Differential Evolution to Optimize Hidden Markov Models Training: Application to Facial Expression Recognition

The base system in this paper uses Hidden Markov Models (HMMs) to model dynamic relationships among facial features in facial behavior interpretation and understanding field. The input of HMMs is a new set of derived features from geometrical distances obtained from detected and automatically tracked facial points. Numerical data representation which is in the form of multi-time series is transformed to a symbolic representation in order to reduce dimensionality, extract the most pertinent information and give a meaningful representation to humans. The main problem of the use of HMMs is that the training is generally trapped in local minima, so we used the Differential Evolution (DE) algorithm to offer more diversity and so limit as much as possible the occurrence of stagnation. For this reason, this paper proposes to enhance HMM learning abilities by the use of DE as an optimization tool, instead of the classical Baum and Welch algorithm. Obtained results are compared against the traditional learning approach and significant improvements have been obtained.</p

Validation et implémentation des descripteurs de l'hydratation et des propriétés mécaniques du stratum corneum ex vivo et in vivo

La peau est l organe le plus grand du corps humain et représente ~10% de la masse corporelle. La bonne qualité de son état et de ses fonctionnalités est primordiale pour la santé d un individu. La sécheresse cutanée constitue un phénomène commun dans différents dysfonctionnements physiopathologiques. Grâce à ses propriétés de protection de l organisme vis-à-vis de son environnement, le stratum corneum (SC) est considéré comme le principal élément contrôlant l hydratation. Ce travail de thèse, associant des développements techniques et méthodologiques, a conduit à la mise en évidence par microspectroscopie Raman confocale, des mécanismes moléculaires impliqués dans les phénomènes de sécheresse cutanée. Le lien moléculaire entre hydratation et stress mécanique du SC ex vivo est décrit de manière approfondie impliquant lipides et protéines tissulaires. Ces travaux ont également porté sur la caractérisation des modifications supramoléculaires responsables des déformations du SC sous stress mécanique. En parallèle, ce travail illustre l intérêt des spectroscopies vibrationnelles comme outil d évaluation des mécanismes d action des produits hydratants.Le caractère non-invasif de la spectroscopie Raman a permis d exploiter les fortes potentialités de cette technique en transposant in vivo l utilisation des descripteurs spectraux obtenus ex vivo. Ainsi, nous avons développé une approche in vivo couplant la spectroscopie Raman et la méthode des moindres carrés partiels (PLS) pour la quantification indirecte de différents paramètres physico-chimiques et fonctionnels du SC y compris les lipides et l eau conduisant à une caractérisation globale du statut physiopathologique du SC.The skin is the largest organ of the human body, accounting for ~10% of the body weight. The quality of its state and functionality is essential for the human health. Dry skin is a common phenomenon in various physiopathological dysfunctions. The uppermost layer of the skin, the stratum corneum assumes the first barrier between organism and environment, it is thus considered as the main element controlling skin hydration. This work, combining technical and methodological developments, led to highlight the molecular mechanisms involved in skin dryness phenomena by confocal Raman microspectroscopy. The molecular link between hydration and mechanical stress of SC ex vivo is described in detail involving lipids and proteins. This work has also focused on the characterization of supramolecular changes related to the deformations of the SC under mechanical stress. In parallel, this work illustrates the effectiveness of vibrational spectroscopy for evaluation of moisturizers mechanisms of action. The non-invasive nature of Raman spectroscopy allowed exploiting the high potential of this technique by transposing spectral descriptors obtained ex vivo to in vivo. Thus, we developed an in vivo approach coupling Raman spectroscopy and partial least squares method (PLS) for indirect quantification of different physico-chemical and functional parameters including the SC lipids and water leading to an overall characterization of the SC physiopathological status.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Biochemical fingerprint of colorectal cancer cell lines using label-free live single-cell Raman spectroscopy

Label-free live single-cell Raman spectroscopy was used to obtain a chemical fingerprint of colorectal cancer cells including the classification of the SW480 and SW620 cell line model system, derived from primary and secondary tumour cells from the same patient. High-quality Raman spectra were acquired from hundreds of live cells, showing high reproducibility between experiments. Principal component analysis with linear discriminant analysis yielded the best cell classification, with an accuracy of 98.7±0.3% (standard error) when compared to discrimination trees or support vector machines. SW480 showed higher content of the disordered secondary protein structure amide III band, whereas SW620 showed larger α-helix and β-sheet band content. The SW620 cell line also displayed higher nucleic acid, phosphates, saccharide, and CH2 content. HL60, HT29, HCT116, SW620 and SW480 live single-cell spectra were classified using PCA/LDA with an accuracy of 92.4±0.4% (standard error), showing differences mainly in the β-sheet content, the cytochrome C bands, the CH-stretching regions, the lactate contributions and the DNA content. The lipids contributions above 2900 cm-1 and the lactate contributions at 1785 cm-1 appeared to be dependent on the colorectal adenocarcinoma stage, the advanced stage cell lines showing lower lipid and higher lactate content. The results demonstrate that these cell lines can be distinguished with high confidence, suggesting that Raman spectroscopy on live cells can distinguish between different disease stages, and could play an important role clinically as a diagnostic tool for cell phenotyping

Validation et implémentation des descripteurs de l’hydratation et des propriétés mécaniques du stratum corneum ex vivo et in vivo

The skin is the largest organ of the human body, accounting for ~10% of the body weight. The quality of its state and functionality is essential for the human health. Dry skin is a common phenomenon in various physiopathological dysfunctions. The uppermost layer of the skin, the stratum corneum assumes the first barrier between organism and environment, it is thus considered as the main element controlling skin hydration. This work, combining technical and methodological developments, led to highlight the molecular mechanisms involved in skin dryness phenomena by confocal Raman microspectroscopy. The molecular link between hydration and mechanical stress of SC ex vivo is described in detail involving lipids and proteins. This work has also focused on the characterization of supramolecular changes related to the deformations of the SC under mechanical stress. In parallel, this work illustrates the effectiveness of vibrational spectroscopy for evaluation of moisturizers mechanisms of action. The non-invasive nature of Raman spectroscopy allowed exploiting the high potential of this technique by transposing spectral descriptors obtained ex vivo to in vivo. Thus, we developed an in vivo approach coupling Raman spectroscopy and partial least squares method (PLS) for indirect quantification of different physico-chemical and functional parameters including the SC lipids and water leading to an overall characterization of the SC physiopathological status.La peau est l’organe le plus grand du corps humain et représente ~10% de la masse corporelle. La bonne qualité de son état et de ses fonctionnalités est primordiale pour la santé d’un individu. La sécheresse cutanée constitue un phénomène commun dans différents dysfonctionnements physiopathologiques. Grâce à ses propriétés de protection de l’organisme vis-à-vis de son environnement, le stratum corneum (SC) est considéré comme le principal élément contrôlant l’hydratation. Ce travail de thèse, associant des développements techniques et méthodologiques, a conduit à la mise en évidence par microspectroscopie Raman confocale, des mécanismes moléculaires impliqués dans les phénomènes de sécheresse cutanée. Le lien moléculaire entre hydratation et stress mécanique du SC ex vivo est décrit de manière approfondie impliquant lipides et protéines tissulaires. Ces travaux ont également porté sur la caractérisation des modifications supramoléculaires responsables des déformations du SC sous stress mécanique. En parallèle, ce travail illustre l’intérêt des spectroscopies vibrationnelles comme outil d’évaluation des mécanismes d’action des produits hydratants.Le caractère non-invasif de la spectroscopie Raman a permis d’exploiter les fortes potentialités de cette technique en transposant in vivo l’utilisation des descripteurs spectraux obtenus ex vivo. Ainsi, nous avons développé une approche in vivo couplant la spectroscopie Raman et la méthode des moindres carrés partiels (PLS) pour la quantification indirecte de différents paramètres physico-chimiques et fonctionnels du SC y compris les lipides et l’eau conduisant à une caractérisation globale du statut physiopathologique du SC

Validation and implementation of hydration and mechanical descriptors of stratum corneum ex vivo and in vivo

La peau est l’organe le plus grand du corps humain et représente ~10% de la masse corporelle. La bonne qualité de son état et de ses fonctionnalités est primordiale pour la santé d’un individu. La sécheresse cutanée constitue un phénomène commun dans différents dysfonctionnements physiopathologiques. Grâce à ses propriétés de protection de l’organisme vis-à-vis de son environnement, le stratum corneum (SC) est considéré comme le principal élément contrôlant l’hydratation. Ce travail de thèse, associant des développements techniques et méthodologiques, a conduit à la mise en évidence par microspectroscopie Raman confocale, des mécanismes moléculaires impliqués dans les phénomènes de sécheresse cutanée. Le lien moléculaire entre hydratation et stress mécanique du SC ex vivo est décrit de manière approfondie impliquant lipides et protéines tissulaires. Ces travaux ont également porté sur la caractérisation des modifications supramoléculaires responsables des déformations du SC sous stress mécanique. En parallèle, ce travail illustre l’intérêt des spectroscopies vibrationnelles comme outil d’évaluation des mécanismes d’action des produits hydratants.Le caractère non-invasif de la spectroscopie Raman a permis d’exploiter les fortes potentialités de cette technique en transposant in vivo l’utilisation des descripteurs spectraux obtenus ex vivo. Ainsi, nous avons développé une approche in vivo couplant la spectroscopie Raman et la méthode des moindres carrés partiels (PLS) pour la quantification indirecte de différents paramètres physico-chimiques et fonctionnels du SC y compris les lipides et l’eau conduisant à une caractérisation globale du statut physiopathologique du SC.The skin is the largest organ of the human body, accounting for ~10% of the body weight. The quality of its state and functionality is essential for the human health. Dry skin is a common phenomenon in various physiopathological dysfunctions. The uppermost layer of the skin, the stratum corneum assumes the first barrier between organism and environment, it is thus considered as the main element controlling skin hydration. This work, combining technical and methodological developments, led to highlight the molecular mechanisms involved in skin dryness phenomena by confocal Raman microspectroscopy. The molecular link between hydration and mechanical stress of SC ex vivo is described in detail involving lipids and proteins. This work has also focused on the characterization of supramolecular changes related to the deformations of the SC under mechanical stress. In parallel, this work illustrates the effectiveness of vibrational spectroscopy for evaluation of moisturizers mechanisms of action. The non-invasive nature of Raman spectroscopy allowed exploiting the high potential of this technique by transposing spectral descriptors obtained ex vivo to in vivo. Thus, we developed an in vivo approach coupling Raman spectroscopy and partial least squares method (PLS) for indirect quantification of different physico-chemical and functional parameters including the SC lipids and water leading to an overall characterization of the SC physiopathological status