Analyse du mouvement pour applications médicales et bio-médicales

Motion analysis for Medical and Bio-medical applications

• Auteur / Autrice : Élodie Puybareau
• Direction : Laurent Najman, Hugues Talbot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 28/11/2016
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de l'Institut Gaspard Monge (1997-2009)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Meste
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Toru Tamaki, Jesús Angulo López, Caroline Chaux, Pierre-Régis Burgel, André Coste

Mots clés

Mots clés contrôlés

Système mucociliaire

Traitement d'images

Analyse du mouvement

Mots clés libres

Fréquence de battement

Analyse du mouvement

Imagerie

Développement

Épuration muco-Ciliaire

Beat rate

Motion analysis

Imaging

Development

Muco-Ciliary purge

Résumé

L’analyse du mouvement, ou l’analyse d’une séquence d’images, est l’extension naturelle de l’analyse d’images à l’analyse de séries temporelles d’images. De nombreuses méthodes d’analyse de mouvement ont été développées dans le contexte de la vision par ordinateur, incluant le suivi de caractéristiques, le flot optique, l’analyse de points-clef, le recalage d’image, etc. Dans ce manuscrit, nous proposons une boite a outils de techniques d’analyse de mouvement adaptées à l’analyse de séquences biomédicales. Nous avons en particulier travaillé sur les cellules ciliées qui sont couvertes de cils qui battent. Elles sont présentes chez l’homme dans les zones nécessitant des mouvements de fluide. Dans les poumons et les voies respiratoires supérieures, les cils sont responsables de l’épuration muco-ciliaire, qui permet d’évacuer des poumons la poussière et autres impuretés inhalées. Les altérations de l’épuration mucociliaire peuvent être liées à des maladies touchant les cils, pouvant être génétiques ou acquises et peuvent être handicapantes. Ces maladies peuvent être caractérisées par l’analyse du mouvement des cils sous un microscope avec une résolution temporelle importante. Nous avons développé plusieurs outils et techniques pour réaliser ces analyses de manière automatiques et avec une haute précision, à la fois sur des biopsies et in-vivo. Nous avons aussi illustré nos techniques dans le contexte d’éco-toxicité en analysant le rythme cardiaque d’embryons de poissons

Motion analysis, or the analysis of image sequences, is a natural extension of image analysis to time series of images. Many methods for motion analysis have been developed in the context of computer vision, including feature tracking, optical flow, keypoint analysis, image registration, and so on. In this work, we propose a toolbox of motion analysis techniques suitable for biomedical image sequence analysis. We particularly study ciliated cells. These cells are covered with beating cilia. They are present in humans in areas where fluid motion is necessary. In the lungs and the upper respiratory tract, Cilia perform the clearance task, which means cleaning the lungs of dust and other airborne contaminants. Ciliated cells are subject to genetic or acquired diseases that can compromise clearance, and in turn cause problems in their hosts. These diseases can be characterized by studying the motion of cilia under a microscope and at high temporal resolution. We propose a number of novel tools and techniques to perform such analyses automatically and with high precision, both ex-vivo on biopsies, and in-vivo. We also illustrate our techniques in the context of eco-toxicity by analysing the beating pattern of the heart of fish embryo