Traitement des images acquises dans le cadre du projet Modatos

VI.Discussion

Le projet a permis d’acquérir une base de données d’images tomographiques 3D haute résolution (15µm) sur 33 échantillons osseux de calcanéum et fémur, représentant 180 Gigaoctets de données. La mise en œuvre de méthodes de reconstruction d’images et de divers pré-traitements a permis de reconstituer les images 3D des échantillons de corticale à corticale. L’analyse de la micro-architecture osseuse de ces échantillons a fourni un jeu de dix principaux paramètres 3D quantitatifs pour chaque échantillon. Les paramètres obtenus variant dans une plage assez large permettent de penser que la population est représentative. Les paramètres morphométriques obtenus sur les calcanéums et les fémurs sont du même ordre de grandeur que ceux obtenus dans des études antérieures à des résolutions proches [³⁸] [Error: Reference source not found].

Un logiciel de simulation a été adapté au projet, et a permis de simuler les radiographies de ces échantillons dans différentes conditions. Contrairement aux deux autres travaux de la littérature menés sur le sujet [Error: Reference source not found] [Error: Reference source not found], la simulation des radiographies, n’a pas été effectuée par simple sommation des images 3D mais en utilisant un logiciel plus sophistiqué basé sur une méthode de Monte-Carlo, permettant de choisir finement les conditions d’acquisition au niveau de la source et du détecteur. Les simulations des radiographies à une résolution de 50µm avec un spectre basse énergie pour diverses orientations de la source de rayons X ont produit 375 images pour la première série, et 250 images pour la seconde série.
Ces radiographies simulées ont été étudiées par analyse de texture de manière à dégager un jeu de paramètres texturaux corrélés avec les paramètres de micro-architecture 3D. L’analyse de texture a été effectuée sans a priori au niveau des méthodes en utilisant une large gamme de méthodes décrites dans la littérature. Chaque méthode étant elle même susceptible de fournir un grand nombre paramètres, les deux séries d’échantillons ont été utilisées afin de déterminer les paramètres les plus pertinents par rapport à leur corrélation à des paramètres architecturaux 3D. Compte tenu de la chronologie du projet, les deux séries d’échantillons ont été étudiées séquentiellement.
Les résultats ont permis de mettre en évidence six paramètres de texture présentant des corrélations significatives (p<10^-4) essentiellement avec la largeur moyenne des travées et l’espacement moyen entre les travées, et ceci sur les deux séries d’échantillons (cf. paragraphe V-3.1). Parmi ceux-ci, les paramètres « Fractal (Fourier transform technique) – 2 10 », « Min-Max 1 3 0 », et « Min-Max 2 5 0 »semblent les plus fiables dans la caractérisation de la structure osseuse du fait qu’ils présentent les plus fortes corrélations avec les mêmes paramètres morphométriques (Tb.Th, BS/BV et Tb.Th) respectivement pour les deux séries. (cf. Tableau 4 et Tableau 5). L’analyse de texture a également été effectuée après réorientation des radiographies afin de s’affranchir de l’orientation des images (cf. paragraphe V-3.3). Dans ce cas, les résultats ont font apparaître quatre paramètres de texture intéressants. Parmi ceux-ci, « Min-Max 1 3 0 » et « Gradient morphologique – 0 9 3  – SS » sont corrélés avec le même paramètre morphométrique (Tb.Th*) pour les deux analyses effectuées avec une fenêtre de 96x96 et de 128x128 pixels.
Les analyses ont également été effectuées sur les radiographies physiques des échantillons de la première série. Les résultats font alors ressortir quatre paramètres de texture : « Fractal (Fourier transform technique) – 2 10 », « Cooccurrence - 2 1 1- Variance des differences », « Min-Max 1 3 0 », et « Power Spectral Density - 0 2 15 ». Ces paramètres sont corrélés respectivement à Tb.Sp*, Tb.Sp*, Tb.Th* et Tb.Sp*. Ils caractérisent donc essentiellement l’espacement moyen entre les centres des travées et la largeur moyenne des travées. Toutefois, les corrélations ne sont pas aussi significatives que pour les radiographies simulées (p de l’ordre de 10^-3 en général et p=0.0156 pour la corrélation Cooccurrence - 2 1 1- Variance des differences et Tb.Sp*). On peut également remarquer que les paramètres de texture dégagés lors de l’analyse des radiographies simulées ne sont pas corrélés avec les mêmes paramètres morphométriques 3D dans le cas des radiographies réelles.
L’ensemble des résultats expérimentaux montrent qu’un nombre limité de méthodes d'analyse parmi les nombreuses mises en œuvre, proposent des paramètres intéressants. Il s'agit essentiellement des méthodes suivantes : Matrices de cooccurrence, Min-max, Gradient morphologique et Fractal. Notons que ces deux dernières méthodes étaient déjà mentionnées dans la littérature dans des études sur la texture osseuses.
L’analyse sur radiographies réelles nécessiterait d’une part d’être complétée par l’étude des échantillons de la seconde série, d’autre part de refaire des tests en variant les conditions expérimentales. Notons une partie de la divergence entre résultats sur radiographies réelles et simulées peut être liée au fait que les radiographies simulées ont été calculées dans le cas idéal d’un capteur sans fonction de transfert de modulation (FTM) et sans bruit.

VII.Conclusion

Les objectifs de ce projet étaient de déterminer si des indices de texture extraits de radiographies pouvaient fournir des informations tridimensionnelles sur la micro-architecture osseuse, et dans quelles conditions d’acquisition.

Tout au long de ce projet, nous avons tenté de nous placer dans des conditions de simulation réalistes. Pour cela des échantillons ont été prélevés de corticale à corticale tels qu’ils seraient imagés in vivo. Ceci a conduit à la manipulation d’images de très grandes tailles dont la partie trabéculaire a été quantifiée à haute résolution. Les images radiographiques ont été obtenues à l’aide d’un logiciel de simulation permettant d’intégrer de nombreuses conditions d’acquisition réalistes : spectre du rayonnement X, orientation de la source, bruit, fonction de transfert du capteur. Afin de sélectionner des paramètres pertinents parmi la profusion de méthodes d’analyse de texture possibles, nous avons tout d’abord choisi de nous placer dans des conditions favorables (pas de bruit, source ponctuelle, pas de dégradation due au capteur …). Nous avons néanmoins fait varier l’orientation de la source de rayons X qui a un impact direct sur la texture imagée. Un jeu de 625 images radiographiques a ainsi été généré Compte tenu des contraintes de temps, il n’a pas été possible au cours de ce projet de simuler des images intégrant les autres possibilités du logiciel, ce qui pourra être effectué dans une phase ultérieure.
Six paramètres de texture fortement corrélés à des paramètres architecturaux 3D ont été mis en évidence dans l’étude sur radiographies simulées. Ces paramètres sont essentiellement issus des méthodes fractale, morphologique, Min-Max, ce qui montre une certaine cohérence avec des méthodes testées dans la littérature. Ces résultats montrent donc la faisabilité de la caractérisation de la micro-architecture osseuse in vitro par analyse de texture, puisque certains paramètres architecturaux 3D sont expliqués par des paramètres de texture. Il s'agit notamment de l'épaisseur moyenne des travées osseuses, du rapport surface sur volume d’os et de l'espace intertrabéculaire. D'autres paramètres 3D disponibles telles que la porosité et le nombre moyen de travées n'ont pas montré de corrélations fortes avec des paramètres de texture.
Il est plus délicat de conclure sur la caractérisation de l’os à partir des radiographies réelles. En effet, l’étude a été réalisée sur un nombre d’échantillons restreint (15) et sur des images fortement altérées par un important flou géométrique. Les quatre paramètres qui ressortent de l’analyse de texture de ces radiographies ne sont pas corrélés avec les mêmes paramètres morphométriques 3D que ceux avec lesquels ils étaient corrélés lors de l’analyse sur les radiographies simulées. Par ailleurs, les corrélations observées sont beaucoup plus faibles que pour l’analyse réalisée sur radiographies simulées. Le bruit présent dans les images, ainsi que la présence du flou géométrique peuvent altérer fortement la texture représentative de la micro-architecture osseuse et expliquer ces résultats. L’application de cette méthode d’analyse sur images réelles demande donc des test supplémentaires afin d’étudier la possibilité d’obtenir des images avec un meilleur rapport signal sur bruit et un flou géométrique plus réduit. Si l’acquisition d’images radiographiques présentant de meilleures caractéristiques ne s’avère pas réalisable, il faudra étudier si des techniques de restauration peuvent être mises en œuvre préalablement à l’analyse de texture.