Filtrage anisotrope robuste régi par propagation de fronts : vers une segmentation automatique de volumes IRM

The reliable and accurate segmentation of anatomical volumes (normal or pathological) from imaging systems remains an important goal in the medical information processing because it is the first step in the chain of analysis leading to perform diagnosis to the study of internal structures morphology, for detection and quantification of lesions. Segmentation is a difficult step, especially for MRI images, for which it is primarily performed manually when there are high precision constraints. In this context, the objective of this PhD is the filtering of MRI bony joint of the human body, to achieve efficient and accurate segmentation. The first contribution is the development of a robust iterative 3D anisotropic filtering. This method can diffuse the voxels intensity according to their belonging to two populations: high diffusion for voxels located inside homogeneous regions in order to reduce noise while preventing the diffusion through the transition areas (surfaces). A rigorous comparison of several stopping functions was performed to insert the most relevant one in the iterative model. The threshold parameter splitting these two populations was estimated in an original and effective way in relation to the state of the art. The original diffusion scheme was confronted to the front propagation methods. The identification of these two models, currently separated in the literature, helped to merging the two approaches into a comprehensive anisotropic diffusion scheme governed by a front propagation. This formulation has helped offset the disadvantages of each approach namely i) the difficulty of stopping the iterative diffusion scheme, ii) the difficulty of implementing the level-sets approach facing to prohibitive calculation times. The proposed iterative scheme combines four terms related to diffusion, contrast, initial data, and to the local geometry. In particular, we have shown the importance of the ''geometrical term'' which fixes the problem of the edges discontinuities after filtering. Applications of MRI data of shoulder joints, hip and knee are presented in the testing and validation chapter. The results are given using two evaluation functions concerning edges and regions. These functions demonstrate robustness and accuracy of proposed model in removing noise and preserving edges.La segmentation fiable et précise des volumes anatomiques (normaux ou pathologiques) issus des systèmes d'imagerie reste un objectif important en traitement de l'information médicale car elle constitue le premier maillon de la chaîne d'analyse aboutissant à l'aide au diagnostic par l'étude de la morphologie des structures internes, à la détection et à la quantification de lésion. La segmentation est une étape délicate et difficile, en particulier pour les images IRM, pour lesquelles elle est principalement réalisée manuellement lorsqu'il y a des contraintes fortes de précision. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est le filtrage des images IRM des structures osseuses articulaires du corps humain, en vue d'une aide efficace et précise à la segmentation. Une première contribution concerne le développement d'une méthode itérative de filtrage 3D anisotrope robuste. Elle permet de diffuser l'intensité des voxels selon leur appartenance à deux populations : forte diffusion pour les voxels situés à l'intérieur de régions homogènes afin de réduire le bruit, tout en empêchant cette diffusion de traverser les zones de transition (surfaces). Une comparaison rigoureuse de plusieurs fonctions d'arrêt de cette diffusion a été réalisée afin d'insérer, dans le modèle itératif, la fonction la plus pertinente. Le paramètre seuil partageant ces deux populations a été estimé de manière originale et efficace au regard de l'état de l'art. Ce schéma original de diffusion a été confronté aux méthodes de propagation de fronts. L'identification de ces deux modèles, actuellement dissociés dans la littérature, a permis de fusionner les deux approches en un schéma complet de diffusion anisotrope régie par propagation de fronts. Cette formulation a permis de contrer les désavantages de chacune des approches, à savoir i) la difficulté d'arrêter les schémas itératifs de diffusion, ii) la difficulté de mise en oeuvre des approches level-sets vis-à-vis des temps de calcul prohibitifs. Le schéma itératif proposé combine quatre termes liés à la diffusion, au contraste, aux données initiales et à la géométrie locale. En particulier, nous avons montré l'importance du "terme géométrique" qui remédie aux problèmes des discontinuités des contours après le filtrage. Une application sur données IRM d'articulations d'épaule, de hanche et de genou est présentée dans la partie test et validation. Les résultats sont quantifiés à l'aide de deux fonctions d'évaluation en contours et en régions. Elles démontrent une robustesse et une précision du modèle proposé dans l'élimination du bruit et la préservation des contours.CESSON SEVIGNE-Télécom Breta (350512301) / SudocSudocFranceF

Pied équin de l'enfant (anomalie simple ou complexe de la marche)

L'équin est la déformation orthopédique la plus fréquemment rencontrée au cours de la croissance de l'enfant paralysé cérébral. L'objectif de cette étude a été de simuler un équin chez des enfants sains, au moyen d'une orthèse de cheville, afin d'étudier les conséquences biomécaniques de cette déformation. L'étude a été menée chez 10 enfants sains dans un laboratoire d'analyse du mouvement (VICON) à vitesse de marche imposée de 1m/s. L'orthèse est munie d'un système de réglage permettant une augmentation croissante de l'équin de cheville. Les paramètres spatio-temporels ne se modifient pas significativement quelque soit l'équin. Les modifications cinématiques et dynamiques sont significatives à partir de 10 d'équin imposé. A l'attaque du pas pour un équin maximal, la flexion de genou et de hanche augmentent et légèrement au niveau du pelvis. En phase d'appui, deux adaptations apparaissent au genou: flessum ou récurvatum. Au membre controlatéral, les modifications apparaissent aussi dès 10 d'équin, avec un équin et une diminution de la flexion de genou en phase oscillante. L'effet biomécanique de l'équin isolé semble donc apparaître à partir d'une limitation assez nette de la cheville avec des conséquences homo et controlatérales sur la cinématique des articulations sus-jacentes. L'interprétation des éléments observés chez l'enfant marchant en équin peut donc s'appuyer sur notre travail pour définir les anomalies primaires qu'il faudra prendre en charge par des moyens médicaux ou chirurgicaux.BREST-BU Médecine-Odontologie (290192102) / SudocSudocFranceF

Contribution à l'élaboration d'un espace commun de représentation pour l'analyse morpho-fonctionnelle du membre supérieur (application à l'articulation glénohumérale)

La compréhension des dysfonctionnements locomoteurs est limitée par l'absence de technologie permettant l'analyse dynamique des structures internes et en particulier des segments osseux. Les imageurs tridimensionnels donnent accès à une description précise mais statique de la morphologie osseuse. Les systèmes d'analyse du mouvement par marqueurs externes fournissent quant à eux une information dynamique mais potentiellement empreinte d'erreurs relativement importantes en raison de la présence de tissus mous entre les os et la peau. Dans un premier temps, une étude a été menée pour proposer une méthode de correction des artéfacts des tissus mous lors de l'estimation du mouvement. Une approche surfacique est décrite. Cette méthode repose sur le suivi de la déformation, induite par le déplacement de l'omoplate, d'une nappe de marqueurs à la surface de la peau. Le suivi est réalisé par un algorithme de recalage robuste, l'IMCP. Cet algorithme, développé dans des travaux précédents, a été modifié et adapté de manière à prendre en compte le contexte de l'étude. Les améliorations ont principalement consisté en un post-traitement des données afin d'exploiter au maximum les capacités de mutualisation de l'information de l'algorithme, la prise en compte de l'influence des bords de la nappe de marqueurs et enfin l'optimisation du temps de calcul. Dans un second temps, afin de réaliser une étude morpho-fonctionnelle dans un espace commun de représentation, un protocole spécifique d'acquisition IRM a été mis en place. Celui-ci a pour objectif le recalage des repères locaux propres à l'acquisition morphologique et à celle du mouvement. analyse morpho-fonctionnelle de l'articulation glénohumérale, dans le cas de mouvements empreints d'erreurs, a également nécessité le développement de mesures quantifiant la cohérence articulaire. Les résultats obtenus montrent que l'utilisation d'une nappe de marqueurs recouvrant l'omoplate à la surface de la peau ne permet pas le suivi de l'empreinte de l'os. L'étude sur des simulations conduisent à avancer 2 hypothèses pour expliquer ces résultats : le bruit crée par les tissus mous est trop important et / ou la résolution de la surface de la peau disponible est insuffisante. L'intérêt de tendre vers des méthodes d'acquisition sans marqueurs est ainsi également mis en évidence. L'analyse morpho-fonctionnelle a, quant à elle, mis en évidence l'influence du protocole d'acquisition utilisé sur la cohérence articulaire lors de l'animation des os. Le choix du positionnement des marqueurs sur l'omoplate et sur l'humérus ainsi que la méthode de traitement employée pour reconstruire le mouvement ont ainsi une influence significative sur l'estimation du mouvement des structures osseuses.BREST-BU Droit-Sciences-Sports (290192103) / SudocBREST-Télécom Bretagne (290192306) / SudocSudocFranceF

CONTRIBUTION A L'ETUDE DES MECANISMES DE LA SPASTICITE PAR L'ETUDE DE LA LOCOMOTION ET L'ETUDE ELECTROPHYSIOLOGIQUE DES CONSEQUENCES DE L'ADMINISTRATION INTRATHECALE DE CLONIDINE CHEZ L'HOMME BLESSE MEDULLAIRE

ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Effets de l'infusion intrathécale de baclofène chez l'enfant infirme moteur cérébral marchant

BREST-BU Médecine-Odontologie (290192102) / SudocPARIS-BIUM (751062103) / SudocSudocFranceF

Lack of Proprioceptive Strategy Modulation Leads to At-Risk Biomechanics for Anterior Cruciate Ligament in Healthy Athletes

International audienceIntroduction Anterior cruciate ligament (ACL) injuries are frequent in handball and altered sensory integration may contribute to increased injury risk. Recent evidence showed that proprioceptive postural control strategies differ among athletes. The aim of this study was to evaluate the relationship between proprioceptive strategy and biomechanics during side-cutting manoeuvres.Methods 47 handball players performed anticipated (CUTant) and unanticipated (CUTunant) cutting tasks. Their postural proprioceptive strategy was then characterised according to the perturbation of the centre of pressure displacement generated by the muscle vibration on a firm and foam surface. Individuals able to reweight proprioception from ankle to lumbar signals according to the stability of the support were defined as flexible. Conversely, athletes maintaining an ankle steered strategy on foam surface were characterised as rigid. Statistical Parametric Mapping analysis was used to compare pelvic and lower limb side-cutting kinematics, kinetics and electromyography activity from 7 muscles 200 ms before and after initial contact (IC) using a two-way Analysis of Variance (group×condition).Results 20 athletes (11 females and 9 males, 18.5 years) were characterized as flexible and 20 (12 females and 8 males, 18.9 years) as rigid. No interaction between condition and proprioceptive profile was observed. More ipsilateral pelvic tilt prior IC and lower vastus lateralis (VL) activity immediately after IC was observed during CUTant. When comparing proprioceptive strategy, rigid individuals exhibited less pre-activity of the semitendinosus (P < 0.001) and higher VL activity (P = 0.032). Conversely, rigid showed higher gluteus medius pre-activity (P < 0.05) and higher VL activity 100 ms after IC (P < 0.001). Ankle was also more internally rotated before and during the stance phase (P < 0.05) among rigid athletes.Conclusions Rigid handball players exhibited at-risk determinants for ACL injuries during side-cutting manoeuvres

Comparison of Various Smoothness Metrics for Upper Limb Movements in Middle-Aged Healthy Subjects

Backgound: Metrics for movement smoothness include the number of zero-crossings on the acceleration profile (N0C), the log dimensionless jerk (LDLJ), the normalized averaged rectified jerk (NARJ) and the spectral arc length (SPARC). Sensitivity to the handedness and movement type of these four metrics was compared and correlations with other kinematic parameters were explored in healthy subjects. Methods: Thirty-two healthy participants underwent 3D upper limb motion analysis during two sets of pointing movements on each side. They performed forward- and backward-pointing movements at a self-selected speed to a target located ahead at shoulder height and at 90% arm length, with and without a three-second pause between forward and backward movements. Kinematics were collected, and smoothness metrics were computed. Results: LDLJ, NARJ and N0C found backward movements to be smoother, while SPARC found the opposite. Inter- and intra-subject coefficients of variation were lowest for SPARC. LDLJ, NARJ and N0C were correlated with each other and with movement time, unlike SPARC. Conclusion: There are major differences between smoothness metrics measured in the temporal domain (N0C, LDLJ, NARJ), which depend on movement time, and those measured in the frequency domain, the SPARC, which gave results opposite to the other metrics when comparing backward and forward movements

Comparison of Various Smoothness Metrics for Upper Limb Movements in Middle-Aged Healthy Subjects

Backgound: Metrics for movement smoothness include the number of zero-crossings on the acceleration profile (N0C), the log dimensionless jerk (LDLJ), the normalized averaged rectified jerk (NARJ) and the spectral arc length (SPARC). Sensitivity to the handedness and movement type of these four metrics was compared and correlations with other kinematic parameters were explored in healthy subjects. Methods: Thirty-two healthy participants underwent 3D upper limb motion analysis during two sets of pointing movements on each side. They performed forward- and backward-pointing movements at a self-selected speed to a target located ahead at shoulder height and at 90% arm length, with and without a three-second pause between forward and backward movements. Kinematics were collected, and smoothness metrics were computed. Results: LDLJ, NARJ and N0C found backward movements to be smoother, while SPARC found the opposite. Inter- and intra-subject coefficients of variation were lowest for SPARC. LDLJ, NARJ and N0C were correlated with each other and with movement time, unlike SPARC. Conclusion: There are major differences between smoothness metrics measured in the temporal domain (N0C, LDLJ, NARJ), which depend on movement time, and those measured in the frequency domain, the SPARC, which gave results opposite to the other metrics when comparing backward and forward movements

Building and tracking root shapes.

An algorithm aiming at robust and simultaneous registrations of a sequence of 3-D shapes was recently presented by Jacq et al. [IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 55, no. 5, 2008]. This algorithm has to carry out an implicit representation of their common root shape (RS). A particular emphasis was put on the median consensus shape, which is a specific type of RS. Unlike this previous study, mainly focusing on the algorithm foundations while dealing with very specific applications examples, this paper attempts to show the versatility of the RS concept through a set of three problems involving a wider scope of application. The first problem copes with the design of prosthetic cortical plates for the hip joint. It shows how an explicit reconstruction of the RS, coming with its consensus map, could bring out an intermediary anatomical support from which pragmatic choices could be made, thereby performing a tradeoff between morphological, surgical, and production considerations. The second problem addresses in vivo real-time shoulder biomechanics through a miniature 3-D video camera. This new protocol implicitly operates through RS tracking of the content of virtual spotlights. It is shown that the current medical-oriented protocol, while operating within expert offices through low-cost equipments, could challenge high-end professional equipments despite some limitations of the 3-D video cameras currently available. The last problem deals with respiratory motions. This is an auxiliary measurement required by some medical imaging systems that can be handled as a basic application case of the former new protocol