Simulation of stromatolite growth using diffusion-limited aggregation and a discrete model of biogeochemical exchanges in microbial mat

Resume : Mieux comprendre les stromatolithes et les tapis microbiens est un sujet important en biogéosciences puisque cela aide à l'étude des premières formes de vie sur Terre, a mieux cerner l'écologie des communautés microbiennes et la contribution des microorganismes a la biominéralisation, et même à poser certains fondements dans les recherches en exobiologie. D'autre part, la modélisation est un outil puissant utilisé dans les sciences naturelles pour appréhender différents phénomènes de façon théorique. Les modèles sont généralement construits sur un système d'équations différentielles et les résultats sont obtenus en résolvant ce système. Les logiciels disponibles pour implémenter les modèles incluent les logiciels mathématiques et les logiciels généraux de simulation. L'objectif principal de cette thèse est de développer des modèles et des logiciels pour aider a comprendre, via la simulation, le fonctionnement des stromatolithes et des tapis microbiens. Ces logiciels ont été développés en C++ en ne partant d'aucun pré-requis de façon a privilégier performance et flexibilité maximales. Cette démarche permet de construire des modèles bien plus spécifiques et plus appropriés aux phénomènes a modéliser. Premièrement, nous avons étudié la croissance et la morphologie des stromatolithes. Nous avons construit un modèle tridimensionnel fondé sur l'agrégation par diffusion limitée. Le modèle a été implémenté en deux applications C++: un moteur de simulation capable d'exécuter un batch de simulations et de produire des fichiers de résultats, et un outil de visualisation qui permet d'analyser les résultats en trois dimensions. Après avoir vérifié que ce modèle peut en effet reproduire la croissance et la morphologie de plusieurs types de stromatolithes, nous avons introduit un processus de sédimentation comme facteur externe. Ceci nous a mené a des résultats intéressants, et permis de soutenir l'hypothèse que la morphologie des stromatolithes pourrait être le résultat de facteurs externes autant que de facteurs internes. Ceci est important car la classification des stromatolithes est généralement fondée sur leur morphologie, imposant que la forme d'un stromatolithe est dépendante de facteurs internes uniquement (c'est-à-dire les tapis microbiens). Les résultats avancés dans ce mémoire contredisent donc ces assertions communément admises. Ensuite, nous avons décidé de mener des recherches plus en profondeur sur les aspects fonctionnels des tapis microbiens. Nous avons construit un modèle bidimensionnel de réaction-diffusion fondé sur la simulation discrète. Ce modèle a été implémenté dans une application C++ qui permet de paramétrer et exécuter des simulations. Nous avons ensuite pu comparer les résultats de simulation avec des données du monde réel et vérifier que le modèle peut en effet imiter le comportement de certains tapis microbiens. Ainsi, nous avons pu émettre et vérifier des hypothèses sur le fonctionnement de certains tapis microbiens pour nous aider à mieux en comprendre certains aspects, comme la dynamique des éléments, en particulier le soufre et l'oxygène. En conclusion, ce travail a abouti à l'écriture de logiciels dédiés à la simulation de tapis microbiens d'un point de vue tant morphologique que fonctionnel, suivant deux approches différentes, l'une holistique, l'autre plus analytique. Ces logiciels sont gratuits et diffusés sous licence GPL (General Public License). Abstract : Better understanding of stromatolites and microbial mats is an important topic in biogeosciences as it helps studying the early forms of life on Earth, provides clues re- garding the ecology of microbial ecosystems and their contribution to biomineralization, and gives basis to a new science, exobiology. On the other hand, modelling is a powerful tool used in natural sciences for the theoretical approach of various phenomena. Models are usually built on a system of differential equations and results are obtained by solving that system. Available software to implement models includes mathematical solvers and general simulation software. The main objective of this thesis is to develop models and software able to help to understand the functioning of stromatolites and microbial mats. Software was developed in C++ from scratch for maximum performance and flexibility. This allows to build models much more specific to a phenomenon rather than general software. First, we studied stromatolite growth and morphology. We built a three-dimensional model based on diffusion-limited aggregation. The model was implemented in two C++ applications: a simulator engine, which can run a batch of simulations and produce result files, and a Visualization tool, which allows results to be analysed in three dimensions. After verifying that our model can indeed reproduce the growth and morphology of several types of stromatolites, we introduced a sedimentation process as an external factor. This lead to interesting results, and allowed to emit the hypothesis that stromatolite morphology may be the result of external factors as much as internal factors. This is important as stromatolite classification is usually based on their morphology, imposing that a stromatolite shape is dependant on internal factors only (i.e. the microbial mat). This statement is contradicted by our findings, Second, we decided to investigate deeper the functioning of microbial mats, We built a two-dimensional reaction-diffusion model based on discrete simulation, The model was implemented in a C++ application that allows setting and running simulations. We could then compare simulation results with real world data and verify that our model can indeed mimic the behaviour of some microbial mats. Thus, we have proposed and verified hypotheses regarding microbial mats functioning in order to help to better understand them, e.g. the cycle of some elements such as oxygen or sulfur. ln conclusion, this PhD provides a simulation software, dealing with two different approaches. This software is free and available under a GPL licence.

Evaluation and comparison of current fetal ultrasound image segmentation methods for biometric measurements: a grand challenge.

This paper presents the evaluation results of the methods submitted to Challenge US: Biometric Measurements from Fetal Ultrasound Images, a segmentation challenge held at the IEEE International Symposium on Biomedical Imaging 2012. The challenge was set to compare and evaluate current fetal ultrasound image segmentation methods. It consisted of automatically segmenting fetal anatomical structures to measure standard obstetric biometric parameters, from 2D fetal ultrasound images taken on fetuses at different gestational ages (21 weeks, 28 weeks, and 33 weeks) and with varying image quality to reflect data encountered in real clinical environments. Four independent sub-challenges were proposed, according to the objects of interest measured in clinical practice: abdomen, head, femur, and whole fetus. Five teams participated in the head sub-challenge and two teams in the femur sub-challenge, including one team who tackled both. Nobody attempted the abdomen and whole fetus sub-challenges. The challenge goals were two-fold and the participants were asked to submit the segmentation results as well as the measurements derived from the segmented objects. Extensive quantitative (region-based, distance-based, and Bland-Altman measurements) and qualitative evaluation was performed to compare the results from a representative selection of current methods submitted to the challenge. Several experts (three for the head sub-challenge and two for the femur sub-challenge), with different degrees of expertise, manually delineated the objects of interest to define the ground truth used within the evaluation framework. For the head sub-challenge, several groups produced results that could be potentially used in clinical settings, with comparable performance to manual delineations. The femur sub-challenge had inferior performance to the head sub-challenge due to the fact that it is a harder segmentation problem and that the techniques presented relied more on the femur's appearance.

Investigation of discrete imaging models and iterative image reconstruction in differential X-ray phase-contrast tomography.

Differential X-ray phase-contrast tomography (DPCT) refers to a class of promising methods for reconstructing the X-ray refractive index distribution of materials that present weak X-ray absorption contrast. The tomographic projection data in DPCT, from which an estimate of the refractive index distribution is reconstructed, correspond to one-dimensional (1D) derivatives of the two-dimensional (2D) Radon transform of the refractive index distribution. There is an important need for the development of iterative image reconstruction methods for DPCT that can yield useful images from few-view projection data, thereby mitigating the long data-acquisition times and large radiation doses associated with use of analytic reconstruction methods. In this work, we analyze the numerical and statistical properties of two classes of discrete imaging models that form the basis for iterative image reconstruction in DPCT. We also investigate the use of one of the models with a modern image reconstruction algorithm for performing few-view image reconstruction of a tissue specimen.

Motion artifact reduction and vessel enhancement for free-breathing navigator-gated coronary MRA using 3D k-space reordering.

Breathing-induced bulk motion of the myocardium during data acquisition may cause severe image artifacts in coronary magnetic resonance angiography (MRA). Current motion compensation strategies include breath-holding or free-breathing MR navigator gating and tracking techniques. Navigator-based techniques have been further refined by the applications of sophisticated 2D k-space reordering techniques. A further improvement in image quality and a reduction of relative scanning duration may be expected from a 3D k-space reordering scheme. Therefore, a 3D k-space reordered acquisition scheme including a 3D navigator gated and corrected segmented k-space gradient echo imaging sequence for coronary MRA was implemented. This new zonal motion-adapted acquisition and reordering technique (ZMART) was developed on the basis of a numerical simulation of the Bloch equations. The technique was implemented on a commercial 1.5T MR system, and first phantom and in vivo experiments were performed. Consistent with the results of the theoretical findings, the results obtained in the phantom studies demonstrate a significant reduction of motion artifacts when compared to conventional (non-k-space reordered) gating techniques. Preliminary in vivo findings also compare favorably with the phantom experiments and theoretical considerations. Magn Reson Med 45:645-652, 2001.

Comparaison objective de systèmes d'imagerie conventionnelle et numérique en mammographie

L'objectif de ce travail est le développement d'une méthode de caractérisation objective de la qualité d'image s'appliquant à des systèmes de mammographie analogique, utilisant un couple écran-film comme détecteur, et numérique, basé sur une technologie semi-conductrice, ceci en vue de la comparaison de leurs performances. La méthode développée tient compte de la gamme dynamique du détecteur, de la détectabilité de structures de haut contraste, simulant des microcalcifications, et de structures de bas contraste, simulant des opacités (nodules tumoraux). La méthode prend également en considération le processus de visualisation de l'image, ainsi que la réponse de l'observateur. Pour réaliser ceci, un objet-test ayant des propriétés proches de celles d'un sein comprimé, composé de différents matériaux équivalents aux tissus, allant du glandulaire à l'adipeux, et comprenant des zones permettant la simulation de structures de haut et bas contraste, ainsi que la mesure de la résolution et celle du bruit, a été développé et testé. L'intégration du processus de visualisation a été réalisée en utilisant une caméra CCD mesurant directement les paramètres de qualité d'image, à partir de l'image de l'objet-test, dans une grandeur physique commune au système numérique et analogique, à savoir la luminance arrivant sur l'oeil de l'observateur. L'utilisation d'une grandeur synthétique intégrant dans un même temps, le contraste, le bruit et la résolution rend possible une comparaison objective entre les deux systèmes de mammographie. Un modèle mathématique, simulant la réponse d'un observateur et intégrant les paramètres de base de qualité d'image, a été utilisé pour calculer la détectabilité de structures de haut et bas contraste en fonction du type de tissu sur lequel celles-ci se trouvent. Les résultats obtenus montrent qu'à dose égale la détectabilité des structures est significativement plus élevée avec le système de mammographie numérique qu'avec le système analogique. Ceci est principalement lié au fait que le bruit du système numérique est plus faible que celui du système analogique. Les résultats montrent également que la méthodologie, visant à comparer des systèmes d'imagerie numérique et analogique en utilisant un objet-test à large gamme dynamique ainsi qu'une caméra, peut être appliquée à d'autres modalités radiologiques, ainsi qu'à une démarche d'optimisation des conditions de lecture des images.<br/><br/>The goal of this work was to develop a method to objectively compare the performance of a digital and a screen-film mammography system in terms of image quality and patient dose. We propose a method that takes into account the dynamic range of the image detector and the detection of high contrast (for microcalcifications) and low contrast (for masses or tumoral nodules) structures. The method also addresses the problems of image visualization and the observer response. A test object, designed to represent a compressed breast, was constructed from various tissue equivalent materials ranging from purely adipose to purely glandular composition. Different areas within the test object permitted the evaluation of low and high contrast detection, spatial resolution, and image noise. All the images (digital and conventional) were captured using a CCD camera to include the visualization process in the image quality assessment. In this way the luminance reaching the viewer?s eyes can be controlled for both kinds of images. A global quantity describing image contrast, spatial resolution and noise, and expressed in terms of luminance at the camera, can then be used to compare the two technologies objectively. The quantity used was a mathematical model observer that calculates the detectability of high and low contrast structures as a function of the background tissue. Our results show that for a given patient dose, the detection of high and low contrast structures is significantly better for the digital system than for the conventional screen-film system studied. This is mainly because the image noise is lower for the digital system than for the screen-film detector. The method of using a test object with a large dynamic range combined with a camera to compare conventional and digital imaging modalities can be applied to other radiological imaging techniques. In particular it could be used to optimize the process of radiographic film reading.

Voir le monde à travers les lunettes du métacontraste: un modèle mathématique inspiré de la psychologie sociale

La théorie de l'autocatégorisation est une théorie de psychologie sociale qui porte sur la relation entre l'individu et le groupe. Elle explique le comportement de groupe par la conception de soi et des autres en tant que membres de catégories sociales, et par l'attribution aux individus des caractéristiques prototypiques de ces catégories. Il s'agit donc d'une théorie de l'individu qui est censée expliquer des phénomènes collectifs. Les situations dans lesquelles un grand nombre d'individus interagissent de manière non triviale génèrent typiquement des comportements collectifs complexes qui sont difficiles à prévoir sur la base des comportements individuels. La simulation informatique de tels systèmes est un moyen fiable d'explorer de manière systématique la dynamique du comportement collectif en fonction des spécifications individuelles. Dans cette thèse, nous présentons un modèle formel d'une partie de la théorie de l'autocatégorisation appelée principe du métacontraste. À partir de la distribution d'un ensemble d'individus sur une ou plusieurs dimensions comparatives, le modèle génère les catégories et les prototypes associés. Nous montrons que le modèle se comporte de manière cohérente par rapport à la théorie et est capable de répliquer des données expérimentales concernant divers phénomènes de groupe, dont par exemple la polarisation. De plus, il permet de décrire systématiquement les prédictions de la théorie dont il dérive, notamment dans des situations nouvelles. Au niveau collectif, plusieurs dynamiques peuvent être observées, dont la convergence vers le consensus, vers une fragmentation ou vers l'émergence d'attitudes extrêmes. Nous étudions également l'effet du réseau social sur la dynamique et montrons qu'à l'exception de la vitesse de convergence, qui augmente lorsque les distances moyennes du réseau diminuent, les types de convergences dépendent peu du réseau choisi. Nous constatons d'autre part que les individus qui se situent à la frontière des groupes (dans le réseau social ou spatialement) ont une influence déterminante sur l'issue de la dynamique. Le modèle peut par ailleurs être utilisé comme un algorithme de classification automatique. Il identifie des prototypes autour desquels sont construits des groupes. Les prototypes sont positionnés de sorte à accentuer les caractéristiques typiques des groupes, et ne sont pas forcément centraux. Enfin, si l'on considère l'ensemble des pixels d'une image comme des individus dans un espace de couleur tridimensionnel, le modèle fournit un filtre qui permet d'atténuer du bruit, d'aider à la détection d'objets et de simuler des biais de perception comme l'induction chromatique. Abstract Self-categorization theory is a social psychology theory dealing with the relation between the individual and the group. It explains group behaviour through self- and others' conception as members of social categories, and through the attribution of the proto-typical categories' characteristics to the individuals. Hence, it is a theory of the individual that intends to explain collective phenomena. Situations involving a large number of non-trivially interacting individuals typically generate complex collective behaviours, which are difficult to anticipate on the basis of individual behaviour. Computer simulation of such systems is a reliable way of systematically exploring the dynamics of the collective behaviour depending on individual specifications. In this thesis, we present a formal model of a part of self-categorization theory named metacontrast principle. Given the distribution of a set of individuals on one or several comparison dimensions, the model generates categories and their associated prototypes. We show that the model behaves coherently with respect to the theory and is able to replicate experimental data concerning various group phenomena, for example polarization. Moreover, it allows to systematically describe the predictions of the theory from which it is derived, specially in unencountered situations. At the collective level, several dynamics can be observed, among which convergence towards consensus, towards frag-mentation or towards the emergence of extreme attitudes. We also study the effect of the social network on the dynamics and show that, except for the convergence speed which raises as the mean distances on the network decrease, the observed convergence types do not depend much on the chosen network. We further note that individuals located at the border of the groups (whether in the social network or spatially) have a decisive influence on the dynamics' issue. In addition, the model can be used as an automatic classification algorithm. It identifies prototypes around which groups are built. Prototypes are positioned such as to accentuate groups' typical characteristics and are not necessarily central. Finally, if we consider the set of pixels of an image as individuals in a three-dimensional color space, the model provides a filter that allows to lessen noise, to help detecting objects and to simulate perception biases such as chromatic induction.