Antonio PINTI OUTILS ET METHODES POUR LA MODELISATION GEOMETRIQUE ET ...

254 Pages·2011·12.85 MB·French

HABILITATION A DIRIGER DES RECHERCHES
Section CNU : 74ème Section

Antonio PINTI
Docteur ès sciences de l’Université de Haute-Alsace

OUTILS ET METHODES POUR LA MODELISATION
GEOMETRIQUE ET INERTIELLE DU CORPS HUMAIN
APPLICATION AU HANDICAP PHYSIQUE

Soutenue le XX devant le jury composé de :

Pr. Alain MARTIN Rapporteur Université de Dijon
Pr. Vincent NOUGIER Rapporteur Université de Grenoble
Pr. Alain PRUSKI Rapporteur Université de Metz
Pr. Mohamed SLIMANE Rapporteur Université de Tours
Pr. Claude-Laurent BENHAMOU Examinateur Université d’Orléans
Pr. Edith FILAIRE Examinateur Université d’Orléans
Pr. Hechmi TOUMI Directeur (Promoteur) Université d’Orléans
Mc. HDR Eric WATELAIN Co-directeur Université de Valenciennes
Pr. Geneviève DUMAS Membre invité Université de Queen’s Canada
Pr. Georges POUMARAT Membre invité Université de Clermont Ferrand
« Trouve le travail qui te plait et tu n’auras plus jamais à travailler »
Confucius
SOMMAIRE

REMERCIEMENTS..................................................................................................................................8
RESUME.................................................................................................................................................10
SUMMARY.............................................................................................................................................11

INTRODUCTION GENERALE..............................................................................................................12
1 CURRICULUM VITAE.......................................................................................................................15
INTRODUCTION.....................................................................................................................16
1.1 ETAT CIVIL ET QUALITE..........................................................................................17
1.1.1 Etat civil.................................................................................................................17
1.1.2 Qualité....................................................................................................................17
1.1.3 Adresses administratives........................................................................................17
1.2 DIPLOMES ET TITRES...............................................................................................18
1.3 EXPERIENCES PROFESSIONNELLES.....................................................................19
1.3.1 Carrière universitaire enseignement.......................................................................19
1.3.2 Carrière universitaire recherche.............................................................................19
1.3.3 Service National.....................................................................................................20
1.4 ACTIVITES PEDAGOGIQUES...................................................................................21
1.4.1 Domaines d’enseignement.....................................................................................21
1.4.2 Responsabilités Pédagogiques...............................................................................21
1.4.3 Enseignement.........................................................................................................22
1.4.4 Elaboration et diffusion de supports pédagogiques...............................................24
1.4.5 Encadrement de projets de fin d’études.................................................................25
1.4.6 Encadrement de travaux de recherche....................................................................26
1.5 ACTIVITES SCIENTIFIQUES.....................................................................................27
1.5.1 Introduction............................................................................................................27
1.5.2 Evolution des thèmes de recherche........................................................................27
1.5.3 Encadrements de recherche....................................................................................28
1.5.3.1 Thèses en cours..................................................................................................28
1.5.3.2 Thèses soutenues................................................................................................30
1.5.3.3 Synthèse du co encadrement de thèse................................................................39
1
1.5.3.4 Synthèse des publications associées aux thèses.................................................40
1.5.3.5 Encadrement de Master recherche (DEA).........................................................40
1.5.3.6 Synthèse des publications associées aux DEA...................................................41
1.5.4 Rayonnement et animation scientifique.................................................................42
1.5.4.1 Collaborations scientifiques nationales..............................................................42
1.5.4.2 Collaborations scientifiques internationales......................................................44
1.5.4.3 Participation à des groupes de recherches nationaux.........................................44
1.5.4.4 Animation de la recherche.................................................................................45
1.5.4.5 Comité de sélection............................................................................................46
1.5.4.6 Reconnaissance scientifique...............................................................................46
1.5.4.7 Contrats de recherche.........................................................................................46
1.6 SYNTHESE DU CV......................................................................................................49
1.7 CONCLUSION..............................................................................................................50
1.8 LISTE DES PUBLICATIONS......................................................................................51
1.8.1 Mémoire de Doctorat (1)........................................................................................51
1.8.2 Chapitre d’ouvrage scientifique (2).......................................................................51
1.8.3 Revues internationales avec comité de lecture (12)...............................................52
1.8.4 Revues nationales avec comité de lecture (10)......................................................53
1.8.5 Conférences internationales avec actes (avec ISBN) et comité de lecture (50).....54
1.8.6 Conférences avec actes (sans ISBN) et comité de lecture (15)..............................60
1.8.7 Séminaires et autres communications (10).............................................................62
1.8.8 Rapports de recherche (5)......................................................................................63
1.8.9 Publications dans des journaux d’actualité de recherche (3).................................64

2 SYNTHESE DE L’ACTIVITE DE RECHERCHE..............................................................................65
2.1 Introduction....................................................................................................................66
2.2 Traitement et Analyse d’images par intégration de connaissances expertes..................68
2.2.1 Techniques d’imagerie médicale IRM...................................................................70
2.2.2 Généralités sur la reconnaissance des tissus en imagerie médicale.......................71
2.2.3 Segmentations automatiques d’images médicales par intégration de connaissances
73
2.2.3.1 Méthode par segmentation multimodale............................................................73
2.2.3.2 Méthode par classifieur FCM............................................................................79
2.2.3.3 Méthode par combinaison d’informations statistiques locales et globales........88
2
2.2.3.4 Méthode par contours actifs...............................................................................96
2.3 Traitement et analyse de données non linéaires pour la modélisation.........................119
2.3.1 Généralités sur le traitement et l’analyse de données...........................................119
2.3.2 Contribution en traitement et l’analyse de données pour la modélisation............119
2.3.2.1 Les données et leur représentation géométrique..............................................120
2.3.2.2 L’inertie............................................................................................................122
2.3.2.3 Principe d’ajustement.......................................................................................122
2.3.2.4 La métrique......................................................................................................123
2.3.2.5 L’analyse en composantes principales.............................................................124
2.3.2.6 L’analyse factorielle des correspondances multiples.......................................125
2.3.2.7 Intérêts de l'analyse de données par ACM sur données floues........................131
2.3.3 Théorie de l’ACM sur données floues.................................................................133
2.3.3.1 Méthode de calcul............................................................................................133
2.3.3.2 Création d’un outil d’analyse sous Matlab.......................................................138
2.3.3.3 Application à l’étude de l’évolution des formes du crâne................................142
2.3.3.4 Application à l’étude de caractéristiques mécaniques du crâne sur éprouvette146
2.3.4 Bibliographie........................................................................................................155
2.4 Perspectives de recherche............................................................................................159
2.5 Proposition de projet de recherche sur la détermination automatique de l’EDSS.......160
2.5.1 Contexte du projet................................................................................................161
2.5.2 Positionnement du projet.....................................................................................162
2.5.3 Etat de l'art...........................................................................................................163
2.5.4 Objectifs et caractère ambitieux, novateur du projet............................................164
2.5.5 Programme scientifique et technique, organisation du projet..............................165
2.5.6 Management du projet.........................................................................................166
2.5.7 Description des travaux par tâche........................................................................166
2.5.7.1 Tâche 1 (T1) : Mise en œuvre du projet de recherche.....................................166
2.5.7.2 Tâche 2 (T2) : Créer et alimenter la base de données patients des résultats des
investigations instrumentales (données posturographiques) et cliniques.............................167
2.5.7.3 Tâche 3 (T3) : Extraction des caractéristiques des données posturographiques
167
2.5.7.4 Tâche 4 (T4) : Développement et validation des modèles mathématiques......167
2.5.7.5 Tâche 5 (T5) : Développements informatiques spécifiques sur les plateformes
posturographiques................................................................................................................168
3
2.5.8 Livrables...............................................................................................................168
2.5.9 Description des risques du projet.........................................................................169
2.5.10 Stratégie de valorisation des résultats..................................................................169
2.5.11 Organisation du partenariat..................................................................................169
2.5.12 Réfèrences bibliographiques de la proposition de projet.....................................171
2.5.13 Conclusion...........................................................................................................173

3 PUBLICATIONS MAJEURES..........................................................................................................175
3.1 Publications sur le thème traitement et analyse d’images............................................176
3.2 Publications sur le thème traitement et analyse de données pour la modélisation.......215

4 LEXIQUE...........................................................................................................................................245

5 ANNEXES.........................................................................................................................................249
5.1 Attestations de co-encadrement doctoral.....................................................................249
5.2 Attestation de responsabilités pédagogiques................................................................252
4
SOMMAIRE DES FIGURES

Figure 1: Laboratoires et collaborations.........................................................................................................20
Figure 2: Enseignement dans le supérieur et instituts.....................................................................................23
Figure 3: Nombre d’heures supplémentaires annuelles..................................................................................24
Figure 4: Domaines de recherche...................................................................................................................27
Figure 5 : Acquisition de coupes axiales par I.R.M.......................................................................................71
Figure 6 : I.R.M. brute au niveau de la mi-cuisse...........................................................................................72
Figure 7 : I.R.M. brute au niveau de la mi-jambe...........................................................................................72
Figure 8 : Histogramme d’une coupe I.R.M...................................................................................................72
Figure 9 : Méthode d’analyse des images I.R.M............................................................................................74
Figure 10 : Image I.R.M. au niveau de la mi-cuisse traitée avec notre méthode............................................74
Figure 11 : I.R.M. au niveau de la mi-jambe traitée avec notre méthode.......................................................75
Figure 12 : Masses des coupes des cuisses.....................................................................................................75
Figure 13 : Masses des coupes des jambes.....................................................................................................76
Figure 14 : Positions des centres de masse issues de modèles........................................................................77
Figure 15 : Positions des centres de masse issues de modèles de la littérature...............................................77
Figure 16 : IRM de la cuisse..........................................................................................................................83
Figure 17 : Extraction de l'os spongieux sur une fenêtre................................................................................85
Figure 18 : Sélection d'une fenêtre adaptée pour l'extraction de l’os.............................................................86
Figure 19 : Segmentation des pixels autour de l'os spongieux dans la fenêtre sélectionnée...........................86
Figure 20 : Résultats de segmentation par FCM avec information contextuelle............................................87
Figure 21 : Organigramme de la méthode......................................................................................................88
Figure 22 : Triplets d’imagettes sur une IRM................................................................................................91
Figure 23 : Visualisation de trois imagettes prototypes..................................................................................92
Figure 24: Image brute au niveau de la mi-cuisse..........................................................................................94
Figure 25 : Image uniformisée.......................................................................................................................94
Figure 26 : Image classée en 5 niveaux de gris..............................................................................................94
Figure 27 : Organigramme de traitement des IRM.........................................................................................97
Figure 28 : Fusion des 4 modalités IRM pour avoir une image multi spectrale.............................................98
Figure 29 : Division en 4 segments pour le CC............................................................................................100
Figure 30 : IRM fusionnée...........................................................................................................................102
Figure 31 : Mesure de la déformation du CC pour un patient masculin.......................................................103
Figure 32 : Mesure de la déformation du CC, en rouge la forme de CC segmenté.......................................103
Figure 33 : Organigramme des étapes de la méthode de segmentation.........................................................109
Figure 34 : Segmentation de la SEP par notre méthode...............................................................................110
5
Figure 35 : Image naturelle (un zèbre).........................................................................................................114
Figure 36 : Descripteur de texture................................................................................................................115
Figure 37 : Segmentation non supervisée d’images naturelles et comparaison des différents descripteurs.118
Figure 38 : Principe de représentation géométrique.....................................................................................121
Figure 39 : Tableau de données sous forme de codage condensé.................................................................126
Figure 40 : Construction du tableau disjonctif complet K............................................................................126
Figure 41 : Projection du point i sur l'axe α.................................................................................................131
Figure 42 : Valeurs d’appartenance dans le cas des ensembles classique, à gauche, et flou, à droite..........134
Figure 43 : Principe du découpage flou. Ici trois fenêtres spatiales sont considérées, avec pour modalités
{petit ; moyen ; grand}..........................................................................................................................135
Figure 44 : Découpage flou ne prenant pas en compte la distribution de la variable....................................137
Figure 45 : Découpage flou tenant compte de la distribution. Ici, la modalité intermédiaire correspond au
mode de l’histogramme..........................................................................................................................137
Figure 46 : Exemple de représentation d'ACM floue dans le plan des points-variables...............................138
Figure 47 : Étapes principales du programme d'ACM sur données floues...................................................139
Figure 48 : Interface graphique de sélection des fonctions d’appartenance.................................................140
Figure 49 : Interface graphique de l’outil d’ACM développé sous Matlab..................................................141
Figure 50 : Quatre mesures (en mm) effectuées sur des crânes d’hommes ayant vécu dans la région de
Thèbes en Egypte...................................................................................................................................142
Figure 51 : Histogramme et découpage pour la variable X1........................................................................143
Figure 52 : ACM, valeurs propres................................................................................................................143
Figure 53 : ACM, projections sur les axes 1 (abscisses) et 2 (ordonnées)....................................................145
Figure 54 : ACM, projections sur les axes 3 (abscisses) et 4 (ordonnées)....................................................145
Figure 55 : ACP normée, projections sur les axes 1 (abscisses) et 2 (ordonnées)........................................146
Figure 56 : Vue latérale gauche de la tête humaine......................................................................................147
Figure 57 : Cartographie des 17 éprouvettes prélevées sur chaque crâne.....................................................147
Figure 58 : Estimation des indices de courbure pour l’éprouvette T02-EP03..............................................148
Figure 59 : Histogrammes des variables actives et de la variable supplémentaire pour l’analyse des
correspondances multiples (à gauche), et le découpage flou en trois fenêtres spatiales (à droite).........150
Figure 60 : Valeurs propres pour l’ACM.....................................................................................................151
Figure 61 : des points-variables sur les axes 1 (abscisses) et 3 (ordonnées).................................................152
Figure 62 : Projections des points-individus sur les axes 1 (abscisses) et 3(ordonnées)..............................153
Figure 63 : Projections des points-variables sur les axes 2 (abscisses) et 3 (ordonnées)..............................153
Figure 64 : Projections des points-individus sur les axes 2 (abscisses) et 3 (ordonnées).............................154
Figure 65: Système OPTIFIT de mesures 3D...............................................................................................160
Figure 66: Maillages 3D d'un tronc humain.................................................................................................160
6
SOMMAIRE DES TABLEAUX

Tableau 1: Volume horaire enseignements 2011-2012...................................................................................23
Tableau 2: Thèse de Monsieur Raphaël COURSIER.....................................................................................28
Tableau 3: Thèse de Madame Racha DOYA..................................................................................................29
Tableau 4: Thèse de Monsieur Bashar DREIBATI........................................................................................31
Tableau 5: Publications liées à ce doctorant...................................................................................................32
Tableau 6: Thèse de Monsieur Han KANG...................................................................................................32
Tableau 7: Publications liées à ce doctorant...................................................................................................33
Tableau 8: Thèse de Mademoiselle Fabienne RAMBAUD............................................................................34
Tableau 9: Publications liées à ce doctorant...................................................................................................35
Tableau 10: Thèse de Monsieur Julien LEBOUCHER..................................................................................35
Tableau 11: Publications liées à ce doctorant.................................................................................................36
Tableau 12:Thèse de Monsieur Patrick HEDOUX.........................................................................................37
Tableau 13: Publications liées à ce doctorant.................................................................................................38
Tableau 14: Co-encadrement des doctorants..................................................................................................39
Tableau 15: Publications par doctorant pendant et après la thèse...................................................................40
Tableau 16 : Publications durant le DEA.......................................................................................................41
Tableau 17: Etudiants encadrés en Master 2 Recherche.................................................................................42
Tableau 18: Publications liées aux collaborations nationales.........................................................................43
Tableau 19: Publications liées aux collaborations internationales..................................................................44
Tableau 20: Bilan des publications................................................................................................................48
Tableau 21: Bilan des autres publications......................................................................................................48
Tableau 22 : Comparaisons des valeurs pour les cuisses................................................................................76
Tableau 23 : Comparaisons des valeurs pour les jambes................................................................................76
Tableau 24 : Taux de réussite de la classification..........................................................................................93
Tableau 25: Mesure des déformations de CC consécutives à la SEP...........................................................104
Tableau 26 : Comparaison de la précision des méthodes de segmentation de la SEP..................................110
Tableau 27 : Evaluation quantitative des résultats de la segmentation.........................................................118
Tableau 28 : Profils-lignes du tableau Z.......................................................................................................127
Tableau 29 : Profils-colonnes du tableau Z..................................................................................................128
Tableau 30 : Données morphométriques (4 variables) pour 150 crânes masculins représentant 5 périodes de
la civilisation égyptienne.......................................................................................................................142
Tableau 31 : Noms et description des variables disponibles pour l’analyse statistique................................149
7
REMERCIEMENTS

Tout d’abord, je tiens à présenter mes remerciements à Monsieur le Professeur Claude-Laurent
BENHAMOU pour m’avoir accueilli au sein de son laboratoire IPROS INSERM pour la
préparation de cette Habilitation à Diriger des Recherches (HDR). Je tiens également à remercier
Monsieur le Professeur Hechmi TOUMI de m’avoir accueilli au sein de son équipe de recherche.
Leurs conseils judicieux ont permis de préparer cette HDR dans les meilleures conditions.

Que Monsieur Jean-Claude ANGUE, Professeur d’Université, soit remercié pour la confiance
qu’il m’a accordée dans le cadre de mon travail de recherche et d’enseignement dès mon arrivée à
Valenciennes, en 1996, dans la cadre d’un projet de recherche européen puis dans ma fonction de
Maître de Conférences.

Je remercie mes collaborateurs en recherche biomédicale en particulier Monsieur Gilles
KEMOUN, Professeur de médecine de médecine physique et de rééducation, Messieurs Bernard
BOLUIX, Bernard DUPRES, et Jean-Marie BEHRA, médecins radiologues, Monsieur Patrick
HAUTECOEUR, Professeur de neurologie, Monsieur Gérard FORZY, Professeur en biostatistique
et doyen de la Faculté Libre de Médecine (FLM) de Lille , Monsieur Bruno LENNE Maître de
Conférences en neuropsychologie ainsi que Madame Cécile DONZE, Messieurs Daniel DEPARCY
et Vincent DURLENT, médecins rééducateurs.

Je remercie également mes collaborateurs en recherche scientifique, en particulier Messieurs
Laurent PEYRODIE Maître de Conférences HDR en ingénierie médicale, Foued DERRAZ Maître
de Conférences en traitement d’images, Samuel BOUDET Maître de Conférences en traitement du
signal.

J’exprime ma profonde gratitude à Messieurs les Professeurs François Xavier LEPOUTRE et
Abdelmalik TALEB-AHMED de l’université de Valenciennes qui m’ont aidé dans l’orientation de
mes sujets de recherche, et pour avoir bien voulu me faire profiter de leur expérience et rigueur
scientifique dans le co encadrement de doctorants. Je tiens également à remercier tous mes collègues
de l’ex équipe biomécanique du LAMIH (maintenant ASHM : Automatique Système Homme-
Machine) et les nombreuses personnes qui, de près ou de loin, ont contribué à la réussite de ce
travail scientifique.
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