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

par Ludovic Humbert

Thèse de doctorat en Biomécanique

Sous la direction de Wafa Skalli.

Soutenue en 2008

à Paris, ENSAM .


  • 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.

  • Titre traduit

    Semi-automation of the skeleton x-rays processing for geometric model and clinical analysis


  • Résumé

    Study and diagnosis of skeleton deformities such as scoliosis require a three-dimensional approach allowing bones’ position and geometry analysis. The Laboratoire de Biomécanique (Paris, France) and the Laboratoire de recherche en Imagerie et Orthopédie (Montréal, Canada) have developed 3D reconstruction methods of skeleton from biplanar X-rays, especially from the low dose imaging device EOS (Biospace med, Paris, France). These methods allow a global 3D analysis of the patient, in standing position with a low radiation dose. However the reconstruction time remains too important for a routine clinical use. The purpose of this Ph. D. Thesis is to progress in automation of 3D reconstruction methods from biplanar X-rays. The proposed approaches will be applied to thoracic and lumbar spine for scoliosis study and diagnosis. A reconstruction method based on parametric models relying on longitudinal and transversal statistical inferences was proposed and evaluated. This method gives very quickly (2min 30s), from a few identifications of anatomical landmarks in the X-rays, a first estimate of the subject-specific model of the spine with clinical measurements dedicated to scoliosis diagnosis. If necessary, a more accurate 3D subject-specific model may be obtained in a reduced reconstruction time (10min) from operator adjustments of the model which auto-improves as soon as the model is corrected. To go further into automation, 2D/3D registration methods using image processing were proposed. Both segmentation based and intensity based algorithms (similarity between digitally reconstructed radiographs and the X-rays) were developed. These approaches rely on pseudo-volumic models which are more realistic than commonly-used models based on surfaces. The registration methods were integrated into the reconstruction process based on parametric models and inferences to propose and evaluate a new reconstruction method. This Ph. D. Thesis led to the development of fast and efficient methods for a routine clinical use and provides important bases for automation of reconstruction methods from biplanar X-rays of the whole skeleton.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (201 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr.

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