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Segmentation de l'articulation de la hanche à partir de radiographies biplanes en utilisant une approche multi-structures

Ouertani, Fatma (2015). Segmentation de l'articulation de la hanche à partir de radiographies biplanes en utilisant une approche multi-structures. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

En produisant une paire de radiographies orthogonales en position debout, le système EOS, beaucoup moins irradiant que le CT scan, offre la possibilité de reconstruire en 3D des structures osseuses. Pour reconstruire une structure osseuse à partir de radiographies biplanes, les contours extraits dans les images sont associés à des informations a priori 3D. Ce mémoire porte sur l’extraction simultanée de contours des deux structures adjacentes de l’articulation de la hanche : la tête fémorale et le cotyle. Cette tâche est ardue, notamment à cause du bruit élevé, du faible contraste et de la superposition de structures. Nous avons adopté une approche multi-structures permettant de segmenter simultanément deux contours correspondant chacun à une structure. La méthode proposée requiert une initialisation manuelle au niveau de la tête fémorale par le tracé d’un cercle pour extraire et localiser la région de l’articulation. Le processus de segmentation s’applique sur cette région qui est transformée dans un espace redressé, où les deux contours recherchés correspondent à deux chemins alignés. Les arêtes verticales sont détectées dans l’image redressée par un opérateur du gradient horizontal. Deux images de gradient de signe opposé sont générées, dans lesquelles la frontière de chaque structure est représentée par un chemin. Un volume redressé est construit en combinant ces deux images, permettant d’unir les deux chemins en un seul. Pour cela, un algorithme de recherche d’un chemin minimal 3D dans un volume a été développé. Les contraintes inter-structures sont imposées durant la recherche. La projection du chemin obtenu donne deux chemins distincts et labellisés qui sont transformés dans l’espace de l'image originale pour récupérer ainsi le contour de chaque structure. Nous avons appliqué cette méthode sur 100 images radiographiques du membre inférieur, contenant chacune deux articulations de hanche, acquises dans les directions frontale, oblique et latérale. L’évaluation de la précision a donné une erreur globale point-contour RMS±ÉT de 1,27±0.79 mm pour la tête fémorale et 1.26±0.74 mm pour le cotyle. Pour la répétabilité, nous avons obtenu en moyenne 80% de différences locales au-dessous de 1 mm. Les résultats révèlent que la méthode est précise, mais elle dépend aussi de la complexité de l'image segmentée et de la présence ou non d’une pathologie, notamment la coxarthrose. Ce travail servira certainement à améliorer le processus de la reconstruction en termes de précision.

Titre traduit

Segmentation of hip joint from biplanar radiographs using a multi-structure approach

Résumé traduit

EOS system which is less radiating than CT scan allows acquiring biplanar radiographs in a weight-bearing position in order to enable 3D reconstruction of bony structures. To achieve 3D reconstruction of a bony structure from biplanar radiographs, extracted contours from images are combined with 3D a priori information. This study focuses on simultaneous contour extraction of adjacent bony structures of the hip joint, i.e. femoral head and acetabulum. This task is considered hard due to high radiographic noise, low contrast and structure superposition. We have adopted a multi-structure approach which enables us to obtain simultaneously two contours corresponding each to one structure. Our proposed method requires an initialisation of the femoral head by a circle in order to extract and localize the joint region. The segmentation process is further applied to this region which is transformed into a straightened space, where the sought contours correspond to two aligned paths. Vertical edges of the straightened image are then detected by applying a horizontal gradient operator. Two edge images are generated by separating opposed signs of the gradient in which each structure contour is represented by a path. A straightened volume is constructed by combining the two edge images, which allows the combination of both paths in one. We propose a 3D minimal path searching algorithm in a volume where inter-structure constraints are imposed. The projection of the obtained 3D minimal path on edge images returns two distinct and labeled paths. The labeled contours of the two structures are recuperated in the original image space by converting the two paths. We applied this method on 100 radiographic images of the lower limb, containing each two hip joints, acquired in frontal, oblique and lateral directions. The method accuracy was evaluated and global errors point-contour (RMS±STD), equal to 1.27±0.79 for the femoral head and to 1.26±0.74 for the acetabulum, were observed. 80% of local repeatability errors were less than 1 mm. The results show that the method is accurate, but it also depends on the complexity of the segmented image and the presence or not of pathology such as hip osteoarthritis. This work will definitely improve the 3D reconstruction workflow in terms of accuracy.

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 131-137.
Mots-clés libres: Hanche Radiographie. Radiographie numérique (Médecine) Imagerie tridimensionnelle en médecine. Segmentation d'image. Tête du fémur. Acétabulum. Multi-structure Segmentation tête fémorale, cotyle, chemin minimal 3D, segmentation de radiographies
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
De Guise, Jacques A.
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Vazquez, Carlos
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 29 juill. 2015 19:08
Dernière modification: 29 juill. 2015 19:08
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1485

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