Suivi automatique d'instruments dans les séquences d'images thoracoscopiques

Anatomie de la structure thoracique -- Chirurgie minimalement invasive -- Contexte clinique -- Système de navigation pour le rachis -- Approches au suivi d'instruments chirurgicaux -- Techniques de suivi d'objets à travers une séquence d'images -- Objectifs spécifiques du projet -- Méthodologie -- Extraction des caractéristiques de l'instrument -- Suivi temporel par filtrage particulaire -- Méthode d'évaluation et de validation -- Interface graphique et mise en contexte -- Extraction des caractéristiques de l'instrument -- Suivi automatique des instruments -- Précision de la procédure de suivi -- Temps de calcul -- Limites de la méthode proposée

Contribution au recalage d'images de modalités différentes à travers la mise en correspondance de nuages de points (Application à la télédétection)

L'utilisation d'images de modalités différentes est très répandue dans la résolution de problèmes liés aux applications de la télédétection. La raison principale est que chaque image d'une certaine modalité contient des informations spécifiques qui peuvent être intégrées en un modèle unique, afin d'améliorer notre connaissance à propos d'une scène spécifique. A cause du grand volume de données disponibles, ces intégrations doivent être réalisées de manière automatique. Cependant, un problème apparaît dès les premiers stades du processus : la recherche, dans des images de modalités différentes, de régions en correspondance. Ce problème est difficile à résoudre car la décision de regrouper des régions doit nécessairement reposer sur la part d'information commune aux images, même si les modalités sont différentes. Dans cette thèse, nous nous proposons donc d'apporter une contribution à la résolution de ce problèmeThe use of several images of various modalities has been proved to be quite useful for solving problems arising in many different applications of remote sensing. The main reason is that each image of a given modality conveys its own part of specific information, which can be integrated into a single model in order to improve our knowledge on a given area. With the large amount of available data, any task of integration must be performed automatically. At the very first stage of an automated integration process, a rather direct problem arises : given a region of interest within a first image, the question is to find out its equivalent within a second image acquired over the same scene but with a different modality. This problem is difficult because the decision to match two regions must rely on the common part of information supported by the two images, even if their modalities are quite different. This is the problem that we wish to address in this thesisAIX-MARSEILLE2-Bib.electronique (130559901) / SudocSudocFranceF

Méthodes automatiques pour la pangonométrie, la morphométrie et la reconstruction 3D des os du membre inférieur

L'extraction des informations d'intérêt à partir des images médicales 2D et 3D est essentielle dans plusieurs pratiques médicales. Elle est nécessaire pour 1' établissement de diagnostic, la planification chirurgicale et la conception de prothèses sur mesure. Cependant, cette tâche requiert du clinicien une détection manuelle ou semi-automatique. Entre temps, la liste d'attente pour une intervention clinique s'allonge de jour en jour. Selon le rapport de la Direction de l'évaluation des technologies et des modes d'intervention en santé des centres hospitaliers de l'université de Montréal et de l'université McGill de 2007, la demande pour les arthroplasties du membre inférieur a augmenté de près de 90% au cours des dix dernières années. L'attente pour ce type d'intervention dépasse les 6 mois. L'objectif principal de cette thèse est d'offrir aux cliniciens des outils capables d'extraire à partir des données médicales 2D et 3D une information clinique utile et cela de façon automatique. Cinq applications sont proposées: • un analyseur automatique de la pangonométrie du fémur en vue frontale, • un analyseur automatique de la pangonométrie du fémur en vue latérale, • un outil pour le recalage automatique de modèles génériques 3D du fémur sur une paire de radiographies frontale et latérale, • un outil pour la reconstruction automatique de modèle 3D du fémur pré personnalisé à partir de données radiographiques, • un outil pour l'analyse automatique de la morphométrie du membre inférieur à partir de modèles 3D. La base de ces outils est un modèle mathématique. Ce modèle regroupe des géométries simples telles que sphères et cylindres en une seule fonction algébrique dans le but d'exprimer la surface externe des structures osseuses sous forme d'une surface analytique. Dans cette représentation, chaque géométrie simple modélise une zone anatomique à l'intérieur de l'os. En ayant une paire de radiographies du membre inférieur d'un patient, le modèle mathématique avec des techniques de génération de primitives (transformée de Hough) et de classification ont permis d'estimer les indices cliniques nécessaires pour une analyse pangonométrique. L'estimation de ces indices a permis aussi de recaler sur les radiographies du patient un modèle générique connu a priori. Ce regalage a été à l'origine de la reconstruction d' un modèle 3D pré-personnalisé. En 3D, le modèle mathématique proposé a permis aussi une analyse morphologique et moprhométrique du modèle 3D de l'os (fémur et tibia). Ce modèle peut être obtenu en utilisant notre méthode ou toute autre méthode de reconstruction 3D. Les études comparatives menées ont démontré le potentiel des méthodes développées pour un usage clinique de routine. Tous les outils mis au point offrent des résultats comparables à ceux obtenus par des analyses manuelles faites par des experts. Pour certains repères, nos outils présentent de meilleures précisions que les procédures manuelles, grâce à leur capacité d'identifier plus de données sur les images médicales que le repérage manuel

Positionnement visuel pour la réalité augmentée en environnement plan

Mesurer en temps réel la pose d'une caméra relativement à des repères tridimensionnels identifiés dans une image vidéo est un, sinon le pilier fondamental de la réalité augmentée. Nous proposons de résoudre ce problème dans des environnements bâtis, à l'aide de la visionpar ordinateur. Nous montrons qu'un système de positionnement plus précis que le GPS, et par ailleurs plus stable, plus rapide et moins coûteux en mémoire que d'autres systèmes de positionnement visuel introduits dans la littérature, peut êtreobtenu en faisant coopérer : approche probabiliste et géométrie aléatoire (détection a contrario des points de fuite del'image), apprentissage profond (proposition de boites contenant des façades, élaboration d'un descripteur de façades basé sur un réseau deneurones convolutifs), inférence bayésienne (recalage par espérance-maximisation d'un modèle géométrique et sémantique compactdes façades identifiées) et sélection de modèle (analyse des mouvements de la caméra par suivi de plans texturés). Nous décrivonsde plus une méthode de modélisation in situ, qui permet d'obtenir de manière fiable, de par leur confrontation immédiate à la réalité, des modèles 3D utiles au calcul de pose tel que nous l'envisageons

Du pilotage d'une famille de drones à celui d'un drone hybride via la commande adaptative

Les micro-drones sont des aéronefs sans pilotes de dimensions inférieures à un mètre et de poids inférieur à deux kilogrammes. Ils se distinguent des aéronefs classiques pour plusieurs raisons : un cycle de développement plus court, un coût plus faible, leur facilité d'opération et des configurations de véhicules spécifiques. L'ensemble de ces points attendent une réponse spécifique dans le développement des lois de commandes. Cette thèse s'y intéresse à travers deux problématiques : la commande d'une famille de drones quadrirotors et celle d'un drone hybride. Une famille de drones représente un même concept de véhicule décliné en plusieurs tailles dont on peut faire varier la charge utile ou son emplacement. Les lois de commandes doivent assurer un même niveau de performances malgré ses modifications. Un drone hybride se caractérise par sa capacité à réaliser du vol stationnaire et du vol d'avancement. Ces deux modes de vol ont chacun une dynamique de vol spécifique à laquelle les lois de commandes doivent s'adapter. Cette thèse présente la modélisation de quadrirotors et d'un drone hybride puis détaille une approche de commande adaptative indirecte qui répond aux problèmes introduits. La commande adaptative permet de garantir à l'aide d'un correcteur unique les performances de commande pour de multiples systèmes. Les méthodes d'estimation de paramètres et de synthèse linéaire à paramètres variants du schéma de commande sont décrites, puis, finalement, des résultats d'essais en vol montrent l'apport et les limites de cette approche.Micro Air Vehicle are pilotless aircrafts with dimensions not exceeding one meter and a maximum weight of two kilograms. They are different from classical aircrafts for multiple reasons: a shorter development cycle, a cheaper development, their ease of operation and specific vehicle configurations. All these points expect a specific answer in the development of the control laws of the vehicles. This thesis considers this topic through two particular issues: the control of a family of quadrotors and the control of hybrid micro air vehicle. A family of quadrotor represents a single concept of vehicle but with various sizes, payloads and payload configurations. Control laws must guarantee the same level of performance despite all these modifications. A hybrid micro air vehicle is able to both hover like a helicopter and fly forward like a plane. These two flight modes have specific flight dynamics that the control laws must adapt to. This thesis first presents a model of quadrotors and hybrid micro air vehicle and then details an indirect adaptive control method to tackle both issues. Adaptive control should guarantee performance of multiple controlled systems with a single controller. The parameter estimation and linear parameter varying synthesis method of the adaptive control scheme are described and finally flight test results show the contributions and limits of the approach.TOULOUSE-ISAE (315552318) / SudocSudocFranceF

Estimation automatique des impressions véhiculées par une photographie de visage

Picture selection is a time-consuming task for humans and a real challenge for machines, which have to retrieve complex and subjective information from image pixels. An automated system that infers human feelings from digital portraits would be of great help for profile picture selection, photo album creation or photo editing. In this work, several models of facial pictures evaluation are defined. The first one predicts the overall aesthetic quality of a facial image by computing 15 features that encode low-level statistics in different image regions (face, eyes and mouth). Relevant features are automatically selected by a feature ranking technique, and the outputs of 4 learning algorithms are fused in order to make a robust and accurate prediction of the image quality. Results are compared with recent works and the proposed algorithm obtains the best performance. The same pipeline is then considered to evaluate the likability and competence induced by a facial picture, with the difference that the estimation is based on high-level attributes such as gender, age and smile. Performance of these attributes is compared with previous techniques that mostly rely on facial keypoints positions, and it is shown that it is possible to obtain predictions that are close to human perception. Finally, a combination of both models that selects a likable facial image of good aesthetic quality for a given person is described.Avec le développement des appareils photos numériques et des sites de partage de photos, nous passons une part croissante de notre temps à observer, sélectionner et partager des images, parmi lesquelles figurent un grand nombre de photos de visage. Dans cette thèse, nous nous proposons de créer un premier système entièrement automatique renvoyant une estimation de la pertinence d'une photo de visage pour son utilisation dans la création d'un album de photos, la sélection de photos pour un réseau social ou professionnel, etc. Pour cela, nous créons plusieurs modèles d'estimation de la pertinence d'une photo de visage en fonction de son utilisation. Dans un premier temps, nous adaptons les modèles d'estimation de la qualité esthétique d'une photo au cas particulier des photos de visage. Nous montrons que le fait de calculer 15 caractéristiques décrivant différents aspects de l'image (texture, illumination, couleurs) dans des régions spécifiques de l'image (le visage, les yeux, la bouche) améliore significativement la précision des estimations par rapport aux modèles de l'état de l'art. La précision de ce modèle est renforcée par la sélection de caractéristiques adaptées à notre problème, ainsi que par la fusion des prédictions de 4 algorithmes d'apprentissage. Dans un second temps, nous proposons d'enrichir l'évaluation automatique d'une photo de visage en définissant des modèles d'estimation associés à des critères tels que le degré de sympathie ou de compétence dégagé par une photo de visage. Ces modèles reposent sur l'utilisation d'attributs de haut niveau (présence de sourire, ouverture des yeux, expressions faciales), qui se montrent plus efficaces que les caractéristiques de bas niveau utilisées dans l'état de l'art (filtres de Gabor, position des points de repère du visage). Enfin, nous fusionnons ces modèles afin de sélectionner automatiquement des photos de bonne qualité esthétique et appropriées à une utilisation donnée : photos inspirant de la sympathie à partager en famille, photos dégageant une impression de compétence sur un réseau professionnel

Reconstruction et segmentation d'image 3D de tomographie électronique par approche "problème inverse"

Dans le domaine du raffinage, les mesures morphologiques de particules sont devenues indispensables pour caractériser les supports de catalyseurs. À travers ces paramètres, on peut remonter aux spécificités physico-chimiques des matériaux étudiés. Une des techniques d'acquisition utilisées est la tomographie électronique (ou nanotomographie). Des volumes 3D sont reconstruits à partir de séries de projections sous différents angles obtenues par microscopie électronique en transmission (MET). Cette technique permet d'acquérir une réelle information tridimensionnelle à l'échelle du nanomètre. Les projections sont obtenues en utilisant les possibilités d'inclinaison du porte objet d'un MET. À cause des limitations mécaniques de ce porte objet (proximité avec les lentilles magnétiques et déplacement nanométrique), on ne peut acquérir qu'un nombre assez restreint de projections, celles-ci étant limitées à un intervalle angulaire fixe. D'autre part, l'inclinaison du porte objet est accompagnée d'un déplacement mécanique nanométrique non parfaitement contrôlé. Ces déplacements doivent être corrigés après l'acquisition par un alignement des projections suivant le même axe 3D de rotation. Cette étape est un pré-requis à la reconstruction tomographique. Nous suggérons d'utiliser une méthode de reconstruction tomographique par une approche de type "problème inverse". Cette méthode permet d'aligner des projections et de corriger les lacunes de l'acquisition de l'objet observé en introduisant de façon pertinente des informations a priori. Ces informations sont donc basées à la fois sur la physique de l'acquisition (nature physique des images MET, géométrie et limitation spécifique de l'acquisition des projections, etc...) et sur la nature des objets à reconstruire (nombre et répartition des phases, critères morphologiques de type de connexité, etc...). L'algorithme proposé permet de réaliser la reconstruction nanotomographique avec une grande précision et un temps de calculs réduit considérablement par rapport à la technique classique. Nous avons testé avec succès notre méthode pour les projections réelles de différents supports de catalyseurIn oil refining industry, morphological measurements of particles have become an essential part in the characterization of catalyst supports. Through these parameters, one can infer the specific physicochemical properties of the studied materials. One of the main acquisition techniques is electron tomography (or nanotomography). 3D volumes are reconstructed from sets of projections from different angles made by a transmission electron microscope (TEM). This technique provides a real three-dimensional information at the nanometric scale. Projections are obtained by tilting the specimen port in the microscope. The tilt mechanism has two drawbacks: a rather limited angular range and mechanical shifts, which are difficult to deal with, knowing that these shifts must be corrected after the acquisition by an alignment of projections. This alignment step is a prerequisite for the tomographic reconstruction. Our work deals with a wholly "inverse problem" approach for aligning projections and reducing artifacts due to missing projections by introducing in a relevant way certain a priori informations. These informations are jointly based on the physics of acquisition (physical nature of the TEM images, geometry and specific limitation on the acquisition of projections...) and on the nature of objects to be reconstructed (number and distribution of phases, morphological criteria such as connectivity ...). This approach is described in an algorithmic way. The implementation of this algorithm shows higher precision reconstruction and smaller computation time compared to earlier techniques. We successfully tested our method for real projections of different catalyst supportsST ETIENNE-Bib. électronique (422189901) / SudocSudocFranceF

Reconstitution historique de la croissance de la hauteur dominante des peuplements forestiers mixtes : une approche par photogrammétrie et altimétrie laser

La présente étude avait pour objectif principal d'examiner la validité des tables de rendement dans la prédiction de l'évolution de la hauteur dominante des peuplements mixtes situés dans la région du Lac Duparquet (Abitibi-Témiscaminque, Québec). Plus précisément, nous avons d'abord mesuré la hauteur de la canopée pour la période 1945 à 2003 à partir de modèles numériques de surface (MNS) et de modèle numérique de terrain (MNT) photo-lidar pour ensuite les comparer avec les valeurs prédites par les modèles de Pothier et Savard (1998). Notre étude envisageait également une analyse des facteurs environnementaux qui pourraient affecter le développement des peuplements mixtes et en conséquence, engendrer un biais dans la prédiction de la croissance de la hauteur de ceux-ci. Nous avons réussi à reproduire avec succès les procédures de télédétection, puisque nous avons observé une précision sub-métrique pour les mesures altimétriques des MNS de 1965 et 1983 (0.67 m et 0.60 m respectivement) et une précision d'environ 1.65 m pour 1945. L'erreur quadratique de la hauteur dominante calibrée varie entre 57 cm et 2.12 m et le biais moyen absolu est entre 36 cm à 1.8 m. À partir de l'analyse des changements de la hauteur dominante entre 1945 et 2003, nous avons constaté que les modèles proposés dans Pothier et Savard (1998) prédisent la hauteur dominante avec une grande acuité pour l'ensemble des peuplements étudiés, à l'exception des peuplements mixtes dominés par les résineux. Les erreurs de prédictions étaient en dessous de 10 % pour les peuplements purs (PF : biais = 1.32% (0.27 m), RMSE = 6.61 % (1.36 m); PR : biais = 3.08 % (0,37 m), RMSE : 5.17 % (0.62 m)), et ce, pour les peuplements de dominance feuillue ou résineuse. Pour les peuplements mixtes, cependant, nous avons observé que le modèle a tendance à sous-estimer la hauteur dominante, notamment pour les résineux (MF : biais = -4.67 % (-0.86 m), RMSE = 1l.38 % (2.11 m); MR : biais: -11.92 % (-1.74 m), RMSE: 20.77 % (3.03 m)). Lorsque nous avons analysé le biais de prédiction en utilisant les variables environnementales, nous avons constaté que trois variables ont contribué de manière significative à la prédiction de l'erreur : le nombre d'essences dans la placette, la tolérance à l'ombre de l'essence dominante, ainsi que le temps depuis la dernière perturbation. Ainsi, le problème dans l'estimation de l'évolution de peuplements mixtes résineux semble être lié à de nombreux facteurs qui vont du trait fonctionnel de l'essence dominante (le sapin baumier est tolérant à l'ombre), à la dynamique du peuplement (âge, nombre d'essences, stabilité de la cohorte dominante, effet de la TBE).\ud ______________________________________________________________________________ \ud MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : forêt boréale mixte, modèles de croissance, hauteur dominante, photogrammétrie, altimétrie lase

Méthode d'évaluation fonctionnelle de la gonarthrose par étude de la pseudo-cinématique d'accroupissement

Une discordance existe dans la littérature au sujet de l'utilisation des évidences radiographiques de la gonarthrose pour l’évaluation de la pathologie. En effet, les études qui se sont intéressées à la corrélation existant entre grades radiologiques de la gonarthrose et scores fonctionnels obtenus par questionnaire auto-administré par les patients se sont soldées de conclusions très variables : alors que pour certains, la gonarthrose avancée est synonyme de perte de function importante, d’autres ne trouvent aucun lien entre les deux observations. À la lumière de ces résultats, le diagnostic radiologique seul ne permettait donc pas d’expliquer la fonction du genou. Une mesure quantitative de la fonction articulaire peut être considérée en complément. Plusieurs méthodes d’analyse de la cinématique 3D de l’articulation fémoro-tibiale par imagerie médicale existent. Toutefois, aucune ne permet d’évaluer le genou en charge par le biais d’une mesure fiable (répétabilité et précision) tout en réduisant le préjudice subi par le sujet (exposition à des radiations ionisantes, protocole invasif). L’objectif principal de cette thèse est donc de développer et de valider une méthode d’analyse de la cinématique 3D du genou en charge répondant à ces problématiques. Ensuite, il s’agit de vérifier si l’évaluation radiologique de la gonarthrose enrichie d’une mesure cinématique 3D au genou est plus fortement corrélée au score fonctionnel. Dans la première partie du travail, une méthode de calcul de la pseudo-cinématique fémorotibiale a été développée. Cinq flexions du genou ont été imagées avec le système radiographique biplan basse dose EOS® (0, 15, 30, 45 et 70°) ; la paire de radiographie en extension totale a permis la reconstruction 3D du fémur, du tibia et du péroné. Après la segmentation des contours osseux sur l’ensemble des radiographies, un recalage 2D/3D intrinsèque basé sur l’iterative closest point a permis d’extraire la position relative du tibia par rapport au fémur, d’un angle de flexion au suivant. L’introduction d’un recalage pondéré graduel et du recalage du corps rigide tibia/péroné a permis de diminuer considérablement les erreurs d’estimation des rotations axiales. À l’issue d’études de validation sur dix sujets, l’erreur de mesure moyenne associée à la répétabilité et à la précision est inférieure à 0.4mm et 0.5° et celle due à la sensibilité de la méthode à la reconstruction 3D inférieure à 1.7mm et 1.4°. L’étude de l’adduction (ADD) pseudo-cinématique par analyse de regroupement a permis d’isoler ce paramètre comme un indice radiographique fonctionnel de la gonarthrose : tandis que les asymptomatiques se trouvaient en ADD modérée (<5°) ou en abduction (ABD), les sujets gonarthrosiques tendaient à être en ADD sévère supérieure à 5° (14 patients atteints d’arthrose du compartiment interne du genou, 14 sujets asymptomatiques). En considérant que l’ADD du genou est un facteur de risque pour l’apparition et la progression de la gonarthrose, il a été possible de calculer des grades Kellgren-Lawrence composites pour 28 sujets. Les grades Kellgren-Lawrence originaux ont ainsi été augmentés par l’ADD sévère, diminués par l’ABD. La corrélation des scores fonctionnels KOOS (Knee Ostearthritis Outcome Score) avec ces grades composites s’est révélée légèrement mais non statistiquement supérieure à celle avec les grades Kellgren-Lawrence originels. Dans une dernière partie, le screw-home mechanism pseudo-cinématique a été évalué (7 patients atteints d’arthrose du compartiment interne du genou, 5 sujets asymptomatiques). Alors que les tibias asymptomatiques se trouvaient en rotation externe (9° en moyenne), les tibias arthrosiques se trouvaient en rotation externe plus faible (0-5°). Pour un sujet asymptomatique, un faible ratio des pentes sagittales des plateaux tibiaux et une faible pente sagittale du plateau tibial médial ont été mis en lien à la rotation tibiale interne et des résultats suggéraient l’implication des pentes coronales des plateaux tibiaux sur la rotation externe du tibia. À l’issue de ces travaux de doctorat, une solution technique a été fournie pour l’évaluation précise et répétable de la pseudo-cinématique 3D du genou asymptomatique et gonarthrosique à l’aide du système EOS®. De plus, l’adduction a été isolée comme marqueur fonctionnel radiologique de la gonarthrose et a permis de confirmer l’intérêt à compléter l’évaluation radiologique de la gonarthrose par une telle mesure. L’analyse de la morphologique du genou associée à celle de la fonction a en outre révélé des pistes vers une meilleure comprehension de l’articulation, une évaluation plus complète de la pathologie et plus représentative de la perception qu’en a le sujet atteint