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Méthodes automatiques pour la pangonométrie, la morphométrie et la reconstruction 3D des os du membre inférieur

Gargouri, Imed (2009). Méthodes automatiques pour la pangonométrie, la morphométrie et la reconstruction 3D des os du membre inférieur. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L'extraction des informations d'intérêt à partir des images médicales 2D et 3D est essentielle dans plusieurs pratiques médicales. Elle est nécessaire pour 1' établissement de diagnostic, la planification chirurgicale et la conception de prothèses sur mesure. Cependant, cette tâche requiert du clinicien une détection manuelle ou semi-automatique. Entre temps, la liste d'attente pour une intervention clinique s'allonge de jour en jour. Selon le rapport de la Direction de l'évaluation des technologies et des modes d'intervention en santé des centres hospitaliers de l'université de Montréal et de l'université McGill de 2007, la demande pour les arthroplasties du membre inférieur a augmenté de près de 90% au cours des dix dernières années. L'attente pour ce type d'intervention dépasse les 6 mois.

L'objectif principal de cette thèse est d'offrir aux cliniciens des outils capables d'extraire à partir des données médicales 2D et 3D une information clinique utile et cela de façon automatique. Cinq applications sont proposées:
• un analyseur automatique de la pangonométrie du fémur en vue frontale,
• un analyseur automatique de la pangonométrie du fémur en vue latérale,
• un outil pour le recalage automatique de modèles génériques 3D du fémur sur une paire de radiographies frontale et latérale,
• un outil pour la reconstruction automatique de modèle 3D du fémur pré personnalisé à partir de données radiographiques,
• un outil pour l'analyse automatique de la morphométrie du membre inférieur à partir de modèles 3D.

La base de ces outils est un modèle mathématique. Ce modèle regroupe des géométries simples telles que sphères et cylindres en une seule fonction algébrique dans le but d'exprimer la surface externe des structures osseuses sous forme d'une surface analytique. Dans cette représentation, chaque géométrie simple modélise une zone anatomique à l'intérieur de l'os. En ayant une paire de radiographies du membre inférieur d'un patient, le modèle mathématique avec des techniques de génération de primitives (transformée de Hough) et de classification ont permis d'estimer les indices cliniques nécessaires pour une analyse pangonométrique. L'estimation de ces indices a permis aussi de recaler sur les radiographies du patient un modèle générique connu a priori. Ce regalage a été à l'origine de la reconstruction d' un modèle 3D pré-personnalisé.

En 3D, le modèle mathématique proposé a permis aussi une analyse morphologique et moprhométrique du modèle 3D de l'os (fémur et tibia). Ce modèle peut être obtenu en utilisant notre méthode ou toute autre méthode de reconstruction 3D.

Les études comparatives menées ont démontré le potentiel des méthodes développées pour un usage clinique de routine. Tous les outils mis au point offrent des résultats comparables à ceux obtenus par des analyses manuelles faites par des experts. Pour certains repères, nos outils présentent de meilleures précisions que les procédures manuelles, grâce à leur capacité d'identifier plus de données sur les images médicales que le repérage manuel.

Titre traduit

Automated methods for pangonometry, morphometry and 3D reconstruction of lower extremity bones

Résumé traduit

Extraction of clinical information from 2D and 3D medical images is important in several medical practices. This is useful for diagnostic establishment, surgical planning and personalized prosthesis design. However, time-consuming by clinicians to achieve such task using manual procedure or semi-automatic tools lengthens waiting list of patients in need for clinical intervention. The 2007 report of the Technology, Evaluation and Intervention Modes Management in Health of Montreal University and McGill University, mentions that requests of lower-extremity arthroplasty have increased by 90% during the last ten years. The waiting period for such intervention exceeds 6 months.

In this thesis, we develop methods to extract necessary clinical information from diagnostic medical images of lower extremity bones in a non supervised way. Benefits of such applications are better time-consuming and more effectiveness for clinician charge. Five automated tools are proposed:
• A femur pangonometric analyser from frontal radiography,
• A femur pangonometric analyer from lateral radiography,
• An automatic tool for a generic-3D-model registration on a pair of radiographies (frontal and lateral),
• A tool for 3D-reconstruction of pre-personnalized models of femur,
• A 3D morphometric and morphologie analyser of 3D models of the lower extremity bones.

The main concept behind these applications is a mathematical model that represents external surface of each lower extremity bone by an implicit function. In this representation, simple geometries such as spheres and cylinders are blended together in order to create an analytic surface that approximates the bone morphology. By this formula, each basic geometry represents a specific anatomie region of considered bone. The analytic function combined with a primitive generating technique and a classification method allows identification of necessary parameters for a complete pangonometric analysis. These parameters lead to first registrate a known generic model on pair of patient radiographies and second to reconstruct a 3D pre-personalised model.

In 3D space, the mathematic model enables a full and automated analysis of morphology and morphometry of lower extremity bones. The latter can be obtained by using our method or any other 3D reconstruction technique.

Compartive studies show our method potentials for clinic use. In fact, recorded results by developed tools are similar in accuracy to expert manual numerisations. In some cases, our results were better qualities than expert manual results due to the capcity of our methods to identify more information on radiographies than manual procedure.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Rapport de thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie" Bibliogr. : f. [260]-271.
Mots-clés libres: Fémur. Imagerie médicale. Imagerie tridimentionnelle. Membres inférieurs. Modèles mathématiques. Os. Tibia.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
De Guise, Jacques A.
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 31 oct. 2012 19:52
Dernière modification: 05 janv. 2017 22:21
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1063

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