Nature of crossmodal plasticity in the blind brain and interplay with sight restoration

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université catholique de Louvain.

Émergence et entropie

Thèse effectuée en cotutelle avec l’Université de Montréal et l’Université Paris 1 Panthéon-Sorbonne (IHPST)

Le sens du goût chez l'aveugle congénital

Thèse réalisée en collaboration avec le Département de neurosciences et pharmacologie de l'Université de Copenhague, Danemark.

Étude comparative de l'imagerie dans l'évaluation de l'ostéoarthrose du grasset chez le cheval

Les objectifs de cette étude étaient (1) de décrire la localisation et la sévérité des lésions d’ostéoarthrose (OA) chroniques acquises naturellement au niveau du grasset équin grâce à l’échographie (US), la radiographie (XR), la tomodensitométrie (CT) et l’évaluation macroscopique (ME), (2) de comparer la performance diagnostique de chacune des modalities d’imagerie avec ME et (3) d’évaluer quantitativement la densité osseuse sous-chondrale lors d’OA du grasset chez le cheval à la tomodensitométrie. Des évaluations post mortem radiographique, tomodensitométrique et échographique ont été réalisées sur 23 grassets cadavériques et comparées à l’évaluation macroscopique. Des associations significatives ont été notées entre le «osteophytes global score» de toutes les modalités (US, p=0.04; XR, p=0.005; CT, p˂0.0001) et ME. De plus, la tomodensitométrie a démontré la plus forte association. Les ostéophytes étaient principalement localisés au niveau de l’articulation fémorotibiale médiale et cette articulation présentait également les scores d’ostéophytes les plus sévères. Un patron spécifique d’ostéophytes associé à l’insertion de la capsule articulaire sur le condyle fémoral médial a été mis en évidence. La nouvelle projection radiographique (Ca10Pr5L-CrDiMO) a été utile dans la détection des ostéophytes de la région intercondylaire. Les grades d’ostéophytes (0-3) ne différaient pas significativement selon la modalité dans la majorité des sites. La faible sensibilité/spécificité a indiqué que la sclérose de l’os sous-chondral et l’applatissement des condyles fémoraux ne semblent pas être des indicateurs fiables d’OA du grasset équin. L’OA du grasset équin est associée à une réduction de la densité osseuse sous-chondrale et des sites spécifiques de résorption/kystes sous-chondraux ont été notés chez certains spécimens.

Oxygenation-sensitive cardiovascular magnetic resonance imaging (OS-CMR) : potential confounding factors in use of OS-CMR

La résonance magnétique cardiovasculaire sensible à l'oxygénation (OS-CMR) est devenue une modalité d'imagerie diagnostique pour la surveillance de changements dans l'oxygénation du myocarde. Cette technique offre un grand potentiel en tant qu'outil diagnostic primaire pour les maladies cardiovasculaires, en particulier la détection non-invasive d'ischémie. Par contre, il existe plusieurs facteurs potentiellement confondants de cette technique, quelques-uns d'ordre méthodologique comme les paramètres de séquençage et d'autres de nature physiologiques qui sont peut compris. En raison des effets causés par le contenu tissulaire d'eau, l'état d'hydratation peut avoir un impact sur l'intensité du signal. Ceci est un des aspects physiologiques en particulier dont nous voulions quantifier l'effet confondant par la manipulation de l'état d'hydratation chez des humains et l'observation des changements de l'intensité du signal dans des images OS-CMR. Méthodes: In vitro: Du sang artériel et veineux de huit porcs a été utilisé pour évaluer la dilution en série du sang et son effet correspondant sur l'intensité du signal de la séquence OS. In vivo: Vingt-deux volontaires en santé ont subi OS-CMR. Les concentrations d'hémoglobine (Hb) ont été mesurées au niveau de base et immédiatement après une l'infusion cristalloïde rapide de 1000 mL de solution Lactate Ringer's (LRS). Les images OS-CMR ont été prises dans une vue mid-ventriculaire court axe. L'intensité du signal myocardique a été mesurée durant une rétention respiratoire volontaire maximale, suite à une période d'hyperventilation de 60 secondes. Les changements dans l'intensité du signal entre le début et la fin de la rétention de la respiration ont été exprimés relativement au niveau de base (% de changement). Résultats: L'infusion a résulté en une diminution significative de l'Hb mesurée (142.5±3.3 vs. 128.8±3.3 g/L; p<0.001), alors que l'IS a augmenté de 3.2±1.2% entre les images du niveau de base en normo- et hypervolémie (p<0.05). L'IS d'hyperventilation ainsi que les changements d'IS induits par l'apnée ont été attenués après hémodilution (p<0.05). L'évaluation quantitative T2* a démontré une corrélation négative entre le temps de T2* et la concentration d'hémoglobine (r=-0.46, p<0.005). Conclusions: Il existe plusieurs éléments confondants de la technique OS-CMR qui requièrent de l'attention et de l'optimisation pour une future implémentation clinique à grande échelle. Le statut d'hydratation en particulier pourrait être un élément confondant dans l'imagerie OS-CMR. L'hypervolémie mène à une augmentation en IS au niveau de base et atténue la réponse IS durant des manoeuvres de respiration vasoactives. Cette atténuation de l'intensité du signal devrait être tenue en compte et corrigée dans l'évaluation clinique d'images OS-CMR.

Les algorithmes de haute résolution en tomographie d'émission par positrons : développement et accélération sur les cartes graphiques

La tomographie d’émission par positrons (TEP) est une modalité d’imagerie moléculaire utilisant des radiotraceurs marqués par des isotopes émetteurs de positrons permettant de quantifier et de sonder des processus biologiques et physiologiques. Cette modalité est surtout utilisée actuellement en oncologie, mais elle est aussi utilisée de plus en plus en cardiologie, en neurologie et en pharmacologie. En fait, c’est une modalité qui est intrinsèquement capable d’offrir avec une meilleure sensibilité des informations fonctionnelles sur le métabolisme cellulaire. Les limites de cette modalité sont surtout la faible résolution spatiale et le manque d’exactitude de la quantification. Par ailleurs, afin de dépasser ces limites qui constituent un obstacle pour élargir le champ des applications cliniques de la TEP, les nouveaux systèmes d’acquisition sont équipés d’un grand nombre de petits détecteurs ayant des meilleures performances de détection. La reconstruction de l’image se fait en utilisant les algorithmes stochastiques itératifs mieux adaptés aux acquisitions à faibles statistiques. De ce fait, le temps de reconstruction est devenu trop long pour une utilisation en milieu clinique. Ainsi, pour réduire ce temps, on les données d’acquisition sont compressées et des versions accélérées d’algorithmes stochastiques itératifs qui sont généralement moins exactes sont utilisées. Les performances améliorées par l’augmentation de nombre des détecteurs sont donc limitées par les contraintes de temps de calcul. Afin de sortir de cette boucle et permettre l’utilisation des algorithmes de reconstruction robustes, de nombreux travaux ont été effectués pour accélérer ces algorithmes sur les dispositifs GPU (Graphics Processing Units) de calcul haute performance. Dans ce travail, nous avons rejoint cet effort de la communauté scientifique pour développer et introduire en clinique l’utilisation des algorithmes de reconstruction puissants qui améliorent la résolution spatiale et l’exactitude de la quantification en TEP. Nous avons d’abord travaillé sur le développement des stratégies pour accélérer sur les dispositifs GPU la reconstruction des images TEP à partir des données d’acquisition en mode liste. En fait, le mode liste offre de nombreux avantages par rapport à la reconstruction à partir des sinogrammes, entre autres : il permet d’implanter facilement et avec précision la correction du mouvement et le temps de vol (TOF : Time-Of Flight) pour améliorer l’exactitude de la quantification. Il permet aussi d’utiliser les fonctions de bases spatio-temporelles pour effectuer la reconstruction 4D afin d’estimer les paramètres cinétiques des métabolismes avec exactitude. Cependant, d’une part, l’utilisation de ce mode est très limitée en clinique, et d’autre part, il est surtout utilisé pour estimer la valeur normalisée de captation SUV qui est une grandeur semi-quantitative limitant le caractère fonctionnel de la TEP. Nos contributions sont les suivantes : - Le développement d’une nouvelle stratégie visant à accélérer sur les dispositifs GPU l’algorithme 3D LM-OSEM (List Mode Ordered-Subset Expectation-Maximization), y compris le calcul de la matrice de sensibilité intégrant les facteurs d’atténuation du patient et les coefficients de normalisation des détecteurs. Le temps de calcul obtenu est non seulement compatible avec une utilisation clinique des algorithmes 3D LM-OSEM, mais il permet également d’envisager des reconstructions rapides pour les applications TEP avancées telles que les études dynamiques en temps réel et des reconstructions d’images paramétriques à partir des données d’acquisitions directement. - Le développement et l’implantation sur GPU de l’approche Multigrilles/Multitrames pour accélérer l’algorithme LMEM (List-Mode Expectation-Maximization). L’objectif est de développer une nouvelle stratégie pour accélérer l’algorithme de référence LMEM qui est un algorithme convergent et puissant, mais qui a l’inconvénient de converger très lentement. Les résultats obtenus permettent d’entrevoir des reconstructions en temps quasi-réel que ce soit pour les examens utilisant un grand nombre de données d’acquisition aussi bien que pour les acquisitions dynamiques synchronisées. Par ailleurs, en clinique, la quantification est souvent faite à partir de données d’acquisition en sinogrammes généralement compressés. Mais des travaux antérieurs ont montré que cette approche pour accélérer la reconstruction diminue l’exactitude de la quantification et dégrade la résolution spatiale. Pour cette raison, nous avons parallélisé et implémenté sur GPU l’algorithme AW-LOR-OSEM (Attenuation-Weighted Line-of-Response-OSEM) ; une version de l’algorithme 3D OSEM qui effectue la reconstruction à partir de sinogrammes sans compression de données en intégrant les corrections de l’atténuation et de la normalisation dans les matrices de sensibilité. Nous avons comparé deux approches d’implantation : dans la première, la matrice système (MS) est calculée en temps réel au cours de la reconstruction, tandis que la seconde implantation utilise une MS pré- calculée avec une meilleure exactitude. Les résultats montrent que la première implantation offre une efficacité de calcul environ deux fois meilleure que celle obtenue dans la deuxième implantation. Les temps de reconstruction rapportés sont compatibles avec une utilisation clinique de ces deux stratégies.

La poésie cinématographique Terrence Malick et la sensation

Pour respecter les droits d’auteur, la version électronique de ce mémoire a été dépouillée de certains documents visuels et audio-visuels. La version intégrale du mémoire a été déposée au Service de la gestion des documents et des archives de l'Université de Montréal

Développement d'une nouvelle méthode de caractérisation tissulaire basée sur l'élastographie ultrasonore : application pour le dépistage précoce du cancer du sein

Le cancer du sein est le cancer le plus fréquent chez la femme. Il demeure la cause de mortalité la plus importante chez les femmes âgées entre 35 et 55 ans. Au Canada, plus de 20 000 nouveaux cas sont diagnostiqués chaque année. Les études scientifiques démontrent que l'espérance de vie est étroitement liée à la précocité du diagnostic. Les moyens de diagnostic actuels comme la mammographie, l'échographie et la biopsie comportent certaines limitations. Par exemple, la mammographie permet de diagnostiquer la présence d’une masse suspecte dans le sein, mais ne peut en déterminer la nature (bénigne ou maligne). Les techniques d’imagerie complémentaires comme l'échographie ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM) sont alors utilisées en complément, mais elles sont limitées quant à la sensibilité et la spécificité de leur diagnostic, principalement chez les jeunes femmes (< 50 ans) ou celles ayant un parenchyme dense. Par conséquent, nombreuses sont celles qui doivent subir une biopsie alors que leur lésions sont bénignes. Quelques voies de recherche sont privilégiées depuis peu pour réduire l`incertitude du diagnostic par imagerie ultrasonore. Dans ce contexte, l’élastographie dynamique est prometteuse. Cette technique est inspirée du geste médical de palpation et est basée sur la détermination de la rigidité des tissus, sachant que les lésions en général sont plus rigides que le tissu sain environnant. Le principe de cette technique est de générer des ondes de cisaillement et d'en étudier la propagation de ces ondes afin de remonter aux propriétés mécaniques du milieu via un problème inverse préétabli. Cette thèse vise le développement d'une nouvelle méthode d'élastographie dynamique pour le dépistage précoce des lésions mammaires. L'un des principaux problèmes des techniques d'élastographie dynamiques en utilisant la force de radiation est la forte atténuation des ondes de cisaillement. Après quelques longueurs d'onde de propagation, les amplitudes de déplacement diminuent considérablement et leur suivi devient difficile voir impossible. Ce problème affecte grandement la caractérisation des tissus biologiques. En outre, ces techniques ne donnent que l'information sur l'élasticité tandis que des études récentes montrent que certaines lésions bénignes ont les mêmes élasticités que des lésions malignes ce qui affecte la spécificité de ces techniques et motive la quantification de d'autres paramètres mécaniques (e.g.la viscosité). Le premier objectif de cette thèse consiste à optimiser la pression de radiation acoustique afin de rehausser l'amplitude des déplacements générés. Pour ce faire, un modèle analytique de prédiction de la fréquence de génération de la force de radiation a été développé. Une fois validé in vitro, ce modèle a servi pour la prédiction des fréquences optimales pour la génération de la force de radiation dans d'autres expérimentations in vitro et ex vivo sur des échantillons de tissu mammaire obtenus après mastectomie totale. Dans la continuité de ces travaux, un prototype de sonde ultrasonore conçu pour la génération d'un type spécifique d'ondes de cisaillement appelé ''onde de torsion'' a été développé. Le but est d'utiliser la force de radiation optimisée afin de générer des ondes de cisaillement adaptatives, et de monter leur utilité dans l'amélioration de l'amplitude des déplacements. Contrairement aux techniques élastographiques classiques, ce prototype permet la génération des ondes de cisaillement selon des parcours adaptatifs (e.g. circulaire, elliptique,…etc.) dépendamment de la forme de la lésion. L’optimisation des dépôts énergétiques induit une meilleure réponse mécanique du tissu et améliore le rapport signal sur bruit pour une meilleure quantification des paramètres viscoélastiques. Il est aussi question de consolider davantage les travaux de recherches antérieurs par un appui expérimental, et de prouver que ce type particulier d'onde de torsion peut mettre en résonance des structures. Ce phénomène de résonance des structures permet de rehausser davantage le contraste de déplacement entre les masses suspectes et le milieu environnant pour une meilleure détection. Enfin, dans le cadre de la quantification des paramètres viscoélastiques des tissus, la dernière étape consiste à développer un modèle inverse basé sur la propagation des ondes de cisaillement adaptatives pour l'estimation des paramètres viscoélastiques. L'estimation des paramètres viscoélastiques se fait via la résolution d'un problème inverse intégré dans un modèle numérique éléments finis. La robustesse de ce modèle a été étudiée afin de déterminer ces limites d'utilisation. Les résultats obtenus par ce modèle sont comparés à d'autres résultats (mêmes échantillons) obtenus par des méthodes de référence (e.g. Rheospectris) afin d'estimer la précision de la méthode développée. La quantification des paramètres mécaniques des lésions permet d'améliorer la sensibilité et la spécificité du diagnostic. La caractérisation tissulaire permet aussi une meilleure identification du type de lésion (malin ou bénin) ainsi que son évolution. Cette technique aide grandement les cliniciens dans le choix et la planification d'une prise en charge adaptée.

Évaluation de la production morphosyntaxique chez un enfant québécois francophone porteur d'implant cochléaire.

Cette étude décrit le développement des structures morphosyntaxiques et morphophonologiques chez les enfants francophones âgés entre 3 et 6 ans. Ces données pourront contribuer à particulariser certaines difficultés morphosyntaxiques et morphophonologiques retrouvées chez l’enfant déficient auditif québécois porteur d’implant cochléaire. Le premier objectif de notre projet pilote vise à comparer les habiletés morphosyntaxiques et morphophonologiques au niveau expressif de l’enfant porteur d’IC à celles des enfants entendants de même âge auditif et chronologique. L’étude évalue spécifiquement l’accord intra-nominal en genre, et les processus de fusion, d’élision et de liaison. Nous prédisons qu’une entrée auditive inférieure à la norme aura un impact sur l’acquisition des règles morpho(phonolo)giques en français. Le deuxième objectif consiste à observer si la maîtrise de ces structures est liée à la maîtrise de la production phonémique chez l’enfant franco-québécois porteur d’IC. L’élaboration de deux tâches expérimentales et la passation de tâches évaluatives et expérimentales ont permis d’étudier les difficultés morphologiques et phonologiques de l’enfant porteur d'IC. Le groupe témoin a inclus 14 enfants à développement typique. Ils ont été comparés au cas de Vincent, âgé de 59 mois, porteur d’implant cochléaire. Ce dernier présente des étapes de développement linguistique décalées qui correspondent à celles d’enfants appariés sur l’âge auditif (date d’IC) plutôt qu’à l’âge chronologique (AC). Nous avons observé des similitudes et des différences, sur le plan phonologique et morphosyntaxique, entre Vincent et les enfants entendants : il présente des performances significativement moins bonnes que la norme pour certaines de structures morphosyntaxiques et processus morphophonologiques (accord du genre, élision, fusion) mais meilleures que les témoins dans la tâche de liaison. Nous pensons que le gain prothétique n’est pas le seul facteur qui a un impact sur le développement linguistique précoce et que d’autres facteurs l’influenceraient, tels l’âge d’implantation, le mode de communication, l’implantation bilatérale, l’investissement des parents et les effets d’apprentissage. Enfin, notre étude de cas n’a pu étayer si la maîtrise de la production phonémique est en relation avec la maîtrise de certaines structures et processus morphologiques.

Une nouvelle méthode pour estimer la torsion géométrique en scoliose idiopathique de l’adolescent

La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est une déformation tridimensionnelle (3D) de la colonne vertébrale. Pour la plupart des patients atteints de SIA, aucun traitement chirurgical n’est nécessaire. Lorsque la déformation devient sévère, un traitement chirurgical visant à réduire la déformation est recommandé. Pour déterminer la sévérité de la SIA, l’imagerie la plus utilisée est une radiographie postéroantérieure (PA) ou antéro-postérieure (AP) du rachis. Plusieurs indices sont disponibles à partir de cette modalité d’imagerie afin de quantifier la déformation de la SIA, dont l’angle de Cobb. La conduite thérapeutique est généralement basée sur cet indice. Cependant, les indices disponibles à cette modalité d’imagerie sont de nature bidimensionnelle (2D). Celles-ci ne décrivent donc pas entièrement la déformation dans la SIA dû à sa nature tridimensionnelle (3D). Conséquemment, les classifications basées sur les indices 2D souffrent des mêmes limitations. Dans le but décrire la SIA en 3D, la torsion géométrique a été étudiée et proposée par Poncet et al. Celle-ci mesure la tendance d’une courbe tridimensionnelle à changer de direction. Cependant, la méthode proposée est susceptible aux erreurs de reconstructions 3D et elle est calculée localement au niveau vertébral. L’objectif de cette étude est d’évaluer une nouvelle méthode d’estimation de la torsion géométrique par l’approximation de longueurs d’arcs locaux et par paramétrisation de courbes dans la SIA. Une première étude visera à étudier la sensibilité de la nouvelle méthode présentée face aux erreurs de reconstructions 3D du rachis. Par la suite, deux études cliniques vont présenter la iv torsion géométrique comme indice global et viseront à démontrer l’existence de sous-groupes non-identifiés dans les classifications actuelles et que ceux-ci ont une pertinence clinique. La première étude a évalué la robustesse de la nouvelle méthode d’estimation de la torsion géométrique chez un groupe de patient atteint de la SIA. Elle a démontré que la nouvelle technique est robuste face aux erreurs de reconstructions 3D du rachis. La deuxième étude a évalué la torsion géométrique utilisant cette nouvelle méthode dans une cohorte de patient avec des déformations de type Lenke 1. Elle a démontré qu’il existe deux sous-groupes, une avec des valeurs de torsion élevées et l’autre avec des valeurs basses. Ces deux sous-groupes possèdent des différences statistiquement significatives, notamment au niveau du rachis lombaire avec le groupe de torsion élevée ayant des valeurs d’orientation des plans de déformation maximales (PMC) en thoraco-lombaire (TLL) plus élevées. La dernière étude a évalué les résultats chirurgicaux de patients ayant une déformation Lenke 1 sous-classifiées selon les valeurs de torsion préalablement. Cette étude a pu démontrer des différences au niveau du PMC au niveau thoraco-lombaire avec des valeurs plus élevées en postopératoire chez les patients ayant une haute torsion. Ces études présentent une nouvelle méthode d’estimation de la torsion géométrique et présentent cet indice quantitativement. Elles ont démontré l’existence de sous-groupes 3D basés sur cet indice ayant une pertinence clinique dans la SIA, qui n’étaient pas identifiés auparavant. Ce projet contribue dans la tendance actuelle vers le développement d’indices 3D et de classifications 3D pour la scoliose idiopathique de l’adolescent.

A Novel Method for the 3-D Reconstruction of Scoliotic Ribs From Frontal and Lateral Radiographs

Among the external manifestations of scoliosis, the rib hump, which is associated with the ribs' deformities and rotations, constitutes the most disturbing aspect of the scoliotic deformity for patients. A personalized 3-D model of the rib cage is important for a better evaluation of the deformity, and hence, a better treatment planning. A novel method for the 3-D reconstruction of the rib cage, based only on two standard radiographs, is proposed in this paper. For each rib, two points are extrapolated from the reconstructed spine, and three points are reconstructed by stereo radiography. The reconstruction is then refined using a surface approximation. The method was evaluated using clinical data of 13 patients with scoliosis. A comparison was conducted between the reconstructions obtained with the proposed method and those obtained by using a previous reconstruction method based on two frontal radiographs. A first comparison criterion was the distances between the reconstructed ribs and the surface topography of the trunk, considered as the reference modality. The correlation between ribs axial rotation and back surface rotation was also evaluated. The proposed method successfully reconstructed the ribs of the 6th-12th thoracic levels. The evaluation results showed that the 3-D configuration of the new rib reconstructions is more consistent with the surface topography and provides more accurate measurements of ribs axial rotation.

Active Microwave Imaging for Breast Cancer Detection

Active microwave imaging is explored as an imaging modality for early detection of breast cancer. When exposed to microwaves, breast tumor exhibits electrical properties that are significantly different from that of healthy breast tissues. The two approaches of active microwave imaging — confocal microwave technique with measured reflected signals and microwave tomographic imaging with measured scattered signals are addressed here. Normal and malignant breast tissue samples of same person are subjected to study within 30 minutes of mastectomy. Corn syrup is used as coupling medium, as its dielectric parameters show good match with that of the normal breast tissue samples. As bandwidth of the transmitter is an important aspect in the time domain confocal microwave imaging approach, wideband bowtie antenna having 2:1 VSWR bandwidth of 46% is designed for the transmission and reception of microwave signals. Same antenna is used for microwave tomographic imaging too at the frequency of 3000 MHz. Experimentally obtained time domain results are substantiated by finite difference time domain (FDTD) analysis. 2-D tomographic images are reconstructed with the collected scattered data using distorted Born iterative method. Variations of dielectric permittivity in breast samples are distinguishable from the obtained permittivity profiles.

Two-dimensional Microwave Tomographic Imaging of Breast Tissues

Despite its recognized value in detecting and characterizing breast disease, X-ray mammography has important limitations that motivate the quest for alternatives to augment the diagnostic tools that are currently available to the radiologist. The rationale for pursuing electromagnetic methods are based on the significant dielectric contrast between normal and cancerous breast tissues, when exposed to microwaves. The present study analyzes two-dimensional microwave tomographic imaging on normal and malignant breast tissue samples extracted by mastectomy, to assess the suitability of the technique for early detection ofbreast cancer. The tissue samples are immersed in matching coupling medium and are illuminated by 3 GHz signal. 2-D tomographic images ofthe breast tissue samples are reconstructed from the collected scattered data using distorted Born iterative method. Variations of dielectric permittivity in breast samples are distinguishable from the obtained permittivity profiles, which is a clear indication of the presence of malignancy. Hence microwave tomographic imaging is proposed as an alternate imaging modality for early detection ofbreast cancer.

Development of a Biometric Personal Authentication System Based on Fingerprint and Speech

Biometrics deals with the physiological and behavioral characteristics of an individual to establish identity. Fingerprint based authentication is the most advanced biometric authentication technology. The minutiae based fingerprint identification method offer reasonable identification rate. The feature minutiae map consists of about 70-100 minutia points and matching accuracy is dropping down while the size of database is growing up. Hence it is inevitable to make the size of the fingerprint feature code to be as smaller as possible so that identification may be much easier. In this research, a novel global singularity based fingerprint representation is proposed. Fingerprint baseline, which is the line between distal and intermediate phalangeal joint line in the fingerprint, is taken as the reference line. A polygon is formed with the singularities and the fingerprint baseline. The feature vectors are the polygonal angle, sides, area, type and the ridge counts in between the singularities. 100% recognition rate is achieved in this method. The method is compared with the conventional minutiae based recognition method in terms of computation time, receiver operator characteristics (ROC) and the feature vector length. Speech is a behavioural biometric modality and can be used for identification of a speaker. In this work, MFCC of text dependant speeches are computed and clustered using k-means algorithm. A backpropagation based Artificial Neural Network is trained to identify the clustered speech code. The performance of the neural network classifier is compared with the VQ based Euclidean minimum classifier. Biometric systems that use a single modality are usually affected by problems like noisy sensor data, non-universality and/or lack of distinctiveness of the biometric trait, unacceptable error rates, and spoof attacks. Multifinger feature level fusion based fingerprint recognition is developed and the performances are measured in terms of the ROC curve. Score level fusion of fingerprint and speech based recognition system is done and 100% accuracy is achieved for a considerable range of matching threshold

Development of Techniques for the Automatic Extraction and Grade Detection of Glioma Tumors from Conventional Brain Magnetic Resonant Images

Cerebral glioma is the most prevalent primary brain tumor, which are classified broadly into low and high grades according to the degree of malignancy. High grade gliomas are highly malignant which possess a poor prognosis, and the patients survive less than eighteen months after diagnosis. Low grade gliomas are slow growing, least malignant and has better response to therapy. To date, histological grading is used as the standard technique for diagnosis, treatment planning and survival prediction. The main objective of this thesis is to propose novel methods for automatic extraction of low and high grade glioma and other brain tissues, grade detection techniques for glioma using conventional magnetic resonance imaging (MRI) modalities and 3D modelling of glioma from segmented tumor slices in order to assess the growth rate of tumors. Two new methods are developed for extracting tumor regions, of which the second method, named as Adaptive Gray level Algebraic set Segmentation Algorithm (AGASA) can also extract white matter and grey matter from T1 FLAIR an T2 weighted images. The methods were validated with manual Ground truth images, which showed promising results. The developed methods were compared with widely used Fuzzy c-means clustering technique and the robustness of the algorithm with respect to noise is also checked for different noise levels. Image texture can provide significant information on the (ab)normality of tissue, and this thesis expands this idea to tumour texture grading and detection. Based on the thresholds of discriminant first order and gray level cooccurrence matrix based second order statistical features three feature sets were formulated and a decision system was developed for grade detection of glioma from conventional T2 weighted MRI modality.The quantitative performance analysis using ROC curve showed 99.03% accuracy for distinguishing between advanced (aggressive) and early stage (non-aggressive) malignant glioma. The developed brain texture analysis techniques can improve the physician’s ability to detect and analyse pathologies leading to a more reliable diagnosis and treatment of disease. The segmented tumors were also used for volumetric modelling of tumors which can provide an idea of the growth rate of tumor; this can be used for assessing response to therapy and patient prognosis.