Shape analysis for assessment of progression in spinal deformities

García Cano Castillo, Edgar Eduardo (2019). Shape analysis for assessment of progression in spinal deformities. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a three-dimensional structural spinal deformation. It is the most common type of scoliosis. It can be visually detected as a lateral curvature in the postero-anterior plane. This condition starts in early puberty, affecting between 1-4% of the adolescent population between 10-18 years old, affecting in majority female. In severe cases (0.1% of population with AIS) the patient will require a surgical treatment. To date, the diagnosis of AIS relies on the quantification of the major curvature observed on posteroanterior and sagittal radiographs.

Radiographs in standing position are the common imaging modality used in clinical settings to diagnose AIS. The assessment of the deformation is carried out using the Cobb angle method. This angle is calculated in the postero-anterior plane, and it is formed between a line drawn parallel to the superior endplate of the upper vertebra included in the scoliotic curve and a line drawn parallel to the inferior endplate of the lower vertebra of the same curve. Patients that present a Cobb angle of more than 10°, are diagnosed with AIS.

The gold standard to classify curve deformations is the Lenke classification method. This paradigm is widely accepted in the clinical community. It divides spines with scoliosis into six types and provides treatment recommendations depending on the type. This method is limited to the analysis of the spine in the 2D space, since it relies on the observation of radiographs and Cobb angle measurements.

On the one hand, when clinicians are treating patients with AIS, one of the main concerns is to determine whether the deformation will progress through time. Knowing beforehand of how the shape of the spine is going to evolve would aid to guide treatments strategies. On the other hand, however, patients at higher risks of progression require to be monitored more frequently, which results in constant exposure to radiation. Therefore, there is a need for an alternative radiation-free technology to reduce the use of radiographs and alleviate the perils of other health issues derived from current imaging modalities.

This thesis presents a framework designed to characterize and model the variation of the shape of the spine throughout AIS. This framework includes three contributions: 1) two measurement techniques for computing 3D descriptors of the spine, and a classification method to categorize spine deformations, 2) a method to simulate the variation of the shape of the spine through time, and 3) a protocol to generate a 3D model of the spine from a volume reconstruction produced from ultrasound images.

In our first contribution, we introduced two measurement techniques to characterize the shape of the spine in the 3D space, leave-n-out, and fan leave-n-out angles. In addition, a dynamic ensemble method was presented as an automated alternative to classify spinal deformations. Our measurement techniques were designed for computing the 3D descriptors and to be easy to use in a clinical setting. Also, the classification method contributes by assisting clinicians to identify patient-specific descriptors, which could help improving the classification in borderline curve deformations and, hence, suggests the proper management strategies.

In order to observe how the shape of the spine progresses through time, in our second contribution, we designed a method to visualize the shape’s variation from the first visit up to 18 months, for every three months. Our method is trained with modes of variation, computed using independent component analysis from 3D model reconstructions of the spine of patients with AIS. Each of the modes of variation can be visualized for interpretation. This contribution could aid clinicians to identify which spine progression pattern might be prone to progression.

Finally, our third contribution addresses the necessity of a radiation-free image modality for assessing and monitoring patients with AIS. We proposed a protocol to model a spine by identifying the spinous processes on a volume reconstruction. This reconstruction was computed from ultrasound images acquired from the external geometry of the subject. Our acquisition protocol documents a setup for image acquisition, as well as some recommendations to take into account depending on the body composition of the subjects to be scanned. We believe that this protocol could contribute to reduce the use of radiographs during the assessment and monitoring of patients with AIS.

Titre traduit

Analyse de formes pour le suivi de la progression en scoliose idiopathique adolescente

Résumé traduit

La scoliose idiopathique adolescente (SIA) est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale. Elle se manifeste généralement par une déviation latérale du rachis dans le plan postéro-antérieur. La SIA peut se manifester dès le début de la puberté, touchant entre 1 et 4 % de la population adolescente âgée de 10 à 18 ans, les jeunes femmes étant les plus touchées. Certains cas graves (0,1% de la population avec AIS) nécessiteront un traitement chirurgical visant à corriger la courbure scoliotique.

A ce jour, le diagnostic de la SIA repose sur l’analyse des radiographies postéro-antérieures et latérale et la sévérité de la courbure est déterminée par la méthode de l'angle de Cobb. Cet angle est calculé en traçant deux lignes parallèles. Une ligne parallèle à la plaque d'extrémité supérieure de la vertèbre la plus inclinée en haut de la courbe et une ligne parallèle à la plaque d'extrémité inférieure de la vertèbre la plus inclinée en bas de la même courbe. Les patients qui présentent un angle de Cobb supérieur à 10° sont diagnostiqués avec la SIA.

La mesure étalon pour classer les déformations des courbures scoliotiques est la méthode de Lenke. Cette classification est largement acceptée dans la communauté clinique divise les patients atteints de scoliose en six types et fournit des recommandations de traitement selon le type. Cette méthode se limite à l'analyse de la colonne vertébrale dans l'espace 2x2D, puisqu'elle repose sur l'observation de radiographies et de mesures de l'angle de Cobb.

D'un côté, lorsque les cliniciens traitent des patients atteints de SIA, l'une des principals préoccupations est de déterminer si la déformation évoluera avec le temps. Le fait de connaître à l'avance l'évolution de la forme de la colonne vertébrale aiderait à orienter les stratégies de traitement. D’un autre côté, les patients à plus haut risque d'évolution doivent être suivis plus fréquemment, ce qui entraîne une exposition accrue aux rayons-X. Par conséquent, il est nécessaire de mettre au point une autre technologie sans radiations pour réduire l'utilisation des radiographies et atténuer les dangers d'autres problèmes de santé découlant des modalities actuelles d'imagerie.

Cette thèse présente une méthode pour l’évaluation de la forme de la colonne vertébrale de patients atteints de SIA. Elle comprend trois contributions : 1) une nouvelle approche pour calculer les descripteurs 3D de la colonne vertébrale, et une méthode de classification pour catégoriser les déformations de la colonne vertébrale selon la classification de Lenke, 2) une méthode pour analyser la progression dans le temps de la colonne vertébrale et 3) un protocole d’acquisition pour générer un modèle 3D de la colonne à partir d'une reconstruction de volume produite par des images échographiques.

Dans notre première contribution, nous avons présenté deux techniques de mesure pour caractériser la forme de la colonne vertébrale dans l'espace 3D. De plus, une méthode d'ensemble dynamique a été présentée comme une alternative automatisée pour classer les déformations de la colonne vertébrale. Ces techniques de mesure pour calculer les descripteurs 3D sont faciles à appliquer dans les installations cliniques. En outre, la méthode de classification contribue en aidant les cliniciens à identifier les descripteurs propres à chaque patient, ce qui pourrait aider à améliorer la catégorisation des déformations à la limite et, par conséquent, les traitements.

Afin d'observer la progression du rachis dans le temps, nous avons conçu une méthode pour simuler la variation de la forme depuis la première visite jusqu'à 18 mois. Cette simulation montre les changements de forme tous les trois mois. Notre méthode est entraînée avec des modes de variation, calculés à l'aide d'une analyse par composantes indépendantes à partir de reconstructions de modèles 3D de la colonne vertébrale de patients atteints de SIA. Chacun des modes de variation peut être visualisé pour interprétation. Cette contribution pourrait aider les cliniciens à identifier les déformations de la colonne vertébrale qui pourraient progresser. Le traitement peut donc être adapté en fonction des besoins de chaque patient.

Finalement, notre troisième contribution porte sur la nécessité d'une modalité d'imagerie sans radiations pour l'évaluation et la surveillance des patients atteints de SIA. Nous avons propose un protocole pour modéliser la colonne vertébrale d'un sujet en marquant la position des apophyses sur une reconstruction volumique. Cette reconstruction a été calculée à partir d’images échographique acquises sur la surface externe du patient. Notre protocole fournit un guide étape par étape pour établir un dispositif d'acquisition d'images, ainsi que des recommandations à prendre en compte en fonction de la composition corporelle des sujets à reconstruire. Nous croyons que ce protocole pourrait contribuer à réduire l'utilisation des radiographies lors de l'évaluation et du suivi des patients atteints de SIA.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 111-118).
Mots-clés libres:	scoliose idiopathique adolescente, classification de la colonne vertébrale, sélection dynamique d'ensemble, descripteurs de la colonne vertébrale, prédiction de la progression du rachis, analyse par composantes indépendantes, apprentissage machine ; échographie 3D à main levee, échographie, reconstruction de la colonne
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Duong, Luc
Codirecteur:	Codirecteur Arámbula Cosío, Fernando
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	08 avr. 2019 20:54
Dernière modification:	08 avr. 2019 20:54
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2267

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