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Analyse de la trame osseuse vertébrale sur coupes scanographiques
J Radiol 2005;86:645-9 © Éditions Françaises de Radiologie, Paris, 2005
article original
ostéo-articulaire
Analyse de la trame osseuse vertébrale sur coupes scanographiques J Lasbleiz (1), A Burgun (2), F Marin (1), Y Rolland (1) et R Duvauferrier (1)
Abstract
Résumé
Vertebebral trabecular network analysis on CT images J Radiol 2005;86:645-9
Objectifs. Comparer l’analyse de texture, la mesure de densité et l’analyse visuelle quantitative de la trame osseuse vertébrale, visible sur des coupes TDM, afin d’évaluer au mieux les perturbations architecturales liées à l’ostéoporose. Matériel et méthode. Chez 17 patients (19 à 84 ans), une coupe TDM a permis l’analyse de l’os trabéculaire sur une ROI de 1,6 cm2. Nous avons mesuré sur cette dernière la densité, les attributs de texture de type longueurs de plages et un paramètre inspiré de l’histomorphométrie osseuse (Bone Volume/Tissue Volume). Résultats. Les résultats, présentés par classes d’âge et de sexe, ont mis en évidence les différences entre les trois analyses. En effet, on retrouve des densités, un nombre de longueur de plage et un Bone Volume/Tissue Volume plus faibles chez les patients les plus âgés et donc avec l’os trabéculaire le plus altéré. Conclusion. La mesure de densité n’exprime pas la complexité de l’ostéoporose. Les paramètres de longueurs de plages donnent un élément supplémentaire en prenant en compte la densité et l’organisation spatiale des pixels. Le BV/TV donne des informations sur le réseau trabéculaire et donc sur l’architecture de l’os trabéculaire. Leurs apports dans l’analyse de la trame osseuse ostéoporotique mériteraient d’être validés pour des études cliniques que cela soit dans l’étape diagnostique ou dans le suivi thérapeutique de la maladie.
Purpose. Comparing texture analysis, density measurement and visual quantification of trabecular network on spine CT images, to better evaluate bone architecture in osteoporosis. Method and materials. Seventeen patients, aged 19 to 84 years, were included. One patient presented osteoporotic fractures. High resolution computed tomographic (HR-CT) images of the third lumbar vertebra were acquired using a Somatom 4 plus CT (Siemens) in a strict axial orientation with FOV of 12 cm and slice thickness of 1 mm. The size of the Region Of Interest was 1,6 cm2. Three analyses were performed on this ROI: Density (in Hounsfield Unity), texture analysis (run length) and features inspired from bone histomorphometry (Bone Volume/ Tissue Volume). Results. Density measurement, run length methods and BV/TV provided consistent results with regards to age. Indeed density, run length and BV/TV results were lower for older patients with more advanced bone trabeculra alterations. Conclusion. Only BV/TV and run length parameters seemed to show additional information on trabecular network architecture. The contribution of these two measurements to diagnose and classify osteoporosis will be the goal of a clinical study. Key words: Osteoporosis. Run length. Texture. BV/TV. Density.
objectif de ce travail est de comparer des méthodes d’analyses de la qualité de la trame osseuse vertébrale visible sur des coupes scanner. On sait effectivement que la seule étude quantitative de la minéralisation (densitométrie) ne permet pas de comprendre l’ensemble des paramètres participant à la fragilisation osseuse. En effet l’ostéodensitométrie a montré ses limites en ne permettant le diagnostic du risque de fracture que dans 67 % des ostéoporoses (1, 2). La fragilisation est en effet due à la déminéralisation de la trame osseuse mais aussi à sa déstructuration. L’OMS en a même tenu compte dans sa définition de 1994 (3) en mettant au premier plan les résultats de l’ostéodensitométrie pour le diagnostic
L’
(1) Département de Radiologie et d’Imagerie Médicale, (2) Laboratoire d’Informatique Médicale, Hôpital Sud CHU Rennes, BP 90347, 35203 Rennes cedex 2. Correspondance : J Lasbleiz E-mail : [email protected]
Mots-clés : Ostéoporose. Longueur de plage. Texture. BV/TV. Densité.
d’ostéoporose mais en introduisant la notion de perturbation architecturale dans la définition de l’ostéoporose.
Matériel et méthode
Patients, acquisition et ROI Acquisition Nous avons utilisé un scanner SIEMENS SOMATOM 4+. À l’issue d’une étude sur spécimens anatomiques, nous avons défini les conditions optimales pour l’analyse de l’os trabéculaire vertébral au scanner. Le patient est positionné en décubitus dorsal strict. Une coupe séquentielle est réalisée à la jonction des tiers supérieur et moyen du corps vertébral de L3, afin d’éviter le sinus veineux vertébral, avec les paramètres suivants (un angle de coupe parallèle aux plateaux vertébraux, épaisseur = 1 mm, 140 kV, 140 mA, temps de rotation = 2 se-
condes, FOV = 120 mm, filtre AB 82). Le fenêtrage, conservé tout au long de l’étude est W = 640 et L = 150. Cette coupe répétée de manière identique tout au long de l’étude, permet d’obtenir une vision globale de la vertèbre (fig. 1).
Région d’intérêt Sur la coupe précédemment décrite, une région d’intérêt (ROI) mesurant 1,6 cm2 est placée de manière identique chez tous les patients. Nous avons choisi d’analyser une zone homogène d’os trabéculaire au niveau de la partie antérieure du corps vertébral pour éviter le sinus veineux. C’est sur ces ROI que sont réalisées les mesures de densité et les analyses de texture. Pour l’analyse visuelle, sur ces ROI un cliché avec un zoom optique de X 5 est réalisé, pour visualiser au mieux l’os trabéculaire vertébral (des détails d’environ 0,2 mm sont identifiables) (fig. 2) et faciliter ainsi les mesures.
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J Lasbleiz et al.
Patients Chez 17 patients, se présentant au scanner pour une autre pathologie (lombalgie, recherche de néoplasie…), n’ayant aucun traitement ou maladie influant la trame osseuse, la coupe décrite précédemment a été réalisée après obtention de leur accord. Il y avait 11 femmes pour 6 hommes, avec une moyenne d’âge à 55 ans et 4 mois. Une patiente présentait des factures ostéoporotiques vertébrales.
Méthodes d’analyses utilisées Mesures de densité La densité de l’os trabéculaire est mesurée sur les ROI définies chez les 17 sujets. Elle correspond à la mesure de la densité moyenne des pixels au sein de la ROI. L’unité de cette mesure est l’unité Hounsfield.
Fig. 2 :
Positionnement de la ROI et réalisation d’un zoom optique x 5 (ROI = 1,6 cm2)(pixels blancs : travées ; pixels noirs : moelle osseuse).
Fig. 2:
ROI positioning with X5 optical zoom (ROI=1,6 cm2) (white pixels: trabecula; black pixels: bone marrow).
Fig. 3 :
Matrice de dénombrement des longueurs de plage. Image 2D = la coupe tomodensitométrique ; Matrice de dénombrement = histogramme en trois dimensions représentant le nombre de segments en fonction du niveau de gris (i), de la longueur (lg) et de l’angle (θ ).
Fig. 3:
Run length counting matrix. 2D image=CT slice; counting matrix=three dimensional histogram representing run length number according to grey scale (i), length (lg) and angle (θ ).
Mesures des paramètres de textures de longueurs de plages Un logiciel d’analyse de texture développé en langage C++ a été intégré sur une station de traitement d’images de type Sun (Prominence-Siemens). L’élaboration de ce logiciel a fait partie d’un projet de recherche réalisé en collaboration avec le laboratoire LTSI (Laboratoire du Traitement du Signal et de l’image Rennes Beaulieu) du Pr. Coatrieux et financé par Siemens. Le logiciel s’ouvre comme les autres applications de la station de traitement de l’image et permet des études de longueurs de plages, de cooccurrence et fractale. Une représentation graphique (type histogramme) de l’analyse de texture peut être effectuée permettant d’avoir
des graphes d’interprétation facile. Le transfert des résultats de l’analyse au format EXCEL vers un PC permet aussi leur exploitation statistique. Une pré étude nous a permis de définir que seuls les paramètres de longueurs de plages spécifiques s’intéressant aux plages blanches présentaient un intérêt dans l’étude de l’os trabéculaire.
Méthode de calcul des attributs de longueurs de plages
Fig. 1 :
Coupe scanographique de la troisième vertèbre lombaire.
Fig. 1:
CT image of the third lumbar vertebra.
Les plages sont des successions, dans une direction donnée, de pixels connexes ayant la même valeur de niveau de gris. Les plages blanches correspondent aux travées osseuses, par opposition aux plages noires correspondant à la moelle osseuse (fig. 2). L’étude des longueurs de
plages se fait dans un premier temps en dénombrant les segments de pixels. L’image d’origine est donc décomposée en segments dont les propriétés sont le niveau de gris, la longueur et l’angle. La matrice de dénombrement constitue un histogramme en trois dimensions, que sont le niveau de gris (i), la longueur (lg) et l’angle (θ) (fig. 3). Notre étude a concerné les longueurs de plages ayant un angle de O° avec l’horizontal, et s’étendant sur une gamme de 16 niveaux de gris. Dans un second temps, Le calcul des paramètres de texture se fait par application des formules mathématiques sur la matrice des longueurs de plages. Ceci permet le calcul de 3 paramètres (4-9) (tableau I). J Radiol 2005;86
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Analyse de la trame osseuse vertébrale sur coupes scanographiques
Fig. 4 :
Grille de comptage utilisée en histomorphométrie. Pour l’application de cette technique à la tomodensitométrie l’espace entre les lignes et colonne d = 0,1 mm. Ici le nombre d’intersection franche est de 14 et 6 intersections tangentielles pour un total de 17/81 soit un BV/TV de 21 %.
Fig. 4:
Counting grid used in histomorphometry. To apply this technique to CT images, column and line space is d=0,1 mm. Here the number of definite intersection is 14, and the number of tangential intersection is 6, for a total of 17/81 and BV/TV=21%.
CLASSES D’ÂGE
FEMME
HOMME
> 70 ans
G. Francine : 84 ans
R. Alain : 74 ans
> 50 ans < 70 ans
C. Marie-Thérèse : 58 ans
P. Franck : 65 ans
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quantitative en utilisant des méthodes de mesure (par exemple l’épaisseur des travées, leur connectivité). L’histomorphométrie osseuse est actuellement rarement réalisée et n’intervient que lorsque le diagnostic histologique de l’ostéoporose est nécessaire. En reprenant toutes les mesures possibles en histomorphométrie osseuse (13), il apparaît que le seul paramètre transposable sur les images obtenues en tomodensitométrie est le calcul du BV/ TV (Bone Volume/Tissue Volume). En effet la résolution, obtenue in vivo, ne nous permet pas de distinguer de manière satisfaisante les différentes structures de l’os trabéculaire. En nous inspirant des techniques manuelles de calculs d’index en histomorphométrie osseuse (14), basée sur la stéréologie, nous avons mesuré BV/ TV. Cette technique nécessite l’utilisation d’une grille de comptage. Il a été démontré qu’en réalisant le rapport entre le nombre d’intersections de la grille se faisant au niveau des travées et le nombre total d’intersections, on obtient la proportion de volume osseux trabéculaire par rapport au volume osseux total. L’intersection franche d’un point de croisement avec une travée est comptée 1 et les tangentes 1/2 (14) (fig. 4).
Présentation des résultats
< 50 ans
T. Patricia : 30 ans
D. Julien : 23 ans
Fig. 5 :
Images zoomées (× 5) de patients d’âge et de sexe différents avec un fenêtrage identique (W = 640 ; L = 150).
Fig. 5:
Zoomed images (× 5) of patients with different age and sex with similar windowing (W=640; L=150).
Enfin, l’interprétation des variations de chacun des paramètres se fait de la manière suivante : La proportion des plages de forts niveaux de gris (high grey run emphasis) reflète l’importance des forts niveaux gris au sein de l’image. La proportion de petites plages de forts niveaux de gris (short run high grey emphasis) reflète l’importance des petites plages de forts niveaux de gris au sein de l’image. La proportion de longues plages de forts niveaux de gris (long run high grey emphasis) reflète l’imporJ Radiol 2005;86
tance des longues plages de forts niveaux de gris au sein de l’image.
Mesures inspirées de l’histomorphométrie L’analyse des coupes TDM inspirée de l’histomorphométrie osseuse n’est pas un objectif nouveau. De nombreuses études l’ont réalisée (10-12). L’histomorphométrie est une méthode anatomopathologique qui a pour finalité d’apprécier la structure de l’os vu au microscope. Elle peut être uniquement visuelle et subjective ou être
Nous avons choisi de représenter les résultats en fonction du sexe et de l’âge de manière à respecter les groupes de patients qui sont les plus touchés par la ménopause, c’est-à-dire la femme de plus de 50 ans et les patients âgés, sujets à l’ostéoporose dite sénile. Nous avons donc 5 classes de patients, pour lesquelles sont présentés les résultats des mesures de la densité, de l’analyse de texture et du BV/TV, avec les hommes de moins de 70 ans (4 patients), les hommes de plus de 70 ans (2 patients), les femmes de moins de 50 ans (5 patients), les femmes entre 50 et 70 ans (3 patients) et les femmes de plus de 70 ans (3 patients). Pour chacune de ces classes d’âge et de sexe nous avons réalisé une moyenne qui, bien que n’ayant pas une valeur statistique, permette de se rendre compte de l’évolution des résultats en fonction de ces classes. Nous présenterons les résultats extrêmes pour chacune des classes d’âge.
Résultats L’analyse visuelle simple des images obtenues des patients montre des différences
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Analyse de la trame osseuse vertébrale sur coupes scanographiques
J Lasbleiz et al.
Tableau I Paramètres de texture de type longueurs de plages. Table I Run length texture features. Nom
Formule
High grey run emphasis
Ng
1 hgre = ----nr
N
∑ ∑
2 i l ( i, j )
i = jj = i Short run high grey emphasis
Ng
1 srhge = ----nr
N
∑ ∑
i = jj = i Long run high grey emphasis
Ng
1 lrhge = ----nr
2 i l ( i, j ) -----------------2 j
N
∑ ∑
22 i j ( i, j )
i = jj = i
de qualité et de quantité d’os trabéculaire vertébral (fig. 5). Les résultats (moyenne et valeurs extrêmes) pour les différentes classes d’âge et de sexe sont présentés dans le tableau II. L’analyse des résultats permet de dire que des différences existent entre les différentes classes établies (sous réserve de tests statistiques) et que ces différences apparaissent cohérentes avec ce que l’on peut attendre du vieillissement et de la ménopause sur la qualité et la quantité de l’os trabéculaire. En effet, les femmes ménopausées et d’âge supérieur à 70 ans ont les résultats les plus faibles, viennent ensuite les hommes supérieurs d’âge supérieur à 70 ans. Pour ces patients, avec l’os trabéculaire le plus altéré, on retrouve en effet les densités les plus faibles, un nombre de plages blanches diminué et un BV/TV bas.
Discussion La mesure de densité au scanner (QCT) a donné de grands espoirs dans la détermination du seuil fracturaire (15, 16) mais après des études comparatives avec l’ostéodensitométrie, elle n’a pas montré de supériorité (2, 17). La mesure que nous avons réalisée (unité Hounsfield) n’est pas à proprement parler une densitométrie (g/cm3) mais elle y est proportionnelle. Le facteur correctif n’a pas été calculé pour cette étude. L’analyse de texture dans la littérature s’est faite de manière prépondérante sur les longueurs de plages (18-22). Mais ces techniques de quantification malgré des résultats satisfaisants n’ont pas débouché sur des exploitations cliniques. Pour l’analyse visuelle inspirée de l’histomorphométrie, le premier problème auquel
nous nous confrontons est de savoir si les mesures correspondent à la réalité. Pour le rapport BV/TV, notre mesure est aux alentours de 60 % alors qu’en histomorphométrie elle est aux alentours de 20 % (13). On peut expliquer ces écarts par les raisons suivantes : la matrice de l’image est de 512 et le field of view de 120 mm, la taille du pixel est donc de 235 µ ce qui est trop gros pour les structures étudiées ; le flou géométrique lié à la taille du faisceau de rayon X et des détecteurs participent aussi à l’agrandissement artefactiel des travées. Il n’en reste pas moins vrai que pour des conditions identiques d’acquisitions, les majorations observées au scanner sont les mêmes pour tous les patients ce qui explique la capacité de cette technique à classer les ostéoporoses en mesurant les travées bien que ces mesures soient imprécises dans la littérature (10-12). Les résultats ne peuvent être interprétés statistiquement contenu de la faiblesse des échantillons pour les différentes classes étudiées. Ils donnent cependant une base à la réflexion. L’analyse des résultats montre une différenciation des classes d’âge et de sexe, avec une diminution des mesures en corrélation avec la diminution du réseau trabéculaire bien mis en évidence par les trois techniques. Pour l’analyse de texture et le calcul du BV/TV, les patients à la trame osseuse déstructurée (les plus âgés, femmes) sont bien identifiés, ce qui correspond aux résultats escomptés. Ces deux techniques (BV/TV ; longueur de plages) ont des résultats légèrement différents de la densité, il est probable qu’elles approchent la microarchitecture osseuse. Les longueurs de plages étudient le nombre et la taille des travées et donc reflètent l’importance du réseau,
Tableau II Récapitulatif des résultats pour les différentes classes d’âge et de sexe. Entre parenthèses les valeurs extrêmes. Table II Summary of results for different age and sex classes. In brackets: extreme values. Classes
Densité
Longueurs de plages High grey run emphasis
Short run high grey emphasis
BV/TV En % Long run high grey emphasis
Femmes < 50 ans n = 5
1 208 (1 170 à 1260)
69,9 (55,7 à 88,9)
58,2 (46,4 à 72,9)
149,2 (114 à 199)
69,6 (60,5 à 77)
Femmes > 50 ans < 70 ans n = 3
1 133,3 (1 120 à 1160)
47,8 (42,4 à 56,1)
40,8 (35,8 à 47,6)
90,2 (81,3 à 107)
52 (46,5 à 57)
Femmes > 70 ans n = 3
1 086,6 (1 030 à 1120)
32 (20,6 à 38,8)
26,4 (16,6 à 33)
69,2 (45 à 87,8)
49,5 (43 à 59)
Hommes < 70 ans n = 4
1 195 (1 130 à 1270)
66,8 (45,1 à 91,1)
56,7 (38,2 à 76,1)
125,7 (117 à 180)
64,8 (56,5 à 75,5)
Hommes > 70 ans n = 2
1 110 (1 110)
40,9 (37,8 à 44)
35 (31,9 à 38,1)
74,6 (73,9 à 75,3)
57,5 (56 à 59)
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mais ne traduisent que trop partiellement l’organisation de ce dernier en particulier en ne reconnaissant pas les structures morphologiques (travées…). La technique inspirée de l’histomorphométrie osseuse quantifie, elle le réseau mais est consommatrice en temps et est sujette au problème du bruit.
Conclusion On sait que la densité mesurée au niveau d’une vertèbre n’exprime pas la complexité de l’ostéoporose. Il semble intéressant d’essayer d’approcher la structure de l’os trabéculaire par des techniques d’analyses d’images. L’analyse de texture par l’analyse des éléments répétitifs dans l’image mesure d’une certaine façon la structure de l’os trabéculaire. L’analyse des images inspirée de l’histomorphométrie comme le rapport BV/TV, s’intéresse au réseau trabéculaire de manière plus directe. Le manque de résolution de nos machines et les artefacts générés ne permettent pas l’étude de la taille des travées et du nombre de connections. Enfin, nous n’avons utilisé ces techniques que dans un plan de l’espace et les anomalies morphologiques des travées vertébrales débutent surtout dans les plans verticaux. Il n’en reste pas moins vrai que la réflexion produite restera vraie lorsque nous disposerons de moyens d’imagerie de résolution supérieure et que l’exploitation tridimensionnelle de ces analyses sera possible. Enfin lorsque l’ensemble de l’étude de l’os trabéculaire aura été modélisé, des études statistiques permettront l’application clinique de ces données soit pour le diagnostic, soit pour le suivi thérapeutique de l’ostéoporose.
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Références 1.
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Objectifs. Comparer l’analyse de texture, la mesure de densité et l’analyse visuelle quantitative de la trame osseuse vertébrale, visible sur des coupes TDM, afin d’évaluer au mieux les perturbations architecturales liées à l’ostéoporose. Matériel et méthode. Chez 17 patients (19 à 84 ans), une coupe TDM a permis l’analyse de l’os trabéculaire sur une ROI de 1,6 cm2. Nous avons mesuré sur cette dernière la densité, les attributs de texture de type longueurs de plages et un paramètre inspiré de l’histomorphométrie osseuse (Bone Volume/Tissue Volume). Résultats. Les résultats, présentés par classes d’âge et de sexe, ont mis en évidence les différences entre les trois analyses. En effet, on retrouve des densités, un nombre de longueur de plage et un Bone Volume/Tissue Volume plus faibles chez les patients les plus âgés et donc avec l’os trabéculaire le plus altéré. Conclusion. La mesure de densité n’exprime pas la complexité de l’ostéoporose. Les paramètres de longueurs de plages donnent un élément supplémentaire en prenant en compte la densité et l’organisation spatiale des pixels. Le BV/TV donne des informations sur le réseau trabéculaire et donc sur l’architecture de l’os trabéculaire. Leurs apports dans l’analyse de la trame osseuse ostéoporotique mériteraient d’être validés pour des études cliniques que cela soit dans l’étape diagnostique ou dans le suivi thérapeutique de la maladie.
Purpose. Comparing texture analysis, density measurement and visual quantification of trabecular network on spine CT images, to better evaluate bone architecture in osteoporosis. Method and materials. Seventeen patients, aged 19 to 84 years, were included. One patient presented osteoporotic fractures. High resolution computed tomographic (HR-CT) images of the third lumbar vertebra were acquired using a Somatom 4 plus CT (Siemens) in a strict axial orientation with FOV of 12 cm and slice thickness of 1 mm. The size of the Region Of Interest was 1,6 cm2. Three analyses were performed on this ROI: Density (in Hounsfield Unity), texture analysis (run length) and features inspired from bone histomorphometry (Bone Volume/ Tissue Volume). Results. Density measurement, run length methods and BV/TV provided consistent results with regards to age. Indeed density, run length and BV/TV results were lower for older patients with more advanced bone trabeculra alterations. Conclusion. Only BV/TV and run length parameters seemed to show additional information on trabecular network architecture. The contribution of these two measurements to diagnose and classify osteoporosis will be the goal of a clinical study. Key words: Osteoporosis. Run length. Texture. BV/TV. Density.
objectif de ce travail est de comparer des méthodes d’analyses de la qualité de la trame osseuse vertébrale visible sur des coupes scanner. On sait effectivement que la seule étude quantitative de la minéralisation (densitométrie) ne permet pas de comprendre l’ensemble des paramètres participant à la fragilisation osseuse. En effet l’ostéodensitométrie a montré ses limites en ne permettant le diagnostic du risque de fracture que dans 67 % des ostéoporoses (1, 2). La fragilisation est en effet due à la déminéralisation de la trame osseuse mais aussi à sa déstructuration. L’OMS en a même tenu compte dans sa définition de 1994 (3) en mettant au premier plan les résultats de l’ostéodensitométrie pour le diagnostic
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(1) Département de Radiologie et d’Imagerie Médicale, (2) Laboratoire d’Informatique Médicale, Hôpital Sud CHU Rennes, BP 90347, 35203 Rennes cedex 2. Correspondance : J Lasbleiz E-mail : [email protected]
Mots-clés : Ostéoporose. Longueur de plage. Texture. BV/TV. Densité.
d’ostéoporose mais en introduisant la notion de perturbation architecturale dans la définition de l’ostéoporose.
Matériel et méthode
Patients, acquisition et ROI Acquisition Nous avons utilisé un scanner SIEMENS SOMATOM 4+. À l’issue d’une étude sur spécimens anatomiques, nous avons défini les conditions optimales pour l’analyse de l’os trabéculaire vertébral au scanner. Le patient est positionné en décubitus dorsal strict. Une coupe séquentielle est réalisée à la jonction des tiers supérieur et moyen du corps vertébral de L3, afin d’éviter le sinus veineux vertébral, avec les paramètres suivants (un angle de coupe parallèle aux plateaux vertébraux, épaisseur = 1 mm, 140 kV, 140 mA, temps de rotation = 2 se-
condes, FOV = 120 mm, filtre AB 82). Le fenêtrage, conservé tout au long de l’étude est W = 640 et L = 150. Cette coupe répétée de manière identique tout au long de l’étude, permet d’obtenir une vision globale de la vertèbre (fig. 1).
Région d’intérêt Sur la coupe précédemment décrite, une région d’intérêt (ROI) mesurant 1,6 cm2 est placée de manière identique chez tous les patients. Nous avons choisi d’analyser une zone homogène d’os trabéculaire au niveau de la partie antérieure du corps vertébral pour éviter le sinus veineux. C’est sur ces ROI que sont réalisées les mesures de densité et les analyses de texture. Pour l’analyse visuelle, sur ces ROI un cliché avec un zoom optique de X 5 est réalisé, pour visualiser au mieux l’os trabéculaire vertébral (des détails d’environ 0,2 mm sont identifiables) (fig. 2) et faciliter ainsi les mesures.
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Analyse de la trame osseuse vertébrale sur coupes scanographiques
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Patients Chez 17 patients, se présentant au scanner pour une autre pathologie (lombalgie, recherche de néoplasie…), n’ayant aucun traitement ou maladie influant la trame osseuse, la coupe décrite précédemment a été réalisée après obtention de leur accord. Il y avait 11 femmes pour 6 hommes, avec une moyenne d’âge à 55 ans et 4 mois. Une patiente présentait des factures ostéoporotiques vertébrales.
Méthodes d’analyses utilisées Mesures de densité La densité de l’os trabéculaire est mesurée sur les ROI définies chez les 17 sujets. Elle correspond à la mesure de la densité moyenne des pixels au sein de la ROI. L’unité de cette mesure est l’unité Hounsfield.
Fig. 2 :
Positionnement de la ROI et réalisation d’un zoom optique x 5 (ROI = 1,6 cm2)(pixels blancs : travées ; pixels noirs : moelle osseuse).
Fig. 2:
ROI positioning with X5 optical zoom (ROI=1,6 cm2) (white pixels: trabecula; black pixels: bone marrow).
Fig. 3 :
Matrice de dénombrement des longueurs de plage. Image 2D = la coupe tomodensitométrique ; Matrice de dénombrement = histogramme en trois dimensions représentant le nombre de segments en fonction du niveau de gris (i), de la longueur (lg) et de l’angle (θ ).
Fig. 3:
Run length counting matrix. 2D image=CT slice; counting matrix=three dimensional histogram representing run length number according to grey scale (i), length (lg) and angle (θ ).
Mesures des paramètres de textures de longueurs de plages Un logiciel d’analyse de texture développé en langage C++ a été intégré sur une station de traitement d’images de type Sun (Prominence-Siemens). L’élaboration de ce logiciel a fait partie d’un projet de recherche réalisé en collaboration avec le laboratoire LTSI (Laboratoire du Traitement du Signal et de l’image Rennes Beaulieu) du Pr. Coatrieux et financé par Siemens. Le logiciel s’ouvre comme les autres applications de la station de traitement de l’image et permet des études de longueurs de plages, de cooccurrence et fractale. Une représentation graphique (type histogramme) de l’analyse de texture peut être effectuée permettant d’avoir
des graphes d’interprétation facile. Le transfert des résultats de l’analyse au format EXCEL vers un PC permet aussi leur exploitation statistique. Une pré étude nous a permis de définir que seuls les paramètres de longueurs de plages spécifiques s’intéressant aux plages blanches présentaient un intérêt dans l’étude de l’os trabéculaire.
Méthode de calcul des attributs de longueurs de plages
Fig. 1 :
Coupe scanographique de la troisième vertèbre lombaire.
Fig. 1:
CT image of the third lumbar vertebra.
Les plages sont des successions, dans une direction donnée, de pixels connexes ayant la même valeur de niveau de gris. Les plages blanches correspondent aux travées osseuses, par opposition aux plages noires correspondant à la moelle osseuse (fig. 2). L’étude des longueurs de
plages se fait dans un premier temps en dénombrant les segments de pixels. L’image d’origine est donc décomposée en segments dont les propriétés sont le niveau de gris, la longueur et l’angle. La matrice de dénombrement constitue un histogramme en trois dimensions, que sont le niveau de gris (i), la longueur (lg) et l’angle (θ) (fig. 3). Notre étude a concerné les longueurs de plages ayant un angle de O° avec l’horizontal, et s’étendant sur une gamme de 16 niveaux de gris. Dans un second temps, Le calcul des paramètres de texture se fait par application des formules mathématiques sur la matrice des longueurs de plages. Ceci permet le calcul de 3 paramètres (4-9) (tableau I). J Radiol 2005;86
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Fig. 4 :
Grille de comptage utilisée en histomorphométrie. Pour l’application de cette technique à la tomodensitométrie l’espace entre les lignes et colonne d = 0,1 mm. Ici le nombre d’intersection franche est de 14 et 6 intersections tangentielles pour un total de 17/81 soit un BV/TV de 21 %.
Fig. 4:
Counting grid used in histomorphometry. To apply this technique to CT images, column and line space is d=0,1 mm. Here the number of definite intersection is 14, and the number of tangential intersection is 6, for a total of 17/81 and BV/TV=21%.
CLASSES D’ÂGE
FEMME
HOMME
> 70 ans
G. Francine : 84 ans
R. Alain : 74 ans
> 50 ans < 70 ans
C. Marie-Thérèse : 58 ans
P. Franck : 65 ans
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quantitative en utilisant des méthodes de mesure (par exemple l’épaisseur des travées, leur connectivité). L’histomorphométrie osseuse est actuellement rarement réalisée et n’intervient que lorsque le diagnostic histologique de l’ostéoporose est nécessaire. En reprenant toutes les mesures possibles en histomorphométrie osseuse (13), il apparaît que le seul paramètre transposable sur les images obtenues en tomodensitométrie est le calcul du BV/ TV (Bone Volume/Tissue Volume). En effet la résolution, obtenue in vivo, ne nous permet pas de distinguer de manière satisfaisante les différentes structures de l’os trabéculaire. En nous inspirant des techniques manuelles de calculs d’index en histomorphométrie osseuse (14), basée sur la stéréologie, nous avons mesuré BV/ TV. Cette technique nécessite l’utilisation d’une grille de comptage. Il a été démontré qu’en réalisant le rapport entre le nombre d’intersections de la grille se faisant au niveau des travées et le nombre total d’intersections, on obtient la proportion de volume osseux trabéculaire par rapport au volume osseux total. L’intersection franche d’un point de croisement avec une travée est comptée 1 et les tangentes 1/2 (14) (fig. 4).
Présentation des résultats
< 50 ans
T. Patricia : 30 ans
D. Julien : 23 ans
Fig. 5 :
Images zoomées (× 5) de patients d’âge et de sexe différents avec un fenêtrage identique (W = 640 ; L = 150).
Fig. 5:
Zoomed images (× 5) of patients with different age and sex with similar windowing (W=640; L=150).
Enfin, l’interprétation des variations de chacun des paramètres se fait de la manière suivante : La proportion des plages de forts niveaux de gris (high grey run emphasis) reflète l’importance des forts niveaux gris au sein de l’image. La proportion de petites plages de forts niveaux de gris (short run high grey emphasis) reflète l’importance des petites plages de forts niveaux de gris au sein de l’image. La proportion de longues plages de forts niveaux de gris (long run high grey emphasis) reflète l’imporJ Radiol 2005;86
tance des longues plages de forts niveaux de gris au sein de l’image.
Mesures inspirées de l’histomorphométrie L’analyse des coupes TDM inspirée de l’histomorphométrie osseuse n’est pas un objectif nouveau. De nombreuses études l’ont réalisée (10-12). L’histomorphométrie est une méthode anatomopathologique qui a pour finalité d’apprécier la structure de l’os vu au microscope. Elle peut être uniquement visuelle et subjective ou être
Nous avons choisi de représenter les résultats en fonction du sexe et de l’âge de manière à respecter les groupes de patients qui sont les plus touchés par la ménopause, c’est-à-dire la femme de plus de 50 ans et les patients âgés, sujets à l’ostéoporose dite sénile. Nous avons donc 5 classes de patients, pour lesquelles sont présentés les résultats des mesures de la densité, de l’analyse de texture et du BV/TV, avec les hommes de moins de 70 ans (4 patients), les hommes de plus de 70 ans (2 patients), les femmes de moins de 50 ans (5 patients), les femmes entre 50 et 70 ans (3 patients) et les femmes de plus de 70 ans (3 patients). Pour chacune de ces classes d’âge et de sexe nous avons réalisé une moyenne qui, bien que n’ayant pas une valeur statistique, permette de se rendre compte de l’évolution des résultats en fonction de ces classes. Nous présenterons les résultats extrêmes pour chacune des classes d’âge.
Résultats L’analyse visuelle simple des images obtenues des patients montre des différences
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Tableau I Paramètres de texture de type longueurs de plages. Table I Run length texture features. Nom
Formule
High grey run emphasis
Ng
1 hgre = ----nr
N
∑ ∑
2 i l ( i, j )
i = jj = i Short run high grey emphasis
Ng
1 srhge = ----nr
N
∑ ∑
i = jj = i Long run high grey emphasis
Ng
1 lrhge = ----nr
2 i l ( i, j ) -----------------2 j
N
∑ ∑
22 i j ( i, j )
i = jj = i
de qualité et de quantité d’os trabéculaire vertébral (fig. 5). Les résultats (moyenne et valeurs extrêmes) pour les différentes classes d’âge et de sexe sont présentés dans le tableau II. L’analyse des résultats permet de dire que des différences existent entre les différentes classes établies (sous réserve de tests statistiques) et que ces différences apparaissent cohérentes avec ce que l’on peut attendre du vieillissement et de la ménopause sur la qualité et la quantité de l’os trabéculaire. En effet, les femmes ménopausées et d’âge supérieur à 70 ans ont les résultats les plus faibles, viennent ensuite les hommes supérieurs d’âge supérieur à 70 ans. Pour ces patients, avec l’os trabéculaire le plus altéré, on retrouve en effet les densités les plus faibles, un nombre de plages blanches diminué et un BV/TV bas.
Discussion La mesure de densité au scanner (QCT) a donné de grands espoirs dans la détermination du seuil fracturaire (15, 16) mais après des études comparatives avec l’ostéodensitométrie, elle n’a pas montré de supériorité (2, 17). La mesure que nous avons réalisée (unité Hounsfield) n’est pas à proprement parler une densitométrie (g/cm3) mais elle y est proportionnelle. Le facteur correctif n’a pas été calculé pour cette étude. L’analyse de texture dans la littérature s’est faite de manière prépondérante sur les longueurs de plages (18-22). Mais ces techniques de quantification malgré des résultats satisfaisants n’ont pas débouché sur des exploitations cliniques. Pour l’analyse visuelle inspirée de l’histomorphométrie, le premier problème auquel
nous nous confrontons est de savoir si les mesures correspondent à la réalité. Pour le rapport BV/TV, notre mesure est aux alentours de 60 % alors qu’en histomorphométrie elle est aux alentours de 20 % (13). On peut expliquer ces écarts par les raisons suivantes : la matrice de l’image est de 512 et le field of view de 120 mm, la taille du pixel est donc de 235 µ ce qui est trop gros pour les structures étudiées ; le flou géométrique lié à la taille du faisceau de rayon X et des détecteurs participent aussi à l’agrandissement artefactiel des travées. Il n’en reste pas moins vrai que pour des conditions identiques d’acquisitions, les majorations observées au scanner sont les mêmes pour tous les patients ce qui explique la capacité de cette technique à classer les ostéoporoses en mesurant les travées bien que ces mesures soient imprécises dans la littérature (10-12). Les résultats ne peuvent être interprétés statistiquement contenu de la faiblesse des échantillons pour les différentes classes étudiées. Ils donnent cependant une base à la réflexion. L’analyse des résultats montre une différenciation des classes d’âge et de sexe, avec une diminution des mesures en corrélation avec la diminution du réseau trabéculaire bien mis en évidence par les trois techniques. Pour l’analyse de texture et le calcul du BV/TV, les patients à la trame osseuse déstructurée (les plus âgés, femmes) sont bien identifiés, ce qui correspond aux résultats escomptés. Ces deux techniques (BV/TV ; longueur de plages) ont des résultats légèrement différents de la densité, il est probable qu’elles approchent la microarchitecture osseuse. Les longueurs de plages étudient le nombre et la taille des travées et donc reflètent l’importance du réseau,
Tableau II Récapitulatif des résultats pour les différentes classes d’âge et de sexe. Entre parenthèses les valeurs extrêmes. Table II Summary of results for different age and sex classes. In brackets: extreme values. Classes
Densité
Longueurs de plages High grey run emphasis
Short run high grey emphasis
BV/TV En % Long run high grey emphasis
Femmes < 50 ans n = 5
1 208 (1 170 à 1260)
69,9 (55,7 à 88,9)
58,2 (46,4 à 72,9)
149,2 (114 à 199)
69,6 (60,5 à 77)
Femmes > 50 ans < 70 ans n = 3
1 133,3 (1 120 à 1160)
47,8 (42,4 à 56,1)
40,8 (35,8 à 47,6)
90,2 (81,3 à 107)
52 (46,5 à 57)
Femmes > 70 ans n = 3
1 086,6 (1 030 à 1120)
32 (20,6 à 38,8)
26,4 (16,6 à 33)
69,2 (45 à 87,8)
49,5 (43 à 59)
Hommes < 70 ans n = 4
1 195 (1 130 à 1270)
66,8 (45,1 à 91,1)
56,7 (38,2 à 76,1)
125,7 (117 à 180)
64,8 (56,5 à 75,5)
Hommes > 70 ans n = 2
1 110 (1 110)
40,9 (37,8 à 44)
35 (31,9 à 38,1)
74,6 (73,9 à 75,3)
57,5 (56 à 59)
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mais ne traduisent que trop partiellement l’organisation de ce dernier en particulier en ne reconnaissant pas les structures morphologiques (travées…). La technique inspirée de l’histomorphométrie osseuse quantifie, elle le réseau mais est consommatrice en temps et est sujette au problème du bruit.
Conclusion On sait que la densité mesurée au niveau d’une vertèbre n’exprime pas la complexité de l’ostéoporose. Il semble intéressant d’essayer d’approcher la structure de l’os trabéculaire par des techniques d’analyses d’images. L’analyse de texture par l’analyse des éléments répétitifs dans l’image mesure d’une certaine façon la structure de l’os trabéculaire. L’analyse des images inspirée de l’histomorphométrie comme le rapport BV/TV, s’intéresse au réseau trabéculaire de manière plus directe. Le manque de résolution de nos machines et les artefacts générés ne permettent pas l’étude de la taille des travées et du nombre de connections. Enfin, nous n’avons utilisé ces techniques que dans un plan de l’espace et les anomalies morphologiques des travées vertébrales débutent surtout dans les plans verticaux. Il n’en reste pas moins vrai que la réflexion produite restera vraie lorsque nous disposerons de moyens d’imagerie de résolution supérieure et que l’exploitation tridimensionnelle de ces analyses sera possible. Enfin lorsque l’ensemble de l’étude de l’os trabéculaire aura été modélisé, des études statistiques permettront l’application clinique de ces données soit pour le diagnostic, soit pour le suivi thérapeutique de l’ostéoporose.
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