École Doctorale Sciences Pour l'Ingénieur

242

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Français

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2003

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Murielle Torregrossa

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Publié le

01 juillet 2003

Nombre de lectures

166

Langue

Français

Poids de l'ouvrage

152 Mo

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
École Doctorale Sciences Pour l'Ingénieur THÈSE présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur – Strasbourg I Discipline : Electronique, Electrotechnique, Automatique Spécialité : Traitement d'images par Murielle TORREGROSSA Reconstruction d'images obtenues par tomographie optique dans le proche infrarouge Soutenue publiquement le 1er juillet 2003 Membres du jury Directeur de thèse : M. Patrick POULET, MCU-PH, Université Louis Pasteur, Strasbourg Co-Directeur de thèse : Mme Aline DERUYVER, MCU, Université Robert Schuman, Strasbourg Rapporteur interne : M. Ernest HIRSCH, Professeur, Université Louis Pasteur Strasbourg Rapporteur externe : M. Simon ARRIDGE, Professor, University College London Rapporteur externe : M. Hervé SAINT-JALMES, Professeur, Université Claude Bernard, Lyon Examinateur : M. Christian HEINRICH, MCU, Université Louis Pasteur, Strasbourg Institut de Physique Biologique UMR 7004 ULP/CNRS

strasbourg rapporteur interne

reconstruction d'image

tomographie

jenni pour le fameux pub du soir

strasbourg co-directeur de thèse

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01 juillet 2003

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Français

Poids de l'ouvrage

152 Mo

École Doctorale Sciences Pour l’Ingénieur THÈSE présentée pour obtenir le grade de Docteur de l’Université Louis Pasteur – Strasbourg I Discipline : Electronique, Electrotechnique, Automatique Spécialité : Traitement d'images par Murielle TORREGROSSA Reconstruction d'images obtenues par tomographie optique dans le proche infrarouge er Soutenue publiquement le 1 juillet 2003 Membres du jury Directeur de thèse :Patrick POULET, MCU-PH, Université Louis Pasteur, Strasbourg M. Co-Directeur de thèse : Mme Aline DERUYVER, MCU, Université Robert Schuman, Strasbourg Rapporteur interne :Ernest HIRSCH, Professeur, Université Louis Pasteur Strasbourg M. Rapporteur externe :Simon ARRIDGE, Professor, University College London M. Rapporteur externe :Hervé SAINT-JALMES, Professeur, Université Claude Bernard, Lyon M. Examinateur : M. Christian HEINRICH, MCU, Université Louis Pasteur, Strasbourg Institut de Physique Biologique UMR 7004 ULP/CNRS

A mes parents, A Laurence, Alexandre et Maxime, A Bruno

Le passé nous fait nous souvenir des gens d'autrefois à qui nous devons ce que nous sommes, à qui nous devons tant d'estime, gens simples, peut-être, mais d'une si grande richesse humaine, bien souvent.

Edouard BLED

Je tiens à exprimer toute ma reconnaissance à Monsieur Ernest HIRSCH, Professeur à l'Université Louis Pasteur de Strasbourg, Monsieur Simon ARRIDGE, Professeur à l'University College London, Monsieur Hervé SAINT-JALMES, Professeur à l'Université Claude Bernard de Lyon et à Monsieur Christian HEINRICH, Maître de Conférence à l'Université Louis Pasteur de Strasbourg qui ont accepté de juger mon travail et de siéger dans le jury de cette thèse. Je tiens à remercier Monsieur Patrick POULET et Madame Aline DERUYVER qui ont initié

et guidé ce travail. Je leur suis reconnaissante pour leur soutien constant et la confiance qu'il m'ont témoignée. Messieurs les Professeurs Daniel GRUCKER et Daniel MATHIOT, je vous remercie pour m'avoir permis d'effectuer mes travaux de recherche au sein de vos laboratoires. Je remercie également, les personnes qui m'ont épaulée tout au long de ces années : •Virginie Zint qui a réalisé le premier Tomographe Optique et qui a si souvent répondu aux questions concernant la partie expérimentale et rédigé ma première publication. •Renée Chabrier pour toutes les manipulations qu'elle a effectuées afin d'obtenir nos belles reconstructions, son soutien et son attention. •Martin Schweiger pour avoir pris le temps de répondre à mes nombreuses questions tant théoriques qu'informatiques. •Monsieur le Professeur Bernard Cunin qui m'a accueillie lors de mon stage de DEA et m'a permis de m'initier à la tomographie. •Nathalie Heider et Jason Riley qui ont corrigé mes articles en anglais. Merci également à tous ceux qui, par leur présence et leur bonne humeur, ont su mettre un peu de gaieté à certaines journées grises, notamment Blandine, Nathalie, Catherine, Alain, Bruno et Jean-Paul de l'IPB, ainsi que Mounir et Yann du PHASE. Je tiens aussi à exprimer ma gratitude et mon profond respect, à toute l'équipe de tomographie optique de l'University College London, qui m'a si chaleureusement accueillie, Jan pour nos longues discussions, Kathlen, Thanasis, Dany, Phil et Jenni pour le fameux pub du soir.

Et je n'oublie pas l'IUT d'informatique où j'ai effectué mes premières heures d'enseignement, et en particulier Christiane, Eliane, Dominique, Nicolas, Roland, Cédric, Marie-Paule… Finalement, je souhaite remercier mes parents, Laurence ainsi que Bruno, pour leur soutien, leurs encouragements et leur confiance, tout au long de ces années, même pendant les moments difficiles. Vous avez tous contribué soit au niveau scientifique soit simplement par votre écoute et votre amitié à la réalisation de cette thèse.

28 29 30 32 34 35 37

14 16 18 20 24 26

1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 2. 2.1.

TABLE DES MATIERES

Introduction 1. Historique

2.1.2. La diffusion 2.2. Les propriétés optiques de différents tissus 2.2.1. L'eau 2.2.2. L'hémoglobine 2.3. Informations fournies par les propriétés optiques

La radiographie aux rayons X La tomographie de rayons X L'échographie La résonance magnétique nucléaire La médecine nucléaire Récapitulatif des méthodes existantes Imagerie des tissus biologiques Les propriétés optiques générales 2.1.1. L'absorption

3. Instrumentation et application des techniques optiques 3.1. Les différentes géométries 3.1.1. Système à une source et un détecteur 3.1.2. Système à plusieurs sources et plusieurs détecteurs 3.2. Les différents types de source et détecteur 3.2.1. Source continue en intensité

3.3. 4. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6.

3.2.2. Source modulée en intensité 3.2.3. Système résolu en temps Le système expérimental 3.3.1. L'objectif 3.3.2. La source 3.3.3. Le système de détection 3.3.4. Les objets Transport de photons en milieu diffusant L'approximation de diffusion. Solutions analytiques de l'équation de diffusion La méthode de Monte Carlo La méthode des éléments finis. Programmation de la méthode des éléments finis Caractérisation de la TPSF

4.6.1. Contrainte 1

4.6.2. Contrainte 2

4.6.3. Contrainte 3

4.6.4. Contrainte 4 4.6.5. Contrainte 5 4.6.6. Discussion

40 40 43 47 48 49 50 52 52 53 53 55

58 68 69 71 75 80 81 81 83 83 85 85

5. 5.1. 5.2. 5.3. 5.4.

6. 6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5. 7. 7.1. 7.2. 7.3.

Initialisation de la reconstruction d'images Présentation du problème direct et du problème inverse Résolution du problème inverse 5.2.1. Les méthodes de Newton 5.2.2. Les méthodes de gradient Détermination des propriétés optiques d'un objet homogène 5.3.1. Algorithmes génétiques 5.3.2. Algorithmes de descente de gradient Le maillage 5.4.1. Maillage régulier

5.4.2. Maillage régulier en quinconce

5.4.3. Maillage irrégulier

Optimisation des paramètres de la reconstruction d'images Algorithme de reconstruction d'image Etude des différents paramètres de reconstruction. Optimisation du coefficient de convergence Influence des paramètres initiaux Conclusion de ce chapitre Améliorations du maillage Informations issues de l'IRM Reconstruction par régions Maillage adaptatif

89 90 93 98 100 101 105 110 110 111 112

119

120 125 145 156 165

167

168 177 185

8. Validation Expérimentale 8.1. Caractéristiques d'un objet test 8.2. Ajustement des paramètres initiaux 8.3. Reconstructions 8.3.1. Reconstructions à partir des paramètres estimés 8.3.2. Reconstructions à partir des paramètres biaisés Conclusion 9. Bibliographie 10. Publications et Communications 11. Annexe 1 : Notions mathématiques 12. Annexe 2 : Interface de simulation 13. Annexe 3 : Interface de reconstruction

193

194 196 197 197 199

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