Reconstruction 3D du genou ostéophytique à partir de radiographies bi-planes

Tchinde Fotsin, Ted Julien (2021). Reconstruction 3D du genou ostéophytique à partir de radiographies bi-planes. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La stéréoradiographie permet d’acquérir deux radiographies calibrées d’un patient afin de les utiliser pour réaliser la reconstruction 3D des structures osseuses. Les modèles 3D ainsi obtenus peuvent être utilisés en milieu clinique à des fins de diagnostic, de planification chirurgicale ou de suivi post chirurgical. Le problème de la reconstruction 3D à partir de deux radiographies est formulé comme un problème de recalage 2D/3D où il est question de déformer un modèle générique de la structure osseuse d’intérêt afin de l’aligner optimalement avec les radiographies. L’utilisation du recalage 2D/3D pour la reconstruction dans le cas particulier des genoux ostéophytiques présente plusieurs défis, notamment la difficulté d’identifier précisément les excroissances osseuses sur les radiographies, le nombre limité d’informations pertinentes identifiables dans seulement deux radiographies et la superposition des structures osseuses du genou. L’objectif principal de cette thèse est de développer une méthode de recalage 2D/3D pour la reconstruction 3D du genou ostéophytique.

Nous avons développé un modèle pseudo-volumique du genou qui comprend un modèle statistique combiné de forme et de pose du fémur, du tibia et de la rotule, couplé aux informations de densité de chaque structure osseuse. Ce modèle qui permet une représentation compacte de toutes les structures osseuses du genou est utilisé comme modèle générique dans le cadre du recalage 2D/3D en vue de la reconstruction 3D. Nous avons aussi proposé une méthode d’optimisation hybride qui combine un algorithme génétique avec une méthode d’optimisation locale par régression pour réaliser l’optimisation itérative dans le cadre du recalage 2D/3D. De ce fait, la méthode proposée qui est basée sur une similarité iconique permet d’effectuer la reconstruction 3D simultanée du fémur, du tibia et de la rotule à partir de deux radiographies seulement. La base de données utilisée est constituée de 83 cas pour la modélisation et 10 cas pour les tests. Les radiographies de test sont des images simulées à partir de volumes de tomodensitométrie.

En comparant les modèles 3D reconstruits de chaque structure osseuse avec le modèle équivalent de référence, nous avons obtenu une erreur RMS (Root Mean Square) d’environ 2.73 ± 0.54 mm pour le fémur distal, 2.59 ± 0.57 mm pour le tibia proximal et 3.60 ± 1.44 mm pour la rotule. Ces résultats sont meilleurs que ceux obtenus pour la reconstruction 3D des mêmes sujets en considérant chaque structure osseuse concernée de façon isolée et en adoptant une approche de recalage 2D/3D basée sur une similarité géométrique. De ce fait, ce travail ouvre des perspectives à l’application des techniques de reconstruction 3D en vue de la conception des guides de coupe chirurgicaux personnalisés pour les patients arthrosiques.

Titre traduit

3D reconstruction of osteophytic knee from bi-planar radiographs

Résumé traduit

Stereo radiography is used to acquire two calibrated x-ray images of the patient in order to use them to perform 3D model reconstruction of bone. The 3D models obtained can be used in clinical settings for diagnostic purposes, surgical planning or for post-surgical follow-up. The problem of 3D reconstruction from two radiographs is formulated as a 2D/3D registration problem where the objective is to perform bone structure generic model deformation in accordance with the radiographs. 2D/3D registration-based 3D reconstruction presents several challenges in the case of osteophytic knees which are: The difficulty to precisely identify bone growths (osteophytes) on x-rays images, the limited amount of identifiable relevant information’s in only two radiographs and the superimposition of the knee bone structures on radiographs. The main objective of this thesis is to develop a 2D/3D registration method for 3D reconstruction of the osteophytic knee.

We developed a pseudo-volume model of the knee which includes a combined statistical pose and shape of the femur, tibia and patella, coupled with the density information of each bone structure. This model, which allows for a compact representation of all the knee bone structures, is used as a generic model within the framework of the 2D/3D registration. We also proposed a hybrid optimization method that combines the genetic algorithm with a regression based local optimization method to perform iterative optimization within the framework of 2D/3D registration. As a result, the proposed method which is based on an iconic similarity measurement allows for the simultaneous 3D reconstruction of the femur, tibia and patella from only two radiographs. The database used consists of 83 cases for modeling and 10 cases for tests. Test x-rays are simulated images from CT scan volumes.

By comparing the reconstructed 3D models of each bone structure with the equivalent reference model, we obtained an RMS (Root Mean Square) error of approximately 2.73 ± 0.54 mm for the distal femur, 2.59 ± 0.57 mm for the proximal tibia and 3.60 ± 1.44 mm for the patella. These results are better than those obtained for the 3D reconstruction of the same subjects’ model by considering each bone structure one at time and following a 2D/3D registration approach based on geometric similarity. As a result, this work opens perspectives for the application of 3D reconstruction techniques for the design of personalized surgical instrument for patients with osteoarthritis.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 147-161).
Mots-clés libres:	modèle statistique, reconstruction 3D, stéréoradiographie, ostéophyte, arthrose,genou, recalage 2D/3D
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Vázquez, Carlos
Codirecteur:	Codirecteur de Guise, Jacques A.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	11 janv. 2022 16:09
Dernière modification:	02 nov. 2022 13:50
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2830

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