Wireless video capsule endoscopy (VCE) plays an increasingly important role in assisting clinical diagnoses of gastrointestinal (GI) diseases. It provides a non-invasive way to examine the entire small intestine, where other conventional endoscopic instruments can barely reach. Existing examination systems for the VCE cannot track the location of a endoscopic capsule, which prevents the physician from identifying the exact location of the diseases. During the eight hour examination time, the video capsule continuously keeps taking images at a frame rate up to six frame per sec, so it is possible to extract the motion information from the content of the image sequence. Many attempts have been made to develop computer vision algorithms to detect the motion of the capsule based on the small changes in the consecutive video frames and then trace the location of the capsule. However, validation of those algorithms has become a challenging topic because conducting experiments on the human body is extremely difficult due to individual differences and legal issues. In this thesis, two validation approaches for motion tracking of the VCE are presented in detail respectively. One approach is to build a physical testbed with a plastic pipe and an endoscopy camera; the other is to build a virtual testbed by creating a three-dimensional virtual small intestine model and simulating the motion of the capsule. Based on the virtual testbed, a physiological factor, intestinal contraction, has been studied in terms of its influence on visual based localization algorithm and a geometric model for measuring the amount of contraction is proposed and validated via the virtual testbed. Empirical results have made contributions in support of the performance evaluation of other research on the visual based localization algorithm of VCE.

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Dans les nouveaux protocoles thérapeutiques par voie inhalée, le dosage des particules actives reste un problème complexe qui dépend de trois principaux facteurs : leur taille, la dynamique des flux et les variations de calibre bronchique. La solution nécessite de disposer d'un modèle de distribution des gaz et aérosols administrés dans les poumons. Ventilation pulmonaire et effets du cycle respiratoire sur la dynamique des fluides deviennent deux enjeux clés de la pratique clinique.<br /><br />Dans ce contexte, le projet RNTS RMOD a pour objectif de développer un simulateur morpho-fonctionnel des voies respiratoires pour l'aide au diagnostic, au geste médico-chirurgical et à l'administration de médicaments par inhalation.<br /><br />Contribuant au projet RMOD, la recherche développée dans cette thèse propose une modélisation in-silico de la structure des voies aériennes supérieures (VAS) et proximales (VAP) à partir d'examens tomodensitométriques (TDM). L'investigation morphologique et la simulation fonctionnelle bénéficient alors de géométries 3D réelles, adaptées au patient et spécifiques des pathologies rencontrées.<br /><br />La modélisation développée fait coopérer des méthodes originales de segmentation, de construction de surface maillée et d'analyse morpho-fonctionnelle.<br /><br />La segmentation des VAP est obtenue par un schéma diffusif et agrégatif gouverné par un modèle markovien, dont l'initialisation repose sur l'opérateur de coût de connexion sous contrainte topographique. De cette segmentation, l'axe central de l'arbre bronchique est extrait de manière robuste et précise en combinant information de distance, propagation de fronts, et partition conditionnelle locale. Cet axe central est représenté sous forme d'une structure hiérarchique multivaluée synthétisant caractéristiques topologiques et géométriques de l'arbre bronchique. Une surface maillée est ensuite construite en appliquant une procédure de Marching Cubes adaptative, les paramètres des différents filtres mis en jeu étant automatiquement ajustés aux caractéristiques locales du réseau bronchique conditionnellement aux attributs de l'axe central.<br /><br />La segmentation des VAS repose sur une propagation markovienne exploitant les variations locales de densité. L'initialisation combine morphologie mathématique et information de contour afin de garantir la robustesse à la topologie. Une procédure de type triangulation de Delaunay restreinte à une surface fournit ensuite la représentation maillée des VAS. Il est établi que la topologie et la géométrie des structures complexes composant les VAS sont effectivement préservées.<br /><br />Pour permettre aux médecins de valider les modèles maillés ainsi construits, un environnement virtuel 3D convivial et interactif a été réalisé. En outre, la morphologie des voies aériennes exo- et endo-luminale est analysée de façon automatique à partir de simulations d'écoulement pour des géométries réelles.<br /><br />Enfin, une modélisation unifiée des VAP et VAS est obtenue pour la première fois. Elle démontre la pertinence des approches développées. Elle ouvre la voie à la construction de modèles in-silico complets de l'appareil respiratoire ainsi qu'aux études fonctionnelles prenant en compte les paramètres morphologiques susceptibles d'influer localement ou globalement sur la dynamique des écoulements.