Analyse des IRM

2.3.1 Mesure de l’interligne articulaire

La mesure de l’interligne articulaire constitue la quantification de l’espace séparant l’os tibial

de l’os fémoral. Cette distance, regroupant les épaisseurs des 2 surfaces cartilagineuses en

présence, représente l’examen de référence en radiologie dans le contexte des arthropathies.

Ainsi, nous avons développé une interface graphique (figure 16) au sein de l’environnement

de programmation Matlab (Mathworks Inc, Natick, Massachusetts) qui permet à l’utilisateur

de réaliser cette mesure d’interligne. Pour ce faire, les piles d’IRM 3D ont été reformatées

dans le plan frontal afin de choisir les deux coupes sagittales correspondant au milieu des

deux zones portantes de l’articulation fémoro-tibiale. Sur chacune de ces deux coupes,

l’utilisateur mesure ensuite l’interligne articulaire en traçant une ligne reliant les interfaces

cartilage / os sous-chondral des versants fémoral et tibial. La taille de cette ligne est ensuite

multipliée par la dimension isotropique du pixel afin d’obtenir la mesure réelle de l’interligne

articulaire, représentant de ce fait l’épaisseur cumulée des cartilages fémoral et tibial en zones

portantes.

Figure 16. Capture d’écran de l’interface développée grâce à l’environnement de programmation MATLAB®. Les

IRM 3D sont reformatées dans les plans axial et frontal afin de permettre la sélection des deux coupes sagittales originales passant par le milieu des zones portantes médiale et latérale du genou. Sur chacune de ces deux coupes, l’interligne articulaire est alors mesuré en traçant une ligne reliant les interfaces cartilage / os sous-chondral des compartiments fémoral et tibial.

Source : Goebel JC et coll., interface graphique développée en interne dans l’environnement MATLAB®.

2.3.2 Segmentation et calcul du volume cartilagineux fémoro-tibial

Les piles d’images recueillies après reconstruction des données IRM nous permettent de

déterminer les volumes du cartilage articulaire correspondant aux compartiments fémoral

(intégralité du condyle) et tibiaux (plateaux médial et latéral). Pour ce faire, nous utilisons un

écran tactile de taille 1280 x 1024 pixels (Interactive Pen Display PL-720, Wacom Europe

GmbH, Allemagne) [McWalter et coll., 2005]. L’utilisateur segmente le cartilage articulaire en

traçant directement, à l’aide d’un stylet dédié, les contours de chaque compartiment sur la

surface de l’écran tactile. L’emploi du couple stylet / écran permet un tracé manuel plus

naturel et plus rigoureux des contours cartilagineux, induisant ainsi une plus grande fiabilité

de la segmentation. Ces étapes de tracé manuel ainsi que de traitements d’image consécutifs

sont réalisées au sein du logiciel AMIRA (Amira 4.1, Mercury Computer Systems SAS,

France) réputé pour son ergonomie et sa facilité d’utilisation. Ainsi, nous avons segmenté le

cartilage articulaire sur chacune des coupes IRM où les bordures du cartilage sont

identifiables de manière non-équivoque. Les coupes médiales et latérales extrêmes du genou

ont ainsi été volontairement omises de la procédure de segmentation puisqu’elles sont le siège

d’effets de volume partiel pouvant biaiser la quantification volumique du cartilage. Chaque

zone segmentée est ensuite assignée au compartiment cartilagineux correspondant en utilisant

un étiquetage (label en anglais) codé selon une échelle de couleur.

La procédure de segmentation de l’ensemble des 52 genoux a été réalisée après une période

de familiarisation et d’entraînement à la technique, et en aveugle vis-à-vis des identifiants des

animaux. Le temps mis pour segmenter manuellement l’ensemble des coupes comprenant

effectivement des zones de cartilage articulaire était de 4 à 5 heures par genou. Lors de nos

précédents travaux [Goebel et coll., in press], nous avions montré une erreur de précision

inter-utilisateur de l’ordre de 6 à 9 %, alors que les données intra-inter-utilisateur variaient de 2 à 3 %

selon les compartiments cartilagineux considérés. Ces dernières valeurs sont comparables à

celles retrouvées dans des études volumétriques du cartilage articulaire chez l’Homme

[Eckstein et coll., 2006c], et sont le gage d’une certaine rigueur de nos mesures.

A partir des masques de segmentation, une procédure d’intégration est lancée afin de

comptabiliser chaque voxel labellisé, et délivrant ainsi le volume des trois compartiments

cartilagineux en multipliant le nombre de voxels par leur taille réelle. Une visualisation

tridimensionnelle est également possible grâce aux outils de rendu volumique du logiciel

AMIRA (figure 14.C de l’étude précédente).

Enfin, de manière à limiter les modifications volumétriques liées à l’augmentation de la taille

des animaux, nous déterminons le volume normalisé du cartilage articulaire en divisant le

volume du cartilage par l’aire de la surface osseuse [Ding et coll., 2008a; Hunter et coll., 2008].

Celle-ci a été mesurée en reformatant les IRM dans le plan axial et en segmentant la zone

osseuse du tibia (section diaphysaire) située juste au dessus du cartilage de conjugaison.

2.3.3 Calcul des épaisseurs moyennes du cartilage en zones portantes

Après l’étape de segmentation, les masques labellisés nous ont également servi pour le calcul

des épaisseurs moyennes du cartilage articulaire en zones portantes.

Dans cette optique, nous avons développé un outil dans l’environnement de programmation

Matlab® qui permet de générer, dans un premier temps, la carte des distance euclidiennes des

masques de segmentation [Stammberger et coll., 1999a]. La carte des distances euclidiennes est

une opération numérique appliquée sur une image binaire (masque) : pour chaque pixel

appartenant à un objet (le cartilage segmenté dans notre cas), la transformée des distances lui

attribue une valeur numérique qui correspond à la distance du pixel considéré au pixel le plus

proche n’appartenant pas à l’objet (fond du masque binaire). Dans un second temps, nous

procédons à l’extraction du squelette de chaque objet du masque et réalisons alors la fusion de

la carte des distances avec le squelette correspondant [Danielsson, 1980; Loncaric, 1998]. Cette

opération a pour conséquence de ne conserver que les maxima locaux de la carte des

distances, c’est-à-dire les épaisseurs maximales du cartilage articulaire en zones portantes.

Ces valeurs obtenues sont finalement moyennées afin de délivrer une épaisseur moyenne des

cartilages fémoraux et tibiaux, en zones portantes médiale et latérales (figure 17).

De la même manière, ces étapes ont été réalisées sur les masques issus de la segmentation du

cartilage articulaire sur les coupes histologiques (cf. paragraphe suivant), afin de pouvoir

confronter les épaisseurs moyennes relevées par IRM et en histologie. L’histologie faisant

office de technique de référence, elle nous sert à valider les potentialités de l’IRM quant à la

métrologie du cartilage articulaire au décours du processus de vieillissement chez le rat.

A. B. C. D.

Figure 17. Processus de traitement d’image destiné à extraire les épaisseurs maximales du cartilage articulaire

fémoral et tibial. A. Lame histologique sagittale de l’articulation fémoro-tibiale en zone portante (coloration HES). B. Masque binaire obtenu après segmentation des cartilages fémoral et tibial. C. Carte des distances euclidiennes réalisée à partir du masque binaire. D. Extraction des épaisseurs maximales du cartilage par fusion de la carte des distances avec le squelette du masque binaire.

Source : Goebel JC et coll., traitement d’image développé en interne dans l’environnement MATLAB®.