Scoliose et reconstruction 3d

Pour introduire le projet, une brève description de la scoliose est d’abord présentée. Ensuite, on trouve une description de quelques techniques d’imagerie utilisées pour l’examen de la scoliose et finalement une description de la méthode de reconstruction 3D de la colonne vertébrale à partir de deux radiographies antéro postérieure (AP0°) et latérale (LAT).

La colonne vertébrale 

La colonne vertébrale  ou rachis est l’une des structures les plus importantes du corps humain. Elle supporte l’ensemble du squelette humain. Elle permet de supporter le crâne, de protéger et de soutenir la moelle épinière. Elle est composée de 7 vertèbres cervicales formant le cou, de 12 vertèbres dorsales formant le haut du dos et de 5 vertèbres lombaires. Chaque vertèbre est reliée des vertèbres voisines par des disques intervertébraux qui protègent la colonne vertébrale de chocs et de traumatismes . Les vertèbres constituant la colonne vertébrale sont toutes différentes les unes des autres mais elles possèdent néanmoins des caractéristiques communes.

La scoliose 

La scoliose est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale qui entraîne des modifications géométriques des vertèbres, du thorax, de l’abdomen et des zones proches de la colonne vertébrale. On ne connaît généralement pas les origines de la scoliose idiopathique mais des traitements (kinésithérapie, appareillage, chirurgie) imposant des contraintes et des mouvements limités de la colonne vertébrale existent. La scoliose de type idiopathique (sans cause trouvée), la plus fréquente, touche en général plus les filles que les garçons (dans un rapport 5 à 1). Pour dépister la scoliose, le médecin examine l’équilibre de la colonne vertébrale du sujet lorsqu’il est penché vers l’avant en suivant la ligne vertébrale et observe si une bosse (gibbosité) est présente (signe de scoliose). Finalement, un examen radiologique permet de confirmer l’hypothèse de scoliose en mesurant l’angle de Cobb indiquant le degré de déformation de la colonne vertébrale dans les plans radiographiques. La scoliose peut apparaître très jeune de 0 à 3 ans et tout le long de la croissance jusqu’à la fin de la maturité osseuse. Elle peut être d’autant plus grave qu’elle est apparue tôt. Les traitements varient selon la nature de la scoliose. Mais dès le début de la confirmation de la déviation scoliotique, il faut envisager la kinesisthérapie. Si l’angle de déviation est supérieur à 20 °, il faut en plus ajouter un traitement orthopédique par port d’un corset pour maintenir le haut du corps. Il en existe plusieurs types différents (Boston, Cheneau, 3D … ). Dans le cas où la déviation scoliotique est très prononcée, un traitement chirurgical par instrumentation doit être envisagé . Il s’agit de pose de tiges, qui servent à redresser la colonne vertébrale, fixées à l’aide de crochets et de vis insérés   directement dans les vertèbres. La pose de l’instrumentation engendre des contraintes pour le patient mais permet néanmoins des mouvements limités de la colonne vertébral.

L’image radiographique 

Les images médicales ont leurs propres particularités. On s’intéressera plus particulièrement au cas des images radiographiques : la manière de générer une image radiographique et ce qui est visible sur une image radiographique. Le cours de l’école vétérinaire de Lyon (France) (http ://www.vet-lyon.fr/) explique de manière détaillée tous les aspects de l’image radiographique et échographique. Les sections suivantes synthétisent la partie concernant la formation de l’image radiographique et ses caractéristiques. Il existe d’autres techniques d’imagerie radiographique comme la radiographie numérique et la radiographie numérique basse-dose (EOS, Biospace Instrument).

La formation de l’image radiographique

Avant de traiter les éléments caractérisant l’image radiographique, la section suivante décrit les rayons X, l’élément essentiel pour la génération de radiographies.

Les rayons X
La découverte des rayons X remonte à 1895. Ils ont été mis en évidence par Wilhelm Rontgen. La principale caractéristique de ce rayonnement est de pouvoir traverser des corps opaques à la lumière, ce qui a permis d’obtenir des images de l’intérieur du corps humain. Les rayons X ont une énergie assez élevée pour pouvoir traverser des objets opaques à la lumière comme les organes composant les êtres vivants. L’atténuation des rayons X dans le corps humain n’est en général pas uniforme et dépend des propriétés physiques des différents constituants à l’intérieur du corps humain. Les rayons X font partie de la famille des ondes électromagnétiques. Ce sont des quantités d’énergie, combinaison d’un champ électrique et d’un champ magnétique se propageant dans le vide ou dans la matière. Lorsqu’ils se propagent dans la matière, les rayons X entrent en interaction avec celle-ci. Il peut se produire une absorption, une diffusion, ou une réflexion de 1′ onde initiale. Physiquement, on caractérise les rayons X par leur amplitude et leur longueur d’onde. La longueur d’onde dépend de la vitesse et de la fréquence de l’onde selon la relation c= λν (1.1)

Où c est la vitesse, λ est la longueur d’onde et v la fréquence de l’onde.

Les rayons X sont générés par la projection d’un flux électron à haute vitesse (émis par la cathode) sur une cible matérielle (l’anode). La génération de rayons X peut se caractériser par deux types de mécanismes: l’émission générale et l’émission caractéristique.

L’émission générale est le mode principal de génération des rayons X en radiologie. Lorsqu’un électron à haute vitesse passe très proche du noyau d’un atome, il est attiré par sa charge, il se trouve ainsi freiné et perd une partie de son énergie cinétique. La partie d’énergie perdue se retrouve sous la forme d’une émission d’un ou plusieurs rayons X.

L’émission caractéristique contribue très faiblement à la génération de rayons X. L’émission caractéristique se produit lorsqu’un électron incident vient heurter un électron (un électron d’une couche profonde Ken général) de l’atome et parvient à l’éjecter. Ce trou est ensuite vite comblé par un électron d’une couche périphérique par exemple K ou L. Le déplacement provient de la différence d’énergie de liaison entre ces deux électrons. La différence d’énergie de liaison entre les deux couches se retrouve sous la forme d’émission de rayons X.

Formation de l’image radiographique
L’image radiographique est formée par les différences d’atténuations des milieux traversés. L’atténuation dépend de plusieurs paramètres dont l’épaisseur des objets traversés, la composition des objets traversés et l’intensité des rayons X. Par ailleurs, il existe un rayonnement secondaire qui diffuse dans toutes les directions lors de la traversée des rayons X. Celui-ci influence la qualité de l’image radiographique et exige des mesures de précautions à cause des effets néfastes possibles. Les principales interactions entre la matière organique et les rayons X utilisés en radiologie sont connues sous le nom d’effet photoélectrique et d’effet Compton.

L’effet photoélectrique se produit lorsqu’un rayon X arrive près d’un électron d’une couche profonde avec assez d’énergie pour pouvoir l’éjecter. L’énergie du rayon X se trouve absorbée par le choc et convertie en énergie cinétique pour l’électron éjecté. L’électron éjecté laisse sa place à un électron de plus faible énergie qui laisse échapper un rayon X de faible énergie en remplaçant l’électron éjecté. L’effet photoélectrique a comme conséquence d’arrêter les rayons X et a une probabilité d’apparition qui dépend du numéro atomique de la matière. Un élément comme le plomb arrête plus facilement les rayons X. Cet effet apparaît souvent pour des rayons X d’énergie faible (inférieure à 70 KeV).

L’effet Compton est prépondérant pour des rayons X d’énergie plus élevée (supérieure à 100 KeV). Il survient lorsqu’un rayon X rencontre un électron périphérique. L’électron est éjecté en convertissant une faible partie de l’énergie du rayon X en énergie cinétique et le rayon X est dévié avec une énergie plus faible. Néanmoins, ce rayonnement peut encore constituer un danger et a des effets sur l’image radiographique. L’effet Compton dépend de la densité du matériau et non du numéro atomique comme l’effet photoélectrique. Il est responsable de l’ajout d’un voile uniforme sur l’image, qui entraîne un noircissement de l’image, et ainsi une diminution de contraste globale.