Suivi des vaisseaux sanguins en temps réel à partir d’images ultrasonores mode-B et reconstruction 3D : application à la caractérisation des sténoses artérielles

La maladie des artères périphériques (MAP) se manifeste par une réduction (sténose) de la lumière de l’artère des membres inférieurs. Elle est causée par l’athérosclérose, une accumulation de cellules spumeuses, de graisse, de calcium et de débris cellulaires dans la paroi artérielle, généralement dans les bifurcations et les ramifications. Par ailleurs, la MAP peut être causée par d`autres facteurs associés comme l’inflammation, une malformation anatomique et dans de rares cas, au niveau des artères iliaques et fémorales, par la dysplasie fibromusculaire. L’imagerie ultrasonore est le premier moyen de diagnostic de la MAP. La littérature clinique rapporte qu’au niveau de l’artère fémorale, l’écho-Doppler montre une sensibilité de 80 à 98 % et une spécificité de 89 à 99 % à détecter une sténose supérieure à 50 %. Cependant, l’écho-Doppler ne permet pas une cartographie de l’ensemble des artères des membres inférieurs. D’autre part, la reconstruction 3D à partir des images échographiques 2D des artères atteintes de la MAP est fortement opérateur dépendant à cause de la grande variabilité des mesures pendant l’examen par les cliniciens. Pour planifier une intervention chirurgicale, les cliniciens utilisent la tomodensitométrie (CTA), l’angiographie par résonance magnétique (MRA) et l’angiographie par soustraction numérique (DSA). Il est vrai que ces modalités sont très performantes. La CTA montre une grande précision dans la détection et l’évaluation des sténoses supérieures à 50 % avec une sensibilité de 92 à 97 % et une spécificité entre 93 et 97 %. Par contre, elle est ionisante (rayon x) et invasive à cause du produit de contraste, qui peut causer des néphropathies. La MRA avec injection de contraste (CE MRA) est maintenant la plus utilisée. Elle offre une sensibilité de 92 à 99.5 % et une spécificité entre 64 et 99 %. Cependant, elle sous-estime les sténoses et peut aussi causer une néphropathie dans de rares cas. De plus les patients avec stents, implants métalliques ou bien claustrophobes sont exclus de ce type d`examen. La DSA est très performante mais s`avère invasive et ionisante. Aujourd’hui, l’imagerie ultrasonore (3D US) s’est généralisée surtout en obstétrique et échocardiographie. En angiographie il est possible de calculer le volume de la plaque grâce à l’imagerie ultrasonore 3D, ce qui permet un suivi de l’évolution de la plaque athéromateuse au niveau des vaisseaux. L’imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technique qui mesure ce volume. Cependant, elle est invasive, dispendieuse et risquée. Des études in vivo ont montré qu’avec l’imagerie 3D-US on est capable de quantifier la plaque au niveau de la carotide et de caractériser la géométrie 3D de l'anastomose dans les artères périphériques. Par contre, ces systèmes ne fonctionnent que sur de courtes distances. Par conséquent, ils ne sont pas adaptés pour l’examen de l’artère fémorale, à cause de sa longueur et de sa forme tortueuse. L’intérêt pour la robotique médicale date des années 70. Depuis, plusieurs robots médicaux ont été proposés pour la chirurgie, la thérapie et le diagnostic. Dans le cas du diagnostic artériel, seuls deux prototypes sont proposés, mais non commercialisés. Hippocrate est le premier robot de type maitre/esclave conçu pour des examens des petits segments d’artères (carotide). Il est composé d’un bras à 6 degrés de liberté (ddl) suspendu au-dessus du patient sur un socle rigide. À partir de ce prototype, un contrôleur automatisant les déplacements du robot par rétroaction des images échographiques a été conçu et testé sur des fantômes. Le deuxième est le robot de la Colombie Britannique conçu pour les examens à distance de la carotide. Le mouvement de la sonde est asservi par rétroaction des images US. Les travaux publiés avec les deux robots se limitent à la carotide. Afin d’examiner un long segment d’artère, un système robotique US a été conçu dans notre laboratoire. Le système possède deux modes de fonctionnement, le mode teach/replay (voir annexe 3) et le mode commande libre par l’utilisateur. Dans ce dernier mode, l’utilisateur peut implémenter des programmes personnalisés comme ceux utilisés dans ce projet afin de contrôler les mouvements du robot. Le but de ce projet est de démontrer les performances de ce système robotique dans des conditions proches au contexte clinique avec le mode commande libre par l’utilisateur. Deux objectifs étaient visés: (1) évaluer in vitro le suivi automatique et la reconstruction 3D en temps réel d’une artère en utilisant trois fantômes ayant des géométries réalistes. (2) évaluer in vivo la capacité de ce système d'imagerie robotique pour la cartographie 3D en temps réel d'une artère fémorale normale. Pour le premier objectif, la reconstruction 3D US a été comparée avec les fichiers CAD (computer-aided-design) des fantômes. De plus, pour le troisième fantôme, la reconstruction 3D US a été comparée avec sa reconstruction CTA, considéré comme examen de référence pour évaluer la MAP. Cinq chapitres composent ce mémoire. Dans le premier chapitre, la MAP sera expliquée, puis dans les deuxième et troisième chapitres, l’imagerie 3D ultrasonore et la robotique médicale seront développées. Le quatrième chapitre sera consacré à la présentation d’un article intitulé " A robotic ultrasound scanner for automatic vessel tracking and three-dimensional reconstruction of B-mode images" qui résume les résultats obtenus dans ce projet de maîtrise. Une discussion générale conclura ce mémoire. L’article intitulé " A 3D ultrasound imaging robotic system to detect and quantify lower limb arterial stenoses: in vivo feasibility " de Marie-Ange Janvier et al dans l’annexe 3, permettra également au lecteur de mieux comprendre notre système robotisé. Ma contribution dans cet article était l’acquisition des images mode B, la reconstruction 3D et l’analyse des résultats pour le patient sain.

Non invasive classification system of scoliosis curve types using least-squares support vector machines

Objective To determine scoliosis curve types using non invasive surface acquisition, without prior knowledge from X-ray data. Methods Classification of scoliosis deformities according to curve type is used in the clinical management of scoliotic patients. In this work, we propose a robust system that can determine the scoliosis curve type from non invasive acquisition of the 3D back surface of the patients. The 3D image of the surface of the trunk is divided into patches and local geometric descriptors characterizing the back surface are computed from each patch and constitute the features. We reduce the dimensionality by using principal component analysis and retain 53 components using an overlap criterion combined with the total variance in the observed variables. In this work, a multi-class classifier is built with least-squares support vector machines (LS-SVM). The original LS-SVM formulation was modified by weighting the positive and negative samples differently and a new kernel was designed in order to achieve a robust classifier. The proposed system is validated using data from 165 patients with different scoliosis curve types. The results of our non invasive classification were compared with those obtained by an expert using X-ray images. Results The average rate of successful classification was computed using a leave-one-out cross-validation procedure. The overall accuracy of the system was 95%. As for the correct classification rates per class, we obtained 96%, 84% and 97% for the thoracic, double major and lumbar/thoracolumbar curve types, respectively. Conclusion This study shows that it is possible to find a relationship between the internal deformity and the back surface deformity in scoliosis with machine learning methods. The proposed system uses non invasive surface acquisition, which is safe for the patient as it involves no radiation. Also, the design of a specific kernel improved classification performance.

Les végétaux comme éléments du paysage sonore : relations qualitatives entre conditions environnementales, morphologie et organisation dans la production d’ambiances sonores

Le paysage sonore est une forme de perception de notre environnement qui nous permet d’identifier les composantes sonores de notre quotidien. Ce projet de recherche porte sur une thématique particulière, les sons produits par les végétaux et leurs rôles dans les ambiances sonores paysagères. C’est la perspective que nous avons explorée in situ, en comparant les différentes espèces végétales; cette collection d’informations nous permet de proposer une typologie d’ambiances sonores des végétaux. Dans la première partie, des notions rattachées au « monde sonore » telles que l’objet sonore, le paysage sonore et les effets sonores justifient d’établir, dans la méthodologie, une grille d’analyse comportant différentes échelles d’écoute. Une lecture multidisciplinaire propose, d’une part, de réunir de l’information sur le son et les végétaux, la morphologie de ces derniers, l’aménagement au site, les conditions climatiques et, d’autre part, de retrouver ce qui a trait au son dans l’histoire des jardins, dont les jardins sensoriels, thérapeutiques, technologiques, et des sentiers d’interprétation sonore, sous l’angle du son comme projet. De plus, une liste de végétaux recevant les chants et cris de la faune vient introduire la notion de biodiversité sonore. Une enquête sociale de terrain, par la méthode des parcours commentés, et une enquête « experte » ont été réalisées au Jardin botanique de Montréal. Ces deux enquêtes nous ont permis de constituer une grille d’analyse croisée comprenant plusieurs échelles d’écoute : textures, actions sonores, effets sonores... De là, des générateurs d’ambiance (morphologie, organisation, climat) ont été relevés pour déterminer les aspects de récurrences et de différenciations d’un type d’ambiance sonore à l’autre. Des associations se sont formées en fonction de onze types de végétaux, chacun comprenant plusieurs sous-catégories. Celles-ci proposent des ambiances sonores spécifiques, des échelles d’écoute à considérer pour chaque type d’ambiance et l’énumération d’espèces à utiliser. Cette recherche ouvre la voie à un autre type de lecture sonore, par thématique d’ambiance (les sons du végétal dans notre cas), afin d’offrir de nouveaux outils de conception pour les professionnels, en profonde relation avec les perceptions sonores d’usagers sur le terrain et l’agencement spécifique d’un site.

Que pensent les enseignants et les élèves du secondaire des TIC? : une étude des représentations sociales au Niger

Dans les pays africains en général et au Niger en particulier, l’ordinateur commence à trouver sa place au sein de l’école. Ce processus d’intégration pédagogique des technologies de l’information et de la communication est fortement dépendant des paramètres technologiques, pédagogiques et humains. Réussir ce processus, c’est connaitre les jugements et les attitudes des acteurs de cette école vis-à-vis de ces technologies. À partir des représentations sociales, nous pouvons connaître la manière de penser, de s'approprier, d'interpréter la réalité quotidienne d’un groupe d’individus vis-à-vis d’un objet, en l’occurrence ici, les TIC. Le premier objectif de notre recherche est de connaitre les représentations sociales que les enseignants du secondaire ont de l’ordinateur. Pour cela, nous avons mené une investigation auprès de vingt enseignants. À l’issue des entrevues, nous avons identifié des représentations sociales sur les attitudes des enseignants à l’égard de l’ordinateur, sur les risques de l’ordinateur à l’école et enfin sur les avantages de l’ordinateur à l’école. L’ensemble de ces représentations sociales met en évidence une attitude positive des enseignants vis-à-vis de l’ordinateur à l’école même si pour certains enseignants, l’ordinateur est un outil qui favorise la démotivation des élèves et qui est vu comme un concurrent potentiel. Notre second objectif est de connaître les représentations sociales des TIC chez des élèves. Cinquante élèves provenant de deux écoles ont constitué la population de notre étude. Après avoir soumis les entretiens recueillis à une analyse de contenu, nous sommes parvenu à des résultats qui mettent en évidence des représentations sociales sur les connaissances des TIC et sur son utilisation dans le cadre de l’apprentissage. Notre recherche devait aussi déterminer si les représentations sociales étaient fonction de la formation aux TIC. Les résultats du test d’hypothèse du Khi-carré montrent que la formation aux TIC n’influence pas l’émergence des représentations sociales. Le troisième objectif de notre recherche porte sur la construction d’une échelle de mesure des représentations sociales des TIC chez des élèves. Après avoir été élaborée l’échelle de mesure a été administrée à 265 élèves de deux lycées. Les résultats de l’analyse factorielle exploratoire montrent que l’échelle a une assez bonne cohérence interne. L’ensemble des résultats garantit la validité et la fidélité de l’échelle. L’ensemble des résultats montre que, bien que son utilisation soit très récente dans les écoles nigériennes, des représentations sociales ont été engendrées à l’endroit des TIC. Les contenus de ces représentations montrent des attitudes favorables aux TIC dans l’apprentissage.

Scoliosis curve type classification from 3D trunk image

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a deformity of the spine manifested by asymmetry and deformities of the external surface of the trunk. Classification of scoliosis deformities according to curve type is used to plan management of scoliosis patients. Currently, scoliosis curve type is determined based on X-ray exam. However, cumulative exposure to X-rays radiation significantly increases the risk for certain cancer. In this paper, we propose a robust system that can classify the scoliosis curve type from non invasive acquisition of 3D trunk surface of the patients. The 3D image of the trunk is divided into patches and local geometric descriptors characterizing the surface of the back are computed from each patch and forming the features. We perform the reduction of the dimensionality by using Principal Component Analysis and 53 components were retained. In this work a multi-class classifier is built with Least-squares support vector machine (LS-SVM) which is a kernel classifier. For this study, a new kernel was designed in order to achieve a robust classifier in comparison with polynomial and Gaussian kernel. The proposed system was validated using data of 103 patients with different scoliosis curve types diagnosed and classified by an orthopedic surgeon from the X-ray images. The average rate of successful classification was 93.3% with a better rate of prediction for the major thoracic and lumbar/thoracolumbar types.