Rachid JENNANE Caractérisation morphologique et topologique du tissu osseux

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1 Caractérisation morphologique et topologique du tissu osseux Rachid JENNANE Laboratoire I3MTO Université d Orléans CHR-Orléans Cascimodot 8 juillet 2015/ 1

2 L Ostéoporose Os sain Os avec ostéoporose Baisse de densité minérale osseuse Altérations du tissu osseux? Cascimodot 8 juillet 2015/ 2

3 Examen clinique La DXA (Dual energy X-ray Absorptiometry) = Atténuation de rayons X de deux énergies différentes Mesure du T-Score Cascimodot 8 juillet 2015/ 3

4 Pourquoi étudier la microarchitecture? Faible BV/TV Forte minéralisation Même DMO Même BV/TV Même minéralisation Microarchitecture différente Forte BV/TV Faible minéralisation La DMO surfacique n est qu une partie du problème! Cascimodot 8 juillet 2015/ 4

5 Pourquoi améliorer le diagnostic de l ostéoporose? Fracture risk No of women with fractures Cascimodot 8 juillet 2015/ 5

6 Challenges Cascimodot 8 juillet 2015/ 6

7 L Ostéoporose Os sain Os avec ostéoporose Baisse de densité minérale osseuse Altérations du tissu osseux? Cascimodot 8 juillet 2015/ 7

8 L Ostéoporose Os sain Os avec ostéoporose Baisse de densité minérale osseuse Altérations du tissu osseux? Cascimodot 8 juillet 2015/ 8

9 L Ostéoporose Os sain Os avec ostéoporose Baisse de densité minérale osseuse Altérations du tissu osseux? Cascimodot 8 juillet 2015/ 9

10 Techniques 1D & 2D Cascimodot 8 juillet 2015/ 10

11 Modèle fractal Mouvement brownien fractionnaire (mbf) Centré, gaussien, non stationnaire, incréments stationnaires, selfsimilaire B H it 1 e 1 ( t) db( ) H 1/ 2 2 ( i) Radiographie d un calcanéum avec la région d intérêt Région d intérêt Cascimodot 8 juillet 2015/ 11

12 Exemples de réalisations mbf H = 0.2 H = 0.5 H = 0.8 Cascimodot 8 juillet 2015/ 12

13 Pourquoi le mbf? Extraction d une ligne ROI Periodograme Texture Complexe Contrast Anisotrope Comportement non stationnaire [Lundahl et al., IEEE-TMI, 1986] [Jacquet et al., IEEE-EMBS, 1990] [Benhamou et al., JBMR, 1994] [Jennane, thesis, 1995] Compotement en 1/f Cascimodot 8 juillet 2015/ 13

14 Analyse Cascimodot 8 juillet 2015/ 14

15 Orientations privilégiées Analyse Fractale Orientée (AFO) Mesure de la valeur de H dans n directions pour tenir compte des orientations privilégiées Estimation de la régularité dans différentes directions Variation de H en fonction de l angle d analyse Cascimodot 8 juillet 2015/ 15

16 AFO : Résultats Radius Calcanéum Cascimodot 8 juillet 2015/ 16

17 Anisotropie Méthode des Moyennes Directionnelles (MMD) Mesure de la valeur de H par projection de l image dans différentes orientations Projection Estimation de H Projection le long d une direction Signal projeté H (n-1)d = H nd Variation de H en fonction de l angle de projection [Jennane et al., Med Image Analysis, Elsevier, 2007.] nd : Dimension n Cascimodot 8 juillet 2015/ 17

18 Limite du modèle mbf 0 < H < 1 Cascimodot 8 juillet 2015/ 18

19 Définition B n H ( t) B n H (0) 1 t ( H 1/ 2) 0 H 1/ 2 t u u t u H 1/ 2 Modèle n-mbf db( u) n t... ( H 1/ 2)...( H n 3/ 2) db u n ( ) ( 1)!, n H 1/ 2 n-1 < H < n Gaussien, centré, non stationnaire, auto-similaire Incréments non stationnaires!!! n-th incréments stationnaires H n Exemple, incréments seconds 2 B 2 H ( t) B 2 H ( t 1) 2B 2 H ( t) B 2 H ( t 1) [Perrin, Jennane et al., IEEE Trans. Signal Processing, 2001.] Cascimodot 8 juillet 2015/ 19

20 2-mbf 1-bgf 2-bgf Exemples de réalisations 2-mBf Amplitude Amplitude fGn (H=1.2) time fBm primary increments (H=1.2) time fBm (H=1.2) Amplitude Amplitude fGn (H=1.5) time fBm primary increments (H=1.5) time fBm (H=1.5) Amplitude Amplitude e+4 0.0e+0 2-fGn (H=1.8) time fBm primary increments (H=1.8) time fBm (H=1.8) Amplitude Amplitude Amplitude -2.0e+4-4.0e+4-6.0e+4-8.0e+4-1.0e+5-1.2e time time -1.4e+5-1.6e time H=1.2 H=1.5 H=1.8 Cascimodot 8 juillet 2015/ 20

21 Limite du modèle mbf 1 seul spectre en 1/f Cascimodot 8 juillet 2015/ 21

22 DSP DSP Modèle fractal par morceaux 0<Hi<1 0<Ho<1 mbf f p-mbf f B H it 1 e 1 ( t) db( ) H 1/ 2 2 ( i) Propriétés Gaussien Non stationnaire incréments stationnaires Auto-similaire [Perrin, Jennane et al., IEEE Trans. on Signal Proces[sing, 2005.] [Harrar, Hamami, Jennane, BSPC, Elsevier, 2013] F Ho, Hi, Cascimodot 8 juillet 2015/ 22 B 1 Ho, Hi, it ( t) F ( ) e 1 d ( ) 2 1 ( ) Ho, Hi, [0, ) HiHo [, ) ) ( ) Ho 2 1/ 2 1/ Hi i i Ho, Hi]0,1[ 1 (

23 Exemples de réalisations p-mbf H o = 0.2, H i = 0.8, = 0.05 H o = 0.8, H i = 0.2, = AMPLITUDE 0 AMPLITUDE TIME TIME H o = 0.2, H i = 0.8, = 0.05 H o = 0.8, H i = 0.2, = AMPLITUDE 0 AMPLITUDE TIME TIME Ho=0.2 ; Hi=0.8 ; ϫ =0.05 Ho=0.8 ; Hi=0.2 ; ϫ =0.05 Zoom avant Similaire à un mbf de paramètre Hi Zoom arrière Similaire à un mbf de paramètre Ho Cascimodot 8 juillet 2015/ 23

24 Techniques 3D Cascimodot 8 juillet 2015/ 24

25 Squelettisation Squelette filaire Squelette surfacique Cascimodot 8 juillet 2015/ 25

26 Classification Prise en compte de la mixité des formes Cascimodot 8 juillet 2015/ 26

27 Classification Guidage du processus de squelettisation Cascimodot 8 juillet 2015/ 27

28 Squelettisation hybride Simplification du milieu (squelette hybride) [Jennane et al., Med Physiques, 2012.] [Jennane et al., Med Syst, Elsevier, 2010.] Cascimodot 8 juillet 2015/ 28

29 Labellisation Jonctions plaque-poutre, poutre-poutre, etc. [Jennane et al., Med Physiques, 2012.] [Jennane et al., Med Syst, Elsevier, 2010.] Cascimodot 8 juillet 2015/ 29

30 Segmentation De nombreux paramètres morphologiques et topologiques [Jennane et al., Med Physiques, 2012.] [Jennane et al., Med Syst, Elsevier, 2010.] Cascimodot 8 juillet 2015/ 30

31 Biomécanique Estimation virtuelle de la rigidité mécanique osseuse à l aide de modèles simples Transformation en éléments mécaniques «Poutres-Coques» [Jennane et al., Med Syst., Elsevier, 2011.] [Aufort, Jennane et al., EUSIPCO, 2007.] Cascimodot 8 juillet 2015/ 31

32 Résultats Cascimodot 8 juillet 2015/ 32

33 Etudes cliniques Sur radiographies numériques Etude 1 39 ostéoporotiques, 70 témoins Etude femmes post ménopausées sans fractures 27 femmes post ménopausées avec fractures Etude 1 Etude 2 Techniques Test de Student Valeurs de t ( t > 2.01) Test de Man et Whitney Valeurs de p (p < 0.05) Analyse Fractale Orientée Matrices de co-occurrence < Matrices de longueurs de plages 3.00 < [Benhamou, Jennane et al., Osteoporosis International, 2006.] [Harba, Jennane et al., ITBM, 1999.] Cascimodot 8 juillet 2015/ 33

34 Corrélations 2D-3D Images tomographiques du synchrotron de Stanford 7 radius humains, résolution 17 µm Etape 0 Etape 1 Etape 2 Etape 3 Etape N z Dégradation z x y Projections x y Projections après traitement dans les 3 directions orthogonales Cascimodot 8 juillet 2015/ 34

35 Corrélations 2D-3D:Résultats Os 3D z Paramètres 3D conventionnels BV/TV: Bone Volume/Trabecular Volume Tb.Th: Trabecular Thickness Tb.Sp: Trabecular Spacing Tb.N: Trabecular Number Conn.D: Connectivity Density x y BV/TV Tb.Th Tb.Sp Tb.N Conn.D Hx Hy Hz Projections, Hx, Hy, Hz Coefficients de corrélation entre (Hx, Hy, Hz) et (BV/TV, Tb.Th, Tb.Sp, Tb.N, Conn.D) [Jennane et al., IEEE-Trans. Med. Ima, 2001.] [Pothuaud et al., JBMR, 2000.] Cascimodot 8 juillet 2015/ 35

36 Liens 2D-3D : Résultats 21 carottes osseuses de têtes fémorales Résolution 12 μm z Théorème Os 3D, H 3D y 0.5 H 3D = H 2D x H 2D - H 3D Suivant x H 2D - H 3D Suivant y H 2D -H 3D Suivant z Moyenne Std Projections, H 2D [Jennane et al., Medical Image Analysis, 2007.] Moyennes et écarts types le long des axes orthogonaux Cascimodot 8 juillet 2015/ 36

37 Eapp(y) Biomécanique : Résultats Coxarthrique (OA) Ostéoporotique (OP) 2 populations : 9 coxarthriques et 9 ostéoporotiques résolution 12 µm, taille voxels [Jennane et al., Med Syst, Elsevier 2009] [Aufort, Jennane et al., EUSIPCO, 2009] Pl.Th Courbe de Fisher Cascimodot 8 juillet 2015/ 37

38 Caractérisation morphologique et topologique du tissu osseux Rachid JENNANE Laboratoire I3MTO Université d Orléans CHR-Orléans Cascimodot 8 juillet 2015/ 38