Méthode générale

Afin d’atteindre les objectifs et de vérifier les hypothèses décrites dans la section précédente, nous proposons une méthodologie pour obtenir un modèle 3D complet du tronc d’un patient sco- liotique en fusionnant des images par résonance magnétique, de topographie de la surface ainsi que des reconstructions radiographiques de la colonne vertébrale. Un schéma décrivant la méthodologie pour le recalage intrapatient se trouve dans la figure 3.1, et un schéma décrivant la méthodologie pour le recalage interpatient se trouve dans la figure 3.2.

La méthode débute par l’acquisition des données pour des patients en attente de chirurgie (fi- gure 3.1 étape 1). Des images RM sagittales et axiales sont acquises en position couchée, et des radiographies et topographies de surface sont acquises en position debout. L’acquisition des images radiographiques et des topographies de surface se fait de routine pour les patients en attente d’une chirurgie de scoliose à l’hôpital Ste-Justine, mais un protocole d’acquisitions des images RM a été rajouté. Cette acquisition vise à couvrir les niveaux thoraciques et lombaires du tronc, tout en permettant la visualisation des tissus mous ainsi que la distinction des vertèbres de façon à créer des correspondances avec les radiographies. Des séquences axiales de 12 mm de séparation sont acquises pour chacun des patients.

Dans un premier temps, une reconstruction 3D des vertèbres est obtenue à partir des tranches sagittales d’images RM (figure 3.1 étape 2). Cette reconstruction permet l’obtention d’un modèle articulé qui tient compte de la déformation de la colonne entre les postures couchée et debout afin d’obtenir un recalage préliminaire entre les images RM et les reconstructions radiographiques des vertèbres (figure 3.1 étape 3a). Ce modèle, décrit dans l’article 1, est utilisé pour modéliser la dé- formation de la colonne vertébrale suite au changement de posture entre les deux acquisitions. Le recalage des vertèbres thoraciques ainsi que lombaires est validé en calculant l’erreur cible (target registration error) entre des points de repère extraits à partir des corps vertébraux ainsi qu’en calcu- lant la différence dans l’angle de Cobb entre les radiographies et les images RM recalées. De plus, l’évaluation de la posture est effectuée en comparant les angles de Cobb thoraciques et lombaires des postures debout et couchée. Un modèle moyen de la colonne vertébrale a été déduit à l’aide du

modèle articulé, et une visualisation tridimensionnelle confirme les résultats de comparaisons de la courbure des parties thoracique et lombaire de la colonne dans la position couchée comparative- ment à la position debout. Une validation additionelle de la méthode de recalage présentée ici se trouve dans l’annexe A. Cette validation évalue l’alignement de toutes les vertèbres avant et après recalage, ceci en calculant le produit scalaire des normales des vertèbres.

Dans un deuxième temps, un recalage entre les images RM, RX et TP du tronc complet est effectué afin de construire un modèle géométrique complet du tronc d’un patient scoliotique. Tout d’abord, un recalage non-rigide à l’aide de splines plaque-minces entre les images TP et RX est guidé par des repères placés sur la surface du patient (figure 3.1 étape 3b). Une déformation non- rigide incorporant une contrainte de rigidité pour les vertèbres est ensuite appliquée aux images RM en tenant compte de la forme de la topographie de surface (figure 3.1 étapes 4 et 5). Cette méthode est décrite dans l’article 2. La qualité du recalage entre les images RM et TP est quantifiée avec l’indice DICE, qui mesure le niveau de chevauchement entre les tranches d’images RM et l’espace délimité par l’image TP. Cet indice varie entre 0 (aucun chevauchement) et 1 (chevauchement parfait). Le déterminant du Jacobien de la déformation suite au recalage est calculé afin de vérifier la continuité de la transformation.

Dans un troisième temps, le modèle géométrique d’un nouveau patient test est complété en incorporant les images RM d’un modèle générique. Le modèle générique est construit à l’aide de la méthode de recalage intra-patient. Celui-ci incorpore les images RM, RX et TP recalées du tronc complet. Un modèle personnalisé partiel est d’abord obtenu en recalant les images TP et les images RX du nouveau patient à l’aide d’une spline plaque-mince, donc la même méthode que dans le cas du recalage intra-patient (figure 3.2 étape 4a). Ensuite, les images RM faisant partie du modèle générique sont incorporées au modèle personnalisé partiel du patient à l’aide d’un recalage inter- patient entre les images RM du modèle générique et les images RX et TP du patient test (figure 3.2 étapes 4b et 5). L’indice DICE est aussi utilisé afin de mesurer le chevauchement entre les images RM obtenues suite au recalage inter-patient et les images TP du patient test. De plus, le chevauchement entre les images RM du modèle générique obtenues suite au recalage inter-patient et les images RM du patient test obtenues suite au recalage intra-patient est calculé.

Figure 3.1 Schéma qui décrit les étapes nécessaires pour le recalage intra-patient de la surface du tronc, des structures osseuses et des tissus mous.

Figure 3.2 Schéma qui décrit les étapes nécessaires pour le recalage inter-patient de la surface du tronc, des structures osseuses et des tissus mous. Les étapes en gris sont nécessaires pour le modèle générique, et les étapes en blanc sont nécessaires pour compléter le modèle personnalisé.

CHAPITRE 4 : Article : 3D registration of MR and X-ray spine images using an Articulated