Matériels et méthodes

Définition d’un modèle géométrique filaire

Au niveau macroscopique, la géométrie globale du thorax est acquise sur l’ensemble des SHPM à l'aide d'un scanner médical. Les SHPM utilisés dans cette étude ont été congelés en position debout ce qui permet de conserver l’ensemble des tissus biologiques dans une position représentant le ‘vivant’ (effet de la gravité, bonne position des côtes, etc.) [TRO09]. Le principal avantage réside dans le fait que l’acquisition de la géométrie de ces SHPM congelés nous amène une morphologie globale typique d’un sujet debout. Cette démarche a pu être réalisée grâce à la collaboration entre le CEESAR, l’hôpital Cochin, l’ENSAM et notre laboratoire. Le tomographe utilisé pour générer les coupes DICOM (Digital Imaging and COmmunications in Medicine, norme standard pour la gestion des données issues de l’imagerie médicale) est un scanner Siemens Sensation 16 (120 kV, 155 mA) avec une matrice 512 x 512 pixels et une taille de pixel de 0.934mm. L'intervalle entre chaque coupe a été défini à 0,8 mm sans chevauchement, et la largeur de champs (Fov) s’élève à 47,80 cm. La reconstruction de l'image a été faite avec un algorithme B70f (Convolution kernel) correspondant au filtre utilisé par les radiologues pour les tissus mous. La première difficulté de cette tâche consiste à définir un protocole capable d’utiliser ces données et d’en extraire numériquement des valeurs anthropométriques. L’une des contraintes à respecter concerne le seuillage des zones d’intérêt qui doit être indépendant de l’opérateur. La méthode de reconstruction employée se compose principalement de trois opérations : la reconstruction du sujet par un modèle numérique, la sélection des zones d’intérêt et finalement la définition d’un modèle filaire permettant de réaliser les mesures morphologiques du thorax et des côtes. La première étape concerne la génération d'un modèle 3D complet du sujet grâce aux coupes DICOM (fig. 2.2). Le logiciel MIMICS est utilisé pour effectuer cette tâche de conversion des images en coupe vers un modèle de représentation 3D facilement exploitable. Le choix du modèle 3D dans ce premier travail s’oriente vers un format de données informatiques utilisé en stéréolithographie (STL). Ce format peut se résumer à un nuage de points sur lequel des facettes triangulaires sont générées. Une remarque importante pour la suite des travaux est la définition de ces facettes, caractérisées par une normale sortante (zone interne/externe) et dont le modèle complet forme une enveloppe 3D (connectivité/volume fini). La sélection désirée comprenant uniquement les tissus osseux du thorax, un seuil est appliqué sur les images en niveau de gris. Il est fixé dans notre cas d’étude à une valeur 240 correspondants à 30% sur l’échelle en Unités Hounsfield (HU). La plage de représentation des niveaux de gris est répartie entre -1024 à 3071 correspondant à 4096 valeurs. Ce seuil établi pour la sélection des données correspond au meilleur compromis pour différencier les tissus osseux des tissus mous. Un ajustement de cette valeur de 240 peut intervenir pour une meilleure sélection des tissus en fonction des paramètres d’entrée du scanner. Cette reconstruction numérique est efficace mais laisse quelques imperfections (peau, muscles...) dans le modèle STL final. Ce fichier doit être nettoyé avant de pouvoir être utilisé.

fig. 2.2 Illustration des coupes DICOM et d’une reconstruction STL (sujet #605).

La deuxième étape se focalise donc sur l'élimination des erreurs ou imperfections dans la reconstruction 3D. Le logiciel Rapidform permet de sélectionner les facettes connectées du squelette sélectionné (os cortical et trabéculaire). Ce logiciel permet par une méthode d’inondation d’éliminer facilement toutes les imperfections et le bruit issus des voxels dont le seuillage est situé à la limite de sélection. Seul le thorax est conservé sur le STL et tous les autres segments osseux (clavicules, humérus, omoplates) sont désélectionnés afin d’alléger le modèle et faciliter l’accès aux zones géométriques d’intérêt (fig. 2.3). À la fin de cette étape, on obtient un modèle sans imperfection qui peut être utilisé pour l'analyse morphologique. Rapidform sert également à positionner le modèle du thorax dans un système de coordonnées de référence. Les sujets sont orientés de la même façon afin d’harmoniser notre étude comparative entre chaque SHPM. L'opération de positionnement est basée sur la « verticalité » de la colonne vertébrale. Les SHPM étant assez vieux, leur épine dorsale n’est pas parfaitement droite. Le bassin et les cervicales sont alors utilisés avant suppression pour définir le repère vertical du thorax (axe Z).

fig. 2.3 Illustration du seuillage binaire et de la sélection de la zone d’intérêt (sujet #605).

La troisième et dernière étape consiste à importer le modèle STL dans le logiciel CATIA (logiciel de Conception Assisté par Ordinateur) ce qui nous permettra par la suite de mesurer les différents paramètres morphologiques. Afin d'éviter l'influence de l'opérateur pendant les mesures et de gérer un modèle plus léger, le thorax est tout d'abord simplifié à travers un modèle filaire, où les côtes sont représentées par des courbes 3D s’appuyant sur l’extérieur du STL. La principale difficulté consiste à trouver les repères anatomiques pertinents et facilement repérables sur l’ensemble des côtes et des

sujets (fig 2.4). Une courbe 3D a été définie dans la continuité de chaque côte. Cette ligne directrice est représentée sur la table externe et définie par environ 10 points appartenant au STL.

fig 2.4 Illustration de la définition de modèle filaire.

Pour l’ensemble de l’étude, nous définissons nos positions et dimensions de l’arrière vers l’avant. Le début de la courbe se situe sur la tête de côte et se termine au niveau de la jonction costo-chondrale (limite entre la côte et le cartilage). La principale difficulté de cette construction réside dans la définition du premier point au niveau des vertèbres (fig 2.4). En effet, au niveau de la tête de côte où ce point � est défini, la géométrie est relativement fine au regard du reste de la structure. La reconstruction STL issus des DICOM sur cette partie fine crée une zone de fusion entre la tête de côte et la vertèbre. Après ce travail de modélisation, nous avons à notre disposition 19 modèles filaires de thorax composés chacun de 24 courbes 3D.

Méthode de mesure

A partir du modèle 3D filaire du thorax construit avec le logiciel CATIA, différents paramètres peuvent être mesurés. L’étude comprend 5 paramètres, jugés pertinents d’après l’étude bibliographique

[ROB71, DAN88, MOH07]. L’analyse géométrique globale comprend la longueur de côte, l’orientation, l’encombrement par paire de côte (composé des mesures antéro-postérieures (AP) et latérale-médiane-latérales (LML)) et le volume de la cage thoracique. L’ensemble de ces paramètres est issu de chaque côte (droite et gauche) pour la totalité des SHPM. La section suivante décrit précisément chaque paramètre considéré dont la représentation 3D est illustré sur la fig. 2.5.

fig. 2.5 Représentation des paramètres mesurés sur la 5ème paire de côte (sujet #616).

- La longueur de côte (aussi appelée longueur de côte déroulée) est décrite par une courbe 3D commençant à la jonction de la colonne vertébrale (0 %) et se terminant à la jonction costo-condrale (100 %).

- L’orientation � des côtes est mesurée à partir de l’angle entre l’axe z (axial du sujet) et une droite définie par le début et la fin de la côte. Les côtes sont projetées sur le plan sagittal dans lequel l'angle d'orientation est mesuré pour chaque élévation (fig. 2.5).

- Les dimensions globales sont composées de 2 mesures ( et ��). La distance �� est définie pour chaque paire de côtes et caractérise la profondeur du thorax à un niveau précis afin de donner une idée sur son évolution. AP est mesuré en projetant chaque paire de côtes sur un plan transversal de référence. La distance LML correspondant à la dimension latérale-médiane-latérale est la largeur globale du thorax, calculée pour chaque paire de côte.

- Le volume global du thorax est obtenu par interpolation du modèle filaire des côtes. Une surface est donc générée puis fermée au niveau de la 10ème paire de côtes pour en calculer le volume total en litre (fig. 2.6). Le choix d’arrêter le calcul du volume à ce niveau du thorax a été conditionné par la dispersion observée sur les 2 paires de côtes flottantes. Ces côtes présentent le plus grand écart en termes de symétrie. Nous avons également noté une absence de la 12ème

paire sur l’un des sujets.

- La position des côtes les unes par rapport aux autres est également mesurée. Elle est repérée au niveau de la colonne thoracique par les coordonnées y et z des points correspondant aux 12 têtes de côtes. Chaque tête de côte est projetée dans le plan sagittal. L’espacement entre chaque paire de côte sera également pris en compte dans la dernière partie de ce chapitre par l’intermédiaire de la mesure défini précédemment. Cette démarche permet de générer une courbe 2D sur laquelle les mesures nommées �� et �� en chaque point sont calculées.

fig. 2.6 Illustration du volume et de la colonne thoracique d’après le modèle filaire.

Ces différents paramètres représentent des dimensions issues directement du modèle 3D. Cette base de données géométrique est traitée dans le but de caractériser les différences intra et interindividuelles de l’ensemble des SHPM.