Quelques travaux présentés lors de journées de doctorants

 

Authentication of medical images transformed by a fusion-based processing chain

Ameen Al Majzoub (stagiaire)

We define the notion of information traceability as the ability to ensure a continuous protection of data, including integrity checking and proofs of information origin/authenticity. In the field of medical information, the lifecycle of images stemming from clinical examination possibly include various processing stages, aiming at providing to physicians additional information to help them with the diagnosis task. This study focuses on the problem of tracing brain images through a multimodal fusion process that provides a synthetic image holding both morphological (extracted from MRI) and functional information (extracted from a SPECT image).

We studied the following questions: how to insert an authenticity code (e.g. DICOM UID) into the images, using and adapting watermarking principles, in a way that takes into account known features of each processing stage, in order to transmit a trace of this identifier all along the fusion process.


Approche ethnologique dans la conception et l’évaluation d’un outil de réminiscence dans le cas de la maladie d’Alzheimer et des handicaps de mémoire

Marine Guyomar

Inscrit dans une méthode de co-construction, ce projet de thèse propose une démarche originale associant Sciences Humaines et Sociales et Sciences de  l’Ingénieur. Cette union se concrétise par un partenariat scientifique entre le département d’Ethnologie de l’Université de Bretagne Occidentale (UBO) et  l’Institut Télécom – Télécom Bretagne.

Cet outil, « aide mémoire visuel », est construit à partir d’un cadre photo numérique. L’intérêt majeur de ce support de communication réside dans sa fonction d’adaptation, de portabilité et de son prix accessible.

Différentes thématiques interviennent dans la construction de la problématique. Tout d’abord, la question d’éthique inhérente au projet. Ce travail doit s’effectuer en collaboration avec les personnes atteintes de la Maladie d’Alzheimer, les familles ainsi qu’avec le personnel aidant (psychologues, médecins, infirmières et aides soignantes) dans différentes configurations : long séjour, résidences familiales.

Dans ce travail de recherche nous questionnerons donc les diverses représentations sociales directement imputées aux personnes atteintes de cette pathologie afin de comprendre les enjeux de l’utilisation d’un tel outil.

Il sera question de la mise en place d’un tel outil et des améliorations possibles des conditions de vie sur le plan de la personne atteinte de la maladie d’Alzheimer que sur le plan de son entourage.

La question de la communication sera abordée. Souvent pensée comme échange verbal, nous nous attacherons à redéfinir cette notion en considérant notamment la communication non verbale, les différents supports de communication et principalement la communication par l’image.

Dans un souci de distanciation par rapport à l’objet d’étude, il me semble important d’étudier les possibilités d’un tel outil auprès d’un autre public, celui-ci composé d’enfants  handicapés mentaux aux capacités d’abstraction réduites, qui s’appuient surtout sur des apprentissages par cœur  dans les comportements. Le fonctionnement de la mémoire étant distinct d’un public à un autre, il sera utile de comparer deux processus d’appropriation de l’outil.

Après les phases de questionnements, de diagnostic et de constat de l’existant, nous pourrons construire un cahier des charges pour le contenu et la conception de l’interface.

La maquette, réalisée lors de mon stage de Mastère 2 Développement de Projets et Tourisme Culturel au département ITI, présente de nombreux défauts mais permet cependant d’illustrer les difficultés méthodologiques auxquelles nous pouvons être confrontés. (Notamment concernant le problème des perceptions et interprétations qui peuvent différer selon la culture, les normes et valeurs de chacun et également relatifs à la pathologie.)

La méthodologie appliquée se compose essentiellement d’enquêtes de terrain et donc en cela d’un travail d’observation participante.


Modélisation de l'interaction onde radar/océan par méthode TLM

Thibaut Lurton

L'objectif du travail de recherche est une simulation de la réponse de petites zones de surface de mer à un signal radar incident en vue de l'utilisation de cette signature pour la génération d'une carte de réflectivité à grande échelle.

Notre simulation s'articule en deux volets : d'une part, la propagation de l'onde électromagnétique depuis l'antenne jusqu'à la surface de l'eau est assurée par simple calcul géométrique, et d'autre part, à proche distance de la surface, un module numérique prend le relai du calcul pour calculer la réflexion de l'onde par la surface (point nodal de la propagation). Ceci permet de limiter considérablement le temps de calcul, en restreignant la zone de calcul numérique effectif au strict nécessaire.

La surface de mer simulée est, avant tout calcul, synthétisée à partir d'un modèle spectral. On vient placer cette réalisation de surface de petites dimensions (typiquement un mètre de côté) dans un espace discrétisé, et le calcul du champ propagé se fait par la méthode TLM (Transmission Line Matrix) sur ce maillage. La méthode TLM est héritée du domaine des micro-ondes, et consiste en une progression discrète en temps de l'énergie sur un maillage de l'espace. Elle est précise, relativement rapide et efficace. Par le biais d'objets fictifs de la théorie électromagnétique (surfaces de Huygens et Kirchhoff), on peut assurer le basculement du lancer de rayon à la zone TLM, et inversement, ce qui permet de simuler l'évolution du champ retourné à l'antenne. (Ces techniques de passage ont été élaborées et validées au département micro-ondes de Télécom Bretagne.)

À l'aide de la méthode de propagation TLM et du lancer de rayons, on peut espérer simuler la réponse radar d'un petit patch de mer. En opérant la simulation pour différents angles d'incidence, différentes réalisations de mer, et différents états de mer, on projette de générer une banque de réponses canoniques de ces patches. Ces réponses « toutes faites » seraient utilisées par la suite pour composer une carte de réflectivité d'une grande zone de mer (kilométrique), simulant l'obtention d'une image radar à synthèse d'ouverture. Pour cela, il importe que la taille des patches corresponde à celle d'une cellule de résolution RSO (~ métrique).


Projet MOPS : Marine Opportunity Passive Systems

Sarab Tay

La recherche océanographique se développe de plus en plus. L'un des domaines d'étude les plus actifs est la surveillance et la télédétection de la surface de l'océan. Ces dernières années, plusieurs scientifiques et groupes de recherche travaillent afin d'obtenir des mesures précises de plusieurs paramètres océanographiques, en s’appuyant sur des systèmes radar dédiés à la réflectométrie.

En effet, les signaux réfléchis par la surface des océans constituent une source très riche d'informations océanographiques avancées : ces signaux sont affectés par la rugosité de l'eau, les mouvements des courants, les propriétés diélectriques, et l'altimétrie de la surface de l'océan. C'est pourquoi, ils peuvent être utilisés à des fins de télédétection. Ainsi, la hauteur des vagues, la vitesse et la direction du vent peuvent être déterminés à partir des caractéristiques de rugosité de la surface. En outre, l'évolution scientifique dans le domaine spatial, en particulier dans les systèmes de navigation, a fourni une aide décisive en ce qui concerne la télédétection de la surface de l'océan. Ainsi, les systèmes de navigation par satellites (GNSS : Global Navigation Satellite Systems), tels que GPS, GLONASS et le futur Galileo ne seront pas seulement utilisés à des fins de positionnement, mais peuvent aussi servir à la surveillance de la surface de l'océan. L'utilisation des signaux GNSS constitue potentiellement une technologie puissante et innovante pour la télédétection : une large couverture, réception passive, précise, à long terme, par tous les temps et pour des usages multiples (un exemple d'application dans la détection de cible terrestre est donné dans). Dans cet article, nous allons étudier la faisabilité d'un système passif au voisinage de la surface de la mer pour des études océanographiques, en utilisant des outils de traitement du signal réfléchi. Ce travail s'inscrit dans un projet intitulé Marine Opportunity Passive Systems (MOPS).


Analyse de l'anomalie Doppler d'un radar à ouverture synthétique : estimation des courants de surface océaniques

Céline Danilo

Suite aux travaux de [Chapron 04, Chapron 05], la fréquence Doppler centroïde utilisée classiquement par le radar à ouverture synthétique pour obtenir des acquisitions de haute résolution est analysée d'un point de vue géophysique.

Le mouvement relatif de la Terre par rapport à la plate-forme satellite est responsable de cette fréquence Doppler. Théoriquement, elle est modélisable en connaissant les positions et vitesses de la plate-forme par rapport à la Terre. La différence entre la fréquence Doppler centroïde mesurée par l'instrument et celle prédite est alors associée aux mouvements de la surface océanique par rapport à la Terre. L'anomalie Doppler définie comme la différence entre la fréquence Doppler centroïde et la fréquence Doppler prédite est convertie en une vitesse de surface. Cette vitesse de surface résulte principalement de l'effet du vent à la surface [Chapron 05]. Les recherches présentées ici concernent la possibilité d'en extraire une information de courant de surface.

La principale difficulté de cette recherche réside dans la l'extraction de la contribution du courant par rapport aux autres contributions prenant part à la génération de la vitesse de surface. La contribution du vent est majoritaire par rapport à celle du courant potentiellement présente dans l'anomalie Doppler. Différentes études basées sur une vitesse de surface de courant calculée au moyen d'une technique similaire au SAR ont depuis quelques années mis en avant la complexité de cette opération ([Ainsworth 95, Graber 96, Shemer 93]). Pour ces études, les méthodes proposées se sont heurtées a un manque de données pour la validité des approches. La méthode proposée ici s'appuie sur les hypothèses suivantes : le courant sur la surface d'estimation de la fréquence Doppler est constant ; et la vitesse de surface résulte des actions du vent et du courant uniquement.

En conséquence, la vitesse de surface résulte de la somme des contributions des vagues et du courant. Les nombreuses acquisitions disponibles à partir du SAR embarqué sur ENVISAT donnent à cette étude une dimension nouvelle par rapport aux précédentes recherches. La contribution moyenne de l'état de mer en fonction de la direction et de l'intensité du vent repose sur ces nombreuses données. En effet, un ajustement moyen de cette contribution a été réalisé grâce à un réseau de neurones qui nécessite un minimum de valeurs pour son apprentissage ([Collard 08]). La contribution du courant à l'anomalie Doppler est alors obtenue au moyen d'une simple soustraction. Les vitesses de surface théoriquement associées au courant sont alors appelées vitesses résiduelles.

Le travail réalisé dans cette thèse touche principalement quatre points. Le premier concerne le traitement de l'anomalie Doppler dans le but de ne considérer que la partie géophysique de cette information. En effet, une part instrumentale est incluse et apparaît lorsque, par exemple, les attitudes de la plate-forme satellite ne sont pas prises en compte lors de la modélisation de la fréquence Doppler. Le dépointage de l'antenne induit alors une fréquence additionnelle non géophysique qui doit être ôtée de l'anomalie Doppler dans le but d'analyser uniquement sa signature géophysique.

Le deuxième point suppose que l'anomalie Doppler est l'entière conséquence des mouvements de surface océanique. Des comparaisons sont alors effectuées entre les mesures de courants classiques et les vitesses résiduelles obtenues afin d'examiner les potentialités de l'anomalie Doppler pour mesurer le courant.

Le troisième point montre l'influence de l'angle d'incidence sur l'extraction d'une mesure de courant à partir de l'anomalie Doppler. Les mécanismes de rétrodiffusion sont modifiés en fonction de l'incidence. Ces changements se répercutent également sur les contributions relatives du courant dans l'anomalie Doppler.

Enfin un dernier point examine quelques cas où l'hypothèse émise pour extraire le courant n'est plus vérifiée. C'est par exemple le cas lorsque l'estimation de la fréquence Doppler est réalisée sur une zone où le courant varie. L'anomalie Doppler traduit alors une information plus complexe que les précédents cas étudiés.


Segmentation d'images pour l'interprétation de l'anatomie fonctionnelle

Refka Ragoubi Hor

Contexte

Cette thèse s’effectuera au sein du LaTIM, dans l’Equipe Mouvement Intégrant l’Imagerie (EM2I). Cette équipe, menée par le Professeur Rémy-Néris a mis en place une plateforme de recherche technologique composée:

  • d'un laboratoire d'analyse du mouvement par capteurs externes
  • d'une unité d'imagerie par un partenariat fort avec l'hôpital d'instruction des armées de Brest.

Les travaux ainsi soutenus ont permis de mettre en place des techniques de mesure du mouvement au niveau de l’épaule et du membre supérieur et de créer un espace permettant de confronter l’imagerie 3D osseuse et la mesure du mouvement. Toutefois, l’usage de cet espace original est limité par la lenteur d’obtention d’une reconstruction 3D précise issue de moyens d’exploration non irradiant comme l’IRM. La définition des volumes osseux et des rapports articulaires est une étape cruciale de compréhension des phénomènes tant pathologiques que physiologiques concernant la mobilité des structures osseuses entre elles. Si de nombreuses données restent inconnues dans la biomécanique des membres, la connaissance précise des rapports entre forme osseuse et fonction est un enjeu crucial de nombreux traitements tant médicaux que chirurgicaux. Une segmentation correcte et rapide de l’épaule à partir des moyens usuels d’exploration en médecine permettra donc de développer la précision des gestes thérapeutiques.

Description

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’étude de la morphologie des structures internes, et la détection et quantification des lésions. Un grand nombre de méthodes de segmentation ont été proposées depuis de nombreuses années.

Cette thèse aborde deux problématiques. La première concerne le filtrage et la segmentation des images IRM. Les objets qui nous intéressent sont les structures osseuses impliquées dans les articulations.

La deuxième problématique est la validation des résultats de segmentation qui doit bien sûr prendre en compte l’avis de l’expert médical mais aussi se fonder sur des critères objectifs à définir.Les résultats attendus sont multiples, à la fois méthodologiques et appliqués : 

  • implémentation d’une méthode de filtrage aboutissant à un volume presque segmenté de l’anatomie osseuse,
  • proposition d’un ou plusieurs "setup" optimisé de paramètres donnant de bons résultats sur les images IRM au sens des critères objectifs définis,
  • tests de cette méthode sur d’autres modalités.

Mots clé : Segmentation, IRM, Imagerie médicale.


Estimation de mouvement à partir d’acquisitions EOS et étude de la fonctionnalité associée

Taha Jerbi

Contexte :

Les pathologies de l'appareil locomoteur constituent la cause la plus commune de douleurs sévères à long terme et d’incapacité physique permanente ; elles affectent des centaines de millions de personnes dans le monde. Une meilleure compréhension des désordres de ce système, ainsi que de meilleures pratiques de prévention, de diagnostic et de rééducation constituent le premier objectif de la « Bone and joint decade 2000-2010 » créée par l’OMS. Que ce soit pour l’enfant ou l’adulte, la radiologie conventionnelle de face effectuée en position debout constitue l’examen d’imagerie le plus courant pour l’analyse et le suivi de ces pathologies puisqu’elle répercute les phénomènes de mise en charge de l’articulation. Pourtant, cet examen n’est qu’une projection 2D de structures tridimensionnelles et ne permet donc pas d’évaluer correctement les rotations interarticulaires ou les torsions osseuses qui sont des paramètres primordiaux dans le cas du suivi et de la prise en charge thérapeutique des pathologies déformatives. De plus, le résultat de cette projection radiographique est sensible au positionnement du patient lors de la prise de cliché.

C’est pourquoi l’arrivée de systèmes radiographiques permettant d’accéder à la 3ème dimension, en respect du protocole radiologique classique, sans radiation additionnelle ni surcoût, constitue une avancée dans la prise en charge des conséquences fonctionnelles des pathologies de l’appareil locomoteur. Le système de radiographies bi-planaires base dose (EOS) conçu et développé par Biospacemed est actuellement le seul système proposant une acquisition face et profil, tête au pied, avec le sujet en position d'équilibre naturel, et permettant une reconstruction 3D personnalisée du squelette en charge du patient.

Description :

L’objet de cette thèse est de compléter cette connaissance de la morphologie osseuse tridimensionnelle par une connaissance de la cinématique associée, en intégrant une composante dynamique au protocole d’acquisition EOS. Le travail sera réalisé en trois étapes. Dans un premier temps, on se basera sur les reconstructions 3D de plusieurs acquisitions statiques et l’on estimera le mouvement des structures rigides par recalage 3D. Dans ce domaine des travaux ont été développés au LaTIM depuis une dizaine d’années et serviront de base pour le développement de nouveaux algorithmes.

Dans un second temps, il s’agira d’estimer le mouvement par recalage d'une seule reconstruction 3D et des radiographies bi-planes successives de plusieurs positions.

Ces deux premières étapes devront être validées au niveau fonctionnel, notamment par des techniques d’analyse du mouvement, et grâce aux travaux de l’EM2I (Equipe Mouvement Intégrant l’Imagerie) du LaTIM et de sa plate-forme d’acquisition du mouvement. Enfin, après validation des étapes précédentes, il s’agira de mettre en place un protocole dynamique permettant d’insérer dans le protocole classique d’acquisition EOS les outils de recalage développés en amont. Une étude de l’influence du nombre de positions sur la précision et la robustesse du mouvement obtenu complétera la validation du protocole d’acquisition dynamique.Les résultats de ces travaux de recherche contribueront ainsi à répondre au besoin très important et non satisfait de visualisation, d’analyse et de quantifications fonctionnelles de l’appareil locomoteur humain.

Mots clés : Recalage, radiographie, cinématique, protocole dynamique.
 

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