Active Learning of Very-High Resolution Optical Imagery with SVM: Entropy vs Margin Sampling

An active learning method is proposed for the semi-automatic selection of training sets in remote sensing image classification. The method adds iteratively to the current training set the unlabeled pixels for which the prediction of an ensemble of classifiers based on bagged training sets show maximum entropy. This way, the algorithm selects the pixels that are the most uncertain and that will improve the model if added in the training set. The user is asked to label such pixels at each iteration. Experiments using support vector machines (SVM) on an 8 classes QuickBird image show the excellent performances of the methods, that equals accuracies of both a model trained with ten times more pixels and a model whose training set has been built using a state-of-the-art SVM specific active learning method

Effects of sarcoptic mange on the behaviour of the red fox and influence on other fox-born zoonoses in Geneva, Switzerland

Résumé : Une épidémie de gale sarcoptique (Sarcoptes scabiei) touche le canton de Genève depuis 1996. Nous avons étudié l'impact de cette maladie sur différents caractères comportementaux du renard roux (Vulpes vulpes) : l'écologie alimentaire, les comportements spatiaux et l'activité, ainsi que les contacts sociaux. Nous avons également évalué si la gale pouvait influencer la composition et la transmission de la communauté helminthique intestinale du renard. En effet, cette espèce est l'hôte de parasites qui sont liés à des zoonoses importantes, en particulier le ténia échinocoque du renard (Echinococcus multilocularis) pour lequel Genève est considérée comme une zone de haute endémie. Durant 5 années, des carcasses de renards ont été récoltées sur l'ensemble du canton. Nous les avons disséquées et avons conservé différents échantillons pour des analyses ultérieures. Des données sur le poids, l'âge et le statut reproductif des femelles ont ainsi pu être obtenues. Les contenus stomacaux ont été analysés pour déterminer le régime alimentaire, les intestins pour collecter des helminthes, des échantillons de sang pour faire des sérologies et des échantillons de peau pour récupérer les sarcoptes. Des renards sauvages ont également été capturés et équipés de colliers émetteurs afin de déterminer leur activité et leur utilisation de l'espace. Finalement, nous avons réalisé des affûts sur des terriers et des observations nocturnes à l'aide d'un détecteur thermique afin d'étudier les contacts sociaux. Nous avons ensuite considéré tous ces aspects pour comparer les renards galeux aux individus sains. Trois catégories de gale ont été prises en compte selon l'importance de l'infection. L'épidémie a traversé le canton en 8 ans environ et elle a provoqué une forte diminution des populations de renard. Les animaux malades étaient caractérisés par un poids réduit, ils utilisaient des domaines vitaux réduits et présentaient un rythme d'activité irrégulier. En ce qui concerne le régime alimentaire, les renards galeux avaient souvent des estomacs vides ou contenant peu d'aliments d'origine animale. Cette réduction de l'alimentation ne semble pas seulement être liée à des capacités de prédation réduite, mais également à un désintérêt face à la nourriture. Tous les changements de comportement cités étaient plus marqués chez les animaux soumis à une forte infestation. Dix taxons d'helminthes ont été identifiés dans les intestins des renards analysés. Deux d'entre eux représentent un risque de santé publique: Echinococcus multilocularis et Toxocara carvis. Pour ces helminthes, nous n'avons pas identifié de différences de prévalence entre les renards galeux et les animaux sains, mais la charge parasitaire était significativement supérieure chez les individus galeux, en particulier ceux souffrant d'une infestation importante. Ceci est probablement lié à une susceptibilité accrue des individus qui présentent une condition physique amoindrie et des défenses immunitaire affaiblies. Selon nos résultats, nous pouvons conclure que la gale induit des changements comportementaux importants et que ces changements ont une influence potentielle sur la transmission de la gale elle-même, mais également sur la transmission du reste de la communauté parasitaire de l'hôte. Les individus qui souffrent d'une infestation importante sont susceptibles de provoquer une contamination de l'environnement accrue en ce qui concerne des helminthes pouvant provoquer des zoonoses. La gale apparaît être un facteur à ne pas négliger dans le cadre de la gestion de la faune sauvage, mais également en ce qui concerne des problématiques de santé publique. Summary An epidemic outbreak of sarcoptic mange (Sarcoptes scabiei) has struck the canton of Geneva since 1996. The impact of the disease on various behavioural traits of the main host, the red fox (Vulpes vulpes), was investigated: feeding ecology, spatial behaviour and activity, and social contacts. We also evaluated if mange might have an influence on the composition and transmission of the intestinal helminth community of foxes. Indeed, this species is host of parasites with potential zoonotic importance, particularly the fox tapeworm (Echinococcus multilocularis) for which Geneva is reported as endemic area. During 5 years, red fox carcasses have been collected throughout the canton. They were then dissected and various samples conserved for further analysis. Data on weight, age, and reproductive status of females were obtained. Stomach content were analysed for diet analysis, intestines to recover helminths, blood to proceed to ELISAs and skin samples to check for the presence of Sarcoptes mites. Further, wild foxes were captured and fitted with transmitters in order to determine their activity pattern and space use. Finally, we proceeded to direct observations at dens and using a thermal imaging sensor at night to gain information about social contacts. A comparison between healthy and mangy foxes was made for all these aspects. Three categories of mangy foxes were considered from moderately to severely infected. The epidemic wave crossed the canton in about 8 years and induced a significant reduction in fox densities. Mangy individuals appeared to have reduced body weights, to use more restricted home ranges and exhibited an irregular activity pattern. Regarding food, sick foxes often had empty stomachs and consumed less food items of animal origin. The reduction in food intake appeared to be linked not only to a reduced ability to hunt, but also to a reduced interest in food. The changes observed were particularly pronounced in individuals with severe infestation. Ten helminth taxa were recovered from the intestines on the analysed fox carcasses. Two of them have an importance with regard to human public health: Echinococcus multilocularis and Toxocara cams. The prevalence of these helminths did not differ between healthy and mangy foxes, however the worm burden was significantly higher in mangy foxes, particularly those with severe mange. This is probably linked to an increased susceptibility in individuals with a reduced body condition and weakened immune defences. From our observations, we can conclude that mange induces pronounced behavioural changes in the red fox, and that those changes influence the transmission risks of mange itself, but also of the rest of the parasite community of the host. Individuals with severe mange are for example likely to increase the environment contamination of free living stages of helminths with zoonotic importance. Mange appears thus to represent a factor not to be neglected for the management of wild species and for public health issues.

Implementation of a robust coded structured light technique for dynamic 3D measurements

This paper presents the implementation details of a coded structured light system for rapid shape acquisition of unknown surfaces. Such techniques are based on the projection of patterns onto a measuring surface and grabbing images of every projection with a camera. Analyzing the pattern deformations that appear in the images, 3D information of the surface can be calculated. The implemented technique projects a unique pattern so that it can be used to measure moving surfaces. The structure of the pattern is a grid where the color of the slits are selected using a De Bruijn sequence. Moreover, since both axis of the pattern are coded, the cross points of the grid have two codewords (which permits to reconstruct them very precisely), while pixels belonging to horizontal and vertical slits have also a codeword. Different sets of colors are used for horizontal and vertical slits, so the resulting pattern is invariant to rotation. Therefore, the alignment constraint between camera and projector considered by a lot of authors is not necessary

A system to reduce the effect of CCDs saturation

Colour image segmentation based on the hue component presents some problems due to the physical process of image formation. One of that problems is colour clipping, which appear when at least one of the sensor components is saturated. We have designed a system, that works for a trained set of colours, to recover the chromatic information of those pixels on which colour has been clipped. The chromatic correction method is based on the fact that hue and saturation are invariant to the uniform scaling of the three RGB components. The proposed method has been validated by means of a specific colour image processing board that has allowed its execution in real time. We show experimental results of the application of our method

Exploration of alpine orographic precipitation patterns with radar image processing and clustering techniques

A methodology of exploratory data analysis investigating the phenomenon of orographic precipitation enhancement is proposed. The precipitation observations obtained from three Swiss Doppler weather radars are analysed for the major precipitation event of August 2005 in the Alps. Image processing techniques are used to detect significant precipitation cells/pixels from radar images while filtering out spurious effects due to ground clutter. The contribution of topography to precipitation patterns is described by an extensive set of topographical descriptors computed from the digital elevation model at multiple spatial scales. Additionally, the motion vector field is derived from subsequent radar images and integrated into a set of topographic features to highlight the slopes exposed to main flows. Following the exploratory data analysis with a recent algorithm of spectral clustering, it is shown that orographic precipitation cells are generated under specific flow and topographic conditions. Repeatability of precipitation patterns in particular spatial locations is found to be linked to specific local terrain shapes, e.g. at the top of hills and on the upwind side of the mountains. This methodology and our empirical findings for the Alpine region provide a basis for building computational data-driven models of orographic enhancement and triggering of precipitation. Copyright (C) 2011 Royal Meteorological Society .

Forest fires cluster detection with space-time scan statistics

Forest fires are defined as uncontrolled fires often occurring in wildland areas, but that can also affect houses or agricultural resources. Causes are both natural (e.g.,lightning phenomena) and anthropogenic (human negligence or arsons).Major environmental factors influencing the fire ignition and propagation are climate and vegetation. Wildfires are most common and severe during drought period and on windy days. Moreover, under water-stress conditions, which occur after a long hot and dry period, the vegetation is more vulnerable to fire. These conditions are common in the United State and Canada, where forest fires represent a big problem. We focused our analysis on the state of Florida, for which a big dataset on forest fires detection is readily available. USDA Forest Service Remote Sensing Application Center, in collaboration with NASA-Goddard Space Flight Center and the University of Maryland, has compiled daily MODIS Thermal Anomalies (fires and biomass burning images) produced by NASA using a contextual algorithm that exploits the strong emission of mid-infrared radiation from fires. Fire classes were converted in GIS format: daily MODIS fire detections are provided as the centroids of the 1 kilometer pixels and compiled into daily Arc/INFO point coverage.

Molecular and physiological characterisation of lonotropic receptors in the sacculus in drosophila

Chemosensation is the detection of chemical signals in the environment that enable an animal to make informed decisions about food choice, mate preference or predator detection. Dissecting the molecular and neural mechanisms by which animals detect chemical cues is an important goal towards understanding how they interact with the environment. An attractive system to dissect the mechanisms of chemosensation is the olfactory system. One of the most-investigated olfactory systems is that of Drosophila melanogaster, a model organism that is amenable to a powerful combination of genetic and physiological analyses. Embedded within the antennal olfactory organ of Drosophila is an unusual sensory structure called the sacculus. The sacculus is comprised of three distinct chambers, each lined with several sensilla housing two to three neurons. Previous morphological, anatomical and surgical studies of sacculus neurons have implicated sacculus neurons in chemosensation, hygrosensation and/or thermosensation. While a subset of sacculus neurons have been physiologically characterised as temperature sensors, the role of this organ has remained largely mysterious, due to its inaccessibility to peripheral electrophysiological analysis. Recently a new family of olfactory receptors, the lonotropic Receptors (IRs), was identified. Five IRs are expressed in sacculus neurons providing the first selective molecular markers for these cells. In this thesis I describe the molecular, physiological and anatomical characterisation of these neurons. Genetic labelling of specific populations of sacculus neurons with anatomical (CD8:GFP) reporters has identified neurons in sacculus chambers I and II express IR40a+IR93a together with their co- receptor IR25a, while neurons in chamber III express IR64a with its co-receptor IR8a. Both these sets of neurons project to two distinct glomeruli in the antennal lobe; IR40a neurons project to the column and arm, IR64a neurons project to DC4 and DP1m. Through a live optical imaging screen I showed that these neurons are indeed olfactory and IR64a neurons recognise acidic ligands, while IR40a neurons recognise amine ligands. IR40a and IR64a neurons are in fact composed of anatomically and physiologically distinct subpopulations, strongly implying the existence of other factors that define their functional properties. My thesis identifies the sacculus as a specialised olfactory organ capable of detecting acids and bases, which are of widespread importance to insects. The data from my thesis along with data from other labs show the sacculus is composed of different populations of olfactory sensory neurons and thermosensory neurons. Comparative genomic analysis of sacculus IRs across insects reveals them to be among the most conserved of this receptor repertoire, suggesting that the sacculus represents an evolutionarily ancient insect olfactory acid-base sensor. - La détection des produits chimiques se trouvant dans l'environnement (perception chimiosensorielle) permet à un animal de choisir sa nourriture, son partenaire ou encore d'identifier ses prédateurs. Décortiquer les mécanismes moléculaires et neuronaux grâce auxquels les animaux détectent ces signaux chimiques permet de comprendre comment ces animaux interagissent avec leur environnement. Un système intéressant pour décortiquer ces mécanismes de perception chimiosensorielle est le système olfactif, de la drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre. C'est un animal modèle très utile grâce à la combinaison d'outils génétiques puissants et d'analyses physiologiques facilement réalisables. Dans l'antenne de la drosophile, qui est l'organe olfactif principal de cet animal, se trouve une structure appelée sacculus. Celui-ci est composé de trois chambres distinctes, chacune comprenant plusieurs sensilles à l'intérieur desquelles se trouvent deux à trois neurones. De précédentes études morphologiques et anatomiques des ces neurones ont déterminé qu'ils sont impliqués dans la perception des odeurs, de l'humidité et de la température. Malgré ceci, la fonction principale de cet organe reste largement inconnue, principalement car il est inaccessible aux analyses électrophysiologiques. Récemment, une nouvelle famille de soixante-six récepteurs olfactifs, nommés Récepteurs lonotropiques (IRs), a été découverte chez la drosophile. Cinq IRs sont exprimés dans les neurones du sacculus. Pour la première fois, une sélection de marqueurs moléculaires est disponible pour l'étude de ces cellules. Dans cette thèse, les caractéristiques moléculaires, physiologiques et anatomiques des neurones du sacculus sont décrites. Ces populations de neurones situés dans le sacculus ont été marquées avec des gènes rapporteurs (CD8:GFP). Ceci a montré que les récepteurs IR40a et IR93a sont exprimés ensemble avec le co-récepteur IR25a dans les chambres I et II, tandis que les neurones de la chambre III expriment IR64a avec son co-récepteur IR8a. Ces deux groupes de neurones projettent vers deux glomérules distincts du lobe antennaire : les neurones IR40a projettent vers la column et le arm, alors que les neurones IR64a projettent vers DC4 et DP1m. Un screen d'imagerie optique a démontré que ces neurones sont en effet des neurones olfactifs, et que les neurones IR64a reconnaissent des ligands acides, tandis que les neurones IR40a reconnaissent des ligands aminés. De plus, les neurones IR40a et IR64a sont séparés en sous-populations distinctes anatomiquement et physiologiquement, et d'autres facteurs permettant de définir leurs propriétés fonctionnelles sont probablement impliqués. Cette thèse identifie ainsi le sacculus comme un organe olfactif spécialisé capable de détecter des acides et amines, lesquels sont très importants pour les insectes. Toutes les données collectées durant cette thèse, combinées aux données d'autres laboratoires, montrent que le sacculus est composé de différentes populations de neurones olfactifs et thermosenseurs. Ces IRs sont très conservés parmi les insectes, suggérant que le sacculus représente révolution d'un ancien détecteur olfactif d'acides et de bases chez l'insecte. - Tous les animaux sont capables de percevoir les signaux chimiques dans leur environnement, comme les odeurs ou le goût, via différents organes. L'odorat est le sens qui permet de percevoir les odeurs, et il est implique des neurones olfactifs qui se trouvent dans le nez des mammifères ou les antennes des insectes. La capacité d'un neurone olfactif à détecter une molécule odorante dépend des types de récepteurs olfactifs qu'il exprime. Il existe deux grandes familles de récepteurs qui perçoivent les odeurs : les Récepteurs Olfactifs, ORs, et Récepteurs lonotropiques IRs, qui détectent différents types d'odeurs avec différents mécanismes. Lorsqu'un récepteur reconnaît une molécule odorante, il convertit ce signal en un signal électrique qui est ensuite transmis au centre olfactif dans le cerveau. La drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre, est utilisée comme animal modèle pour étudier l'odorat, parce que son génome entier a été séquencé et que ses gènes sont facilement manipulables. De plus, l'anatomie du système olfactif de la mouche est similaire à celui des mammifères, malgré qu'il possède moins de neurones, ce qui le rend moins complexe. Ma thèse a pour objectif d'étudier les Récepteurs lonotropiques dans un organe spécifique, appelé le sacculus, situé dans les antennes. Les neurones du sacculus exprimant des IRs envoient leurs projections au centre olfactif du cerveau, suggérant que ces neurones perçoivent les odeurs. Une technique d'imagerie optique a été utilisée sur le cerveau de mouches vivantes afin de mesurer la réponse des neurones du le sacculus à différentes odeurs. J'ai démontré que ces récepteurs détectent des acides et des amines, qui sont très importants pour les insectes. Par exemple, les acides se retrouvent dans les fruits mûrs sur lesquels les mouches vont se nourrir, s'accoupler et poser leurs oeufs, et les amines sont souvent produites par des bactéries pouvant être nuisible pour la mouche. La principale découverte de ma thèse est donc l'identification du sacculus comme un organe capable de détecter deux des principales odeurs importantes pour la mouche. Ces récepteurs sont aussi présents dans d'autres insectes où ils jouent peut-être des rôles différents. Les acides et les amines se retrouvent aussi dans les excrétions (comme la sueur ou l'urine) de beaucoup de mammifères, qui pourraient potentiellement être dangereux pour la mouche, mais qui attirent les moustiques se nourrissant de leur sang.

Kernel-based methods for change detection in remote sensing images

Nowadays, the joint exploitation of images acquired daily by remote sensing instruments and of images available from archives allows a detailed monitoring of the transitions occurring at the surface of the Earth. These modifications of the land cover generate spectral discrepancies that can be detected via the analysis of remote sensing images. Independently from the origin of the images and of type of surface change, a correct processing of such data implies the adoption of flexible, robust and possibly nonlinear method, to correctly account for the complex statistical relationships characterizing the pixels of the images. This Thesis deals with the development and the application of advanced statistical methods for multi-temporal optical remote sensing image processing tasks. Three different families of machine learning models have been explored and fundamental solutions for change detection problems are provided. In the first part, change detection with user supervision has been considered. In a first application, a nonlinear classifier has been applied with the intent of precisely delineating flooded regions from a pair of images. In a second case study, the spatial context of each pixel has been injected into another nonlinear classifier to obtain a precise mapping of new urban structures. In both cases, the user provides the classifier with examples of what he believes has changed or not. In the second part, a completely automatic and unsupervised method for precise binary detection of changes has been proposed. The technique allows a very accurate mapping without any user intervention, resulting particularly useful when readiness and reaction times of the system are a crucial constraint. In the third, the problem of statistical distributions shifting between acquisitions is studied. Two approaches to transform the couple of bi-temporal images and reduce their differences unrelated to changes in land cover are studied. The methods align the distributions of the images, so that the pixel-wise comparison could be carried out with higher accuracy. Furthermore, the second method can deal with images from different sensors, no matter the dimensionality of the data nor the spectral information content. This opens the doors to possible solutions for a crucial problem in the field: detecting changes when the images have been acquired by two different sensors.

Dose reconstruction in the context of tomotherapy

In vivo dosimetry is a way to verify the radiation dose delivered to the patient in measuring the dose generally during the first fraction of the treatment. It is the only dose delivery control based on a measurement performed during the treatment. In today's radiotherapy practice, the dose delivered to the patient is planned using 3D dose calculation algorithms and volumetric images representing the patient. Due to the high accuracy and precision necessary in radiation treatments, national and international organisations like ICRU and AAPM recommend the use of in vivo dosimetry. It is also mandatory in some countries like France. Various in vivo dosimetry methods have been developed during the past years. These methods are point-, line-, plane- or 3D dose controls. A 3D in vivo dosimetry provides the most information about the dose delivered to the patient, with respect to ID and 2D methods. However, to our knowledge, it is generally not routinely applied to patient treatments yet. The aim of this PhD thesis was to determine whether it is possible to reconstruct the 3D delivered dose using transmitted beam measurements in the context of narrow beams. An iterative dose reconstruction method has been described and implemented. The iterative algorithm includes a simple 3D dose calculation algorithm based on the convolution/superposition principle. The methodology was applied to narrow beams produced by a conventional 6 MV linac. The transmitted dose was measured using an array of ion chambers, as to simulate the linear nature of a tomotherapy detector. We showed that the iterative algorithm converges quickly and reconstructs the dose within a good agreement (at least 3% / 3 mm locally), which is inside the 5% recommended by the ICRU. Moreover it was demonstrated on phantom measurements that the proposed method allows us detecting some set-up errors and interfraction geometry modifications. We also have discussed the limitations of the 3D dose reconstruction for dose delivery error detection. Afterwards, stability tests of the tomotherapy MVCT built-in onboard detector was performed in order to evaluate if such a detector is suitable for 3D in-vivo dosimetry. The detector showed stability on short and long terms comparable to other imaging devices as the EPIDs, also used for in vivo dosimetry. Subsequently, a methodology for the dose reconstruction using the tomotherapy MVCT detector is proposed in the context of static irradiations. This manuscript is composed of two articles and a script providing further information related to this work. In the latter, the first chapter introduces the state-of-the-art of in vivo dosimetry and adaptive radiotherapy, and explains why we are interested in performing 3D dose reconstructions. In chapter 2 a dose calculation algorithm implemented for this work is reviewed with a detailed description of the physical parameters needed for calculating 3D absorbed dose distributions. The tomotherapy MVCT detector used for transit measurements and its characteristics are described in chapter 3. Chapter 4 contains a first article entitled '3D dose reconstruction for narrow beams using ion chamber array measurements', which describes the dose reconstruction method and presents tests of the methodology on phantoms irradiated with 6 MV narrow photon beams. Chapter 5 contains a second article 'Stability of the Helical TomoTherapy HiArt II detector for treatment beam irradiations. A dose reconstruction process specific to the use of the tomotherapy MVCT detector is presented in chapter 6. A discussion and perspectives of the PhD thesis are presented in chapter 7, followed by a conclusion in chapter 8. The tomotherapy treatment device is described in appendix 1 and an overview of 3D conformai- and intensity modulated radiotherapy is presented in appendix 2. - La dosimétrie in vivo est une technique utilisée pour vérifier la dose délivrée au patient en faisant une mesure, généralement pendant la première séance du traitement. Il s'agit de la seule technique de contrôle de la dose délivrée basée sur une mesure réalisée durant l'irradiation du patient. La dose au patient est calculée au moyen d'algorithmes 3D utilisant des images volumétriques du patient. En raison de la haute précision nécessaire lors des traitements de radiothérapie, des organismes nationaux et internationaux tels que l'ICRU et l'AAPM recommandent l'utilisation de la dosimétrie in vivo, qui est devenue obligatoire dans certains pays dont la France. Diverses méthodes de dosimétrie in vivo existent. Elles peuvent être classées en dosimétrie ponctuelle, planaire ou tridimensionnelle. La dosimétrie 3D est celle qui fournit le plus d'information sur la dose délivrée. Cependant, à notre connaissance, elle n'est généralement pas appliquée dans la routine clinique. Le but de cette recherche était de déterminer s'il est possible de reconstruire la dose 3D délivrée en se basant sur des mesures de la dose transmise, dans le contexte des faisceaux étroits. Une méthode itérative de reconstruction de la dose a été décrite et implémentée. L'algorithme itératif contient un algorithme simple basé sur le principe de convolution/superposition pour le calcul de la dose. La dose transmise a été mesurée à l'aide d'une série de chambres à ionisations alignées afin de simuler la nature linéaire du détecteur de la tomothérapie. Nous avons montré que l'algorithme itératif converge rapidement et qu'il permet de reconstruire la dose délivrée avec une bonne précision (au moins 3 % localement / 3 mm). De plus, nous avons démontré que cette méthode permet de détecter certaines erreurs de positionnement du patient, ainsi que des modifications géométriques qui peuvent subvenir entre les séances de traitement. Nous avons discuté les limites de cette méthode pour la détection de certaines erreurs d'irradiation. Par la suite, des tests de stabilité du détecteur MVCT intégré à la tomothérapie ont été effectués, dans le but de déterminer si ce dernier peut être utilisé pour la dosimétrie in vivo. Ce détecteur a démontré une stabilité à court et à long terme comparable à d'autres détecteurs tels que les EPIDs également utilisés pour l'imagerie et la dosimétrie in vivo. Pour finir, une adaptation de la méthode de reconstruction de la dose a été proposée afin de pouvoir l'implémenter sur une installation de tomothérapie. Ce manuscrit est composé de deux articles et d'un script contenant des informations supplémentaires sur ce travail. Dans ce dernier, le premier chapitre introduit l'état de l'art de la dosimétrie in vivo et de la radiothérapie adaptative, et explique pourquoi nous nous intéressons à la reconstruction 3D de la dose délivrée. Dans le chapitre 2, l'algorithme 3D de calcul de dose implémenté pour ce travail est décrit, ainsi que les paramètres physiques principaux nécessaires pour le calcul de dose. Les caractéristiques du détecteur MVCT de la tomothérapie utilisé pour les mesures de transit sont décrites dans le chapitre 3. Le chapitre 4 contient un premier article intitulé '3D dose reconstruction for narrow beams using ion chamber array measurements', qui décrit la méthode de reconstruction et présente des tests de la méthodologie sur des fantômes irradiés avec des faisceaux étroits. Le chapitre 5 contient un second article intitulé 'Stability of the Helical TomoTherapy HiArt II detector for treatment beam irradiations'. Un procédé de reconstruction de la dose spécifique pour l'utilisation du détecteur MVCT de la tomothérapie est présenté au chapitre 6. Une discussion et les perspectives de la thèse de doctorat sont présentées au chapitre 7, suivies par une conclusion au chapitre 8. Le concept de la tomothérapie est exposé dans l'annexe 1. Pour finir, la radiothérapie «informationnelle 3D et la radiothérapie par modulation d'intensité sont présentées dans l'annexe 2.

Geometry-based demosaicking

Demosaicking is a particular case of interpolation problems where, from a scalar image in which each pixel has either the red, the green or the blue component, we want to interpolate the full-color image. State-of-the-art demosaicking algorithms perform interpolation along edges, but these edges are estimated locally. We propose a level-set-based geometric method to estimate image edges, inspired by the image in-painting literature. This method has a time complexity of O(S) , where S is the number of pixels in the image, and compares favorably with the state-of-the-art algorithms both visually and in most relevant image quality measures.

Long-term cerebral plasticity-related gene expression : a study of the respective role of CBP and CRTC1 in CREB transcriptional activation

1.1 AbstractThe treatment of memory disorders and cognitive deficits in various forms of mental retardation may greatly benefit from a better understanding of the molecular and cellular mechanisms of memory formation. Different forms of memory have distinct molecular requirements.Short-term memory (STM) is thought to be mediated by covalent modifications of existing synaptic molecules, such as phosphorylation or dephosphorylation of enzymes, receptors or ion channels. In contrast, long-term memoiy (LTM) is thought to be mediated by growth of new synapses and restructuring of existing synapses. There is extensive evidence that changes in gene expression and de novo protein synthesis are key processes for LTM formation. In this context, the transcription factor CREB (cAMP-response element-binding protein) was shown to be crucial. Activation of CREB requires phosphorylation of a serine residue (Ser-133), and the subsequent recruitment of a coactivator called CREB-binding protein (CBP). Moreover, we have recently shown that another coactivator called CREB Regulated Transcription Coactivator 1 (CRTC1) functions as a calcium- and cAMP-sensitive coincidence detector in neurons, and is involved in hippocampal long-term synaptic plasticity. Given the importance of cAMP and calcium signaling for plasticity-related gene expression in neurons and in astrocytes, we sought to determine the respective involvement of the CREB coactivators CBP and CRTC1 in CREB-mediated transcription.We developed various strategies to selectively interfere with these CREB coactivators in mouse primary neurons and in astrocytes in vitro. However, despite several pieces of evidence implicating CBP and/or CRTC1 in the regulation of neuronal plasticity genes, we could not clearly determine the respective requirement of these coactivators for the activation of these genes. Nevertheless, we showed that calcineurin activity, which is important for CRTC1 nuclear translocation, is necessary for the expression of some CREB-regulated plasticity genes. We associated this phenomena to physiopathological conditions observed in Down's syndrome. In addition, we demonstrated that in astrocytes, noradrenaline stimulates CREB-target gene expression through β-adrenergic receptor activation, intracellular cAMP pathway activation, and CRTC-induced CREB transactivation.Defining the respective role of CREB and its coactivators CBP and CRTC1 in neuronal and astrocytic cultures in vitro sets the stage for future in vivo studies and for the possible development of new therapeutic strategies to improve the treatment of memoiy and cognitive disorders.1.2 RésuméUne meilleure connaissance des mécanismes moléculaires et cellulaires responsables de la formation de la mémoire pourrait grandement améliorer le traitement des troubles de la mémoire ainsi que des déficits cognitifs observés dans différentes formes de pathologies psychiatriques telles que le retard mental. Les différentes formes de mémoire dépendent de processus moléculaires différents.La mémoire à court terme (STM) semble prendre forme suite à des modifications covalentes de molécules synaptiques préexistantes, telles que la phosphorylation ou la déphosphorylation d'enzymes, de récepteurs ou de canaux ioniques. En revanche, la mémoire à long terme (LTM) semble être due à la génération de nouvelles synapses et à la restructuration des synapses existantes. De nombreuses études ont permis de démontrer que les changements dans l'expression des gènes et la synthèse de protéine de novo sont des processus clés pour la formation de la LTM. Dans ce contexte, le facteur de transcription CREB (cAMP-response element-binding protein) s'est avéré être un élément crucial. L'activation de CREB nécessite la phosphorylation d'un résidu sérine (Ser-133), et le recrutement d'un coactivateur nommé CBP (CREB binding protein). En outre, nous avons récemment démontré qu'un autre coactivateur de CREB nommé CRTC1 (CREB Regulated Transcription Coactivator 1) agit comme un détecteur de coïncidence de l'AMP cyclique (AMPc) et du calcium dans les neurones et qu'il est impliqué dans la formation de la plasticité synaptique à long terme dans l'hippocampe. Etant donné l'importance des voies de l'AMPc et du calcium dans l'expression des gènes impliqués dans la plasticité cérébrale, nous voulions déterminer le rôle respectif des coactivateurs de CREB, CBP et CRTC1.Nous avons développé diverses stratégies pour interférer de façon sélective avec les coactivateurs de CREB dans les neurones et dans les astrocytes chez la souris in vitro. Nos résultats indiquent que CBP et CRTC1 sont tous deux impliqués dans la transcription dépendante de CREB induite par l'AMPc et le calcium dans les neurones. Cependant, malgré plusieurs évidences impliquant CBP et/ou CRTC1 dans l'expression de gènes de plasticité neuronale, nous n'avons pas pu déterminer clairement leur nécessité respective pour l'activation de ces gènes. Toutefois, nous avons montré que l'activité de la calcineurine, dont dépend la translocation nucléaire de CRTC1, est nécessaire à l'expression de certains de ces gènes. Nous avons pu associer ce phénomène à une condition physiopathologique observée dans le syndrome de Down. Nous avons également montré que dans les astrocytes, la noradrénaline stimule l'expression de gènes cibles de CREB par une activation des récepteurs β- adrénergiques, l'activation de la voie de l'AMPc et la transactivation de CREB par les CRTCs.Définir le rôle respectif de CREB et de ses coactivateurs CBP et CRTC1 dans les neurones et dans les astrocytes in vitro permettra d'acquérir les connaissances nécessaires à de futures études in vivo et, à plus long terme d'éventuellement développer des stratégies thérapeutiques pour améliorer les traitements des troubles cognitifs.

Ecological niche models and patterns of richness and endemism of the southern Andean genus Eurymetopum (Coleoptera, Cleridae)

Eurymetopum is an Andean clerid genus with 22 species. We modeled the ecological niches of 19 species with Maxent and used them as potential distributional maps to identify patterns of richness and endemicity. All modeled species maps were overlapped in a single map in order to determine richness. We performed an optimality analysis with NDM/VNDM in a grid of 1º latitude-longitude in order to identify endemism. We found a highly rich area, located between 32º and 41º south latitude, where the richest pixels have 16 species. One area of endemism was identified, located in the Maule and Valdivian Forest biogeographic provinces, which extends also to the Santiago province of the Central Chilean subregion, and contains four endemic species (E. parallelum, E. prasinum, E. proteus, and E. viride), as well as 16 non-endemic species. The sympatry of these phylogenetically unrelated species might indicate ancient vicariance processes, followed by episodes of dispersal. Based on our results, we suggest a close relationship between these provinces, with the Maule representing a complex area.

Parametric imaging for characterizing focal liver lesions in contrast-enhanced ultrasound.

The differentiation between benign and malignant focal liver lesions plays an important role in diagnosis of liver disease and therapeutic planning of local or general disease. This differentiation, based on characterization, relies on the observation of the dynamic vascular patterns (DVP) of lesions with respect to adjacent parenchyma, and may be assessed during contrast-enhanced ultrasound imaging after a bolus injection. For instance, hemangiomas (i.e., benign lesions) exhibit hyper-enhanced signatures over time, whereas metastases (i.e., malignant lesions) frequently present hyperenhanced foci during the arterial phase and always become hypo-enhanced afterwards. The objective of this work was to develop a new parametric imaging technique, aimed at mapping the DVP signatures into a single image called a DVP parametric image, conceived as a diagnostic aid tool for characterizing lesion types. The methodology consisted in processing a time sequence of images (DICOM video data) using four consecutive steps: (1) pre-processing combining image motion correction and linearization to derive an echo-power signal, in each pixel, proportional to local contrast agent concentration over time; (2) signal modeling, by means of a curve-fitting optimization, to compute a difference signal in each pixel, as the subtraction of adjacent parenchyma kinetic from the echopower signal; (3) classification of difference signals; and (4) parametric image rendering to represent classified pixels as a support for diagnosis. DVP parametric imaging was the object of a clinical assessment on a total of 146 lesions, imaged using different medical ultrasound systems. The resulting sensitivity and specificity were 97% and 91%, respectively, which compare favorably with scores of 81 to 95% and 80 to 95% reported in medical literature for sensitivity and specificity, respectively.

Active learning methods for remote sensing image classification

In this paper, we propose two active learning algorithms for semiautomatic definition of training samples in remote sensing image classification. Based on predefined heuristics, the classifier ranks the unlabeled pixels and automatically chooses those that are considered the most valuable for its improvement. Once the pixels have been selected, the analyst labels them manually and the process is iterated. Starting with a small and nonoptimal training set, the model itself builds the optimal set of samples which minimizes the classification error. We have applied the proposed algorithms to a variety of remote sensing data, including very high resolution and hyperspectral images, using support vector machines. Experimental results confirm the consistency of the methods. The required number of training samples can be reduced to 10% using the methods proposed, reaching the same level of accuracy as larger data sets. A comparison with a state-of-the-art active learning method, margin sampling, is provided, highlighting advantages of the methods proposed. The effect of spatial resolution and separability of the classes on the quality of the selection of pixels is also discussed.

Surface topography and mixed-pixel effects on the simulated L-band brightness temperatures.

The impact of topography and mixed pixels on L-band radiometric observations over land needs to be quantified to improve the accuracy of soil moisture retrievals. For this purpose, a series of simulations has been performed with an improved version of the soil moisture and ocean salinity (SMOS) end-to-end performance simulator (SEPS). The brightness temperature generator of SEPS has been modified to include a 100-m-resolution land cover map and a 30-m-resolution digital elevation map of Catalonia (northeast of Spain). This high-resolution generator allows the assessment of the errors in soil moisture retrieval algorithms due to limited spatial resolution and provides a basis for the development of pixel disaggregation techniques. Variation of the local incidence angle, shadowing, and atmospheric effects (up- and downwelling radiation) due to surface topography has been analyzed. Results are compared to brightness temperatures that are computed under the assumption of an ellipsoidal Earth.