Segmentation automatique de la matière grise et de la matière blanche par un algorithme génétique : une étude de validation

Résumé Objectif: l'observation des variations de volume de la matière grise (MG), de la matière blanche (MB), et du liquide céphalo-rachidien (LCR) est particulièrement utile dans l'étude de nombreux processus physiopathologiques, la mesure quantitative 'in vivo' de ces volumes présente un intérêt considérable tant en recherche qu'en pratique clinique. Cette étude présente et valide une méthode de segmentation automatique du cerveau avec mesure des volumes de MG et MB sur des images de résonance magnétique. Matériel et Méthode: nous utilisons un algorithme génétique automatique pour segmenter le cerveau en MG, MB et LCR à partir d'images tri-dimensionnelles de résonance magnétique en pondération Ti. Une étude morphométrique a été conduite sur 136 sujets hommes et femmes de 15 à 74 ans. L'algorithme a ensuite été validé par 5 approches différentes: I. Comparaison de mesures de volume sur un cerveau de cadavre par méthode automatique et par mesure de déplacement d'eau selon la méthode d'Archimède. 2. Comparaison de mesures surfaces sur des images bidimensionnelles segmentées soit par un traçage manuel soit par la méthode automatique. 3. Evaluation de la fiabilité de la segmentation par acquisitions et segmentations itératives du même cerveau. 4. Les volumes de MG, MB et LCR ont été utilisés pour une étude du vieillissement normal de la population. 5. Comparaison avec les données existantes de la littérature. Résultats: nous avons pu observer une variation de la mesure de 4.17% supplémentaire entre le volume d'un cerveau de cadavre mesuré par la méthode d'Archimède, en majeure partie due à la persistance de tissus après dissection_ La comparaison des méthodes de comptage manuel de surface avec la méthode automatique n'a pas montré de variation significative. L'épreuve du repositionnement du même sujet à diverses reprises montre une très bonne fiabilité avec une déviation standard de 0.46% pour la MG, 1.02% pour la MB et 3.59% pour le LCR, soit 0.19% pour le volume intracrânien total (VICT). L'étude morphométrique corrobore les résultats des études anatomiques et radiologiques existantes. Conclusion: la segmentation du cerveau par un algorithme génétique permet une mesure 100% automatique, fiable et rapide des volumes cérébraux in vivo chez l'individu normal.

Assessment of statistical iterative reconstructions to optimize CT examination protocols for children and young adults

La tomodensitométrie (CT) est une technique d'imagerie dont l'intérêt n'a cessé de croître depuis son apparition dans le début des années 70. Dans le domaine médical, son utilisation est incontournable à tel point que ce système d'imagerie pourrait être amené à devenir victime de son succès si son impact au niveau de l'exposition de la population ne fait pas l'objet d'une attention particulière. Bien évidemment, l'augmentation du nombre d'examens CT a permis d'améliorer la prise en charge des patients ou a rendu certaines procédures moins invasives. Toutefois, pour assurer que le compromis risque - bénéfice soit toujours en faveur du patient, il est nécessaire d'éviter de délivrer des doses non utiles au diagnostic.¦Si cette action est importante chez l'adulte elle doit être une priorité lorsque les examens se font chez l'enfant, en particulier lorsque l'on suit des pathologies qui nécessitent plusieurs examens CT au cours de la vie du patient. En effet, les enfants et jeunes adultes sont plus radiosensibles. De plus, leur espérance de vie étant supérieure à celle de l'adulte, ils présentent un risque accru de développer un cancer radio-induit dont la phase de latence peut être supérieure à vingt ans. Partant du principe que chaque examen radiologique est justifié, il devient dès lors nécessaire d'optimiser les protocoles d'acquisitions pour s'assurer que le patient ne soit pas irradié inutilement. L'avancée technologique au niveau du CT est très rapide et depuis 2009, de nouvelles techniques de reconstructions d'images, dites itératives, ont été introduites afin de réduire la dose et améliorer la qualité d'image.¦Le présent travail a pour objectif de déterminer le potentiel des reconstructions itératives statistiques pour réduire au minimum les doses délivrées lors d'examens CT chez l'enfant et le jeune adulte tout en conservant une qualité d'image permettant le diagnostic, ceci afin de proposer des protocoles optimisés.¦L'optimisation d'un protocole d'examen CT nécessite de pouvoir évaluer la dose délivrée et la qualité d'image utile au diagnostic. Alors que la dose est estimée au moyen d'indices CT (CTDIV0| et DLP), ce travail a la particularité d'utiliser deux approches radicalement différentes pour évaluer la qualité d'image. La première approche dite « physique », se base sur le calcul de métriques physiques (SD, MTF, NPS, etc.) mesurées dans des conditions bien définies, le plus souvent sur fantômes. Bien que cette démarche soit limitée car elle n'intègre pas la perception des radiologues, elle permet de caractériser de manière rapide et simple certaines propriétés d'une image. La seconde approche, dite « clinique », est basée sur l'évaluation de structures anatomiques (critères diagnostiques) présentes sur les images de patients. Des radiologues, impliqués dans l'étape d'évaluation, doivent qualifier la qualité des structures d'un point de vue diagnostique en utilisant une échelle de notation simple. Cette approche, lourde à mettre en place, a l'avantage d'être proche du travail du radiologue et peut être considérée comme méthode de référence.¦Parmi les principaux résultats de ce travail, il a été montré que les algorithmes itératifs statistiques étudiés en clinique (ASIR?, VEO?) ont un important potentiel pour réduire la dose au CT (jusqu'à-90%). Cependant, par leur fonctionnement, ils modifient l'apparence de l'image en entraînant un changement de texture qui pourrait affecter la qualité du diagnostic. En comparant les résultats fournis par les approches « clinique » et « physique », il a été montré que ce changement de texture se traduit par une modification du spectre fréquentiel du bruit dont l'analyse permet d'anticiper ou d'éviter une perte diagnostique. Ce travail montre également que l'intégration de ces nouvelles techniques de reconstruction en clinique ne peut se faire de manière simple sur la base de protocoles utilisant des reconstructions classiques. Les conclusions de ce travail ainsi que les outils développés pourront également guider de futures études dans le domaine de la qualité d'image, comme par exemple, l'analyse de textures ou la modélisation d'observateurs pour le CT.¦-¦Computed tomography (CT) is an imaging technique in which interest has been growing since it first began to be used in the early 1970s. In the clinical environment, this imaging system has emerged as the gold standard modality because of its high sensitivity in producing accurate diagnostic images. However, even if a direct benefit to patient healthcare is attributed to CT, the dramatic increase of the number of CT examinations performed has raised concerns about the potential negative effects of ionizing radiation on the population. To insure a benefit - risk that works in favor of a patient, it is important to balance image quality and dose in order to avoid unnecessary patient exposure.¦If this balance is important for adults, it should be an absolute priority for children undergoing CT examinations, especially for patients suffering from diseases requiring several follow-up examinations over the patient's lifetime. Indeed, children and young adults are more sensitive to ionizing radiation and have an extended life span in comparison to adults. For this population, the risk of developing cancer, whose latency period exceeds 20 years, is significantly higher than for adults. Assuming that each patient examination is justified, it then becomes a priority to optimize CT acquisition protocols in order to minimize the delivered dose to the patient. Over the past few years, CT advances have been developing at a rapid pace. Since 2009, new iterative image reconstruction techniques, called statistical iterative reconstructions, have been introduced in order to decrease patient exposure and improve image quality.¦The goal of the present work was to determine the potential of statistical iterative reconstructions to reduce dose as much as possible without compromising image quality and maintain diagnosis of children and young adult examinations.¦The optimization step requires the evaluation of the delivered dose and image quality useful to perform diagnosis. While the dose is estimated using CT indices (CTDIV0| and DLP), the particularity of this research was to use two radically different approaches to evaluate image quality. The first approach, called the "physical approach", computed physical metrics (SD, MTF, NPS, etc.) measured on phantoms in well-known conditions. Although this technique has some limitations because it does not take radiologist perspective into account, it enables the physical characterization of image properties in a simple and timely way. The second approach, called the "clinical approach", was based on the evaluation of anatomical structures (diagnostic criteria) present on patient images. Radiologists, involved in the assessment step, were asked to score image quality of structures for diagnostic purposes using a simple rating scale. This approach is relatively complicated to implement and also time-consuming. Nevertheless, it has the advantage of being very close to the practice of radiologists and is considered as a reference method.¦Primarily, this work revealed that the statistical iterative reconstructions studied in clinic (ASIR? and VECO have a strong potential to reduce CT dose (up to -90%). However, by their mechanisms, they lead to a modification of the image appearance with a change in image texture which may then effect the quality of the diagnosis. By comparing the results of the "clinical" and "physical" approach, it was showed that a change in texture is related to a modification of the noise spectrum bandwidth. The NPS analysis makes possible to anticipate or avoid a decrease in image quality. This project demonstrated that integrating these new statistical iterative reconstruction techniques can be complex and cannot be made on the basis of protocols using conventional reconstructions. The conclusions of this work and the image quality tools developed will be able to guide future studies in the field of image quality as texture analysis or model observers dedicated to CT.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Niche, distribution and global change : modeling insights into biogeography and conservation biology Olivier Broennimann

RESUME Les évidences montrant que les changements globaux affectent la biodiversité s'accumulent. Les facteurs les plus influant dans ce processus sont les changements et destructions d'habitat, l'expansion des espèces envahissantes et l'impact des changements climatiques. Une évaluation pertinente de la réponse des espèces face à ces changements est essentielle pour proposer des mesures permettant de réduire le déclin actuel de la biodiversité. La modélisation de la répartition d'espèces basée sur la niche (NBM) est l'un des rares outils permettant cette évaluation. Néanmoins, leur application dans le contexte des changements globaux repose sur des hypothèses restrictives et demande une interprétation critique. Ce travail présente une série d'études de cas investiguant les possibilités et limitations de cette approche pour prédire l'impact des changements globaux. Deux études traitant des menaces sur les espèces rares et en danger d'extinction sont présentées. Les caractéristiques éco-géographiques de 118 plantes avec un haut degré de priorité de conservation sont revues. La prévalence des types de rareté sont analysées en relation avec leur risque d'extinction UICN. La revue souligne l'importance de la conservation à l'échelle régionale. Une évaluation de la rareté à échelle globale peut être trompeuse pour certaine espèces car elle ne tient pas en compte des différents degrés de rareté que présente une espèce à différentes échelles spatiales. La deuxième étude test une approche pour améliorer l'échantillonnage d'espèces rares en incluant des phases itératives de modélisation et d'échantillonnage sur le terrain. L'application de l'approche en biologie de la conservation (illustrée ici par le cas du chardon bleu, Eryngium alpinum), permettrait de réduire le temps et les coûts d'échantillonnage. Deux études sur l'impact des changements climatiques sur la faune et la flore africaine sont présentées. La première étude évalue la sensibilité de 227 mammifères africains face aux climatiques d'ici 2050. Elle montre qu'un nombre important d'espèces pourrait être bientôt en danger d'extinction et que les parcs nationaux africains (principalement ceux situé en milieux xériques) pourraient ne pas remplir leur mandat de protection de la biodiversité dans le futur. La seconde étude modélise l'aire de répartition en 2050 de 975 espèces de plantes endémiques du sud de l'Afrique. L'étude propose l'inclusion de méthodes améliorant la prédiction des risques liés aux changements climatiques. Elle propose également une méthode pour estimer a priori la sensibilité d'une espèce aux changements climatiques à partir de ses propriétés écologiques et des caractéristiques de son aire de répartition. Trois études illustrent l'utilisation des modèles dans l'étude des invasions biologiques. Une première étude relate l'expansion de la laitue sáuvage (Lactuca serriola) vers le nord de l'Europe en lien avec les changements du climat depuis 250 ans. La deuxième étude analyse le potentiel d'invasion de la centaurée tachetée (Centaures maculosa), une mauvaise herbe importée en Amérique du nord vers 1890. L'étude apporte la preuve qu'une espèce envahissante peut occuper une niche climatique différente après introduction sur un autre continent. Les modèles basés sur l'aire native prédisent de manière incorrecte l'entier de l'aire envahie mais permettent de prévoir les aires d'introductions potentielles. Une méthode alternative, incluant la calibration du modèle à partir des deux aires où l'espèce est présente, est proposée pour améliorer les prédictions de l'invasion en Amérique du nord. Je présente finalement une revue de la littérature sur la dynamique de la niche écologique dans le temps et l'espace. Elle synthétise les récents développements théoriques concernant le conservatisme de la niche et propose des solutions pour améliorer la pertinence des prédictions d'impact des changements climatiques et des invasions biologiques. SUMMARY Evidences are accumulating that biodiversity is facing the effects of global change. The most influential drivers of change in ecosystems are land-use change, alien species invasions and climate change impacts. Accurate projections of species' responses to these changes are needed to propose mitigation measures to slow down the on-going erosion of biodiversity. Niche-based models (NBM) currently represent one of the only tools for such projections. However, their application in the context of global changes relies on restrictive assumptions, calling for cautious interpretations. In this thesis I aim to assess the effectiveness and shortcomings of niche-based models for the study of global change impacts on biodiversity through the investigation of specific, unsolved limitations and suggestion of new approaches. Two studies investigating threats to rare and endangered plants are presented. I review the ecogeographic characteristic of 118 endangered plants with high conservation priority in Switzerland. The prevalence of rarity types among plant species is analyzed in relation to IUCN extinction risks. The review underlines the importance of regional vs. global conservation and shows that a global assessment of rarity might be misleading for some species because it can fail to account for different degrees of rarity at a variety of spatial scales. The second study tests a modeling framework including iterative steps of modeling and field surveys to improve the sampling of rare species. The approach is illustrated with a rare alpine plant, Eryngium alpinum and shows promise for complementing conservation practices and reducing sampling costs. Two studies illustrate the impacts of climate change on African taxa. The first one assesses the sensitivity of 277 mammals at African scale to climate change by 2050 in terms of species richness and turnover. It shows that a substantial number of species could be critically endangered in the future. National parks situated in xeric ecosystems are not expected to meet their mandate of protecting current species diversity in the future. The second study model the distribution in 2050 of 975 endemic plant species in southern Africa. The study proposes the inclusion of new methodological insights improving the accuracy and ecological realism of predictions of global changes studies. It also investigates the possibility to estimate a priori the sensitivity of a species to climate change from the geographical distribution and ecological proprieties of the species. Three studies illustrate the application of NBM in the study of biological invasions. The first one investigates the Northwards expansion of Lactuca serriola L. in Europe during the last 250 years in relation with climate changes. In the last two decades, the species could not track climate change due to non climatic influences. A second study analyses the potential invasion extent of spotted knapweed, a European weed first introduced into North America in the 1890s. The study provides one of the first empirical evidence that an invasive species can occupy climatically distinct niche spaces following its introduction into a new area. Models fail to predict the current full extent of the invasion, but correctly predict areas of introduction. An alternative approach, involving the calibration of models with pooled data from both ranges, is proposed to improve predictions of the extent of invasion on models based solely on the native range. I finally present a review on the dynamic nature of ecological niches in space and time. It synthesizes the recent theoretical developments to the niche conservatism issues and proposes solutions to improve confidence in NBM predictions of the impacts of climate change and species invasions on species distributions.

Etude de la composition initiale et du vieillissement des traces digitales: vers le développement d'une méthode de datation?

«Quel est l'âge de cette trace digitale?» Cette question est relativement souvent soulevée au tribunal ou lors d'investigations, lorsque la personne suspectée admet avoir laissé ses empreintes digitales sur une scène de crime mais prétend l'avoir fait à un autre moment que celui du crime et pour une raison innocente. Toutefois, aucune réponse ne peut actuellement être donnée à cette question, puisqu'aucune méthodologie n'est pour l'heure validée et acceptée par l'ensemble de la communauté forensique. Néanmoins, l'inventaire de cas américains conduit dans cette recherche a montré que les experts fournissent tout de même des témoignages au tribunal concernant l'âge de traces digitales, même si ceux-­‐ci sont majoritairement basés sur des paramètres subjectifs et mal documentés. Il a été relativement aisé d'accéder à des cas américains détaillés, ce qui explique le choix de l'exemple. Toutefois, la problématique de la datation des traces digitales est rencontrée dans le monde entier, et le manque de consensus actuel dans les réponses données souligne la nécessité d'effectuer des études sur le sujet. Le but de la présente recherche est donc d'évaluer la possibilité de développer une méthode de datation objective des traces digitales. Comme les questions entourant la mise au point d'une telle procédure ne sont pas nouvelles, différentes tentatives ont déjà été décrites dans la littérature. Cette recherche les a étudiées de manière critique, et souligne que la plupart des méthodologies reportées souffrent de limitations prévenant leur utilisation pratique. Néanmoins, certaines approches basées sur l'évolution dans le temps de composés intrinsèques aux résidus papillaires se sont montrées prometteuses. Ainsi, un recensement détaillé de la littérature a été conduit afin d'identifier les composés présents dans les traces digitales et les techniques analytiques capables de les détecter. Le choix a été fait de se concentrer sur les composés sébacés détectés par chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC/MS) ou par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. Des analyses GC/MS ont été menées afin de caractériser la variabilité initiale de lipides cibles au sein des traces digitales d'un même donneur (intra-­‐variabilité) et entre les traces digitales de donneurs différents (inter-­‐variabilité). Ainsi, plusieurs molécules ont été identifiées et quantifiées pour la première fois dans les résidus papillaires. De plus, il a été déterminé que l'intra-­‐variabilité des résidus était significativement plus basse que l'inter-­‐variabilité, mais que ces deux types de variabilité pouvaient être réduits en utilisant différents pré-­‐ traitements statistiques s'inspirant du domaine du profilage de produits stupéfiants. Il a également été possible de proposer un modèle objectif de classification des donneurs permettant de les regrouper dans deux classes principales en se basant sur la composition initiale de leurs traces digitales. Ces classes correspondent à ce qui est actuellement appelé de manière relativement subjective des « bons » ou « mauvais » donneurs. Le potentiel d'un tel modèle est élevé dans le domaine de la recherche en traces digitales, puisqu'il permet de sélectionner des donneurs représentatifs selon les composés d'intérêt. En utilisant la GC/MS et la FTIR, une étude détaillée a été conduite sur les effets de différents facteurs d'influence sur la composition initiale et le vieillissement de molécules lipidiques au sein des traces digitales. Il a ainsi été déterminé que des modèles univariés et multivariés pouvaient être construits pour décrire le vieillissement des composés cibles (transformés en paramètres de vieillissement par pré-­‐traitement), mais que certains facteurs d'influence affectaient ces modèles plus sérieusement que d'autres. En effet, le donneur, le substrat et l'application de techniques de révélation semblent empêcher la construction de modèles reproductibles. Les autres facteurs testés (moment de déposition, pression, température et illumination) influencent également les résidus et leur vieillissement, mais des modèles combinant différentes valeurs de ces facteurs ont tout de même prouvé leur robustesse dans des situations bien définies. De plus, des traces digitales-­‐tests ont été analysées par GC/MS afin d'être datées en utilisant certains des modèles construits. Il s'est avéré que des estimations correctes étaient obtenues pour plus de 60 % des traces-­‐tests datées, et jusqu'à 100% lorsque les conditions de stockage étaient connues. Ces résultats sont intéressants mais il est impératif de conduire des recherches supplémentaires afin d'évaluer les possibilités d'application de ces modèles dans des cas réels. Dans une perspective plus fondamentale, une étude pilote a également été effectuée sur l'utilisation de la spectroscopie infrarouge combinée à l'imagerie chimique (FTIR-­‐CI) afin d'obtenir des informations quant à la composition et au vieillissement des traces digitales. Plus précisément, la capacité de cette technique à mettre en évidence le vieillissement et l'effet de certains facteurs d'influence sur de larges zones de traces digitales a été investiguée. Cette information a ensuite été comparée avec celle obtenue par les spectres FTIR simples. Il en a ainsi résulté que la FTIR-­‐CI était un outil puissant, mais que son utilisation dans l'étude des résidus papillaires à des buts forensiques avait des limites. En effet, dans cette recherche, cette technique n'a pas permis d'obtenir des informations supplémentaires par rapport aux spectres FTIR traditionnels et a également montré des désavantages majeurs, à savoir de longs temps d'analyse et de traitement, particulièrement lorsque de larges zones de traces digitales doivent être couvertes. Finalement, les résultats obtenus dans ce travail ont permis la proposition et discussion d'une approche pragmatique afin d'aborder les questions de datation des traces digitales. Cette approche permet ainsi d'identifier quel type d'information le scientifique serait capable d'apporter aux enquêteurs et/ou au tribunal à l'heure actuelle. De plus, le canevas proposé décrit également les différentes étapes itératives de développement qui devraient être suivies par la recherche afin de parvenir à la validation d'une méthodologie de datation des traces digitales objective, dont les capacités et limites sont connues et documentées. -- "How old is this fingermark?" This question is relatively often raised in trials when suspects admit that they have left their fingermarks on a crime scene but allege that the contact occurred at a time different to that of the crime and for legitimate reasons. However, no answer can be given to this question so far, because no fingermark dating methodology has been validated and accepted by the whole forensic community. Nevertheless, the review of past American cases highlighted that experts actually gave/give testimonies in courts about the age of fingermarks, even if mostly based on subjective and badly documented parameters. It was relatively easy to access fully described American cases, thus explaining the origin of the given examples. However, fingermark dating issues are encountered worldwide, and the lack of consensus among the given answers highlights the necessity to conduct research on the subject. The present work thus aims at studying the possibility to develop an objective fingermark dating method. As the questions surrounding the development of dating procedures are not new, different attempts were already described in the literature. This research proposes a critical review of these attempts and highlights that most of the reported methodologies still suffer from limitations preventing their use in actual practice. Nevertheless, some approaches based on the evolution of intrinsic compounds detected in fingermark residue over time appear to be promising. Thus, an exhaustive review of the literature was conducted in order to identify the compounds available in the fingermark residue and the analytical techniques capable of analysing them. It was chosen to concentrate on sebaceous compounds analysed using gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC/MS) or Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). GC/MS analyses were conducted in order to characterize the initial variability of target lipids among fresh fingermarks of the same donor (intra-­‐variability) and between fingermarks of different donors (inter-­‐variability). As a result, many molecules were identified and quantified for the first time in fingermark residue. Furthermore, it was determined that the intra-­‐variability of the fingermark residue was significantly lower than the inter-­‐variability, but that it was possible to reduce both kind of variability using different statistical pre-­‐ treatments inspired from the drug profiling area. It was also possible to propose an objective donor classification model allowing the grouping of donors in two main classes based on their initial lipid composition. These classes correspond to what is relatively subjectively called "good" or "bad" donors. The potential of such a model is high for the fingermark research field, as it allows the selection of representative donors based on compounds of interest. Using GC/MS and FTIR, an in-­‐depth study of the effects of different influence factors on the initial composition and aging of target lipid molecules found in fingermark residue was conducted. It was determined that univariate and multivariate models could be build to describe the aging of target compounds (transformed in aging parameters through pre-­‐ processing techniques), but that some influence factors were affecting these models more than others. In fact, the donor, the substrate and the application of enhancement techniques seemed to hinder the construction of reproducible models. The other tested factors (deposition moment, pressure, temperature and illumination) also affected the residue and their aging, but models combining different values of these factors still proved to be robust. Furthermore, test-­‐fingermarks were analysed with GC/MS in order to be dated using some of the generated models. It turned out that correct estimations were obtained for 60% of the dated test-­‐fingermarks and until 100% when the storage conditions were known. These results are interesting but further research should be conducted to evaluate if these models could be used in uncontrolled casework conditions. In a more fundamental perspective, a pilot study was also conducted on the use of infrared spectroscopy combined with chemical imaging in order to gain information about the fingermark composition and aging. More precisely, its ability to highlight influence factors and aging effects over large areas of fingermarks was investigated. This information was then compared with that given by individual FTIR spectra. It was concluded that while FTIR-­‐ CI is a powerful tool, its use to study natural fingermark residue for forensic purposes has to be carefully considered. In fact, in this study, this technique does not yield more information on residue distribution than traditional FTIR spectra and also suffers from major drawbacks, such as long analysis and processing time, particularly when large fingermark areas need to be covered. Finally, the results obtained in this research allowed the proposition and discussion of a formal and pragmatic framework to approach the fingermark dating questions. It allows identifying which type of information the scientist would be able to bring so far to investigators and/or Justice. Furthermore, this proposed framework also describes the different iterative development steps that the research should follow in order to achieve the validation of an objective fingermark dating methodology, whose capacities and limits are well known and properly documented.

Iterative reconstruction in CT : using mathematical model observers to determine low dose images' trustworthiness

La tomodensitométrie (TDM) est une technique d'imagerie pour laquelle l'intérêt n'a cessé de croitre depuis son apparition au début des années 70. De nos jours, l'utilisation de cette technique est devenue incontournable, grâce entre autres à sa capacité à produire des images diagnostiques de haute qualité. Toutefois, et en dépit d'un bénéfice indiscutable sur la prise en charge des patients, l'augmentation importante du nombre d'examens TDM pratiqués soulève des questions sur l'effet potentiellement dangereux des rayonnements ionisants sur la population. Parmi ces effets néfastes, l'induction de cancers liés à l'exposition aux rayonnements ionisants reste l'un des risques majeurs. Afin que le rapport bénéfice-risques reste favorable au patient il est donc nécessaire de s'assurer que la dose délivrée permette de formuler le bon diagnostic tout en évitant d'avoir recours à des images dont la qualité est inutilement élevée. Ce processus d'optimisation, qui est une préoccupation importante pour les patients adultes, doit même devenir une priorité lorsque l'on examine des enfants ou des adolescents, en particulier lors d'études de suivi requérant plusieurs examens tout au long de leur vie. Enfants et jeunes adultes sont en effet beaucoup plus sensibles aux radiations du fait de leur métabolisme plus rapide que celui des adultes. De plus, les probabilités des évènements auxquels ils s'exposent sont également plus grandes du fait de leur plus longue espérance de vie. L'introduction des algorithmes de reconstruction itératifs, conçus pour réduire l'exposition des patients, est certainement l'une des plus grandes avancées en TDM, mais elle s'accompagne de certaines difficultés en ce qui concerne l'évaluation de la qualité des images produites. Le but de ce travail est de mettre en place une stratégie pour investiguer le potentiel des algorithmes itératifs vis-à-vis de la réduction de dose sans pour autant compromettre la qualité du diagnostic. La difficulté de cette tâche réside principalement dans le fait de disposer d'une méthode visant à évaluer la qualité d'image de façon pertinente d'un point de vue clinique. La première étape a consisté à caractériser la qualité d'image lors d'examen musculo-squelettique. Ce travail a été réalisé en étroite collaboration avec des radiologues pour s'assurer un choix pertinent de critères de qualité d'image. Une attention particulière a été portée au bruit et à la résolution des images reconstruites à l'aide d'algorithmes itératifs. L'analyse de ces paramètres a permis aux radiologues d'adapter leurs protocoles grâce à une possible estimation de la perte de qualité d'image liée à la réduction de dose. Notre travail nous a également permis d'investiguer la diminution de la détectabilité à bas contraste associée à une diminution de la dose ; difficulté majeure lorsque l'on pratique un examen dans la région abdominale. Sachant que des alternatives à la façon standard de caractériser la qualité d'image (métriques de l'espace Fourier) devaient être utilisées, nous nous sommes appuyés sur l'utilisation de modèles d'observateurs mathématiques. Nos paramètres expérimentaux ont ensuite permis de déterminer le type de modèle à utiliser. Les modèles idéaux ont été utilisés pour caractériser la qualité d'image lorsque des paramètres purement physiques concernant la détectabilité du signal devaient être estimés alors que les modèles anthropomorphes ont été utilisés dans des contextes cliniques où les résultats devaient être comparés à ceux d'observateurs humain, tirant profit des propriétés de ce type de modèles. Cette étude a confirmé que l'utilisation de modèles d'observateurs permettait d'évaluer la qualité d'image en utilisant une approche basée sur la tâche à effectuer, permettant ainsi d'établir un lien entre les physiciens médicaux et les radiologues. Nous avons également montré que les reconstructions itératives ont le potentiel de réduire la dose sans altérer la qualité du diagnostic. Parmi les différentes reconstructions itératives, celles de type « model-based » sont celles qui offrent le plus grand potentiel d'optimisation, puisque les images produites grâce à cette modalité conduisent à un diagnostic exact même lors d'acquisitions à très basse dose. Ce travail a également permis de clarifier le rôle du physicien médical en TDM: Les métriques standards restent utiles pour évaluer la conformité d'un appareil aux requis légaux, mais l'utilisation de modèles d'observateurs est inévitable pour optimiser les protocoles d'imagerie. -- Computed tomography (CT) is an imaging technique in which interest has been quickly growing since it began to be used in the 1970s. Today, it has become an extensively used modality because of its ability to produce accurate diagnostic images. However, even if a direct benefit to patient healthcare is attributed to CT, the dramatic increase in the number of CT examinations performed has raised concerns about the potential negative effects of ionising radiation on the population. Among those negative effects, one of the major risks remaining is the development of cancers associated with exposure to diagnostic X-ray procedures. In order to ensure that the benefits-risk ratio still remains in favour of the patient, it is necessary to make sure that the delivered dose leads to the proper diagnosis without producing unnecessarily high-quality images. This optimisation scheme is already an important concern for adult patients, but it must become an even greater priority when examinations are performed on children or young adults, in particular with follow-up studies which require several CT procedures over the patient's life. Indeed, children and young adults are more sensitive to radiation due to their faster metabolism. In addition, harmful consequences have a higher probability to occur because of a younger patient's longer life expectancy. The recent introduction of iterative reconstruction algorithms, which were designed to substantially reduce dose, is certainly a major achievement in CT evolution, but it has also created difficulties in the quality assessment of the images produced using those algorithms. The goal of the present work was to propose a strategy to investigate the potential of iterative reconstructions to reduce dose without compromising the ability to answer the diagnostic questions. The major difficulty entails disposing a clinically relevant way to estimate image quality. To ensure the choice of pertinent image quality criteria this work was continuously performed in close collaboration with radiologists. The work began by tackling the way to characterise image quality when dealing with musculo-skeletal examinations. We focused, in particular, on image noise and spatial resolution behaviours when iterative image reconstruction was used. The analyses of the physical parameters allowed radiologists to adapt their image acquisition and reconstruction protocols while knowing what loss of image quality to expect. This work also dealt with the loss of low-contrast detectability associated with dose reduction, something which is a major concern when dealing with patient dose reduction in abdominal investigations. Knowing that alternative ways had to be used to assess image quality rather than classical Fourier-space metrics, we focused on the use of mathematical model observers. Our experimental parameters determined the type of model to use. Ideal model observers were applied to characterise image quality when purely objective results about the signal detectability were researched, whereas anthropomorphic model observers were used in a more clinical context, when the results had to be compared with the eye of a radiologist thus taking advantage of their incorporation of human visual system elements. This work confirmed that the use of model observers makes it possible to assess image quality using a task-based approach, which, in turn, establishes a bridge between medical physicists and radiologists. It also demonstrated that statistical iterative reconstructions have the potential to reduce the delivered dose without impairing the quality of the diagnosis. Among the different types of iterative reconstructions, model-based ones offer the greatest potential, since images produced using this modality can still lead to an accurate diagnosis even when acquired at very low dose. This work has clarified the role of medical physicists when dealing with CT imaging. The use of the standard metrics used in the field of CT imaging remains quite important when dealing with the assessment of unit compliance to legal requirements, but the use of a model observer is the way to go when dealing with the optimisation of the imaging protocols.