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

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

Artificial evolution on network structures : how time and space influence dynamics

Abstract The main objective of this work is to show how the choice of the temporal dimension and of the spatial structure of the population influences an artificial evolutionary process. In the field of Artificial Evolution we can observe a common trend in synchronously evolv¬ing panmictic populations, i.e., populations in which any individual can be recombined with any other individual. Already in the '90s, the works of Spiessens and Manderick, Sarma and De Jong, and Gorges-Schleuter have pointed out that, if a population is struc¬tured according to a mono- or bi-dimensional regular lattice, the evolutionary process shows a different dynamic with respect to the panmictic case. In particular, Sarma and De Jong have studied the selection pressure (i.e., the diffusion of a best individual when the only selection operator is active) induced by a regular bi-dimensional structure of the population, proposing a logistic modeling of the selection pressure curves. This model supposes that the diffusion of a best individual in a population follows an exponential law. We show that such a model is inadequate to describe the process, since the growth speed must be quadratic or sub-quadratic in the case of a bi-dimensional regular lattice. New linear and sub-quadratic models are proposed for modeling the selection pressure curves in, respectively, mono- and bi-dimensional regu¬lar structures. These models are extended to describe the process when asynchronous evolutions are employed. Different dynamics of the populations imply different search strategies of the resulting algorithm, when the evolutionary process is used to solve optimisation problems. A benchmark of both discrete and continuous test problems is used to study the search characteristics of the different topologies and updates of the populations. In the last decade, the pioneering studies of Watts and Strogatz have shown that most real networks, both in the biological and sociological worlds as well as in man-made structures, have mathematical properties that set them apart from regular and random structures. In particular, they introduced the concepts of small-world graphs, and they showed that this new family of structures has interesting computing capabilities. Populations structured according to these new topologies are proposed, and their evolutionary dynamics are studied and modeled. We also propose asynchronous evolutions for these structures, and the resulting evolutionary behaviors are investigated. Many man-made networks have grown, and are still growing incrementally, and explanations have been proposed for their actual shape, such as Albert and Barabasi's preferential attachment growth rule. However, many actual networks seem to have undergone some kind of Darwinian variation and selection. Thus, how these networks might have come to be selected is an interesting yet unanswered question. In the last part of this work, we show how a simple evolutionary algorithm can enable the emrgence o these kinds of structures for two prototypical problems of the automata networks world, the majority classification and the synchronisation problems. Synopsis L'objectif principal de ce travail est de montrer l'influence du choix de la dimension temporelle et de la structure spatiale d'une population sur un processus évolutionnaire artificiel. Dans le domaine de l'Evolution Artificielle on peut observer une tendence à évoluer d'une façon synchrone des populations panmictiques, où chaque individu peut être récombiné avec tout autre individu dans la population. Déjà dans les année '90, Spiessens et Manderick, Sarma et De Jong, et Gorges-Schleuter ont observé que, si une population possède une structure régulière mono- ou bi-dimensionnelle, le processus évolutionnaire montre une dynamique différente de celle d'une population panmictique. En particulier, Sarma et De Jong ont étudié la pression de sélection (c-à-d la diffusion d'un individu optimal quand seul l'opérateur de sélection est actif) induite par une structure régulière bi-dimensionnelle de la population, proposant une modélisation logistique des courbes de pression de sélection. Ce modèle suppose que la diffusion d'un individu optimal suit une loi exponentielle. On montre que ce modèle est inadéquat pour décrire ce phénomène, étant donné que la vitesse de croissance doit obéir à une loi quadratique ou sous-quadratique dans le cas d'une structure régulière bi-dimensionnelle. De nouveaux modèles linéaires et sous-quadratique sont proposés pour des structures mono- et bi-dimensionnelles. Ces modèles sont étendus pour décrire des processus évolutionnaires asynchrones. Différentes dynamiques de la population impliquent strategies différentes de recherche de l'algorithme résultant lorsque le processus évolutionnaire est utilisé pour résoudre des problèmes d'optimisation. Un ensemble de problèmes discrets et continus est utilisé pour étudier les charactéristiques de recherche des différentes topologies et mises à jour des populations. Ces dernières années, les études de Watts et Strogatz ont montré que beaucoup de réseaux, aussi bien dans les mondes biologiques et sociologiques que dans les structures produites par l'homme, ont des propriétés mathématiques qui les séparent à la fois des structures régulières et des structures aléatoires. En particulier, ils ont introduit la notion de graphe sm,all-world et ont montré que cette nouvelle famille de structures possède des intéressantes propriétés dynamiques. Des populations ayant ces nouvelles topologies sont proposés, et leurs dynamiques évolutionnaires sont étudiées et modélisées. Pour des populations ayant ces structures, des méthodes d'évolution asynchrone sont proposées, et la dynamique résultante est étudiée. Beaucoup de réseaux produits par l'homme se sont formés d'une façon incrémentale, et des explications pour leur forme actuelle ont été proposées, comme le preferential attachment de Albert et Barabàsi. Toutefois, beaucoup de réseaux existants doivent être le produit d'un processus de variation et sélection darwiniennes. Ainsi, la façon dont ces structures ont pu être sélectionnées est une question intéressante restée sans réponse. Dans la dernière partie de ce travail, on montre comment un simple processus évolutif artificiel permet à ce type de topologies d'émerger dans le cas de deux problèmes prototypiques des réseaux d'automates, les tâches de densité et de synchronisation.

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

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

Sex-chromosome evolution of Palearctic tree frogs in space and time

Sexual reproduction is nearly universal in eukaryotes and genetic determination of sex prevails among animals. The astonishing diversity of sex-determining systems and sex chromosomes is yet bewildering. Some taxonomic groups possess conserved and dimorphic sex chromosomes, involving a functional copy (e.g. mammals' X, birds' Z) and a degenerated copy (mammals' Y, birds' W), implying that sex- chromosomes are expected to decay. In contrast, others like amphibians, reptiles and fishes yet maintained undifferentiated sex chromosomes. Why such different evolutionary trajectories? In this thesis, we empirically test and characterize the main hypotheses proposed to prevent the genetic decay of sex chromosomes, namely occasional X-Y recombination and frequent sex-chromosome transitions, using the Palearctic radiation of Hyla tree frogs as a model system. We take a phylogeographic and phylogenetic approach to relate sex-chromosome recombination, differentiation, and transitions in a spatial and temporal framework. By reconstructing the recent evolutionary history of the widespread European tree frog H. arborea, we showed that sex chromosomes can recombine in males, preventing their differentiation, a situation that potentially evolves rapidly. At the scale of the entire radiation, X-Y recombination combines with frequent transitions to prevent sex-chromosome degeneration in Hyla: we traced several turnovers of sex-determining system within the last 10My. These rapid changes seem less random than usually assumed: we gathered evidences that one chromosome pair is a sex expert, carrying genes with key role in animal sex determination, and which probably specialized through frequent reuse as a sex chromosome in Hyla and other amphibians. Finally, we took advantage of secondary contact zones between closely-related Hyla lineages to evaluate the consequences of sex chromosome homomorphy on the genetics of speciation. In comparison with other systems, the evolution of sex chromosomes in Hyla emphasized the existence of consistent evolutionary patterns within the chaotic diversity of flexibility of cold-blooded vertebrates' sex-determining systems, and provides insights into the evolution of recombination. Beyond sex-chromosome evolution, this work also significantly contributed to speciation, phylogeography and applied conservation research. -- La reproduction sexuée est quasi-universelle chez les eucaryotes et le sexe est le plus souvent déterminé génétiquement au sein du règne animal. L'incroyable diversité des systèmes de reproduction et des chromosomes sexuels est particulièrement étonnante. Certains groupes taxonomiques possèdent des chromosomes sexuels dimorphiques et très conservés, avec une copie entièrement fonctionnelle (ex : le X des mammifères, le Z des oiseaux) et une copie dégénérée (ex : le Y des mammifères, le W des oiseaux), suggérant que les chromosomes sexuels sont voués à se détériorer. Cependant les chromosomes sexuels d'autres groupes tels que les amphibiens, les reptiles et les poissons sont pour la plupart indifférenciés. Comment expliquer des trajectoires évolutives si différentes? Au cours de cette thèse, nous avons étudié empiriquement les processus évolutifs pouvant maintenir les chromosomes sexuels intacts, à savoir la recombinaison X-Y occasionnel ainsi que les substitutions fréquentes de chromosomes sexuels, en utilisant les rainettes Paléarctiques du genre Hyla comme modèle d'étude. Nous avons adopté une approche phylogéographique et phylogénétique pour appréhender les événements de recombinaison, de différenciation et de transitions de chromosomes sexuels dans un contexte spatio-temporel. En retraçant l'histoire évolutive récente de la rainette verte H. arborea, nous avons mis en évidence que les chromosomes sexuels pouvaient recombiner chez les mâles, empêchant ainsi leur différenciation, et que ce processus avait le potentiel d'évoluer très rapidement. A l'échelle plus globale de la radiation, il apparait que les phénomènes de recombinaison X-Y soient également accompagnés de substitutions de chromosomes sexuels, et participent de concert au maintien de chromosomes sexuels intacts dans les populations: le système de détermination du sexe des rainettes a changé plusieurs fois au cours des 10 derniers millions d'années. Ces transitions fréquentes ne semblent pas aléatoires: nous avons identifié une paire de chromosomes qui présente des caractéristiques présageant d'une spécialisation dans le déterminisme du sexe (notamment car elle possède des gènes importants pour cette fonction), et qui a été réutilisée plusieurs fois comme tel chez les rainettes ainsi que d'autres amphibiens. Enfin, nous avons étudié l'hybridation entre différentes espèces dans leurs zones de contact, afin d'évaluer si l'absence de différenciation entre X et Y jouaient un rôle dans les processus génétiques de spéciation. Outre son intérêt pour la compréhension de l'évolution des chromosomes sexuels, ce travail contribue de manière significative à d'autres domaines de recherche tels que la spéciation, la phylogéographie, ainsi que la biologie de la conservation.

Spatial variation in the decline of European birds as shown by the barn owl Tyto alba diet

Capsule The analysis of 635 papers about the diet of the European Barn Owl Tyto alba showed that 83 751 birds were captured out of 3.44 million prey items (2.4%). Birds were more frequently captured on islands than mainland, in southern than northern Europe and in eastern than western Europe. Between 1860 and 2012, the consumption of birds decreased in northern and eastern Europe. Among avian prey, the House Sparrow Passer domesticus, the most frequently captured bird (65.7%), decreased in frequency during the last 150 years in eastern Europe.

The interplay of spatial and climatic landscapes in the genetic distribution of a South American parrot

AimOur aim was to understand the interplay of heterogeneous climatic and spatial landscapes in shaping the distribution of nuclear microsatellite variation in burrowing parrots, Cyanoliseus patagonus. Given the marked phenotypic differences between populations of burrowing parrots we hypothesized an important role of geographical as well climatic heterogeneity in the population structure of this species. LocationSouthern South America. MethodsWe applied a landscape genetics approach to investigate the explicit patterns of genetic spatial autocorrelation based on both geography and climate using spatial principal component analysis (sPCA). This necessitated a novel statistical estimation of the species climatic landscape, considering temperature- and precipitation-based variables separately to evaluate their weight in shaping the distribution of genetic variation in our model system. ResultsGeographical and climatic heterogeneity successfully explained molecular variance in burrowing parrots. sPCA divided the species distribution into two main areas, Patagonia and the pre-Andes, which were connected by an area of geographical and climatic transition. Moreover, sPCA revealed cryptic and conservation-relevant genetic structure: the pre-Andean populations and the transition localities were each divided into two groups, each management units for conservation. Main conclusionssPCA, a method originally developed for spatial genetics, allowed us to unravel the genetic structure related to spatial and climatic landscapes and to visualize these patterns in landscape space. These novel climatic inferences underscore the importance of our modified sPCA approach in revealing how climatic variables can drive cryptic patterns of genetic structure, making the approach potentially useful in the study of any species distributed over a climatically heterogeneous landscape.