2.2 Moyens radiologiques d’étude de l’ostéoporose
2.2.5 Le système EOS
EOS est un nouveau système de stéréoradiographie à faible dose d’irradiation résul- tant d’une collaboration entre la société EOS imaging, le laboratoire de biomécanique (LBM) de Arts et Métiers ParisTech, le laboratoire de recherche en imagerie et ortho- pédie (LIO) de l’école de technologie supérieure de Montréal, Georges Charpak, Jean Dubousset et Gabriel Kalifa (Dubousset et al., 2008, 2010). Il repose sur une double innovation : un principe de détection des rayons X et des méthodes de reconstruction 3D. Le principe de détection des rayons X par chambre à fil a valu un prix Nobel à Georges Charpak, et permet de diminuer la dose d’irradiation nécessaire pour faire une radiographie d’un facteur 8 (Deschênes et al., 2010). Le système EOS comporte deux sources de rayons X et deux détecteurs linéiques disposés horizontalement sur un bras qui peut balayer le sujet de haut en bas (figure 2.7). Il permet d’acquérir en une tren- taine de secondes une paire de radiographies de face et de profil du patient de la tête aux pieds, ce qui permet de reconstruire les structures visibles sur les deux vues en 3D.
Reconstruction 3D À partir de ces deux vues prises dans des conditions bien connues,
il est possible de reconstruire le squelette du sujet en 3D. Des méthodes ont été dévelop- pées pour le rachis (Humbert et al., 2009), la cage thoracique (Jolivet et al., 2010), les os
Figure 2.7 – Le système EOS
des membres supérieurs (Lagacé et al., 2012, Lebailly et al., 2012) et les os des membres inférieurs (Chaibi et al., 2012). Les méthodes de reconstruction sont basées sur la défor- mation d’un modèle générique paramétré de l’os considéré. Le modèle générique consiste en la surface externe de l’os, représentée sous forme de points et de triangles, tel qu’elle est notamment issue de la segmentation, de points et de paramètres géométriques. Pour reconstruire un os, l’opérateur sélectionne d’abord des repères anatomiques sur les ra- diographies de face et de profil. Le modèle générique est pré-positionné et pré-déformé dans l’environnement radiographique 3D en fonction de ces points de repère et grâce à des inférences statistiques qui permettent d’estimer certains paramètres géométriques et de combler le manque d’information disponible. Les contours de ce modèle prédéformé sont alors projetés sur les détecteurs virtuels de l’environnement radiographique, et affi- ché en superposition sur les radiographies. Ceci permet de voir si l’objet 3D projeté est en cohérence avec les images. L’opérateur peut alors déplacer des poignées présentes sur le modèle pour le déformer plus finement, toujours avec l’aide d’inférence statistiques. La déformation est effectuée et le modèle projeté en temps réel sur les radiographies, ce qui permet à l’utilisateur de faire facilement correspondre le modèle aux images. Au cours de ces opérations, des méthodes statistiques vont aider l’opérateur dans sa recons- truction, afin de diminuer le temps qu’il passe à la reconstruction, et pallier au manque d’information sur les radiographies. Un exemple de reconstruction est présenté dans la figure 2.8.
Ces méthodes de reconstruction sont applicables dès qu’on dispose de vues de face et de profil du sujet, que les deux vues sont prises dans la même position, et dans une configuration (position de la source et du récepteur dans les deux vues) connue. Ceci n’est pas facile à obtenir avec un appareil de radiographie standard, et n’est pas fait en routine clinique. EOS a été développé spécialement pour cet usage. Il effectue des radiographies simultanées de face et de profil, avec des positions des sources et des récepteurs bien connues. Il est également possible de faire une reconstruction 3D à partir
2.2. MOYENS RADIOLOGIQUES D’ÉTUDE DE L’OSTÉOPOROSE
Figure 2.8 – Exemple de reconstruction 3D du rachis à partir d’images EOS de la DXA avec un appareil équipé d’un bras en C qui peut pivoter autour du patient, comme les derniers appareils Hologic. Le patient doit rester immobile sur la table de l’appareil pendant que les deux vues sont prises.
Les méthodes de reconstruction du rachis utilisent un modèle pour chaque vertèbre, et ces modèles sont reliés entre eux par des inférences statistiques. Chaque vertèbre comporte huit poignées de déformation pour positionner et déformer le corps vertébral, et sept poignées pour positionner les différents éléments de l’arc postérieur. Une recons- truction précise du rachis lombaire et des vertèbres thoraciques basses prend environ dix minutes. Cette méthode de reconstruction a été évaluée par rapport à une segmentation à partir de la TDM. La distance moyenne point-surface entre la géométrie reconstruite par EOS et la segmentation TDM est de 1 mm (Humbert et al., 2009).
EOS en double énergie Il est possible de prendre deux radiographies EOS succes-
sives du même objet à des niveaux d’énergie de rayons X différents, en réglant la tension des sources de rayons X. Les deux images ainsi obtenues peuvent être utilisées pour calculer une image en DMO surfacique. Le principe est alors le même que pour la dé- termination de la DMO grâce à la DXA. EOS en double énergie a déjà été validé sur un fantôme de vertèbres et sur 41 vertèbres ex vivo par rapport à un appareil de DXA Hologic. La précision pour la mesure du fantôme était de 5,2 %, ce qui était inférieur à la précision du l’appareil de DXA Hologic. Les mesures de DMO des vertèbres étaient for-
tement corrélées entre les deux appareils (R2 = 0,84 ), bien que EOS donne des valeurs
20 % plus élevées (Sapin-De Brosses et al., 2008).
La prise des deux radiographies dans la même position n’était possible que pour des pièces anatomiques, à cause de la nécessité de changer l’énergie des rayons X, et de calibrer l’appareil à nouveau pour le deuxième niveau d’énergie. EOS imaging a récemment mis au point un prototype permettant de changer rapidement l’énergie des rayons X et ne nécessitant qu’une seule calibration pour les deux énergies. Ces avancées rendent possible l’utilisation de cette technique in vivo, sur des patients.
EOS a ainsi le potentiel de fournir un examen complet pour les patients à risque d’ostéoporose, pour une dose d’irradiation plus faible que des radiographies standards.
Les radiographies permettent de diagnostiquer les fractures vertébrales, et d’étudier l’état du squelette, les courbures du rachis, etc. Elles peuvent être analysées comme sur une radiographie standard, avec la possibilité de reconstruire le squelette en trois dimensions et de faire des mesures précises. La double énergie permet de faire une mesure de la DMO au cours du même examen. EOS constituerait une alternative intéressante à la radiographie standard et à la mesure de DXA. De plus, biomécaniquement, EOS a le potentiel d’estimer tous les paramètres importants pour personnaliser un modèle des vertèbres ou du fémur : il donne accès à une géométrie précise, et une estimation des propriétés mécaniques des tissus osseux grâce à la DMO. La reconstruction du sujet de la tête au pied en position debout, en charge, donne accès à des informations supplémentaires qui permettraient d’estimer l’effort exercé sur les vertèbres, et compléter ainsi un modèle d’estimation du risque de fracture.