Soutenance mémoire
Imagerie par Résonnance Magnétique (IRM)
Principe général
L‟IRM est fondée sur les principes de la résonance magnétique nucléaire, et permet d‟observer les tissus biologiques à travers leurs propriétés magnétiques (Figure 17). Elle repose sur les propriétés des atomes ayant un nombre impair de protons. Ces atomes ont la particularité de tourner sur eux-mêmes (« spin ») créant ainsi un champ magnétique dipolaire. Ils deviennent alors assimilables à des aimants. En l‟absence de tout champ magnétique, les protons s‟orientent aléatoirement. Pour obtenir une image IRM, c‟est sur les variations de signaux émis par ces aimants que l‟on va s‟appuyer. Les principales étapes d‟une séquence d‟acquisition IRM sont définies ci-dessous :
● Un puissant champ magnétique permet d‟aligner tous les protons dans la même direction.
● Une brève impulsion fait entrer les protons en résonnance, modifiant ainsi leur caractéristiques magnétiques.
● Une antenne réceptrice permet de mesurer le temps de relaxation (ou retour à l‟équilibre) des protons.
Les valeurs des temps de relaxation permettent de caractériser la substance excitée et donc de recréer l‟image associée. Comme pour le scanner, les images IRM se présentent comme un empilement de coupes 2D, permettant de former des données volumiques.
Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
Comme pour le scanner, les images IRM permettent d‟obtenir des informations volumiques détaillées sur la structure interne des objets, qu‟il s‟agisse des structures osseuses ou des tissus mous. De plus, cette technologie, basée sur la résonance magnétique, est totalement non irradiante.
Cependant, l‟IRM présente certaines limites concernant l‟analyse des troubles de la posture rachidienne. En effet, dans la plupart des systèmes d‟acquisition IRM, les patients doivent se trouver en position couchée, ce qui engendre les mêmes biais que le scanner sur l‟analyse clinique des courbures rachidiennes. Toutefois, certains systèmes d‟acquisition dits « IRM ouverts » permettent de réaliser des acquisitions en posture debout ou assis, levant ainsi cette problématique. Ces systèmes sont cependant peu répandus et leur exploitation est coûteuse. Par ailleurs, en raison des problèmes d‟artefacts, tous les patients instrumentés (prothèses, implants métalliques) ou possédant un pacemaker ne peuvent subir d‟acquisition IRM. D‟autre part, tous les tissus (osseux, tissus mous) sont visibles sur les IRM, à différents niveaux de gris, avec un contraste moins important entre les os et les tissus mous qu‟en radiologie. Or généralement, pour l‟analyse globale de la posture rachidienne, seule l‟analyse des structures osseuses est nécessaire. Ainsi, notamment pour des raisons de coût très important de l‟IRM, cette technique reste principalement dédiée à l‟analyse des tissus mous. L‟IRM est toutefois utilisée pour obtenir des informations 3D précises, par exemple pour quantifier précisément la rotation axiale des vertèbres ou en préopératoire, pour déterminer la géométrie des vertèbres et en particulier des pédicules.
Outils de « mesure directe » des paramètres externes
Principe général
Dans ce chapitre sont présentés quelques outils permettant d‟évaluer par mesure directe des paramètres liés à la morphologie du tronc. Les trois outils principalement utilisés sont le fil à plomb, la règle et le scoliomètre. Le fil à plomb et la règle permettent de mesurer les déviations frontales ainsi que les flèches . Le scoliomètre sert à mesurer les gibbosités ; il s‟apparente à un niveau gradué .
Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
L‟avantage de ces outils est qu‟ils sont très maniables et peu coûteux, et permettent d‟accéder aux principaux paramètres d‟évaluation des déviations rachidiennes . C‟est pourquoi tous les médecins réalisant des mesures externes pour l‟évaluation des troubles de la posture possèdent ces outils de base.
La principale limite de ces outils est la faible précision et le caractère opérateur dépendant des mesures réalisées, en particulier concernant les mesures à la règle et au fil à plomb.
Acquisitions optiques de la surface du dos (franges de Moiré, lumière structurée…)
Principe général
Le principe du Moiré d‟ombre, qui était la première méthode permettant de visualiser le relief du dos, est le suivant : L‟ombre d‟un réseau de traits (grille) est projetée sur la surface d‟un objet par une source ponctuelle. Lorsqu‟un observateur, décalé par rapport à la source lumineuse, regarde l‟objet à travers la grille, la superposition de la grille et de son ombre fait apparaitre des lignes de niveaux. Le relief est alors directement visible sur le dos du patient ; une photo de cette image peut être prise afin de calculer des paramètres . Le principe général des autres méthodes est de projeter un ou des patrons d‟images spécifiques sur le dos du patient, d‟enregistrer l‟image du patron déformé par la surface du dos à l‟aide d‟une caméra dont le positionnement par rapport au projecteur est connu, puis d‟interpréter l‟image recueillie par la caméra à l‟aide d‟un algorithme pour déduire le relief de celui-ci.
Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
L‟avantage de ces méthodes est qu‟elles permettent d‟accéder potentiellement à tous les paramètres 3D de la surface du dos décrits au § 2.2.2. En réalité, les dispositifs possèdent un logiciel d‟exploitation permettant d‟accéder à des paramètres prédéfinis de la surface du dos. Le clinicien aura donc accès aux paramètres accessibles sur le logiciel utilisé. Ainsi, ces outils permettent de mesurer de manière quantitative et objective des paramètres autrement inaccessibles, et ne sont pas opérateur-dépendants. Cela en fait des outils pertinents, en particulier pour le suivi de patients souffrant de troubles de la posture. De plus, ces dernières années, les temps de réalisation d‟examens à l‟aide de ces outils ont considérablement diminué, permettant d‟accéder aux données en 1 à 2 minutes à partir de l‟acquisition, rendant ces dispositifs utilisables en routine clinique.
Toutefois, ces dispositifs restent assez coûteux, en particulier comparés aux outils classiques (fil à plomb, règle, scoliomètre), ce qui fait qu‟encore peu de médecins en sont équipés.
Acquisitions de la surface du tronc complet
Principe général
Deux techniques sont principalement utilisées pour réaliser des acquisitions 3D du tronc complet. La première méthode consiste à réaliser plusieurs acquisitions optiques et à les recaler entre elles. Pour cela, soit plusieurs systèmes d‟acquisition sont utilisés et calibrés entre eux , soit des repères sont placés sur le patient et un recalage les faisant coïncider permet d‟assembler les surfaces. La deuxième méthode utilise une « douchette » laser que l‟utilisateur fait passer devant la surface du tronc pour scanner celle-ci .
Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
L‟avantage de ces acquisitions est qu‟elles permettent d‟avoir accès à quelques paramètres 3D du tronc complet, en particulier des coupes transverses. Cependant, les seuls dispositifs permettant de scanner le tronc complet commercialisés à ce jour ont tous comme application la fabrication de corsets : la forme acquise sert de positif à l‟orthoprothésiste qui vient ensuite le modifier sur un logiciel afin d‟apporter les corrections souhaitées. Le résultat est ensuite envoyé en fabrication afin de servir de moule positif au corset. Ainsi, ces systèmes ne sont pas encore utilisés en routine clinique dans le cadre d‟évaluation ou de suivi des troubles de la posture.
Acquisitions de mobilités / acquisitions dynamiques
Principe général
Le principe de ces méthodes est de réaliser plusieurs acquisitions (en continu ou dans plusieurs positions) de différents points anatomiques du patient afin d‟en extraire des informations. Plusieurs technologies existent.
➤ Les systèmes optoélectroniques d‟analyse du mouvement : Des marqueurs réfléchissants sont placés sur les points anatomiques à suivre du patient. Plusieurs caméras optoélectroniques sont disposées autour du patient et permettent de déterminer en temps réel la position 3D des marqueurs .
➤ Les systèmes à ultrasons : des émetteurs ultrasons sont positionnés sur les points anatomiques à suivre du patient. Plusieurs capteurs ultrasons sont placés à proximité du patient et permettent de déterminer en temps réel la position 3D des marqueurs.
➤ Détection de la ligne des épineuses à l‟aide d‟accéléromètres : Il existe des systèmes permettant d‟évaluer la configuration de la ligne des épineuses en la longeant à l‟aide d‟un appareil contenant des accéléromètres. Le clinicien peut réaliser des acquisitions avec le patient dans plusieurs postures afin d‟évaluer les mobilités .
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 BIBLIOGRAPHIE
1 ANATOMIE / PATHOLOGIES DU RACHIS
1.1 Les repères anatomiques du rachis
1.1.1 Repère de référence du corps humain en posture debout
1.1.2 Repères spécifiques du rachis
1.1.2.1 Repère local vertébral (Figure 2-a)
1.1.2.2 Repère régional (Figure 2-b)
1.1.2.3 Repère spinal (Figure 2-c)
1.1.2.4 Repère global (Figure 2-d)
1.2 Anatomie descriptive du rachis sain
1.2.1 Posture rachidienne
1.2.2 Les vertèbres
1.2.3 Les articulations intervertébrales
1.2.4 Le bassin
1.2.5 Aspects ligamentaires et musculaires
1.2.6 Aspects neurologiques
1.3 Le rachis pathologique
1.3.1 Troubles de la posture et des mobilités rachidiennes
1.3.2 La scoliose
1.3.2.1 Définition
1.3.2.2 Déformations globales
1.3.2.3 Déformations locales
1.3.2.4 Classifications 3D des scolioses
1.4 Conclusion sur la partie d’anatomie
2 ANALYSE CLINIQUE
2.1 Méthodes de mesures du rachis et du dos en posture et en mobilité
2.1.1 Radiographie conventionnelle
2.1.1.1 Principe général
2.1.1.2 Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
2.1.2 Radiographie biplane
2.1.2.1 Principe général
2.1.2.2 Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
2.1.3 Tomodensitométrie (ou scanner ou CT-scan)
2.1.3.1 Principe général
2.1.3.2 Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
2.1.4 Imagerie par Résonnance Magnétique (IRM)
2.1.4.1 Principe général
2.1.4.2 Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
2.1.5 Outils de « mesure directe » des paramètres externes
2.1.5.1 Principe général
2.1.5.2 Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
2.1.6 Acquisitions optiques de la surface du dos (franges de Moiré, lumière structurée…)
2.1.6.1 Principe général
2.1.6.2 Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
2.1.7 Acquisitions de la surface du tronc complet
2.1.7.1 Principe général
2.1.7.2 Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
2.1.8 Acquisitions de mobilités / acquisitions dynamiques
2.1.8.1 Principe général
2.1.8.2 Avantages et limites dans le cadre des troubles de la posture rachidienne
2.1.9 Conclusion sur les systèmes d’acquisition du rachis et du dos
2.2 Paramètres cliniques du rachis et du dos
2.2.1 Paramètres cliniques du rachis
2.2.1.1 Paramètres dans le plan frontal
2.2.1.2 Paramètres dans le plan sagittal
2.2.1.3 Paramètres dans le plan transversal
2.2.1.4 Paramètres 3D
2.2.2 Paramètres cliniques de la surface du dos et du tronc
2.2.2.1 Paramètres dans le plan frontal
2.2.2.2 Paramètres dans le plan sagittal
2.2.2.3 Paramètres dans le plan transversal
2.3 Relations internes – externes
2.3.1 Tableau de synthèse de la littérature
2.3.2 Points à retenir
2.3.3 Faisabilité
3 PREDICTION DE LA CONFIGURATION DU RACHIS A PARTIR DE DONNEES EXTERNES
3.1 Méthodes de reconstruction 3D du rachis à partir de données uniquement externes
3.1.1 Tableau de synthèse de la littérature
3.1.2 Points à retenir
3.1.3 Faisabilité
3.2 Modèles biomécaniques 3D du rachis et simulation de son évolution
3.2.1 Tableau de synthèse de la littérature
3.2.2 Points à retenir
3.2.3 Faisabilité
3.3 Conclusion sur les modèles de prédiction de la configuration du rachis
CHAPITRE 2 ETUDE CLINIQUE : PARAMETRES ET CORRELATIONS INTERNES / EXTERNES DU RACHIS
1 PRISE EN MAIN ET DEVELOPPEMENT D’OUTILS DE MESURE
1.1 Biomod 3S : validation
1.1.1 Principe d’acquisition et de reconstruction de Biomod 3S
1.1.2 Le marquage CE
1.1.3 Validation technique de Biomod 3S
1.1.3.1 Validation de la justesse des mesures
1.1.3.2 Validation de la précision de la reconstruction 3D Biomod 3S/E
1.1.3.3 Comparaison de la validation de la reconstruction 3D obtenue avec Biomod 3S/E par rapport aux autres reconstructions issues de la littérature
1.1.4 Conclusions sur mon rôle au niveau du produit Biomod 3S
1.2 Biomod L : développement et validation
1.2.1 Principe d’acquisition et d’exploitation de Biomod L
1.2.2 Validation de Biomod L
1.2.3 Les différentes étapes du développement de Biomod L
1.2.4 Conclusions sur mon rôle au niveau du produit Biomod L
1.3 Biomod : générations futures, projets en cours
1.3.1 Reconstruction 3D du tronc complet
1.3.2 Mobilités
1.3.3 Dynamique
2 ETUDE STATISTIQUE CHEZ UNE POPULATION SCOLIOTIQUE IDIOPATHIQUE
2.1 Méthodologie
2.1.1 Les patients
2.1.2 Les paramètres étudiés
2.1.3 L’exploitation des données
2.2 Résultats
2.2.1 Résultats principaux concernant les corrélations internes – externes
2.2.2 Détail des corrélations angles Biomod / angles de Cobb
2.2.3 Autres corrélations fortes de l’angle Biomod maximal
2.2.4 Corrélation entre les déviations latérales maximales
2.2.5 Corrélation entre l’asymétrie des triangles de taille et la déviation vertébrale latérale
2.2.6 Corrélation entre la gibbosité et la rotation axiale maximales
2.3 Discussion et conclusions sur l’étude statistique
CHAPITRE 3 DEVELOPPEMENT ET VALIDATION D’UN MODELE DE PREDICTION DE LA CONFIGURATION DU RACHIS A PARTIR DE MESURES DE LA SURFACE DU DOS
1 DEVELOPPEMENT DU MODELE
1.1 Mise en place du modèle
1.1.1 Paramètres, contraintes et équations à vérifier
1.1.1.1 Paramètres
1.1.1.2 Contraintes de corps rigides
1.1.1.3 Contraintes cinématiques
1.1.1.4 Contraintes motrices
1.1.1.5 Efforts liés aux raideurs articulaires
1.1.1.6 Autres efforts appliqués au modèle : « relations internes-externes »
1.1.1.7 Equations de la dynamique
1.1.1.8 Résumé
1.1.2 Mise en place des équations
1.1.2.1 Calcul des paramètres vertébraux Li , αi et βi
1.1.2.2 Expression des matrices de changement de base
1.1.2.3 Calcul des coordonnées nPi d’un point Pi dans le repère non orthonormé d’une vertèbre
1.1.2.4 Détermination de la rotation de la vertèbre i par rapport à la vertèbre i-1 dans le mouvement du temps t au temps t+1
1.1.2.5 Calcul des efforts généralisés
1.1.2.6 Calcul de la matrice Jacobienne des contraintes et de sa dérivée
1.1.2.7 Equations à vérifier
1.2 Résolution des équations
1.2.1 Méthode d’optimisation
1.2.1.1 Ecriture de la fonction
1.2.2 Résolution des équations de la dynamique
1.2.2.1 Méthode des multiplicateurs de Lagrange
1.2.2.2 Détermination des paramètres et des vitesses au temps t+Δt
1.2.2.3 Stabilisation des contraintes et convergence de la solution
1.2.2.4 Résumé : résolution des équations de la dynamique
1.2.3 Choix final de la méthode de résolution
2 VALIDATION DU MODELE SUR SUJETS SAINS
2.1 Les données du projet Vudegfem
2.2 Méthode
2.3 Résultats
3 APPLICATION DU MODELE SUR UN SUJET PATHOLOGIQUE
3.1 Empreinte initiale
3.2 Position finale
3.3 Recalage des données dans l’espace
3.4 Exécution du modèle
4 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES CONCERNANT LE MODELE
4.1 Le modèle réalisé
4.2 Les limites et perspectives du modèle
4.2.1 Raideurs intervertébrales
4.2.2 Masse des vertèbres
4.2.3 Approximation liaison rotule / Position du centre de rotation
4.2.4 Détermination du pas de temps Δt pour la résolution des équations
4.2.5 Choix des relations internes – externes
4.2.6 Raideurs utilisées pour les relations internes – externes
4.2.7 Application au suivi de pathologies rachidiennes
4.2.8 Prise en compte de la croissance
CONCLUSION GENERALE
