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Analyse multi-échelle de l'os trabéculaire vertébral à partir d'images tomodensitométriques

Vachon, Alexandre (2013). Analyse multi-échelle de l'os trabéculaire vertébral à partir d'images tomodensitométriques. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L'évaluation clinique du risque de fracture et le diagnostic de l'ostéoporose reposent principalement sur l'estimation de la masse osseuse caractérisée par la densité minérale osseuse (DMO). Or, plusieurs études suggèrent que d'autres facteurs soient pris en compte, dont la microarchitecture de l'os trabéculaire. De plus, aucun outil ne permet d'évaluer de façon pratique et simultanée la densité et la microarchitecture osseuse in vivo, en particulier au niveau vertébral où l'épaisseur des tissus à traverser est problématique.

L'objectif principal de ce mémoire est de proposer un algorithme multi-échelle de simulation de la microarchitecture de l'os trabéculaire vertébral à partir d'images tomodensitométriques (CT). Pour répondre aux objectifs, des spécimens cadavériques bovin, porcin et humains ont été imagés à haute et à basse résolution, puis leur microarchitecture a été simulée. Les erreurs relatives moyennes de différents paramètres morphométriques ainsi que les cotes Z entre les valeurs de ces paramètres ont ensuite été quantifiées entre les images haute résolution réelles et simulées.

Les principaux résultats obtenus démontrent que l'algorithme semble bien reproduire qualitativement la microarchitecture relativement homogène des spécimens bovin et porcin, mais faiblement reproduire la microarchitecture relativement hétérogène des spécimens humains. Quantitativement, les résultats démontrent le potentiel de l'algorithme proposé à reproduire les paramètres morphométriques. Les faibles écarts-types des erreurs relatives témoignent de la grande reproductibilité des simulations. Cependant, les grandeurs variables des cotes Z obtenues pour les modèles porcin et humain ainsi que les différences observées entre les sujets humains témoignent d'une grande sensibilité de l'algorithme.

Les retombées prévues à long terme de la méthode proposée sont l'évaluation plus précise de la qualité osseuse en clinique, l'amélioration de l'efficacité des outils d'évaluation et de planification du traitement des fractures ainsi que l'amélioration du diagnostic et du traitement de pathologies osseuses comme l'ostéoporose.

Titre traduit

Multi-scale analysis of vertebral trabecular bone from computed tomography images

Résumé traduit

The primary factor used to assess fracture risk in the clinic and diagnose osteoporosis is bone quality generally characterized by bone mineral density (BMD). However, many studies indicate that bone quality is influenced by other factors such as the microarchitecture of trabecular bone. Moreover, no tools allow convenient and simultaneous in-vivo assessment of bone density and microarchitecture, especially for the spine where penetration into deep tissues is problematic.

The main objective of this thesis is to suggest a multi-scale algorithm for simulating vertebral trabecular bone microarchitecture from computed tomography (CT) images. To meet the objectives, calf, pig and human cadaveric specimens where first imaged at high and low resolution and next their microarchitecture was simulated. Mean relative errors on various morphometric parameters as well as Z-scores between those values where then quantified between high-resolution real and simulated images.

The results show that the algorithm seems to reproduce well qualitatively the relatively homogeneous microarchitecture of calf and pig specimens, but poorly reproduce the relatively heterogeneous microarchitecture of human specimens. Quantitatively, the results show that the algorithm is able to reproduce several morphometric parameters. Low standard deviations of the relative errors demonstrate the high reproducibility of the simulations. However, variable sizes of Z-scores obtained for pig and human models as well as differences observed between human specimens demonstrate the high sensitivity of the algorithm.

Long-term expected benefits of the proposed method are to enable more accurate clinical assessment of bone quality, to improve evaluation and planning tools for the treatment of fractures and to help diagnosis and treatment of bone pathologies such as osteoporosis.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie, concentration technologies de la santé". Bibliographie : pages 115-123.
Mots-clés libres: Colonne vertébrale Anatomie Simulation par ordinateur. Colonne vertébrale Tomographie. Tomodensitométrie. Fractures Traitement. Os Maladies Diagnostic. microarchitecture, trabéculaire, synthèse d'images, analyse de textures d'images, tomodensitométrie (CT) multi-échelle, microarchitecture de l'os trabéculaire vertébral, transformées en ondelettes
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Petit, Yvan
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Gloaguen, Erwan
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 26 mars 2014 19:32
Dernière modification: 10 mars 2017 22:22
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1269

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