Modèle géométrique

Le positionnement des données scannées est fait en deux étapes, à travers une méthode pas-à-pas. Tout d’abord, la géométrie extérieure issue du scanner laser est repositionnée sur le modèle complet du thorax afin de distinguer le marquage des tronçons sur le thorax CT. Chaque tronçon µCT est ensuite positionné sur le modèle global marqué. La reconstruction et le repositionnement sont des étapes clés dans l'élaboration d'un modèle 3D car elles affectent la géométrie interne et de ce fait la précision du modèle EF. Le travail qui suit explique la procédure de repositionnement pour chaque échelle d'acquisition (fig. 3.2).

fig. 3.2 Illustration des 3 échelles de reconstruction – a) thorax issu CT-Scan, b) 5ème côte modélisée d’après le scan laser, c) 6ème échantillons µCT de la même côte.

Les coordonnées de référence pour l’ensemble des données µCT sont définies par l’intermédiaire du logiciel RAPIDFORM et basées sur le thorax issu de l’imagerie médicale et de l’analyse globale (chapitre 2). Toutes les données géométriques (laser et µCT) seront repositionnées sur ce repère. L'acquisition du scanner laser génère, de façon automatique, un modèle géométrique au format STL. Ce fichier constitué de points et de facettes est importé dans le logiciel Rapidform et repositionné correctement par comparaison avec le modèle 3D d'imagerie médicale. Le repositionnement est basé sur une boucle d'optimisation où la fonction cible consiste à réduire l'écart entre les parois extérieures des 2 modèles. À la fin de cette opération de fusion, le marquage des tronçons µCT est visible sur le modèle du thorax entier. Ces bords sont ensuite utilisés pour repositionner avec précision les données provenant de l’acquisition µCT.

Le traitement des données issues de l’imagerie µCT demande un travail plus conséquent. Les coupes caractérisant les tronçons sont reconstruites sous le logiciel Mimics (Matérialise). Avant d’importer les coupes µCT, des travaux préliminaires sont nécessaires afin de différencier l'os cortical du trabéculaire. Cette étude a pour but d’alléger les données utiles à cette caractérisation des épaisseurs d’os cortical. Les tronçons sont définis à partir d’un ensemble d'images en niveaux de gris. Chaque coupe est transformée en une image binaire en appliquant un seuil fixe, choisi afin d'assurer une description réaliste de l’os cortical, de ses microporosités et de l’os trabéculaire. Cette étape de segmentation est cruciale car elle agit fortement sur l’analyse des épaisseurs d’os cortical. Une attention particulière est apportée à cette sélection dépendant de l’opérateur. La résolution choisie de 20.84 µm nous permet de quantifier facilement le bon seuillage de manière visuelle en se concentrant sur les contours du coupon et les travées de l’os trabéculaire. Le traitement de l'image s'effectue sous le logiciel CTAnalyser, de SKYSCAN. L'avantage de ce logiciel est la possibilité de choisir et de construire des régions d'intérêt sur un ensemble d’images. Cette fonctionnalité est particulièrement intéressante pour la définition d’une zone limite entre cortical et trabéculaire. La sélection s’effectue grossièrement afin de supprimer 90% de l’os trabéculaire. La limite entre os cortical et trabéculaire n’est donc pas encore définie à ce stade. Quelques imperfections au bord de cette limite interne sont laissées volontairement pour ne pas rogner l’os cortical sur les images. La définition de cette limite se fera directement sur le modèle 3D lors de la prochaine étape (CAO). La fig. 3.3 illustre les deux modèles 3D du même échantillon avec (2 563 592 faces) et sans prise en compte des travées (486 610 faces).

fig. 3.3 Illustration de la fusion des échantillons µCT – a) reconstruction avec les trabécules, b) modèle avec uniquement du cortical et c) repositionnement des 8 échantillons de la 5ème

côte du sujet #605.

Afin d'illustrer ce protocole, les 8 échantillons 3D de la 5ème côte du sujet #605 sont choisis pour cette étape de repositionnement et sont placés sur la reconstruction issue du balayage laser de cette même côte et sur la reconstruction CT (fig. 3.3c). La forme et la courbure des côtes sont aussi représentées avec exactitude grâce à ce protocole. Le couplage de ces techniques permet de localiser chaque information avec précision. Nous disposons d’un modèle géométrique ayant les avantages du µCT-scan (Précision de 20.84 µm, distinction cortical et trabéculaire, précision de la forme extérieure des côtes) et ceux de l’imagerie médicale (globalité du thorax, courbure des côtes, orientation des côtes, rotation de la section).

Malgré le temps de calcul nécessaire, la pertinence de l'utilisation d’images à haute résolution peut être facilement évaluée lors de la comparaison entre l’imagerie médicale à une résolution de 800 µm et la haute résolution du µCT à 20 µm. Les 2 techniques sont présentées (fig. 3.4) sur la même zone anatomique grâce à ce protocole de fusion. La surface extérieure de la côte est correctement définie par les deux techniques. La surface de l'échantillon µCT est moins lisse en raison d’une plus haute résolution et le fait que l’échantillon soit isolé contrairement au scan global comprenant l’environnement des côtes (tissus mous). La grande différence réside dans la détection des contours entre os trabéculaire et cortical (limite interne). Le CT-scan surestime l’épaisseur de cortical. L'épaisseur moyenne de l'os cortical de côte étant comparable à la précision de l’imagerie médicale (0.8 mm), un ou deux voxels suffisent à créer une erreur lors de la représentation des variations locales de ce paramètre. A titre d’exemple, la différence entre une aire d’os cortical mesurée sur une même section par µCT ou par CT s’élève à plus de 45%.

fig. 3.4 Comparaison de reconstruction 3D entre µCT-scan et CT-Scan a) Reconstruction du tronçon à 50% de la 5ème côte, b) équivalence sur l’imagerie médicale.

Ce protocole d'acquisition et de reconstruction appliqué à une côte prend une semaine de travail pour une dizaine d’échantillons, entre les étapes de scan 3D et la génération d'un modèle STL. Ce type de modèle, même simplifié, est encore lourd à gérer numériquement pour générer une modélisation EF. Un post-traitement adapté est alors nécessaire afin de le transformer en modèle géométrique CAO, permettant d’effectuer une analyse géométrique.