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.

3D reconstruction and comparison of shapes of DNA minicircles observed by cryo-electron microscopy.

We use cryo-electron microscopy to compare 3D shapes of 158 bp long DNA minicircles that differ only in the sequence within an 18 bp block containing either a TATA box or a catabolite activator protein binding site. We present a sorting algorithm that correlates the reconstructed shapes and groups them into distinct categories. We conclude that the presence of the TATA box sequence, which is believed to be easily bent, does not significantly affect the observed shapes.

A novel technique for the reconstruction of infected full-thickness chest wall defects.

BACKGROUND: Chest wall resection and reconstruction can be performed with minimal mortality and excellent functional and cosmetic results using synthetic meshes, methylmethacrylate, or other substitutes. However, these techniques are less easily applicable if chest wall resections have to be performed for infections. METHODS: We report a novel technique for this purpose using a modified latissimus dorsi flap harvested in continuity with the thoracolumbar fascia. The vascularized fascia was sutured into the chest wall defect, providing a stable base for the muscular component of the flap. Three patients requiring large full-thickness resections of the anterolateral chest wall for chronic infections were treated accordingly, two presenting with chronic radionecrosis and osteomyelitis and one with chest wall invasion by pulmonary aspergillosis. RESULTS: There were no intraoperative or postoperative complications and immediate extubation was possible in all 3 patients without the need for postoperative ventilation or tracheotomy. Healing of the infected chest wall was observed in all 3 patients. Postoperative cinemagnetic resonance imaging revealed concordant movements of the replaced segments without evidence of paradoxical motion during inspiration and expiration. CONCLUSIONS: This technique is easy and safe. It allows a stable and satisfactory reconstruction after large anterolateral full-thickness chest wall resections of infected, previously irradiated tissues, using only well-vascularized autologous tissue.

Comparisons of Preoperative Three-Dimensional Planning and Surgical Reconstruction in Primary Cementless Total Hip Arthroplasty

La planification scanographique (3D) a démontré son utilité pour une reconstruction anatomique plus précise de la hanche (longueur du fémur, centre de rotation, offset, antéversion et rétroversion). Des études ont montré que lors de la planification 2D 50% seulement correspondaient à l'implant définitif du fémur alors que dans une autre étude ce taux s'élevait à 94% pour une planification 3D. Les erreurs étaient liées à l'agrandissement des radiographies. L'erreur sur la taille de la tige est liée à l'estimation inadéquate de la morphologie osseuse ainsi qu'à la densité osseuse. L'erreur de l'antéversion, augmentée par l'inclinaison du bassin, a pu être éliminée par la planification 3D et l'offset restauré dans 98%. Cette étude est basée sur une nouvelle technique de planification scanographique en trois dimensions pour une meilleure précision de la reconstruction de la hanche. Le but de cette étude est de comparer l'anatomie post-opératoire à celle préopératoire en comparant les tailles d'implant prévu lors de la planification 3D à celle réellement utilisée lors de l'opération afin de déterminer l'exactitude de la restauration anatomique avec étude des différents paramètres (centre de rotation, densité osseuse, L'offset fémoral, rotations des implants, longueur du membre) à l'aide du Logiciel HIP-PLAN (Symbios) avec évaluation de la reproductibilité de notre planification 3D dans une série prospective de 50 patients subissant une prothèse totale de hanche non cimentée primaire par voie antérieure. La planification pré-opératoire a été comparée à un CTscan postopératoire par fusion d'images. CONCLUSION ET PRESPECTIVE Les résultats obtenus sont les suivants : La taille de l'implant a été prédit correctement dans 100% des tiges, 94% des cupules et 88% des têtes (longueur). La différence entre le prévu et la longueur de la jambe postopératoire était de 0,3+2,3 mm. Les valeurs de décalage global, antéversion fémorale, inclinaison et antéversion de la cupule étaient 1,4 mm ± 3,1, 0,6 ± 3,3 0 -0,4 0 ± 5 et 6,9 ° ± 11,4, respectivement. Cette planification permet de prévoir la taille de l'implant précis. Position de la tige et de l'inclinaison de la cupule sont exactement reproductible. La planification scanographique préopératoire 3D permet une évaluation précise de l'anatomie individuelle des patients subissant une prothèse totale de hanche. La prédiction de la taille de l'implant est fiable et la précision du positionnement de la tige est excellente. Toutefois, aucun avantage n'est observée en termes d'orientation de la cupule par rapport aux études impliquant une planification 2D ou la navigation. De plus amples recherches comparant les différentes techniques de planification pré-opératoire à la navigation sont nécessaire.

Technique de reconstruction itérative VEO : évaluation en tomodensitométrie thoracique chez l'enfant.

Objectifs: Evaluer la technique de reconstruction itérative VEO en tomodensitométrie (TDM) du thorax chez l'enfant. Matériels et méthodes: Etude prospective, basée sur 20 patients (7-18 ans), suivis pour mucoviscidose et adressés pour TDM de suivi. Dix patients (groupe A) ont eu une acquisition basse-dose habituelle (BD). Dix patients (groupe B) ont eu une acquisition très-basse-dose (TBD) et ultra-basse-dose (UBD). Les acquisitions BD étaient reconstruites par rétroprojection filtrée (RPF), les acquisitions TBD et UBD étaient reconstruites par RPF et VEO. L'évaluation de VEO était basée sur la réduction de dose et la qualité des images (mesures de bruit et scores de visualisation des structures pulmonaires). Résultats: Une réduction de dose d'environ 50% était obtenue dans le groupe B. La réduction du bruit en VEO par rapport aux RPF était de 55% en TBD et de 75% en UBD. En VEO, une amélioration des scores de visualisation des structures pulmonaires était obtenue en TBD et UBD. Cependant, en VEO-UBD, la visualisation des structures distales demeuraient parfois insuffisante et celle des structures proximales était altérée par une modification de texture de l'image. Conclusion: Malgré une altération possible de la texture de l'image en UBD, la technique de reconstruction VEO est performante en réduction de dose et amélioration des images.

Aortic root morphology: a paradigm for successful reconstruction.

Aortic root (AoR) components provide synchronous and precise 3D deformation of the aortic root during the cardiac cycle in order to ensure closure and opening of the three leaflets over a lifetime. Any deviation from the natural 3D morphology, such as with AoR annulus dilatation, enlarged sinuses and/or dilatation of the sinotubular junction, as in the case of ascending aortic dilatation, may result in disruption of the natural AoR function. Surgical treatment of AoR pathology has two modalities: the replacement of the aortic valve by artificial prosthesis or by preservation of the three leaflets and reconstruction of the aortic root components. Currently, there are two basic aortic root reconstruction procedures: aortic root sparing and aortic valve reimplantation techniques. Regardless of the technique used, the restoration of adequate cusp coaptation, is from a technical point of view, the most important element to consider. To achieve this, there are two requirements that need to be met: (i) the valve coaptation should be superior to the level of the aortic root base by at least 8 mm and (ii) the coaptation height per se has to be ≥5 mm. Successful restoration of the aortic root requires adequate technical skills, detailed knowledge of aortic root anatomy and topography, and also knowledge of the spatial pattern of AoR elements. Recently, there has been growing interest in aortic root reconstructive procedures as well their modifications. As such, the aim of this review is to analyse aortic root topography and 3D anatomy from a surgical point of view. The review also focuses on potential risk regions that one should be aware of before the surgical journey into the 'deep waters area' of the AoR begins.

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

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

Sir Isaac Brock Facial Reconstruction Project, n.d.

Christian Cardell Corbet, a descendant of Guernsey, Channel Islands, was born in 1966 at Pickering Beach on Lake Ontario. He developed his talents as a landscape artist and at the young age of 14 he began his informal education in commercial signage from his paternal grandfather. He studied at the University of Guelph and McMaster University Anatomy Laboratory. Corbet traveled to England where he began to experiment more in abstraction and non-objective work. In 1995, he presented a portrait of HM Queen Elizabeth the Queen Mother at Clarence House. This brought his career to an international level. He also creates two-dimensional works and has received acclaim for his bronze art medallions. He has gained international recognition as a Forensic Artist working as Artist in Residence for the University of Western Ontario. He does facial reconstructions for special assignments. These original drawings relate to a sculpted medallion of Brock which was authorized by Sir Geoffrey Rowland, Bailiff, Guernsey, Channel Islands and Minister of Education of the States of Guernsey. This is the first time in known recorded history that a forensic analysis and sculpture has been created to accurately depict the facial likeness of Sir Isaac Brock. This project has been established to mark the 2012 anniversary of the death of Brock.

Towards a philosophical reconstruction of the dialogue between modern physics and Advaita Vedanta : an inquiry into the concepts of akasa, vacuum and reality

Vers la fin du 19ème siècle, le moine et réformateur hindou Swami Vivekananda affirma que la science moderne convergeait vers l'Advaita Vedanta, un important courant philosophique et religieux de l'hindouisme. Au cours des décennies suivantes, suite aux apports scientifiques révolutionnaires de la théorie de la relativité d'Einstein et de la physique quantique, un nombre croissant d'auteurs soutenaient que d'importants "parallèles" pouvaient être tracés entre l'Advaita Vedanta et la physique moderne. Encore aujourd'hui, de tels rapprochements sont faits, particulièrement en relation avec la physique quantique. Cette thèse examine de manière critique ces rapprochements à travers l'étude comparative détaillée de deux concepts: le concept d'akasa dans l'Advaita Vedanta et celui de vide en physique quantique. L'énoncé examiné est celui selon lequel ces deux concepts pointeraient vers une même réalité: un substratum omniprésent et subtil duquel émergent et auquel retournent ultimement les divers constituants de l'univers. Sur la base de cette étude comparative, la thèse argumente que des comparaisons de nature conceptuelle favorisent rarement la mise en place d'un véritable dialogue entre l'Advaita Vedanta et la physique moderne. Une autre voie d'approche serait de prendre en considération les limites épistémologiques respectivement rencontrées par ces disciplines dans leur approche du "réel-en-soi" ou de la "réalité ultime." Une attention particulière sera portée sur l'épistémologie et le problème de la nature de la réalité dans l'Advaita Vedanta, ainsi que sur le réalisme scientifique et les implications philosophiques de la non-séparabilité en physique quantique.

Algorithmes pour la reconstruction de génomes ancestraux

L’inférence de génomes ancestraux est une étape essentielle pour l’étude de l’évolution des génomes. Connaissant les génomes d’espèces éteintes, on peut proposer des mécanismes biologiques expliquant les divergences entre les génomes des espèces modernes. Diverses méthodes visant à résoudre ce problème existent, se classant parmis deux grandes catégories : les méthodes de distance et les méthodes de synténie. L’état de l’art des distances génomiques ne permettant qu’un certain répertoire de réarrangements pour le moment, les méthodes de synténie sont donc plus appropriées en pratique. Nous proposons une méthode de synténie pour la reconstruction de génomes ancestraux basée sur une définition relaxée d’adjacences de gènes, permettant un contenu en gène inégal dans les génomes modernes causé par des pertes de gènes de même que des duplications de génomes entiers (DGE). Des simulations sont effectuées, démontrant une capacité de former une solution assemblée en un nombre réduit de régions ancestrales contigües par rapport à d’autres méthodes tout en gardant une bonne fiabilité. Des applications sur des données de levures et de plantes céréalières montrent des résultats en accord avec d’autres publications, notamment la présence de fusion imbriquée de chromosomes pendant l’évolution des céréales.

Reconstruction tridimensionnelle pour projection sur surfaces arbitraires.

Ce mémoire s'inscrit dans le domaine de la vision par ordinateur. Elle s'intéresse à la calibration de systèmes de caméras stéréoscopiques, à la mise en correspondance caméra-projecteur, à la reconstruction 3D, à l'alignement photométrique de projecteurs, au maillage de nuages de points, ainsi qu'au paramétrage de surfaces. Réalisé dans le cadre du projet LightTwist du laboratoire Vision3D, elle vise à permettre la projection sur grandes surfaces arbitraires à l'aide de plusieurs projecteurs. Ce genre de projection est souvent utilisé en arts technologiques, en théâtre et en projection architecturale. Dans ce mémoire, on procède au calibrage des caméras, suivi d'une reconstruction 3D par morceaux basée sur une méthode active de mise en correspondance, la lumière non structurée. Après un alignement et un maillage automatisés, on dispose d'un modèle 3D complet de la surface de projection. Ce mémoire introduit ensuite une nouvelle approche pour le paramétrage de modèles 3D basée sur le calcul efficace de distances géodésiques sur des maillages. L'usager n'a qu'à délimiter manuellement le contour de la zone de projection sur le modèle. Le paramétrage final est calculé en utilisant les distances obtenues pour chaque point du modèle. Jusqu'à maintenant, les méthodes existante ne permettaient pas de paramétrer des modèles ayant plus d'un million de points.

Reconstruction active par projection de lumière non structurée

Cette thèse porte sur la reconstruction active de modèles 3D à l’aide d’une caméra et d’un projecteur. Les méthodes de reconstruction standards utilisent des motifs de lumière codée qui ont leurs forces et leurs faiblesses. Nous introduisons de nouveaux motifs basés sur la lumière non structurée afin de pallier aux manques des méthodes existantes. Les travaux présentés s’articulent autour de trois axes : la robustesse, la précision et finalement la comparaison des patrons de lumière non structurée aux autres méthodes. Les patrons de lumière non structurée se différencient en premier lieu par leur robustesse aux interréflexions et aux discontinuités de profondeur. Ils sont conçus de sorte à homogénéiser la quantité d’illumination indirecte causée par la projection sur des surfaces difficiles. En contrepartie, la mise en correspondance des images projetées et capturées est plus complexe qu’avec les méthodes dites structurées. Une méthode d’appariement probabiliste et efficace est proposée afin de résoudre ce problème. Un autre aspect important des reconstructions basées sur la lumière non structurée est la capacité de retrouver des correspondances sous-pixels, c’est-à-dire à un niveau de précision plus fin que le pixel. Nous présentons une méthode de génération de code de très grande longueur à partir des motifs de lumière non structurée. Ces codes ont l’avantage double de permettre l’extraction de correspondances plus précises tout en requérant l’utilisation de moins d’images. Cette contribution place notre méthode parmi les meilleures au niveau de la précision tout en garantissant une très bonne robustesse. Finalement, la dernière partie de cette thèse s’intéresse à la comparaison des méthodes existantes, en particulier sur la relation entre la quantité d’images projetées et la qualité de la reconstruction. Bien que certaines méthodes nécessitent un nombre constant d’images, d’autres, comme la nôtre, peuvent se contenter d’en utiliser moins aux dépens d’une qualité moindre. Nous proposons une méthode simple pour établir une correspondance optimale pouvant servir de référence à des fins de comparaison. Enfin, nous présentons des méthodes hybrides qui donnent de très bons résultats avec peu d’images.

Multi-view 3D reconstruction using virtual cameras

Ce mémoire s'intéresse à la reconstruction d'un modèle 3D à partir de plusieurs images. Le modèle 3D est élaboré avec une représentation hiérarchique de voxels sous la forme d'un octree. Un cube englobant le modèle 3D est calculé à partir de la position des caméras. Ce cube contient les voxels et il définit la position de caméras virtuelles. Le modèle 3D est initialisé par une enveloppe convexe basée sur la couleur uniforme du fond des images. Cette enveloppe permet de creuser la périphérie du modèle 3D. Ensuite un coût pondéré est calculé pour évaluer la qualité de chaque voxel à faire partie de la surface de l'objet. Ce coût tient compte de la similarité des pixels provenant de chaque image associée à la caméra virtuelle. Finalement et pour chacune des caméras virtuelles, une surface est calculée basée sur le coût en utilisant la méthode de SGM. La méthode SGM tient compte du voisinage lors du calcul de profondeur et ce mémoire présente une variation de la méthode pour tenir compte des voxels précédemment exclus du modèle par l'étape d'initialisation ou de creusage par une autre surface. Par la suite, les surfaces calculées sont utilisées pour creuser et finaliser le modèle 3D. Ce mémoire présente une combinaison innovante d'étapes permettant de créer un modèle 3D basé sur un ensemble d'images existant ou encore sur une suite d'images capturées en série pouvant mener à la création d'un modèle 3D en temps réel.

Tests of one Brazilian facial reconstruction method using three soft tissue depth sets and familiar assessors

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Is characterizing the digital forensic facial reconstruction with hair necessary? A familiar assessors' analysis

Background: In the international scientific literature, there are few studies that emphasize the presence or absence of hair in forensic facial reconstructions. There are neither Brazilian studies concerning digital facial reconstructions without hair, nor research comparing recognition tests between digital facial reconstructions with hair and without hair. The miscegenation of Brazilian people is considerable. Brazilian people, and, in particular, Brazilian women, even if considered as Caucasoid, may present the hair in very different ways: curly, wavy or straight, blonde, red, brown or black, long or short, etc. For this reason, it is difficult to find a correct type of hair for facial reconstruction (unless, in real cases, some hair is recovered with the skeletal remains). Aims and methods: This study focuses on the performance of three different digital forensic facial reconstructions, without hair, of a Brazilian female subject (based on one international database and two Brazilian databases for soft facial-tissue thickness) and evaluates the digital forensic facial reconstructions comparing them to photographs of the target individual and nine other subjects, employing the recognition method. A total of 22 assessors participated in the recognition process; all of them were familiar with the 10 individuals who composed the face pool. Results and conclusions: The target subject was correctly recognized by 41% of the 22 examiners in the International Pattern, by 32% in the Brazilian Magnetic Resonance Pattern and by 32% in the Brazilian Fresh Cadavers Pattern. The facial reconstructions without hair were correctly recognized using the three databases of facial soft-tissue thickness. The observed results were higher than the results obtained using facial reconstructions with hair, from the same skull, which can indicate that it is better to not use hair, at least when there is no information concerning its characteristics. © 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.