conséquent être utile dans des applications telles que la reconnaissance vocale où de très longues séquences doivent être analysées dans leur intégralité… / A silent speech interface (SSI) is a system to enable speech communication with non-audible signal, that employs sensors to capture non-acoustic features for speech recognition and synthesis. Extracting robust articulatory features from such signals, however, remains a challenge. As the tongue is a major component of the vocal tract, and the most important articulator during speech production, a realistic simulation of tongue motion in 3D can provide a direct, effective visual representation of speech production. This representation could in turn be used to improve the performance of speech recognition of an SSI, or serve as a tool for speech production research and the study of articulation disorders. In this thesis, we explore a novel 3D tongue visualization framework, which combines the 2D ultrasound imaging and 3D physics-based modeling technique. Firstly, different approaches are employed to follow the motion of the tongue in the ultrasound image sequences, which can be divided into two main types of methods: speckle tracking and contour tracking. The methods to track speckles include deformation registration, optical-flow, and local invariant features-based method. Moreover, an image-based tracking re-initialization method is proposed to improve the robustness of speckle tracking. Compared to speckle tracking, the extraction of the contour of the tongue surface from ultrasound images exhibits superior performance and robustness. In this thesis, a novel contour-tracking algorithm is presented for ultrasound tongue image sequences, which can follow the motion of tongue contours over long durations with good robustness. To cope with missing segments caused by noise, or by the tongue midsagittal surface being parallel to the direction of ultrasound wave propagation, active contours with a contour-similarity constraint are introduced, which can be used to provide “prior” shape information. Experiments on synthetic data and on real 60 frame per second data from different subjects demonstrate that the proposed method gives good contour tracking for ultrasound image sequences even over durations of minutes, which can be useful in applications such as speech recognition where very long sequences must be analyzed in their entirety…