Potentialités de l'appareillage de radiographie corps entier debout à basses doses

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1 Potentialités de l'appareillage de radiographie corps entier debout à basses doses M. DE LA SIMONE, C. GOMES, R. NIZARD EOS est un système d imagerie qui permet l acquisition simultanée de radiographies de face et de profil du corps entier ou d une zone anatomique localisée, et ce avec une réduction de dose de l ordre de 90 % par rapport à un système conventionnel. Issu des travaux de Georges Charpak, prix Nobel de Physique 1992, le système EOS est commercialisé depuis 2007 par la société biospace med (Paris). Description générale du système Acquisition radiologique 2D EOS est principalement constitué d un bras en C se déplaçant verticalement sur lequel sont montées deux chaînes d acquisition orthogonales, chacune d entre elles étant composée d un tube à rayons X et d un détecteur linéaire (fig. 1). Chaque faisceau de rayons X, collimaté une première fois en sortie de tube, arrive à proximité du patient sous la forme d un éventail d un demi-millimètre d épaisseur. Par un balayage de quelques secondes, sont acquises simultanément une image de face et une de profil du corps entier ou d une zone anatomique choisie (fig. 2). Fig. 1 : Système EOS et principe d acquisition par balayage Fig. 2 : Exemples de clichés EOS corps entier et localisés 1

2 M. DE LA SIMONE, C. GOMES, R. NIZARD La réduction de dose significative par comparaison aux systèmes conventionnels s explique principalement par trois phénomènes : - L élimination de la majeure partie du rayonnement diffusé qui est responsable, sur les systèmes conventionnels, d une partie importante de la dose reçue par le patient. Cette diminution importante du diffusé est principalement permise par la géométrie en éventail du faisceau, obtenue grâce à des fentes de collimation (en sortie de tube, puis à l entrée du détecteur) (fig. 1). - L amplification du signal par les détecteurs, issue des travaux de Georges Charpak, qui utilise le principe de la chambre proportionnelle multi-fils. L interaction des photons avec le Xenon contenu sous pression dans le détecteur produit un nuage d électrons qui est amplifié : c est ce qu on appelle le phénomène d avalanche. La très faible quantité de photons traversant le patient peut ainsi être amplifiée et résulter en un signal important. - Le gain interne ajustable des détecteurs, qui permet d adapter leur réponse à la morphologie du patient et à la zone à radiographier, et donc d obtenir des images à très haut contraste dotées de niveaux de gris. En comparant des radiographies de rachis de face et de profil de 50 jeunes adultes, acquises à la fois sur EOS et sur un système à plaques photo-stimulables (CR), Deschênes et coll. ont constaté un facteur de réduction de dose par EOS allant jusqu à 9 [1]. Dans cette même étude, la qualité globale des images a été jugée équivalente ou meilleure sur EOS dans 97,2 % des cas. D autre part, le principe d acquisition directe par balayage (5 secondes environ pour un bassin, 20 secondes environ pour un corps entier) permet de réduire considérablement le temps habituellement consacré aux clichés conventionnels (CR ou DR) des grands axes. Ces derniers, classiquement obtenus par assemblage informatique de plusieurs clichés localisés (ou stitching ) demandent en effet beaucoup de temps, avec, de plus, le risque d erreur diagnostique en cas de mauvais alignement des images. La modélisation tridimensionnelle Par la simultanéité et la stricte orthogonalité des images de face et de profil, le logiciel dédié stereos (biospace med, Paris) permet de réaliser une modélisation tridimensionnelle des enveloppes osseuses du patient en charge. Quelle que soit la zone anatomique concernée, le processus de modélisation est le même. L opérateur commence par repérer sur les radiographies quelques structures anatomiques (fig. 3a). Puis, à partir du positionnement des repères, le logiciel propose une première solution de modélisation (fig. 3b). Les contours de cette première solution sont projetés sur les radiographies puis ajustés manuellement d une part et, en fonction de la zone anatomique concernée, par détection automatique des contours osseux sur les images d autre part. La correspondance entre les contours osseux radiologiques et les contours projetés du modèle 3D marque la fin du processus de modélisation (fig. 3c). Fig. 3 : Méthodologie de modélisation 3D : exemple du fémur a b c 2

3 Potentialités de l'appareillage de radiographie corps entier debout à basses doses De cette modélisation découle le calcul automatique de nombreux paramètres cliniques tridimensionnels. Aujourd hui, le logiciel permet la modélisation du rachis (thoracique et lombaire) et des membres inférieurs (fémur et tibia). Des travaux de recherche en cours visent à élargir l utilisation de cette méthode de modélisation à d autres structures anatomiques. Applications cliniques Le rachis Le caractère peu irradiant de la machine a naturellement orienté les premiers développements logiciels vers la prise en charge des scolioses idiopathiques, qui ont besoin d être radiographiées à plusieurs reprises [2]. Les déformations rachidiennes peuvent ainsi être étudiées en charge, sur des images radiographiques de qualité équivalente sur toutes les parties du rachis, ce qui réduit fortement les problèmes de sur et sous-exposition, notamment sur les profils (fig. 4). D autre part, les modélisations tridimensionnelles (fig. 4) ajoutent aux classiques paramètres de l équilibre frontal et sagittal le calcul automatique des rotations axiales de chaque niveau vertébral, et ce en charge. Le membre inférieur La prise en charge de la chirurgie prothétique de la hanche et du genou constitue un enjeu majeur de santé publique. En 2008, prothèses totales de hanche et prothèses de genou ont été posées en France (Source : PMSI 2008). Aux Etats-Unis, en 2005, prothèses de hanche et prothèses de genou étaient posées. Kurtz et coll. [3] prévoient la pose annuelle de prothèses de hanche et prothèses de genou d ici à l année Cependant, la radiographie conventionnelle des membres inférieurs expose à des erreurs de mesure inhérentes à la projection d un volume sur un plan. Quant au scanner, s il fournit des informations tridimensionnelles, ses limites tiennent à l importance de l irradiation et à son incapacité à examiner un patient en charge. Fig. 4 : Examen EOS 2D/3D du rachis en entier (avec l aimable autorisation du Dr Obeid, Service du Pr Vital, Hôpital Pellegrin, Bordeaux) 3

4 M. DE LA SIMONE, C. GOMES, R. NIZARD Dans ce contexte clinique et médico-économique complexe, le système EOS propose de nouveaux outils pour pallier ces insuffisances. L inégalité de longueur des membres inférieurs Les inégalités de longueur des membres inférieurs après arthroplastie totale de hanche constituent la seconde cause de poursuite judiciaire aux Etats-Unis [4]. Classiquement, l inégalité de longueur des membres inférieurs est évaluée en mesurant l écart de hauteur entre les têtes fémorales sur un cliché de face de bassin, ou encore en relevant les mensurations sur une radiographie des membres inférieurs en totalité. Les systèmes de radiographie conventionnelle appliquent aux images un facteur d agrandissement qui est source d erreur. Au contraire, le système EOS permet l obtention d images à l échelle 1. De plus, les pangonogrammes classiques ne permettent pas de comparer valablement la longueur des membres inférieurs en cas de flessum ou de recurvatum de l un des deux membres. La figure 5 montre un examen EOS des membres inférieurs : l inégalité de longueur d origine post-traumatique, qui aurait été évaluée sur un pangonogramme de face à 10 mm, s élève en fait à 26 mm. Cet écart entre la mesure classique et la mesure 3D stereos s explique par le flessum du membre gauche. Seule une mesure 3D permet dans ce cas d évaluer exactement la longueur des pièces osseuses. La hanche L antéversion naturelle des cols fémoraux complique l exploitation des mesures réalisées sur des radiographies de face de bassin ou sur des clichés centrés de hanche. La planification des arthroplasties totales de hanche, principalement basée sur ce type d imagerie, est significativement affectée par les erreurs de mesure liées au phénomène de projection radiographique. Fig. 5 : Examen EOS 2D/3D des membres inférieurs (avec l aimable autorisation du Pr Hauger, Hôpital Pellegrin, Bordeaux) 4

5 Potentialités de l'appareillage de radiographie corps entier debout à basses doses L offset fémoral, par exemple, est décrit dans la littérature récente comme un paramètre important pour planifier une intervention pour prothèse de hanche [5, 6]. En comparant les mesures d offset 2D classiques à des mesures scanner sur 223 patients, Sariali et coll. [7] ont évalué à 8 % l erreur commise en mesurant l offset fémoral sur des radiographies de face. La modélisation 3D du fémur proximal, réalisée en routine sur la base des images basses doses EOS, permet le calcul automatique des paramètres cliniques de la hanche en 3D. Ces derniers sont totalement indépendants de l orientation spatiale du col fémoral (fig. 6). Le genou L angle fémoro-tibial mécanique ou angle CIC (HKA pour les Américains) est un paramètre nécessaire au traitement chirurgical des gonarthroses [8, 9]. Il se mesure conventionnellement sur une radiographie prenant les membres inférieurs en totalité, le pangonogramme. Sa bonne exécution nécessite que les deux genoux restent bien de face. La permanence de cette position pendant la prise des clichés ne peut cependant être garantie. Le logiciel stereos permet, à partir des enveloppes 3D du fémur et du tibia, de calculer tous les paramètres femoro-tibiaux dans le référentiel du genou. L angle CIC peut être calculé secondairement dans le vrai plan bi-condylien postérieur, même si ce dernier n était pas bien placé lors de l acquisition. C est le cas de la figure 7 qui montre une patiente présentant un excès de rotation interne des fémurs associé à un genu flessum bilatéral. La combinaison de ces deux particularités induit sur le pangonogramme conventionnel une impression de valgus, mesurable à 10 à gauche, alors que le valgus calculé par le logiciel stereos est en fait inférieur à 1. Torsions du membre inférieur L enveloppe tridimensionnelle créée sur la base des images EOS permet également de mesurer les torsions fémorale et tibiale, de la même façon que par la superposition de coupes scanner (fig. 8), mais avec beaucoup moins d irradiation délivrée au patient. Evaluation du positionnement des implants acétabulaires A partir des images EOS face/profil, il est également possible de mesurer l orientation de certains types d implants acétabulaires. Il suffit de positionner sur les radiographies un anneau 3D symbolisant le bord de la cupule (fig. 9) pour définir précisément l orientation de a b Fig. 6 : Mesure classique de l offset fémoral : a) Mesure classique faussée par l antéversion du col fémoral b) Mesure 3D stereos (avec l aimable autorisation du Pr Nizard, Hôpital Lariboisière, Paris) 5

6 M. DE LA SIMONE, C. GOMES, R. NIZARD Fig. 7 : a) Radiographie EOS des membres inférieurs en totalité et mesure classique du valgus b) Modélisation 3D du membre inférieur visualisé comme positionné lors de l acquisition c) Modélisation 3D du membre inférieur avec genou vu de face. Le valgus calculé dans la face du genou est en fait proche de 0. (avec l aimable autorisation du Service d Orthopédie Pédiatrique - Laboratoire d Analyse de la Motricité CHU La Timone Enfants, Marseille) Fig. 8 : Sur une même patiente : a) Examen EOS et modélisation 3D b) Mesure de torsion par scanner (avec l aimable autorisation du Pr Hauger, Hôpital Pellegrin, Bordeaux) la cupule dans l espace. L antéversion de l implant peut alors être calculée dans un plan strictement horizontal. Cette réelle antéversion fonctionnelle, telle que décrite par Lazennec et coll. [10], varie en fonction de la version pelvienne, et donc également en fonction de la position du patient. Sur la figure 9, l antéversion de la cupule de la patiente est ainsi évaluée par stereos à 19 en position debout, alors qu elle augmente jusqu à 30 en position assise, du fait de la rétroversion du bassin qui résulte du changement de position. La possibilité de réaliser des examens EOS dans différentes positions (assise, debout, accroupie ) devrait faciliter la compréhension des conflits prothétiques postopératoires et des phénomènes de luxation. 6

7 Potentialités de l'appareillage de radiographie corps entier debout à basses doses Fig. 9 : Mesure d antéversion de cupule sur la base d images EOS. L antéversion est mesurée ici dans un plan horizontal strict (en blanc). (avec l aimable autorisation du Pr Sautet, Hôpital Saint-Antoine, Paris) L examen corps entier L obtention d images du corps entier dans différentes positions renouvelle la façon d appréhender les interactions entre pathologies de différentes zones anatomiques. Dès 1991, Itoi et coll. [11] (fig. 10) insistaient sur l importance d étudier dans son ensemble l équilibre postural, notamment dans le cadre des pathologies dégénératives. Or, contrairement aux relations pelvirachidiennes, largement décrites dans la littérature [12], les interactions rachis/membres inférieurs ou encore hanches/genoux sont globalement méconnues. Le système EOS paraît particulièrement adapté à l étude de ces interactions, comme le montrent les radiographies de la figure 11 : chez une patiente de 72 ans, on peut observer la compensation d un déséquilibre rachidien antérieur par la rétroversion du bassin et par la flexion des membres inférieurs. 7

8 M. DE LA SIMONE, C. GOMES, R. NIZARD Fig. 10 : Classification des déformations rachidiennes selon Itoi et coll. [12] Conclusion EOS est un système d imagerie grand format à rayons X très peu irradiant. Il permet de réaliser des radiographies à l échelle 1 et de modéliser le squelette en charge en 3D, avec la possibilité du calcul automatique de différents paramètres cliniques 3D. Ces caractéristiques en ont fait, dès ses débuts, un outil particulièrement adapté à l étude des déformations rachidiennes, mais aussi à l évaluation de l équilibre postural global, en particulier dans la pathologie dégénérative. Des développements récents sur la modélisation 3D du membre inférieur donnent de nouvelles perspectives, notamment pour les arthroplasties totales de hanche et de genou. Une évaluation tridimensionnelle complète du membre inférieur en charge est ainsi rendue possible en routine, et ce avec de très faibles doses de rayonnement. Fig. 11 : Examen EOS corps entier. Déséquilibre rachidien antérieur compensé par rétroversion pelvienne et genu flessum. (avec l aimable autorisation du Dr Obeid, Service du Pr Vital, Hôpital Pellegrin, Bordeaux) 8

9 Potentialités de l'appareillage de radiographie corps entier debout à basses doses Références [1] DESCHÊNES S, CHARRON G, BEAUDOIN G, LABELLE H, DUBOIS J, MIRON MC, PARENT S Diagnostic imaging of spinal deformities: Reducing patients radiation dose with a new slot-scanning x-ray imager. Spine : sous presse. [2] DUBOUSSET J, CHARPAK G, SKALLI W, DE GUISE J, KALIFA G, WICART P. Skeletal and spinal imaging with EOS system. Arch Pediatr Jun; 15(5): [3] KURTZ S, ONG K, LAU E, MOWAT F, HALPERN M. Projections of primary and revision hip and knee arthroplasty in the United States from 2005 to J Bone Joint Surg Am 2007 Apr; 89(4): [4] KONYVES A, BANNISTER GC The importance of leg length discrepancy after total hip arthroplasty. J Bone Joint Surg Br 2005 Feb; 87(2): [5] SAKALKALE DP, SHARKEY PF, ENG K, HOZACK WJ, ROTHMAN RH Effect of femoral component offset on polyethylene wear in total hip arthroplasty. Clin Orthop Relat Res 2001 Jul; (388): [6] PATEL AB, WAGLE RR, USREY MM, THOMPSON MT, INCAVO SJ, NOBLE PC. Guidelines for Implant Placement to Minimize Impingement During Activities of Daily Living After Total Hip Arthroplasty. J Arthroplasty 2009 Dec 17. [7] SARIALI E, MOUTTET A, PASQUIER G, DURANTE E. Three-dimensional hip anatomy in osteoarthritis. Analysis of the femoral offset. J Arthroplasty 2009 Sep; 24(6): [8] DESMÉ D, GALAND-DESMÉ S, BESSE JL, HENNER J, MOYEN B, LERAT JL Axial lower limb alignment and knee geometry in patients with osteoarthritis of the knee. Rev Chir Orthop Reparatrice Appar Mot 2006 Nov; 92(7): [9] CEREJO R, DUNLOP DD, CAHUE S, CHANNIN D, SONG J, SHARMA L The influence of alignment on risk of knee osteoarthritis progression according to baseline stage of disease. Arthritis Rheum 2002 Oct; 46(10): [10] LAZENNEC JY, RIWAN A, GRAVEZ F, ROUSSEAU MA, MORA N, GORIN M, LASNE A, CATONNE Y, SAILLANT G Hip spine relationships: application to total hip arthroplasty. Hip Int 2007 SPECIAL ISSUE on DDH from child to adult age; 17: [11] ITOI E Roentgenographic analysis of posture in spinal osteoporotics. Spine (Phila Pa 1976) Jul; 16(7): [12] LEGAYE J, DUVAL-BEAUPÈRE G, HECQUET J, MARTY C. Pelvic incidence: a fundamental pelvic parameter for three-dimensional regulation of spinal sagittal curves. Eur Spine J 1998; 7(2):