Mehdi Rahim. Caractérisation de la dynamique des déformations de contours. Application à l imagerie pelvienne.

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1 AIX-MARSEILLE UNIVERSITÉ École Doctorale en Mathématiques et Informatique de Marseille - ED 184 THÈSE Présentée par : Mehdi Rahim Pour obtenir le grade de : DOCTEUR DE L UNIVERSITÉ AIX-MARSEILLE Faculté des Sciences et Techniques Discipline : Informatique Caractérisation de la dynamique des déformations de contours. Application à l imagerie pelvienne. ANNÉE : 2012 Soutenue publiquement le Mercredi 19 Décembre 2012, devant le jury composé de : Mme. Su RUAN Professeure, Université de Rouen Rapporteur M. Patrick CLARYSSE Directeur de recherche CNRS, INSA Lyon Rapporteur M. Christian ROUX Professeur, ENST Bretagne Examinateur M. Frédéric RICHARD Professeur, Aix-Marseille Université Examinateur M. Joan Alexis GLAUNÈS Maître de conférence, Université Paris Descartes Examinateur M. Nicolas PIRRÓ PU-PH, Hôpital La Timone. Marseille Examinateur M. Rémy BULOT Professeur, Aix-Marseille Université Directeur M. Marc-Emmanuel BELLEMARE Maître de conférence, Aix-Marseille Université Co-Directeur Thèse préparée au Laboratoire des Sciences de l Information et des Systèmes LSIS - UMR CNRS 7296

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3 En hommage à celle qui m a mis au monde. Celle qui m a nourri, éduqué, protégé, aimé. Celle qui n est plus là, mais qui restera dans mon cœur à tout jamais.

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5 Remerciements Mes remerciements vont d abord à mes directeurs de thèse, à Messieurs Rémy BULOT et Marc-Emmanuel BELLEMARE pour m avoir offert la possibilité de travailler sur cette thèse. J aimerais exprimer ma gratitude à Monsieur BELLEMARE pour la confiance qu il m a accordé, et pour toutes ces années durant lesquels j ai appris énormément de choses grâce à ses conseils avisés. Je remercie aussi Monsieur Nicolas PIRRÓ pour son expertise et son aide appréciable qu il m a apporté. Je tiens aussi à remercier Madame Su RUAN et Monsieur Patrick CLARYSSE pour avoir rapporté cette thèse. Je remercie particulièrement Monsieur CLARYSSE pour ses remarques constructives et détaillées qui ont contribué à améliorer considérablement le manuscrit. Je remercie aussi Messieurs Christian ROUX, Frédéric RICHARD et Joan GLAUNÈS pour avoir accepté d examiner les travaux de cette thèse. Je souhaiterais remercier grandement Messieurs Julien LEFÈVRE, Olivier COULON, Bernard FERTIL, Eric RÉMY, et Sébastien PARIS pour leurs conseils et recommandations qui m ont bien aidé à avancer dans mes investigations. Aussi, je remercie l ensemble des doctorants, chercheurs, enseignants, personnels que j ai eu l occasion de côtoyer au sein du laboratoire des sciences de l information et des systèmes. Enfin, toute ma reconnaissance va vers ma famille et mes proches qui n ont cessé de me soutenir et de m encourager à tout moment. i

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7 Table des matières Table des matières iii Introduction générale 1 Contexte et généralités 5 I La dynamique pelvienne et ses pathologies 7 I.1 Introduction I.2 Anatomie de la cavité pelvienne I.2.1 Anatomie descriptive I.2.2 Anatomie fonctionnelle I.3 Les troubles de la statique pelvienne et leurs prises en charge I.4 Modalités d imagerie pelvienne I.5 Contexte de la thèse I.6 Conclusion II Méthodes d analyse spatio-temporelle 25 II.1 Introduction II.2 L analyse par les descripteurs de forme II.2.1 Descripteurs spatiaux II.2.2 Descripteurs fréquentiels II.2.3 Descripteurs basés sur les moments II.2.4 Descripteurs structurels II.2.5 Discussion II.3 L analyse par le recalage iii

8 Table des matières II.3.1 Définition II.3.2 Typologie II.3.3 Quelques méthodes géométriques II.3.4 Discussion II.4 L analyse par les flots optiques II.4.1 Méthode de Horn-Schunck II.4.2 Méthode de Lucas-Kanade II.4.3 Autres méthodes II.5 Autres approches pour l analyse spatio-temporelle II.6 Conclusion Contributions 53 III Méthodologie pour la caractérisation de la dynamique pelvienne 55 III.1 Introduction III.2 Problématique III.3 Description de la méthodologie proposée III.3.1 Les données III.3.2 La caractérisation III La projection III L extraction des indicateurs III.3.3 L évaluation III La pertinence III La robustesse III Le coût III.3.4 Les applications III Analyse statistique et interprétation III Evaluation de la modélisation de la dynamique pelvienne.. 64 III.4 Conclusion IV Caractérisation par les descripteurs de forme 67 IV.1 Introduction IV.2 La projection par les descripteurs de forme IV.2.1 Descripteurs spatiaux IV.2.2 Descripteurs de Fourier IV.2.3 Descripteurs à base de moments de Zernike IV.2.4 Descripteurs structurels IV Descripteurs du rectum IV Descripteurs de l utérus iv

9 Table des matières IV Descripteurs de la vessie IV.3 Extraction des attributs IV.3.1 Attributs des déformations IV.3.2 Attributs des déplacements IV.4 Evaluation des indicateurs IV.4.1 Le coût IV Les descripteurs de forme IV Les attributs IV.4.2 La pertinence IV.4.3 La robustesse IV Quelques outils de mesure de la variabilité IV Résultats IV.5 Conclusion V Caractérisation par appariement difféomorphique 91 V.1 Introduction V.2 La projection par l appariement V.2.1 Outils pour l appariement V Représentation basée sur les courants V Appariement difféomorphique des grandes déformations V.2.2 Calcul de l organe de référence V.2.3 Appariement inter-séquences V.2.4 Appariement intra-séquence V.3 Extraction des attributs V.3.1 Champs des déplacements V.3.2 Attributs des déformations V.4 Évaluation de la caractérisation V.4.1 Le coût V L appariement V Les attributs V.4.2 La pertinence V.4.3 La robustesse V.5 Conclusion Applications 111 VI Analyse statistique de la caractérisation 113 VI.1 Introduction VI.2 Analyse exploratoire v

10 Table des matières VI.2.1 Analyse inter-sujet VI Méthode VI Résultats VI.2.2 Analyse locale VI Calcul des modes VI Parcellisation VI.3 Analyse prédictive VI.3.1 Attributs issus des descripteurs de forme VI.3.2 Attributs issus de l appariement VI.3.3 Combinaison d attributs VI.4 Conclusion VII Évaluation de la modélisation pelvienne 129 VII.1 Introduction VII.2 A propos de la modélisation de la dynamique pelvienne VII.2.1 La modélisation VII.2.2 Les contraintes VII.2.3 Les paramètres VII.2.4 La simulation VII.3 Evaluation quantitative de la modélisation de la dynamique pelvienne VII.3.1 Evaluation globale par les descripteurs de forme VII Mesure de comparaison VII Résultats VII.3.2 Evaluation locale par appariement difféomorphique VII Méthode de comparaison VII Résultats VII.4 Conclusion Conclusion et perspectives 141 Annexes 147 A Outils mathématiques et statistiques 147 A.1 Distances A.2 Outils d analyse de données A.2.1 L analyse descriptive A.2.2 Le classement B Données 153 vi

11 Table des matières B.1 Acquisitions IRM B.2 Segmentations C Applications logicielles 157 C.1 Outil de segmentation C.2 Outil de caractérisation de la dynamique pelvienne Liste des publications 161 Références bibliographiques 176 Index des illustrations 180 Index des tableaux 181 vii

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13 Introduction générale L apport des outils informatiques dans le domaine médical ne cesse de croître depuis quelques décennies. Au delà de la gestion des dossiers médicaux et des systèmes d informations hospitaliers, afin d assurer un meilleur suivi médical des patients, les avancées technologiques en imagerie médicale offrent la possibilité d explorer in vivo l anatomie et la physiologie des diverses parties du corps humain. L examen radiologique devient de nos jours incontournable, sans prétendre se substituer complètement à l examen clinique, il contribue à l établissement du diagnostic médical et par conséquent à la prise en charge du patient. Les méthodes de traitement automatique d images médicales étoffent encore plus l examen radiologique, en apportant des mesures quantitatives, objectives et reproductibles. Ces mesures permettent d établir des modèles numériques grâce au traitement d un grand nombre de cas, afin d automatiser l aide au diagnostic, ou d assister le geste médical et chirurgical. Toutefois, la variabilité des entités anatomiques constitue un des obstacles majeurs auxquels se heurte le traitement informatique des données médicales et leur modélisation au sens large. Cette variabilité est issue des dissemblances entre des individus différents (variabilité inter individuelle), mais aussi des dissemblances au sein d un seul individu à des périodes différentes (variabilité intra individuelle). Elle se décline également sous deux aspects : la variabilité morphologique des formes des organes à tissus mous, et la variabilité fonctionnelle inhérente à la dynamique de l organe et ses propriétés biomécaniques. Les comportements de l organe varient aussi selon des facteurs comme la sédentarité, le vieillissement, ou l état de santé général. Il n existe de ce fait pas un comportement standard, compliquant ainsi le processus de la modélisation. L appréhension de la mobilité des organes et leur variabilité est désormais possible grâce aux progrès de la radiologie vers l imagerie médicale dynamique. Il est de nos jours courant d acquérir des séquences sur lesquelles on peut observer la cinétique des organes et des autres 1

14 Introduction générale structures anatomiques. L étude de l activité des organes peut se faire également via le suivi biologique. Ce suivi s effectue via des marqueurs biologiques sur des organes, cellules, voire des molécules. Il permet de mesurer les échanges physiologiques comme les mesures de la pression sanguine ou du rythme cardiaque, afin de déceler un éventuel état pathologique. Cependant, nous nous intéresserons dans cette thèse au suivi des variations anatomo fonctionnelles via l imagerie dynamique. Dans ce contexte, l échographie est l examen traditionnellement utilisé pour le suivi dynamique. Le degré de précision de la visualisation de cette modalité fait qu elle est actuellement applicable sur un périmètre anatomique restreint seulement, et n est pas envisageable sur une région anatomique relativement grande. Par ailleurs, l imagerie par résonance magnétique dynamique (IRM) apporte la possibilité de visualiser et de suivre les mouvements et les interactions de plusieurs organes, en offrant un contraste appréciable permettant de différencier les divers tissus biologiques. Cet examen est couramment utilisé par les cliniciens pour établir des diagnostics médicaux. L étude de la dynamique des organes est faite par l analyse et l interprétation des mouvements et des déformations des organes via des repères anatomiques. L interprétation dépend de l expertise du clinicien et de son expérience, ainsi que d une part de subjectivité qui induirait une variabilité entre différents cliniciens, et aussi une variabilité au sein du même clinicien dans des contextes différents. Un des défis majeurs de l analyse d images médicales est donc de proposer des éléments objectifs et reproductibles permettant d estimer la dynamique des organes ainsi que de suivre des repères anatomiques, tout en prenant en compte des caractères spécifiques, telle la non rigidité des organes à tissus mous. A partir des données radiologiques, la caractérisation vise à apporter une meilleure compréhension sur le comportement d organes, grâce à des mesures significatives décrivant leurs activités. La bibliographie sur les méthodes d analyse est riche et variée selon la nature des images et la région du corps étudiée. Les approches préconisées pour l analyse de la mobilité des structures anatomiques se basent notamment sur des outils de suivi d attributs visuels similaires comme l intensité lumineuse et la couleur des pixels (recalage, flot optique), ou les formes des contours des objets (appariement, descripteurs de forme). L utilité et la pertinence des méthodes d analyse sont étroitement liées à l étape de la validation sur un ensemble de données réelles. Il s agit d une étape clé parfois négligée, or cet aspect est d autant plus crucial puisqu il concerne le domaine de la santé. Ainsi, la validation devra présenter des outils capables de tester les mesures de la caractérisation selon différents critères. Dans cette thèse, un cadre général pour l analyse de la dynamique d organes in silico est proposé. Il se compose d une étape de caractérisation à partir de données radiologiques, où des méthodes d extraction d indicateurs complémentaires sont proposées. Ce cadre général comporte également une étape de validation, elle permettra d éprouver les indicateurs définis lors 2

15 Introduction générale de la caractérisation afin de déterminer leur qualité, et d effectuer des choix éventuels. Des critères de validation sont introduits comme la robustesse face aux données altérées par la variabilité, la capacité de discrimination entre données différentes, ou encore le coût de mise en œuvre. Le cadre général est appliqué à l étude de la dynamique des organes pelviens à partir d acquisitions IRM dynamiques. La cavité pelvienne regroupe des éléments de diverses natures dont des organes à tissus mous, ayant des fonctions physiologiques différentes. Parmi les pathologies pouvant affecter les organes pelviens, les troubles fonctionnels comme les prolapsus génitaux touchent une part importante de la population âgée. Des études statistiques évoquent un tiers de la population féminine et 60% des femmes ayant plus de 60 ans dans les pays "occidentaux". Ce sont des troubles dont la physiopathologie est complexe et mal connue, ce qui rend la prise en charge délicate et le geste chirurgical incertain. Dans ce contexte, les travaux présentés proposent une caractérisation morphologique et fonctionnelle, par l analyse des formes des organes pelviens sur des séquences IRM dynamiques. Ces dernières ont été obtenues grâce à la collaboration avec le service de chirurgie digestive de l hôpital La Timone à Marseille. Les contributions apportées visent à définir de manière générale des outils de comparaison entre des séquences de contours représentant des déformations d organes. Ainsi, ces déformations sont estimées selon des critères de variation des formes. Pour l évaluation de la descente des organes pelviens, notre contribution consiste à automatiser certains critères usuellement utilisés par les cliniciens, mais sujets à variabilité. Ensuite, une étude statistique est menée sur un ensemble consistant de séquences, afin de mettre en évidence des comportements caractéristiques. Aussi, la caractérisation de la dynamique pelvienne est intégrée dans un système de simulation de la dynamique pelvienne patient spécifique existant, pour effectuer des comparaisons qui permettraient à terme d adapter les paramètres de la simulation aux comportements réels des organes. Le manuscrit s organise en trois parties : Contexte et généralités : où sont introduites dans le premier chapitre des notions anatomiques et médicales relatives à la cavité pelvienne, qui seront nécessaires à la compréhension de la problématique et du positionnement de cette thèse. Les principales méthodes d analyse de forme sont recensées dans le deuxième chapitre ; leur applicabilité pour l analyse de la dynamique pelvienne y est étudiée également. Contributions : où sont présentées une schématisation et une formalisation de la solution globale pour l analyse de la dynamique des organes pelviens. Aussi, les troisième et quatrième chapitres sont consacrés aux deux approches proposées pour la caractérisation, ainsi que leur validation. La première approche repose sur l utilisation de descripteurs de forme pour quantifier les déformations globales et approximer les repères anatomiques, tandis que la deuxième vise à caractériser les déformations locales des organes via un appariement tenant en compte des grandes déformations. Applications : où une analyse statistique est effectuée sur un ensemble de séquences, pour 3

16 Introduction générale extraire des caractéristiques spécifiques et les interpréter. Ensuite, quelques résultats relatifs à l évaluation de la modélisation pelvienne par la caractérisation seront évoqués dans le dernier chapitre. Enfin, la conclusion présente une synthèse des travaux réalisés et des perspectives. 4

17 Première partie Contexte et généralités 5

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19 CHAPITRE I La dynamique pelvienne et ses pathologies I.1 Introduction Ce chapitre est consacré à la description de la région du pelvis féminin. La complexité de cette région nous amène à nous restreindre aux éléments les plus importants en termes d anatomie descriptive et fonctionnelle. Nous mettrons en avant les spécificités et les contraintes liées à l étude de cette région du corps, elles seront prises en compte lorsqu il s agira de mettre en place la caractérisation de la dynamique pelvienne. La première section présente l anatomie et la physiologie de la cavité pelvienne. Par la suite, nous citerons les pathologies liées aux troubles de la statique pelvienne et les prises en charge préconisées, en particulier les maladies touchant les principaux organes pelviens (vessie, utérusvagin, rectum). Différentes techniques d imagerie de la dynamique pelvienne seront exposées, notamment la modalité d imagerie des séquences étudiées et son protocole d acquisition. La dernière section sera consacrée à la présentation de la problématique inhérente à l analyse in silico de la dynamique des organes pelviens, et le positionnement de ma thèse dans ce contexte. I.2 Anatomie de la cavité pelvienne La cavité pelvienne est une région de l abdomen qui se distingue par sa complexité du fait qu elle regroupe des structures anatomiques de différentes natures, associées à des fonctions physiologiques différentes comme la reproduction, la miction, la défécation. De ce fait, l étude de la dynamique pelvienne implique plusieurs spécialités médicales comme l urologie, la gynécologie, la proctologie. 7

20 Chapitre I. La dynamique pelvienne et ses pathologies Le pelvis (ou le petit bassin) est situé entre l abdomen et les membres inférieurs. Il contient la partie inférieure du tube digestif, les organes génitaux internes et la vessie. Le pelvis communique largement en haut avec l abdomen dont il est séparé par le plan du détroit supérieur. Ce plan passe en avant par la symphyse pubienne et en arrière par le promontoire (disque intervertébral entre le rachis lombaire et le sacrum). Le pelvis est fermé en bas par un ensemble musculaire formé par le diaphragme pelvien, le périnée et le muscle coccygien. Dans cette section, nous décomposerons l étude de l anatomie de la cavité pelvienne en une description des structures anatomiques selon leur nature. Elle sera suivie d une description du rôle et du fonctionnement de ces structures, notamment les principaux organes pelviens que sont la vessie, l utérus, le vagin et le rectum. I.2.1 Anatomie descriptive La figure I.1 est une coupe sagittale d un modèle du pelvis féminin où les principaux éléments anatomiques y sont mentionnés. Ils seront décrits dans cette section en les regroupant selon leur nature, à savoir les viscères (ou les organes), les muscles et les os. Péritoine Symphyse pubienne Vessie Col vésical Urètre Sphincter de l'urètre Sacrum Coccyx Utérus Col utérin Vagin Rectum Anus Sphincter de l'anus Figure I.1 Coupe sagittale de la cavité pelvienne. Les os Les structures osseuses de la région pelvienne forment un entonnoir appelé pelvis osseux. Quatre principales structures composent le pelvis : le sacrum et le coccyx en arrière, et les os 8

21 I.2. Anatomie de la cavité pelvienne coxaux (droit et gauche) latéralement. L os coxal est formé d une partie inférieure qu est l ischium, d une partie supérieure ayant l apparence d une plaque, c est l ilium ou l aile iliaque, et du pubis en avant. L articulation entre les pubis droit et gauche est la symphyse pubienne (figure I.2). Les deux os coxaux sont unis au sacrum en arrière et unis l un à l autre en avant par la symphyse pubienne. sacrum coccyx os coxal gauche : ilium ischium symphyse pubienne Figure I.2 Le bassin pelvien. Les muscles Le pelvis osseux est tapissé latéralement par le muscle obturateur interne et par le muscle piriforme. Ces muscles tapissent par leur origine la paroi osseuse pelvienne, leurs terminaisons s étendent au niveau de la cuisse. Le plancher pelvien ou diaphragme pelvien est une structure musculo-ligamentaire qui ferme en bas le pelvis et le sépare du périnée. Ce diaphragme pelvien est percé d orifices pour le passage des filières digestives et uro-génitales. Le muscle de l anus est le muscle principal du plancher pelvien. Le plancher pelvien est constitué de trois plans musculo-aponévrotiques : L étage profond contient les muscles du diaphragme pelvien, principalement constitué par le muscle élévateur de l anus (figure I.3). Ce muscle est essentiel dans la statique pelvienne, et représente un système de soutien des organes pelviens. Le muscle élévateur de l anus a deux portions (latérale et médiale). La portion latérale est la partie pubo-coccygienne. Elle est fine. Cette portion s insère sur la paroi pelvienne latérale depuis le pubis jusqu à l ischium. Les fibres musculaires se dirigent en dedans et en bas en formant un entonnoir. Ces fibres se terminent sur la portion médiale du muscle élévateur et sur le coccyx en arrière. La portion médiale est la 9

22 Chapitre I. La dynamique pelvienne et ses pathologies portion pubo-rectale ou muscle pubo-rectal. Elle est épaisse. Elle s insère à la face postérieure de la symphyse pubienne. Ses fibres se dirigent en arrière. Elles se terminent en s unissant avec les fibres du muscle puborectal controlatéral en arrière du rectum. Elles forment ainsi une fronde en arrière du rectum. Cette fronde sépare le rectum en ses deux portions : une portion supérieure (l ampoule rectale) dirigée en bas et en avant, et une portion basse (le canal anal) dirigée en bas et en arrière. Cette fronde participe à la constitution de l angle anorectal. Le muscle pubo-rectal donne également des fibres qui se terminent sur les faces latérales du rectum et sur le coccyx. L étage moyen n existe que dans la partie antérieure uro-génitale. Il est formé du muscle transverse profond du périnée et du sphincter de l urètre. Ce sont des muscles circulaires entourant l urètre sous la vessie et participant à la continence urinaire. L étage superficiel comprend essentiellement le sphincter externe de l anus, ce dernier est un muscle circulaire entourant l anus et formé de fibres musculaires volontaires. Muscle obturateur interne Elévateur de l anus Arcade tendineuse Canal obturateur Muscle iliococcygien Muscle pubococcygien Muscle puborectal Muscle coccygien Ligament sacroépineux Ouverture anale Hiatus urogénital Figure I.3 Localisation des muscles élévateurs, d après [Drake et al., 2010]. Les viscères pelviens de la femme Les viscères pelviens de la femme sont d avant en arrière la vessie, les organes génitaux internes (utérus, vagin, trompes et ovaires) et le rectum. Ces organes se situent dans les trois étages de la cavité pelvienne : l étage antérieur vésical, l étage moyen génital et l étage postérieur. 10

23 I.2. Anatomie de la cavité pelvienne La vessie est un réservoir pour l urine. Elle est située en arrière de la symphyse pubienne et en avant du vagin et de l utérus. C est un organe très élastique dont la forme varie selon son état de réplétion (remplissage). Le conduit excréteur de la vessie est l urètre. La limite entre la vessie et l urètre est le col vésical. La vessie est liée à l ombilic par un ligament qui est un reliquat embryologique, il s agit de l ouraque. L utérus est l organe de gestation. Il est situé entre la vessie en avant et le rectum en arrière. C est un organe musculaire creux destiné à contenir l embryon pendant la grossesse et à l expulser pendant l accouchement. L utérus est divisé en fond, corps et col. Le vagin se fixe en haut sur le col de l utérus. L angle entre l axe du vagin et l axe du col est l angle de version. L angle entre l axe du corps et l axe du col de l utérus est l angle de flexion. L utérus est normalement antéfléchi et antéversé. Le vagin ou "le canal de la mise au monde" est situé entre le col utérin sur lequel il se fixe et la vulve, il a une capacité de dilatation importante. Les ovaires et les trompes utérines sont situées latéralement par rapport à l utérus. Ces organes n interviennent pas dans la statique pelvienne. Le rectum est la portion terminale du tube digestif, il est situé en arrière du vagin et en avant du sacrum et du coccyx. Il débouche à l extérieur par l anus qui est incliné par rapport au rectum. Sa forme est rectiligne d une longueur moyenne de 15 cm. Il est formé par un segment supérieur large : l ampoule rectale dans le plan frontal, et un segment inférieur à peu près cylindrique : le canal anal. L angle anorectal est l angle entre l axe du canal anal et le grand axe de l ampoule rectale, sa valeur normale au repos se situe autour de 90. En plus des os, des muscles, et des viscères, le péritoine, membrane séreuse très fine, tapisse la face supérieure des viscères pelviens sans atteindre le plancher pelvien. Il forme entre l utérus et le rectum un cul-de-sac recto-utérin, appelé cul-de-sac de Douglas. D autres structures ligamentaires existent entre les organes pelviens et la paroi pelvienne, comme les ligaments ronds pour l utérus. Ces ligaments sont des structures relativement solides, leur rigidité reste néanmoins difficile à mesurer [Boukerrou et al., 2004]. C est pourquoi leur rôle dans la statique pelvienne est mal connu et sujet à controverse. En guise de synthèse, la région pelvienne est très complexe et nous retiendrons pour simplifier : Des structures osseuse rigides et fixes (quasi-fixes au niveau du coccyx) limitent la région transversalement. Des structure musculaires contractiles sont à l origine de mouvements. Des organes à tissus mous déformables de tailles et de formes variables (vessie, utérus, vagin, rectum). 11

24 Chapitre I. La dynamique pelvienne et ses pathologies I.2.2 Anatomie fonctionnelle Comme évoqué précédemment, diverses fonctions sont dévolues aux les organes de la cavité pelvienne. La vessie et le rectum ont deux fonctions principales : une fonction de stockage et une fonction de vidange. Le rôle de la vessie est de stocker l urine et de déclencher la miction, tandis que le rectum stocke les matières fécales au niveau de l ampoule rectale et l expulse lors de la défécation. Les muscles pelviens (principalement le muscle élévateur) ont un rôle essentiel lors de ces activités. Outre le rôle de soutien des viscères, la contraction des muscles sphinctériens au repos assure la fermeture et l ouverture du canal anal ou de l urètre. Telle qu illustrée sur la figure I.4, la dynamique pelvienne comprend des efforts de poussée et des efforts de retenue. Les efforts de poussée sont essentiels pour l exonération (vidange). La dynamique des organes pelviens est influencée passivement par les déplétion-réplétion des organes voisins, et activement par les mouvements volontaires de poussée et de retenue. La dynamique active est observée selon deux temps : Lors des efforts de retenue, la contraction du muscle élévateur de l anus et principalement de sa portion sphinctérienne entraine une remontée du bloc viscéral : la vessie, l utérus et le rectum se déplacent légèrement vers le haut et vers l avant et le vagin se verticalise. Lors des efforts de poussée, la pression abdominale porte en avant sur le pubis, en arrière sur la région ano-coccygienne. Ce qui provoque des déplacements des organes pelviens, où les viscères pelviens se déplacent en bloc vers l arrière et vers le bas, s appuyant sur le périnée postérieur. Le déplacement des organes pelviens s accompagne de déformations des organes, c est-à-dire des changements morphologiques en dehors des mouvements linéaires et rotationnels. Ces deux phénomènes observés dépendent de l amplitude des forces de poussée, et de l élasticité des tissus des organes. [Rubod et al., 2008] s est intéressé à mesurer l élasticité des organes pelviens en ex-vivo sur des cadavres, l étude a montré que l utérus est plus rigide que le vagin et la vessie et le rectum. Cependant, si cette étude a fourni une information globale sur l élasticité des tissus, les valeurs issues des mesures sont discutables. En effet, ces mesures sont effectuées ex-vivo sur des tissus morts et en dehors du corps humain, et donc dans des conditions éloignées de celles observées in vivo. En plus des déformations et des mouvements, les formes des organes pelviens au repos ne sont pas fixes. Elles dépendent de divers facteurs comme les états de réplétion ou de miction ou de la grossesse. Ces paramètres font que les amplitudes des déformations et déplacements sont variables au sein d un sujet et d un sujet à un autre. La forme des organes dépend donc des contraintes qui s exercent sur ces organes lors des efforts de poussée et de retenue. La forme des organes dépend également de leur état de réplétion. Les modifications morphologiques des organes pelviens et notamment de l utérus lors de la grossesse ne seront pas abordées dans cette thèse car ils constituent une entité spécifique tant sur le 12

25 I.2. Anatomie de la cavité pelvienne plan clinique que sur le plan des pathologies rencontrées. poussée retenue Figure I.4 Schéma des direction des forces de poussée (en rouge) et de retenue (en bleu). En pratique clinique, le déplacement des organes pelviens est le plus souvent évalué par l étude du déplacement de points repères par rapport à une ligne fixe, comme la ligne sous-pubo-sacrococcygienne, ou encore la ligne pubo-hyménéale. Les points repères les plus utilisés sont le col vésical, le col utérin, et le sommet de l angle anorectal. En situation normale, et en repos, ces points sont situés au dessus de la ligne sous-pubo-sacro-coccygienne. L étude des angles anatomiques au repos et lors des efforts de poussée et de retenue font également partie de l évaluation de la dynamique pelvienne (figure I.5). Quelques recherches se sont intéressées à la cinétique pelvienne. Ainsi, [Reddy et al., 2001] mesure la distance parcourue par le col vésical après un effort de poussée, cela a permis d observer que les distances parcourues varient selon le type d effort de poussée appliqué. [Constantinou et al., 2002] mesure quant à lui la cinétique des points et des angles de la région pelvienne suite à un effort de poussée, afin d évaluer l effet de l âge sur le comportement des organes. Depuis, d autres mesures plus approfondies ont été proposées, comme la standardisation des mesures de la descente des organes pelviens [Bump et al., 1996], [Visco et al., 2003]. Dans ce contexte, la quantification des prolapsus génitaux, appelée POP-Q ("pelvic organ prolapse quantification") permet de mesurer la descente périnéale. Les mesures réalisées dans ces travaux ne sont pas uniformes. De plus, elles sont effectuées manuellement et sont donc sujettes à une variabilité inter-observateur [Yoshioka et al., 1991]. A ce titre, la définition de repères reproductibles serait déjà un apport, à condition de minimiser la variabilité lors de l estimation. De plus, nous remarquons que même si la déformation est clairement observée et identifiée par les cliniciens, elle n est pas mesurée, car il n existe pas de moyen simple, reproductible et objectif pour mesurer ces déformations. Par leurs fonctions, les organes pelviens se déforment et se déplacent. La poussée et la retenue sont les deux causes principales et contrôlées du mou- 13

26 Chapitre I. La dynamique pelvienne et ses pathologies vement. Bien que ces mouvements aient été étudiés, leur mesure ne semble pas évidente. Nous nous intéresserons essentiellement à la résultante de la poussée. Cette dernière se décompose en une poussée diaphragmatique et une poussée abdominale. Col vésical Sommet utérovaginal Sommet anorectal Ligne sous pubo-sacro-coccygienne Ligne horizontale Ligne pubo-hyménéale Figure I.5 Quelques repères anatomiques de la région pelvienne. I.3 Les troubles de la statique pelvienne et leurs prises en charge Les principales pathologies des organes pelviens sont les tumeurs pelviennes et les troubles fonctionnels de la statique pelvienne. D autres pathologies sont moins fréquentes comme les malformations, les pathologies inflammatoires, et les pathologies infectieuses,... Nous nous limiterons dans cette section aux troubles fonctionnels de la statique pelvienne, puisque nos travaux s intéressent spécifiquement à la compréhension de ces pathologies. Les troubles fonctionnels regroupent les pathologies relatives à des comportements anormaux des organes pelviens. On recense deux types de troubles fonctionnels : l incontinence et le prolapsus. L incontinence (anale ou urinaire) se traduit par la perte involontaire d urine ou de matière fécale. Le prolapsus est parmi les pathologies les plus fréquentes, il est défini comme une descente anormale d un ou plusieurs organes pelviens. Les symptômes du prolapsus se manifestent généralement par une sensation de fuite d organes, de douleurs pelviennes, ou par des troubles de la continence. Les prolapsus des différents étages peuvent être isolés ou associés. Le prolapsus antérieur de la vessie est une cystocèle (figure I.6a) est une descente de la base vésicale, ou encore l urétrocèle qui se définit par la descente du col vésical. Le prolapsus moyen affecte l utérus et le vagin (figure I.6b). Il se caractérise par l abaissement du col utérin (hystéroptose), ou par la descente du fond vaginal ou la paroi antérieure (colpocèle). 14

27 I.3. Les troubles de la statique pelvienne et leurs prises en charge Utérus Utérus Vessie Vagin Rectum Vessie Vagin Rectum (a) Cystocèle. Utérus (b) Hystérocèle. Vessie Vagin Rectum (c) Rectocèle. Figure I.6 Principaux prolapsus. Le prolapsus rectal (extériorisation du rectum à travers l anus) et la rectocèle (hernie de la paroi antérieure du rectum à travers la face postérieure du vagin) sont les principaux troubles de l étage postérieur (figure I.6c). Enfin, l élytrocèle ou la péritonéocèle (descente du cul de sac de Douglas) est un élargissement du cul-de-sac recto-utérin qui peut contenir de l intestin grêle (entérocèle) ou le colon sigmoïde (sigmoïdocèle). La prise en charge des prolapsus nécessite le plus souvent une intervention chirurgicale, même si la rééducation périnéale s avère parfois utile pour améliorer le soutien musculaire des organes bien qu elle ne corrige pas le prolapsus. Une alternative à la chirurgie existe en insérant un pessaire dans le vagin, il s agit d un anneau en latex ou en silicone destiné pour les troubles de la statique de l étage moyen génital seulement. C est une solution moins coûteuse par rapport à la chirurgie, et ses effets secondaires sont mineurs [Courtieu, 2007]. Le traitement chirurgical des prolapsus vise à repositionner correctement les organes pelviens. Il existe de nombreuses interventions chirurgicales pour traiter ces troubles selon différentes voies d abord (abdominale, périnéale, vaginale, rectale,...), avec ou sans interposition de matériel prothétique. Ces interventions ont en commun de vouloir permettre la restauration d une anatomie normale, du moins à l état de repos. Parmi les différentes interventions, les promontofixations ont pour principe de fixer l organe prolabé au promontoire. Ceci en utilisant des 15

28 Chapitre I. La dynamique pelvienne et ses pathologies prothèses synthétiques ou biologiques, permettant de former un socle sous les organes pelviens. Des bandelettes peuvent être également utilisées pour la promontofixation comme illustré sur la figure I.7. Ces bandelettes sont fixées sur le promontoire vers les parois vaginales ou les muscles élévateurs de l anus. La chirurgie est un traitement validé pour les troubles de la statique pelvienne. Dans ce sens, [Cosson et al., 2000] et [Rivoire et al., 2007] ont montré la validité de la chirurgie sur le court terme après avoir effectué des promontofixations sur une série d une centaine de patientes. Le risque de complications doit cependant être pris en considération notamment dans le cadre d une chirurgie fonctionnelle. De plus, le résultat fonctionnel à moyen ou long terme n est pas toujours corrélé à la correction anatomique. Figure I.7 La promontofixation. I.4 Modalités d imagerie pelvienne Les troubles de la statique sont nombreux, souvent complexes et associés, affectant plusieurs organes. Les symptômes sont peu spécifiques et la sensibilité de l examen clinique est faible. Des examens complémentaires sont donc nécessaires pour évaluer les troubles de la statique pelvienne. Les avancées technologiques dans le domaine de la radiologie offrent une multitude de modalités d imagerie de la cavité pelvienne. L examen radiologique est couramment utilisé pour la visualisation de la dynamique pelvienne et l évaluation des prolapsus, en complément de l examen clinique. La Colpocystodéfécographie (CCD) est l une des premières techniques d examen utilisée. Il s agit de clichés radiographiques du pelvis par rayons X, elle peut être statique ou à différents instants de la dynamique pelvienne (retenue, poussée, repos). A titre d exemple, la cystographie permet d évaluer le prolapsus vésical, la défécographie concerne les prolapsus du rectum après une opacification du conduit anorectal. La figure I.8a montre un cliché d une cystodéfécogra- 16

29 I.4. Modalités d imagerie pelvienne phie. Ce procédé tend à être de plus en plus délaissé, à cause du risque d irradiation lors d une mauvaise dosimétrie. La tomodensitométrie pelvienne ou scanner pelvien produit des coupes transverses de la région pelvienne. Cet examen nécessite une préparation du sujet qui peut être contraignante (jeûne de la patiente, injection d agent de contraste (iode), opacification). Une autre possibilité pour la visualisation s offre avec l utilisation des ultrasons. L échographie est non irradiante et propose une bonne résolution temporelle (temps réelle) pour visualiser les tissus mous des viscères (figure I.8b), son efficacité est néanmoins limitée pour l étude des prolapsus à cause du faible contraste entre les tissus lorsqu il s agit d analyser la région pelvienne en entier, en plus du bruit inhérent à ce type de modalité. R Ve U SP (a) Cystodéfécographie. (b) Echographie sagittale pelvienne. Figure I.8 Exemple d acquisitions d imagerie pelvienne (Ve : vessie, R : rectum, Ut : utérus, Va : vagin, U : urètre, SP : symphyse pubienne). Par ailleurs, l examen endoscopique permet de visualiser les parois internes des organes, son fonctionnement repose sur l utilisation d une fibre optique à l intérieur d un conduit guide. L endoscopie nécessite généralement une anesthésie locale, et est propre à chaque organe, on parle par exemple de cystoscopie pour la vessie et de coloscopie pour le colon et le conduit anorectal. Aussi, des technologies plus récentes permettent de caractériser la nature des parois pour la recherche de cancers par exemple [Grimbergen et al., 2009]. Cependant, le bénéfice de l endoscopie et de l échographie pour l évaluation des pathologies pelviennes n est pas démontré. L imagerie à résonance magnétique (IRM) est un outil fréquemment utilisé pour la visualisation et l évaluation de la dynamique pelvienne. Nous détaillerons cette modalité dans ce qui suit. L IRM dynamique pelvienne L appareil IRM permet d obtenir des acquisitions ou séquences d acquisitions des tissus de l organisme. Il est composé d un aimant dont la puissance se mesure en Tesla, et d une bobine 17

30 Chapitre I. La dynamique pelvienne et ses pathologies émettant des ondes radio. Comme suggéré dans la figure I.9, le patient y est installé en position alitée. Figure I.9 Scanner IRM. L IRM pelvienne offre un excellent contraste comparé aux autres modalités d imagerie, puisqu on arrive à distinguer les viscères des muscles et de la graisse. C est pourquoi l IRM pelvienne est bien adaptée pour l étude de la morphologie des organes pelviens grâce aux acquisitions IRM statiques, mais aussi pour l étude de la mobilité des organes lors d un effort de poussée grâce aux acquisitions IRM dynamiques. Ainsi, l IRM dynamique pelvienne de type 2D+t est une séquence composée d images IRM 2D répétées sur le plan sagittal médian, à raison d une image par seconde typiquement, lors d un effort de poussée abdominale. Acquérir des acquisitions IRM 3D+t n est pas possible à ce jour. Ceci est dû à l impossibilité de satisfaire le compromis entre le volume acquis et le temps d acquisition de ce volume, c està-dire d acquérir des ensembles de coupes d IRM de la totalité de la cavité pelvienne à des intervalles temporels réduits. Il est considéré que l essentiel de la dynamique pelvienne peut être observé sur le plan sagittal, et à un degré moindre le plan frontal, les mouvements sur le plan transverse sont considérés comme négligeables [Maubon et al., 2008]. D autre part, la position allongée de la patiente peut avoir une influence sur l effort de poussée qui se fait habituellement en position assise ou debout, ce qui peut biaiser les observations des prolapsus légers. Ce point est un élément de discorde entre les radiologues sur la détermination de la modalité d imagerie la plus efficace, mais il est globalement admis que l examen par IRM est un moyen convenable pour l exploration de la région pelvienne et de ses troubles [Novellas et al., 2009], en complément de l examen clinique, pour l évaluation de la dynamique pelvienne aussi bien en pré-opératoire qu en post-opératoire, ou encore pour évaluer la qualité 18

31 I.4. Modalités d imagerie pelvienne de la rééducation périnéale. D autant plus que le procédé est non irradiant et non invasif. Même s il reste coûteux, limitant ainsi la généralisation de l examen IRM. Type IRM Champ magnétique Plan Taille image Résolution temporelle tr (RepetitionTime) te (EchoTime) Epaisseur (SliceThickness) Espace inter-pixels T-2 ultrafast 1.5 Tesla Sagittal pixels mm 0.76 s 3.6 ms 1.8 ms 10 mm mm Tableau I.1 Paramètres d acquisition Le tableau I.1 décrit les paramètres d acquisition des séquences IRM dynamiques utilisés par le service de radiologie de l hôpital Sainte-Marguerite de Marseille. L examen dure généralement 20 minutes et se déroule en deux phases : une phase statique. Il s agit d une phase morphologique pure, puisque des acquisitions sont effectuées pour des besoins spécifiques, comme pour l évaluation des sphincters. une phase dynamique où la patiente doit effectuer des retenues et des poussées en évacuation. La patiente est en décubitus dorsal et sa vessie en semi-réplétion. On procède très souvent à une opacification du rectum (voire du vagin) à l aide d une sonde anale, afin que l organe soit bien contrasté sur l IRM. Les données IRM acquises sont de type T-2, elles ont été obtenues par un appareil PHILIPS Gyroscan 1.5 Tesla, fournissant des images au format DICOM. La figure I.10 montre un exemple d une acquisition acquise par cet appareil. Figure I.10 Quelques images d une séquence temporelle d acquisition IRM dynamique. Bien entendu, il existe d autres protocoles d acquisition de la région pelvienne qui dépendent des choix des radiologues. Le rendu visuel n est par conséquent pas le même en termes d intensité des pixels. 19

32 Chapitre I. La dynamique pelvienne et ses pathologies Par ailleurs, le principe de l acquisition IRM repose sur les propriétés magnétiques des noyaux d atomes, ainsi, la patiente est soumise à un champ magnétique (théoriquement) constant et permanent (1.5 à 3 Tesla) durant 10 à 30 minutes. Il n en demeure pas moins que des imprécisions peuvent avoir lieu lors de l acquisition, cela s explique essentiellement par la non-homogénéité du champ magnétique réel, par des mouvements éventuels de la patiente lors de l acquisition, ou encore par la présence d objets métalliques lors de l acquisition. Ainsi, l absence d un protocole d acquisition standard et le biais pouvant affecter les acquisitions IRM rendent difficile l exploitation des niveaux de gris des pixels. Cela nous a amené à manipuler les contours des organes, après une étape de segmentation. La segmentation automatique des principaux organes pelviens est une tâche difficile, seule la vessie est bien contrastée et facilement segmentable, tandis que l opacification du rectum permet aussi de visualiser ses contours. Il est cependant difficile de délimiter les bords inférieurs et supérieurs du rectum de l utérus et du vagin à cause de l homogénéité des intensités des tissus des organes sur l IRM. De plus, le péritoine et les ligaments n étant que peu (ou pas) visibles sur l IRM, ces structures seront négligées dans notre étude. I.5 Contexte de la thèse Les troubles de la statique pelvienne touchent principalement des personnes âgées (60% des femmes âgées de 60 ans sont concernées par ces troubles). D après une enquête menée auprès de 4000 femmes, une femme sur trois a été affectée par des dysfonctionnements d ordre pélvi-périnéal [Lawrence et al., 2008]. Certains spécialistes utilisent le terme d épidémie cachée [DeLancey, 2005] pour décrire l amplitude de ces maladies et leur importance au sein de la population. Le geste chirurgical demeure l une des modalités de traitement envisagée dans de nombreux cas, il permet de réduire considérablement ces troubles en restaurant une anatomie normale. Toutefois, le risque à court terme est celui des complications post-opératoires (péritonite, abcès, occlusion, hémorragie, complications générales) et le risque à distance est d altérer la fonction d un ou plusieurs étages [Blanc et Siproudhis, 2005]. Ceci en raison de la complexité de la physiopathologie des troubles de la statique pelvienne. Des simulateurs virtuels de chirurgie ont vu le jour depuis quelques années, leur utilisation pourrait permettre d optimiser les méthodes chirurgicales. Outre leur intérêt pédagogique pour l apprentissage des gestes chirurgicaux, ces simulateurs permettraient aussi d estimer l impact fonctionnel d une intervention chirurgicale sur les structures anatomiques de la région pelvienne, en étant inclus au processus de prise en charge de la patiente (figure I.11). La réalisation d un simulateur de chirurgie pelvienne nécessite une étape de reconstruction de la cavité pelvienne ainsi qu une représentation des comportements des structures incluses : il s agit de la modélisation. La modélisation d organes a pour but de reproduire virtuellement la géométrie 20

33 I.5. Contexte de la thèse Rééducation Signes fonctionnels Examen clinique IRM (séquences volumiques & dynamiques) Radiographie X Computer assisted planning Diagnostic Chirurgie Traitement médicamenteux Figure I.11 Le planning pré-opératoire. et le comportement des organes étudiés. Elle repose sur des données réelles mesurées ainsi que sur des hypothèses émises par des experts. Dans ce contexte, un projet scientifique pour la Modélisation de la Dynamique Pelvienne (MoDyPe) a vu le jour. Son objectif est de réaliser une modélisation dynamique des principaux organes pelviens spécifique à chaque patiente, cette modélisation étant développée à partir de son bilan radiologique. La faisabilité de cette tâche a été montrée dans [Bellemare et al., 2007]. Dans le domaine de la modélisation pelvienne, [Fielding et al., 2000], [Parikh et al., 2004] sont parmi les premiers à présenter un modèle générique de la cavité pelvienne, il s agit d une simple reconstruction à partir d une acquisition IRM 3D statique. Le modèle est utilisé comme un moyen pédagogique pour l étude morphologique des entités anatomiques du pelvis. Ainsi, nous retrouvons des recherches qui se sont intéressées à simuler la dynamique du muscle élévateur de l anus lors de la contraction ( [d Aulignac et al., 2005], [Lee et al., 2009], [Noakes et al., 2008], [Saleme et al., 2011], [Jing et al., 2011]). Ou encore de la simulation des mouvements de la paroi vaginale intérieure pour évaluer l impact de la cystocèle [Chen et al., 2009]. Ces travaux se basent tous sur la reconstruction à partir d acquisitions IRM spécifiques à un sujet, ils diffèrent sur la nature des modèles physiques implémentés, et sur le choix des paramètres biomécaniques qui sont souvent extraits de prélèvements sur des cadavres [Janda et al., 2003], ce qui limite la précision et le réalisme de la modélisation. D autres travaux se sont intéressés à la modélisation de la mobilité des organes pelviens. [Boubaker et al., 2009] présente une modélisation de la dynamique des viscères pelviens d un sujet masculin pour l étude du cancer de la prostate, en effectuant des mesures d élasticité sur des tissus porcins. [Boukerrou et al., 2007] propose une modélisation de la dynamique des organes du pelvis féminin avec des données prélevées sur des cadavres. Cette modélisation a été enrichie par [Vallet et al., 2011] en utilisant des ligaments attachés aux organes. Citons égale- 21