Soutenance mémoire
La connaissance préalable de l’anatomie structurale d’une partie du corps humain ainsi que les pathologies qui lui sont liées est fondamentale pour gérer les applications cliniques comme le diagnostic et le suivi des traitements thérapeutiques. Ainsi, nous débuterons ce chapitre par une description détaillée de l’anatomie de l’articulation de la hanche normale. Parmi les pathologies associées à la hanche, nous citerons principalement l’arthrose de la hanche. Nous fournirons ensuite un survol des technologies d’imagerie médicale utilisées en clinique pour étudier l’articulation de la hanche. Le reste du chapitre sera dédié à la présentation de la technique actuelle de reconstruction en trois dimensions (3D), à partir d’images biplanes, l’état de l’art des méthodes de segmentation de la région de la hanche à partir d’images radiographiques, des outils de traitement d’images et des méthodes de segmentation des structures adjacentes.
Anatomie descriptive de l’articulation de la hanche
L’articulation de la hanche, appelée aussi articulation coxo-fémorale, est une articulation de type énarthrose. Cette dernière possède la forme d’une cavité sphérique recevant une partie d’une sphère ce qui explique sa mobilité permise dans toutes les directions (Sappey et Baillière, 1850). Cette articulation assure la liaison et le mouvement entre le squelette axial et les membres inférieurs (Bayle, 1833). Au niveau de l’articulation de la hanche, deux structures osseuses à savoir le bassin osseux et le fémur sont connectées par l’intermédiaire d’une capsule ligamentaire. Plus de détails sont fournis dans les prochaines sous-sections.
Bassin osseux
Le bassin osseux se trouve au centre du squelette humain et se compose de quatre parties: l’os coxal droit et gauche, le sacrum en bas duquel se trouve le coccyx.
Fémur
Le fémur est l’os le plus long du squelette humain. Il se compose de trois parties : un corps et deux extrémités . Le corps du fémur, appelé aussi diaphyse, relie le fémur proximal au fémur distal et est considéré comme la partie la plus longue constituant le fémur. Il a une forme prismatique et triangulaire et possède trois faces : une antérieure qui est la plus étendue, une face externe et une face interne (Sappey et Baillière, 1850). La diaphyse forme un angle de 7° (pour l’homme) et 9° (pour la femme) par rapport à la verticale. Le fémur proximal comporte la tête et le col du fémur, le grand trochanter et le petit trochanter. Grâce à sa forme sphérique, la tête du fémur s’intègre au niveau de la cavité cotyloïde (ou acétabulaire) . Ses surfaces supérieure et interne sont tapissées de cartilage articulaire. Sur le sommet, on trouve un trou, qui s’appelle fovéa capitis, permettant l’insertion du ligament rond (Sappey et Baillière, 1850).
Le col du fémur est attaché directement à la tête du fémur et forme avec elle un angle dit cervico-diaphysaire, généralement égal à 135° (Boutillier et Outrequin, 2012). Quant à l’épiphyse distale (ou l’extrémité inférieure du fémur), elle est articulée avec le tibia et le patella (les os de la jambe) pour former l‘articulation du genou. L’épiphyse distale se compose de deux condyles médial et latéral dont les surfaces sont revêtues de cartilage articulaire. Entre les deux condyles, on trouve la trochlée fémorale en avant et la fosse intercondylienne en arrière .
Coxarthrose et autres anomalies de la hanche
Le rôle de la hanche est de lier les membres inférieurs au squelette axial. La stabilité de l’articulation en question est indispensable pour le mouvement du membre inférieur ainsi que pour le mouvement du corps entier. À cet effet, cette articulation est sujette à l’arthrose de la hanche. La forme la plus répandue de l’arthrite, maladie inflammatoire associée aux articulations, est l’arthrose qui affecte 10% de la population canadienne selon Statistique Canada (Statistics, 2014). L’âge peut être une cause de cette maladie. En effet le risque qu’elle survienne augmente à mesure que l’on vieillit. Les causes peuvent être également génétiques ou survenues à la suite de blessures dues à un faux mouvement ou à un fort usage de l‘articulation.
L’arthrose de la hanche aussi appelée coxarthrose est le deuxième plus fréquent type d’arthrose classé juste après l’arthrose de genou. Elle est décrite par une dégradation graduelle et anormale des couches de cartilage qui couvrent la tête fémorale et le cotyle. Dans une articulation de hanche atteinte d’arthrose, le cartilage se dégénère progressivement entrainant de la douleur; la raideur due aux frottements entre les os adjacents affecte alors la flexibilité et la mobilité de la hanche chez le patient.
En plus de la coxarthrose, l’articulation de la hanche peut être touchée par les anomalies d’asymétrie de longueur des membres inférieurs, les anomalies de déviation angulaire, la dysplasie, les fractures, etc. Celles-ci peuvent provoquer la sollicitation et le frottement entre les surfaces articulaires ce qui augmente le risque de la coxarthrose. Face à ces troubles causant les douleurs et le mal-fonctionnement de la hanche, le patient peut faire l’objet d’une consultation orthopédique chez un clinicien pour évaluer l’état de sa hanche. Généralement, le clinicien commencera par des tests biomécaniques, notamment l’analyse de la posture et de la marche, afin de cibler et connaitre la source des douleurs. En plus de ces tests, le clinicien peut avoir recourt aux techniques d’imagerie médicale.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 CONTEXTE CLINIQUE ET TECHNIQUE
1.1 Introduction
1.2 Anatomie descriptive de l’articulation de la hanche
1.2.1 Bassin osseux
1.2.2 Fémur
1.2.3 Articulation de la hanche
1.3 Coxarthrose et autres anomalies de la hanche
1.4 Imagerie médicale de la hanche
1.4.1 Imagerie médicale bidimensionnelle : la radiographie conventionnelle
1.4.2 Imagerie médicale 2D/3D: Radiographie biplane par le système EOS ®
1.5 Reconstruction 3D à partir de radiographies biplanes
1.5.1 Détection de la structure d’intérêt
1.5.2 Génération du modèle initial
1.5.3 Déformation du modèle initial
1.5.4 Objectif général du mémoire
1.6 Revue de la littérature sur les méthodes de segmentation de la région de la hanche à partir d’images à rayons X
1.6.1 Dimensionnalité 2D
1.6.1.1 Méthodes classiques
1.6.1.2 Méthodes basées sur les modèles 2D
1.6.2 Dimensionnalité 2D/3D
1.6.2.1 Méthodes utilisant un modèle générique 3D
1.6.2.2 Méthodes utilisant un modèle statistique 3D
1.6.3 Prétraitement d’images
1.6.3.1 Égalisation d’histogramme
1.6.3.2 Détecteurs d’arêtes
1.6.3.3 Filtres à double effet : lissage et rehaussement d’arêtes
1.6.4 Conclusion
1.7 Revue de la littérature sur les méthodes de segmentation multi-structures
1.8 Conclusion
CHAPITRE 2 PROBLÉMATIQUE, OBJECTIFS ET HYPOTHÈSES
2.1 Problématique et objectifs
2.2 Hypothèses
CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIE
3.1 Introduction
3.2 Méthodologie de segmentation
3.2.1 Initialisation dans IdefX : détection de la tête fémorale
3.2.2 Configuration des paramètres de la segmentation
3.2.3 Prétraitement de l’image originale
3.2.4 Méthode de segmentation multi-structures
3.2.4.1 Création de l’image redressée
3.2.4.2 Filtrage de l’image redressée
3.2.4.3 Détection d’arêtes sur l’image redressée filtrée
3.2.4.4 Construction d’un volume 3D
3.2.4.5 Recherche d’un chemin minimal 3D
3.2.4.6 Récupération des chemins détectés
3.3 Méthodologie de validation
3.3.1 Études de validation
3.3.2 Méthode de calcul des erreurs entre les contours
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 RÉSULTATS ET DISCUSSION
4.1 Introduction
4.2 Base de données
4.3 Résultats qualitatifs
4.4 Résultats de l’étude de validation et discussions
4.4.1 Résultats de l’étude intra-opérateur
4.4.2 Résultats de l’étude inter-opérateurs
4.4.3 Discussion sur la répétabilité
4.4.4 Résultats de l’étude de précision
4.4.5 Discussion sur la précision
4.4.6 Temps de traitement
4.5 Discussion de la méthodologie
4.5.1 Prétraitement
4.5.2 Choix de l’offset
4.5.3 Chemin minimal 3D
4.5.4 Artéfacts
4.6 Discussion générale et contribution à la recherche
4.7 Conclusion
CHAPITRE 5 RECOMMANDATIONS ET TRAVAUX FUTURS
CONCLUSION GÉNÉRALE
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