Contribution à l'automatisation du traitement des radiographies du système ostéoarticulaire pour la modélisation géométrique et l'analyse clinique.

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Humbert, Ludovic (2008) Contribution à l'automatisation du traitement des radiographies du système ostéoarticulaire pour la modélisation géométrique et l'analyse clinique. Doctorat Biomécanique, Laboratoire de Biomécanique, Paris, France, ENSAM 2008ENAM0023 p.204.

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Résumé

Pour comprendre et diagnostiquer des pathologies telles que la scoliose qui affectent l’organisation spatiale de notre squelette, il est essentiel d’aborder ces problématiques en trois dimensions. Dans le cadre de leur collaboration franco-canadienne, le Laboratoire de Biomécanique et le Laboratoire de recherche en Imagerie et Orthopédie ont développé des méthodes de reconstruction 3D du squelette à partir de radiographies biplanes, notamment à partir du système de radiographie base dose EOS (Biospace Med, Paris). Ces techniques permettent une analyse clinique globale du patient, en position debout et avec très peu d’irradiations. Néanmoins, le temps de reconstruction reste contraignant pour une utilisation en routine clinique. L’objectif de cette thèse est donc de progresser dans l’automatisation des méthodes de reconstruction 3D à partir de radiographies biplanes. Les méthodes développées seront appliquées au rachis thoracique et lombaire, dans le contexte spécifique de l’étude de la scoliose. Une méthode de reconstruction s’appuyant sur une description paramétrée du rachis et sur des inférences statistiques longitudinales et transversales a été proposée et évaluée. Cette méthode permet, à partir de la saisie opérateur de quelques repères anatomiques dans les radiographies, d’obtenir très rapidement (2min 30s) une reconstruction 3D pré-personnalisée du rachis ainsi que des paramètres cliniques dédiés au diagnostic de la scoliose. Une reconstruction 3D plus précise peut être obtenue en un temps relativement réduit (10min) à partir d’ajustement opérateurs du modèle, qui s’auto-améliore par inférences au fur et à mesure des retouches. Afin de poursuivre la semi-automatisation de cette méthode, des techniques de recalage 2D/3D par traitement d’image, basées sur la segmentation des radiographies mais également sur des mesures de similarités entre des radiographies simulées et les clichés réels ont été proposées. Ces algorithmes s’appuient sur des modèles pseudo-volumiques de vertèbres, plus réalistes que les modèles surfaciques couramment utilisés. Les techniques de recalage ont été intégrées dans le protocole de reconstruction utilisant une description paramétrée du rachis et des inférences, pour proposer et évaluer une nouvelle méthode de reconstruction. Ce travail de thèse ouvre des perspectives concrètes en termes d’utilisation de telles méthodes en routine clinique et permet de poser des bases importantes pour automatiser les méthodes de reconstruction 3D à partir de radiographies biplanes de l’ensemble du squelette.

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"Modélisation géométrique et mécanique tridimensionnelle par éléments finis du rachis cervical supérieur." Thèse de doctorat en mécanique, ENSAM, Paris, France.

Weiss, H. R. (1995)

"Measurement of vertebral rotation: Perdriolle versus Raimondi." Eur Spine J 4(1): 34-8.

Yazici, M., Acaroglu, E. R., Alanay, A., Deviren, V., Cila, A. and Surat, A. (2001)

"Measurement of vertebral rotation in standing versus supine position in adolescent idiopathic scoliosis." J Pediatr Orthop 21(2): 252-6.

Table des Matières

SOMMAIRE



REMERCIEMENTS 7

SOMMAIRE 11

INTRODUCTION GENERALE 17

CONTEXTE ET ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE 21

1 Anatomie 21

1 Anatomie descriptive du rachis sain 21

1.1 Le rachis 22

1.2 Les vertèbres 22

1.3 Le bassin 23

1.4 L’articulation intervertébrale 24

2 Les repères anatomiques 25

3 Le rachis scoliotique 25

3.1 Introduction 25

3.2 Les déformations scoliotiques 26

4 Paramètres cliniques 27

5 Conclusion intermédiaire 28

2 Reconstruction 3D par coupes sériées 30

1 La tomodensitométrie (ou scanner ou CT-scan) 30

1.1 Principe 30

1.2 Avantages et limites 31

2 L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) 31

2.1 Principe 31

2.2 Avantages et limites 32

3 Reconstruction 3D 33

3.1 Méthodes manuelles 33

3.2 Méthodes semi-automatiques et automatiques 34

(1) Méthodes utilisant la propagation des contours 34

(2) Méthodes s’appuyant sur la définition d’un volume d’intérêt réduit 34

(3) Méthodes s’appuyant sur des modèles 35

(4) Reconstruction 3D de plusieurs structures 35

4 Conclusion intermédiaire 36

3 La radiographie biplane 37

1 Principe général 37

2 Acquisition de radiographies biplanes à partir de systèmes conventionnels et calibration 37

3 Le système EOS 38

4 Conclusion intermédiaire 38

4 Méthodes de reconstruction 3D à partir de la radiographie biplane 39

1 Méthode de reconstruction 3D « SCP » 39

1.1 Description des méthodes 39

1.2 Evaluation des méthodes 40

1.3 Conclusion intermédiaire 41

2 Méthode de reconstruction 3D « NSCP » et « NSCC » 43

2.1 Description des méthodes 43

2.2 Evaluation des méthodes 45

2.3 Conclusion intermédiaire 45

3 Méthodes de reconstruction 3D semi-automatiques s’appuyant sur des modèles paramétrés et des techniques d’estimation 48

3.1 Principe général 48

3.2 Description des méthodes 49

(1) Modèle paramétré 49

(2) Initialisation des modèles paramétrés 49

(3) Ajustement des modèles paramétrés pré-personnalisés 51

3.3 Evaluation des méthodes 51

3.4 Conclusion intermédiaire 52

4 Méthodes de reconstruction 3D s’appuyant sur des algorithmes de traitement d’image 54

4.1 Principe général 54

4.2 Description des méthodes 54

(1) Modèles déformables par analyse en composante principale 54

(2) Initialisation des modèles 56

(3) Recalage par traitement d’image 57

4.3 Evaluation des méthodes 60

(1) Méthodes s’appuyant sur la segmentation des radiographies 60

(2) Méthodes s’appuyant sur des mesures de similarité 61

4.4 Conclusion intermédiaire 61

SYNTHESE ET OBJECTIFS DE LA THESE 65

TRAVAIL PERSONNEL 69

1 Reconstruction 3D du rachis à partir de modèles paramétrés et d’inférences statistiques longitudinales et transversales 71

1 Principe général de la méthode 71

2 Constitution de la base de données 71

2.1 Base de données de vertèbres 71

2.2 Base de données de rachis 72

3 Modèles paramétrés 73

3.1 Introduction 73

3.2 Modèle paramétré de vertèbre 74

3.3 Modèle paramétré du rachis 75

4 Inférences statistiques longitudinales et transversales 76

4.1 Principes mathématiques 76

(1) Régression multilinéaire 76

(2) Régression des moindres carrés partiels (PLS) 77

4.2 Inférences statistiques longitudinales 77

(1) Régression multilinéaire 78

(2) Régression des moindres carrés partiels (PLS) 80

(3) Conclusion 81

4.3 Inférences statistiques transversales 81

(1) Méthode et évaluation 82

(2) Résultats et discussion 82

(3) Conclusion 83

5 Matériel & Méthodes 85

5.1 Méthode de reconstruction 85

(1) Principe général 85

(2) Paramètres cliniques 87

5.2 Description détaillée de la méthode de reconstruction 87

(1) Etape préliminaire : numérisation des descripteurs du bassin 87

(2) Rachis niveau 1 : Modèle paramétré pré-personnalisé 88

(3) Rachis niveau 2 : Modèle paramétré personnalisé 93

(4) Implémentation 94

5.3 Evaluation de la méthode 95

(1) Principes statistiques : fidélité, justesse et exactitude 95

(2) Précision de forme 96

(3) Reproductibilité de position, des paramètres cliniques et temps de reconstruction 97

6 Résultats 99

6.1 Précision de forme 99

6.2 Reproductibilité de position 101

6.3 Reproductibilité des paramètres cliniques 103

6.4 Temps de reconstruction 104

7 Discussion 104

7.1 Précision de forme 105

7.2 Reproductibilité de position 106

(1) Intérêt de l’étude de reproductibilité 106

(2) Reproductibilité de position 107

(3) Comparaison à la littérature 107

7.3 Reproductibilité des paramètres cliniques 108

7.4 Temps de reconstruction 113

8 Conclusion 113

2 Modélisation pseudo-volumique des vertèbres 117

1 Contexte 117

1.1 Limites des modèles surfaciques 117

1.2 Introduction des modèles pseudo-volumiques 119

2 Radiographie simulée 120

2.1 L’atténuation des rayons X 120

2.2 Génération d’une radiographie simulée 121

3 Matériels & Méthodes 122

3.1 Principe du modèle pseudo-volumique 122

3.2 Création des modèles pseudo-volumiques 122

(1) Surface externe 122

(2) Epaisseurs d’os cortical 123

(3) Création du modèle 126

3.3 Evaluation du modèle pseudo-volumique 127

(1) Vérification des hypothèses de modélisation 127

(2) Evaluation des radiographies simulées 128

(3) Temps de génération des radiographies simulées 129

4 Résultats 129

(1) Vérification des hypothèses de modélisation 129

(2) Evaluation des radiographies simulées 130

(3) Temps de génération des radiographies simulées 131

5 Discussion 131

5.1 Création du modèle 131

5.2 Evaluation du modèle 132

(1) Vérification des hypothèses de modélisation 132

(2) Evaluation des radiographies simulées 132

(3) Temps de génération des radiographies simulées 134

6 Conclusion 134

3 Reconstruction 3D du rachis à partir d’un modèle paramétré, d’inférences statistiques et de recalage par traitement d’image 137

1 Introduction 137

2 Intégration des recalages par traitement d’image dans la méthode de reconstruction 138

3 Recalage des corps vertébraux à partir de la segmentation des radiographies 140

3.1 Principes de la méthode 140

3.2 Traitement des radiographies simulées à partir des modèles pseudo-volumiques 142

3.3 Segmentation des radiographies 143

3.4 Processus d’appariement - recalage 144

3.5 Conclusion intermédiaire 146

4 Recalage des pédicules en utilisant des mesures de similarité 147

4.1 Matériel & Méthodes 147

(1) Principe de la méthode 147

(2) Fenêtre de recherche et grille de déplacement 149

(3) Déplacement du pédicule 149

(4) Mesure de similarité 150

(5) Carte des similarités 151

(6) Optimisation 152

(7) Déplacement 3D du pédicule 154

(8) Evaluation de la méthode 155

4.2 Résultats et discussion 156

4.3 Conclusion intermédiaire 158

5 Evaluation de la méthode 159

5.1 Protocole de reconstruction (étape 2.1) 159

5.2 Reproductibilité de position et temps de reconstruction 159

(1) Patients, analyses radiographiques et opérateurs 159

(2) Evaluation de la position 160

(3) Temps de reconstruction 160

6 Résultats 160

6.1 Reproductibilité de position 160

6.2 Temps de reconstruction 161

7 Discussion 162

7.1 Reproductibilité de position 162

7.2 Temps de reconstruction 163

8 Conclusion 164

CONCLUSION GENERALE 167

PERSPECTIVES 169

PUBLICATIONS & COMMUNICATIONS 172

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 175

INDEX 183

ANNEXES 189

Annexe 1 : Définition des repères anatomiques 189

Annexe 2 : Estimation de la fidélité à partir d’une étude de reproductibilité 191

Annexe 3 : Estimation de l’accord entre les opérateurs à partir d’une étude de reproductibilité 192

Annexe 4 : Revue de littérature : mesures d’épaisseurs d’os cortical dans le corps vertébral 193

Annexe 5 : Revue de littérature : mesures d’épaisseurs d’os cortical dans les pédicules 195

Annexe 6 : Description détaillée de la méthode de recalage des corps vertébraux 196

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