Prédiction de l’évolution de la scoliose idiopathique de l’adolescent à partir d’images radiographiques biplanaires

Moulin, Marie (2022). Prédiction de l’évolution de la scoliose idiopathique de l’adolescent à partir d’images radiographiques biplanaires. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La Scoliose Idiopathique de l’Adolescent (SIA) touche 1 à 4 % des adolescents. Le suivi radiographique régulier de ces adolescents permet d’observer la progression de la pathologie et de proposer une prise en charge thérapeutique adaptée au moment opportun. Ces dernières années, plusieurs auteurs ont proposé des méthodes de prédiction de l’évolution de la SIA dès la première radiographie de diagnostic, afin de permettre de réduire l’exposition aux rayons X et d’anticiper la démarche thérapeutique. C’est le cas de notre partenaire clinique, le CHU Sainte Justine, qui publia une méthode de prédiction de l’évolution de la SIA par régression linéaire à partir de paramètres cliniques issus de la radiographie bi-planaire de diagnostic (Nault et al., 2020). La plupart des méthodes de prédiction de l’évolution de la SIA ne considèrent pas l’influence du port du corset durant la croissance des adolescents. Ainsi, ce travail propose dans un premier temps d’évaluer la méthode de prédiction de notre partenaire clinique, puis dans un second de développer une méthode de prédiction de l’évolution de la SIA considérant le port du corset durant la croissance.

La méthode de Nault et al., (2020) permet de prédire l’amplitude de la déformation rachidienne (angle de Cobb) à la maturité osseuse de l’adolescent. Son évaluation a consisté en l’estimation de la reproductibilité interopérateur de ses paramètres cliniques et leurs impacts sur la prédiction, la validation des données utilisées pour sa conception et le test de la méthode sur une nouvelle cohorte. Les quatre paramètres cliniques issus de la reconstruction en trois dimensions de la radiographie de diagnostic utilisés dans la méthode, l’angle de Cobb, l’angle du plan de la courbure maximale et le cunéiformisme des disques intervertébraux T3-T4 et T8- T9 ont une reproductibilité inter-opérateur 2RMSsd de respectivement 4.7°, 4.9°, 3.7°, 4.2°, engendrant une variabilité de l’angle de Cobb prédit de respectivement 2.43°, 3.44°, 3.25° et 0.61°. Les reconstructions en trois dimensions du rachis utilisées lors de la conception de la méthode ont fait l’objet d’une vérification. Une forte variabilité des paramètres cliniques entre la reconstruction initiale et la vérification est observée (4.5°, 3.3°, 5.5° et 16.8° pour ces mêmes paramètres). La méthode suggérait un coefficient de détermination R² de 0.643 en apprentissage (n = 172). Son test sur une nouvelle cohorte (n = 127) démontre un coefficient de détermination R² de 0.329 et une différence absolue moyenne de 7.8° entre l’amplitude de la courbure à maturité osseuse prédite et la réelle. L’évaluation de la méthode de notre partenaire clinique suggère que cette dernière est peu généralisable à l’ensemble de la population d’enfants scoliotiques.

Ainsi, il est proposé le développement d’une méthode de prédiction de l’évolution de la SIA de la radiographie de diagnostic jusqu’à la maturité osseuse considérant le port éventuel du corset par apprentissage machine. Celle-ci est scindée en deux prédictions : la prédiction de la prescription du corset, puis la prédiction de l’évolution de la SIA malgré le port du corset. La première prédiction, basée sur un arbre de décision, permet en apprentissage (n = 140) une exactitude de 0.86 et en test (n = 36) une exactitude de 0.81, une sensibilité de 0.84 et une spécificité de 0.73. La seconde prédiction, utilisant une approche par machine à vecteurs de support, permet en apprentissage (n = 55) une exactitude de 0.80 et en test (n = 10) une exactitude de 0.80, une sensibilité de 0.33 et une spécificité de 1.00. Globalement, la méthode développée dans ce mémoire propose la prédiction de l’évolution de la SIA dès la radiographie de diagnostic avec une exactitude de 0.63 en considérant huit paramètres issus de la reconstruction en trois dimensions de la colonne vertébrale : l’angle de Cobb, la rotation intervertébrale axiale T1-T2, T4-T5, T5-T6, T6-T7 et T9-T10, le cunéiformisme T6-T7 et le type de corset proposé en première intention. Ce mémoire a également proposé de redéfinir la progression de la SIA. Habituellement elle est définie comme une aggravation de l’angle de Cobb de plus de six degrés entre le diagnostic et la maturité osseuse de l’adolescent. Ici l’étude d’une évolution annuelle de la SIA (degrés par an) a été proposée afin de mettre en valeur la rapidité d’évolution de la pathologie. Bien que cela semble avoir un intérêt clinique, aucune plus-value ne fut démontrée face à la prédiction de l’évolution de la SIA malgré le port du corset.

Considérant l’évolution de la SIA dans son ensemble, de la première radiographie de diagnostic jusqu’à la maturité osseuse tout en envisageant le port du corset et utilisant des méthodes d’apprentissage machine, la méthode de prédiction proposée dans ce travail semble prometteuse. Aucune méthode de la littérature ne proposait une méthode globale de prédiction telle que celle-ci. L’ajout de patients supplémentaires permettrait un meilleur apprentissage des modèles et une amélioration des résultats.

Titre traduit

Prediction of adolescent idiopathic scoliosis based on biplanar radiographs

Résumé traduit

Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS) affects 1 to 4 % of adolescents. Regular radiographic follow-up of these adolescents allows to observe the progression of the pathology and to propose an adapted therapeutic management at the appropriate time. In recent years, several authors have proposed methods to predict the evolution of AIS from the first diagnostic radiograph, in order to reduce exposure to X-rays and to anticipate the therapeutic approach. This is the case of our clinical partner, CHU Sainte Justine, which published a method for predicting the evolution of AIS by linear regression from clinical parameters obtained from the diagnostic bi-planar radiographs (Nault et al., 2020). Most methods for predicting the evolution of AIS do not consider the influence of brace wearing during adolescent growth. Thus, this work proposes first to evaluate the prediction method of our clinical partner, and then to develop a method for predicting the evolution of AIS considering the wearing of a brace during growth.

The method of Nault et al., (2020) allows the prediction of the amplitude of the spinal deformation (Cobb angle) at the bone maturity of the adolescent. Its evaluation consisted of estimating the inter-operator reproducibility of its clinical parameters and their impact on prediction, validating the data used for its design, and testing the method on a new cohort. The four clinical parameters from the three-dimensional reconstruction of the diagnostic radiograph used in the method, the Cobb angle, the plane of maximum curvature angle, and the intervertebral disc wedging of T3-T4 and T8-T9 have an inter-operator 2RMSsd reproducibility of 4.7°, 4.9°, 3.7°, 4.2°, generating a variability of the predicted Cobb angle of 2.43°, 3.44°, 3.25° and 0.61°, respectively. The three-dimensional spine reconstructions used in the design of the method were verified. A high variability of the clinical parameters between the initial reconstruction and the verification was observed (4.5°, 3.3°, 5.5° and 16.8° for these same parameters). The method suggested a coefficient of determination R² of 0.643 in training (n = 172). Its test on a new cohort (n = 127) demonstrates an R² coefficient of determination of 0.329 and a mean absolute difference of 7.8° between the predicted and actual amplitude of curvature at bone maturity. The evaluation of our clinical partner's method suggests that it has limited generalizability to the entire population of children with AIS.

Thus, it is proposed to develop a method of prediction of the evolution of the SIA from the diagnostic radiography to the bone maturity considering the eventual wearing of the brace using machine learning algorithms. This method is divided into two predictions: the prediction of the prescription of the brace, and the prediction of the evolution of the AIS despite brace wearing. The first prediction, based on a decision tree, obtains in learning (n = 140) an accuracy of 0.86 and in testing (n = 36) an accuracy of 0.81, a sensitivity of 0.84 and a specificity of 0.73. The second prediction, using a support vector machine approach, obtains in learning (n = 55) an accuracy of 0.80 and in test (n = 10) an accuracy of 0.80, a sensitivity of 0.33 and a specificity of 1.00. Overall, the method developed in this work proposes the prediction of the evolution of the AIS from the diagnostic radiograph with an accuracy of 0.63 by considering eight parameters from the three-dimensional reconstruction of the spine: the Cobb angle, the axial intervertebral rotation of T1-T2, T4-T5, T5-T6, T6-T7 and T9-T10, the intervertebral disc wedging of T6-T7 and the type of brace proposed in first intention. This work also proposed to redefine the progression of AIS. Usually, it is defined as a worsening of the Cobb angle of more than six degrees between the diagnosis and the bone maturity of the adolescent. Here the study of an annual evolution of AIS (degrees per year) was proposed in order to highlight the velocity of the evolution of the pathology. Although this seems to be of clinical interest, no added value was demonstrated in the prediction of the evolution of AIS despite the use of a brace.

The method proposed in this work for predicting the evolution of AIS from the first diagnostic radiograph to bone maturity while considering the wearing of the brace and using machine learning techniques seems promising. No method in the literature proposed a global prediction method such as this. The addition of more patients would allow better model learning and improved results.

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 avec mémoire en génie concentration technologies de la santé". Comprend des références bibliographiques (pages 145-152).
Mots-clés libres:	scoliose idiopathique de l’adolescent, imagerie bi-planaire, reconstruction 3D du rachis, progression, prédiction, apprentissage machine
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse de Guise, Jacques A.
Codirecteur:	Codirecteur Vázquez, Carlos
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	10 juin 2022 15:22
Dernière modification:	02 nov. 2022 13:53
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3008

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