Traitement des images acquises dans le cadre du projet Modatos

I.Introduction

L’ostéoporose a été définie, après une conférence de consensus tenue en 1993, comme une maladie caractérisée par une faible masse osseuse et par une détérioration de la micro architecture du tissu osseux. Elle conduit à une fragilité osseuse accentuée et à une augmentation conséquente du risque de fractures. La mesure de la densité minérale osseuse (DMO) par DEXA (Dual X-Ray Absorptiometry) donne une évaluation satisfaisante du risque de fracture, et permet de diagnostiquer 70% des cas d’ostéoporose. Cependant, la caractérisation de la micro-architecture trabéculaire, qui est déterminante en terme de résistance mécanique, ne peut pas couramment être obtenue de manière non-invasive et nécessite d’effectuer l’analyse morphométrique de biopsies osseuses.

La radiographique osseuse est une technique d’imagerie médicale peu invasive, qui réduit la structure tridimensionnelle de l’os à une image bidimensionnelle. Les radiographies conventionnelles ne permettent de mettre en évidence que les complications d’une ostéoporose, telles des fractures ou des déformations de vertèbres. Toutefois, des radiographies haute résolution peuvent permettre d’observer la trame osseuse sous la forme d’une « texture ». Différentes équipes ont proposé d’utiliser des méthodes d’analyse de texture sur ces radiographies afin d’extraire des informations sur la microarchitecture osseuse [¹] [²] [³].
L'analyse de texture consiste à extraire des paramètres caractéristiques de l’arrangement des motifs plus ou moins réguliers qui constituent l’image et peut être abordée par différentes approches, typiquement structurelles ou statistiques.
L’utilisation de techniques « structurelles » consiste généralement à extraire des paramètres du squelette de l’image radiographique segmentée [⁴] [⁵] [⁶]. Le squelette qui consiste à réduire toutes les structures à une ligne médiane d’épaisseur d’un pixel, peut être vu comme une représentation simplifiée de l’image, et utilisé pour calculer des attributs tels que la longueur du squelette, le nombre de nœuds (embranchements), nombre d’extrémités, ainsi que des paramètres d'anisotropie. Ces méthodes ont l’inconvénient de nécessiter une étape de segmentation qui peut être délicate en fonction de la qualité de l’image.
Contrairement à ces méthodes, les techniques statistiques au sens large peuvent être utilisées directement sur l'image à niveaux de gris. Parmi celles-ci, les techniques d’analyse fractales ont reçu une attention particulière [Error: Reference source not found] [Error: Reference source not found] [⁷] [⁸] [⁹]. Une méthode d’estimation de la dimension fractale sous différentes orientations par un estimateur de maximum de vraisemblance, a permis de discriminer des populations de patients ostéoporotiques et sains [¹⁰]. Dans une autre étude, la dimension fractale mesurée sur des radiographies de vertèbres s’est révélée supérieure à la DMO pour classer des patients présentant une fracture [¹¹]. Des méthodes d’analyse fréquentielle ont aussi été proposées par quelques groupes afin d’extraire des attributs reliés aux périodicités et orientations dans l'image [¹²], ou des moments de la densité spectrale [¹³] [Error: Reference source not found]. Dans différents travaux les résultats de l’analyse de texture par des méthodes fractales ou fréquentielles ont été comparés ou corrélés à d’autres paramètres de l’architecture osseuses tels que la DMO ou des mesures de résistance mécanique osseuse [Error: Reference source not found] [¹⁴] [¹⁵] [¹⁶] [¹⁷] [¹⁸]. Enfin, quelques auteurs ont proposé l’utilisation de paramètres dérivés des matrices de co-occurence ou de longueur de plages [¹⁹] [²⁰] et/ou d’opérateurs morphologiques [²¹].

Malgré ces différents travaux, la question de savoir quels sont les paramètres de texture les plus représentatifs de la micro-architecture et quelle information 3D ils reflètent est toujours ouverte. D’autre part, le peu de travaux portant sur les relations entre paramètres mesurés sur radiographie et paramètres tridimensionnels restent partiels [²²] [²³]. Dans [Error: Reference source not found], une étude a été réalisée à partir d’une image 3D d’un échantillon de calcanéum acquise en microtomographie synchrotron à une résolution de 33µm et traitée par des opérateurs morphologiques de manière à générer un jeu de quinze images de caractéristiques différentes. L’anisotropie 3D de ces images a été mise en relation avec l’anisotropie 2D mesurée sur les projections de la structure après binarisation. Dans [Error: Reference source not found], la dimension fractale sur la projection a été reliée à la porosité et à la connectivité d’images 3D d’échantillons osseux acquises en IRM. De même que dans le travail précédent, des images virtuelles ont été obtenues par des opérations morphologiques appliquées aux images 3D d’origine. Un travail récent présenté oralement à la dernière conférence ASBMR, a également montré des relations entre paramètres 3D mesurés sur échantillons osseux acquis en microtomographie 3D et paramètres 2D mesurés sur le squelette des radiographies après binarisation. Toutefois ce travail pose la question de l’influence de la segmentation sur les paramètres mesurés.

Les applications cliniques de ces méthodes ont été effectuées sur des radiographies numérisées, et certains auteurs ont soulevé le problème de l’influence des conditions d'acquisition car les paramètres mesurés peuvent en être fortement dépendants [Error: Reference source not found] [Error: Reference source not found] [²⁴]. Malgré ces travaux, l’optimisation des conditions d’acquisition des images radiographiques en vue de cette analyse est encore un problème ouvert.

II.Objectifs

L’objectif du projet était d’étudier si les paramètres de texture radiographique permettaient d’obtenir une information sur la micro-architecture osseuse, et de définir les conditions optimales d’acquisition de ces radiographies. Si les conclusions étaient positives, il était envisagé d’implanter ce type d’acquisition sur nouvelle génération de densitomètres LEXXOS de la société DMS.

Pour mener à bien cette étude, nous avons proposé d’acquérir des images 3D sur une série d’échantillons représentatifs des structures osseuses à étudier, afin d’avoir un moyen objectif de caractériser l’architecture 3D, puis de faire une étude d’analyse de texture sur radiographies à la fois simulées et physiques.
Les différentes étapes du projet décrites dans les paragraphes suivants incluent donc, une première partie d’acquisition et de caractérisation de la micro-architecture 3D, une seconde partie dédiées à la simulation de radiographies à partir de ces images 3D, une étude d’analyse de textures sur données simulées, puis les premières applications de ces techniques à des radiographies physiques. Nous avons cherché à optimiser chaque étape du projet afin d’introduire le moins de biais possibles dans l’étude. Afin d’avoir la meilleure qualité d’image possible pour la caractérisation 3D, nous avons utilisé une technique de microtomographie 3D par rayonnement synchrotron développée à l’ESRF de Grenoble. Des méthodes de quantification 3D sans hypothèses a priori ont ensuite été utilisées pour l’extraction de paramètres d’architecture 3D. Une technique sophistiquée a été mise en œuvre pour la simulation des radiographies à partir des images numériques 3D. Enfin, un large de spectre de méthodes d’analyse de texture a été balayé. Une étude de la corrélation des paramètres de texture a permis de regrouper ceux fournissant la même information quant à la micro-architecture osseuse.