Imagerie du carpe en trois dimensions

Imagerie du carpe en trois dimensions

F. M O U T E T I, A. C H A P E L ~, Ph. CINQUIN 2, L. ROSE-PITET 3

M O U T E T F., C H A P E L A., C I N Q U I N Ph., R O S E - P I T E T L. - Imagerie du carpe en trois dimensions. Ann Chir Main Mbre Sup, 1990, 9, n ° 1, 32-37.

M O U T E T F., C H A P E L A., C I N Q U I N Ph., R O S E - P I T E T L. - Three-dimensional imaging of the carpus. (In French). Ann Chir Main Mbre Sup, 1990, 9, n o 1, 32-37.

Rt~SUMI2 : Depuis 1987 les auteurs ddveloppent une imagerie en trois dimensions (3D) du carpe. Cette reconstruction ~ partir de 30 coupes scanner du carpe est un nouvel apport de l'imagerie et permet de visualiser dans l'espace sous tousles angles et tousles 6clairages d6sirds les formes complexes du squelette carpien. L'6volution de cette technique dolt conduire /~ une meilleure comprdhension de la physiologie intime du carpe et permettre de r6aliser un vdritable simulateur du poignet capable de planitier avec prdcision le geste chirurgical (ost6otomie, arthrod6ses intracarpiennes, etc.). Elle permet en o u t r e d ' d l u c i d e r des i m a g e s p a t h o l o g i q u e s complexes dont l'interpr6tation sur les images scanner n'est pas toujours ais6e.

SUMMARY : Since 1987, the authors have developed three-dimensional (3D) imaging of carpus. This reconstruction based on 30 CT scans of the carpus is a new approach to imaging and allows spatial visualisation of the complex shapes of the carpal skeleton from all angles and views. The development of this technique should lead to a better understanding of the intimate physiology of the carpus and should allow the development of a real simulator of the wrist for precise planning of surgical procedures (osteotomy, intracarpal arthrodeses, etc.). It also helps to elucidate complex pathological images which are not always easy to interpret on CT scans.

MOTS-CLt2S : Imagerie. - - Carpe. - - 3D.

KEY-WORDS : Imaging. - - Carpus. - - 3D.

La reconstruction des images du poignet ou des os du carpe en trois dimensions (3D)/t partir de coupes scanner est un nouvel apport de l'imagerie. La premitre application chirurgicale de l'image 3D a vule jour suite aux travaux des chirurgiens maxillo-faciaux (Vannier) en 1984. En 1985 apparurent les premieres applications a u niveau de la main et du poignet (Weeks). •

L'int6r6t de la visualisation tridimensionnelle au niveau du carpe est donc 6vident puisque la reconstructon 3D de l'image radiographique plane permet de d d v e l o p p e r darts l ' e s p a c e des s t r u c t u r e s complexes et de les voir sous le meilleur angle et le meilleur 6clairage. Elle permet aussi d'isoler un ou plusieurs de ces 616ments, d'en 6tudier les contours et les 6ventuelles d6formations. On peut aussi calculer des informations surfaciques, volumiques ou de distance int6ressantes sur le plan statistique, anatomique et th6rapeutique.

Depuis 1987 au C H U de Grenoble, nous d6veloppons une technique de segmentation 3D et rapportons ici notre exp6rience et ses premiers fruits. La radiographie est la proiection sur un plan de toutes les structures travers6es par le rayonnement. Les images produites par le scanner, quant ~ elles, donnent la densit6 de la mati6re en chaque point mais sont parfois difficiles/t interpr6ter.

1. Unit~ de Chirurgie R(paratrice de la Main et des Br(d~s, 2. Unit( de Biostatistiques et d'lnformation MOdicale, 3. Service de Radiologie Centrale, CHU de Grenoble, BP 217 X, 38043 G R E N O B L E cedex. Manuscrit regu a la Redaction le 3 mai 1989.

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IMAGERIE DU CARPE EN TROIS DIMENSIONS

,c7 /1,5 mm

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Fig. 1. - - Les coupes scanner sont de 15 mm d'epaisseur espacees de 1 mm,

Fig. 2. - - Les 30 coupes de scanner sont realisees dans le plan horizontal poignet en supination. Fig. 1. - - CT scans are 15 mm thick and separated by intervals of 1 mm. Fig. 2. - - The 30 CT scans are performed in the horizontal plane with the wrist in supination. Fig. 1. - - Los cortes escanogr&ficos son de 15 mm de e s p e sor, a 1 mm de distancia. Fig. 2. - - Los 30 cortes e s c a n o g r d f i c o s son realizados en el piano horizontal con el pufio en supinaci6n.

MATt~RIEL ET MI~THODE Les i m a g e s de d 6 p a r t s o n t c o n s t i t u 6 e s de 30 coupes scanner, elles sont num6ris6es et trait6es par un processeur image Vinix de Digital Design. Les coupes sont de 1,5 mm d'6paisseur, espac6es de 1 mm (fig. 1). Ceci permet d'obtenir une bonne d6finition de l'image reconstruite. En effet, pour des coupes de 1,5 mm d'6paisseur espac6es de 1 mm, on aura ~ l'image 23 pixel par mm 3 de mati6re, alors que, par exemple, pour des coupes de 5 mm espac6es de 3 mm, on aurait 7 pixel par mm 3, donc une bien moins bonne d6finition de l'image. Les 30 coupes de scanner sont faites dans le plan horizontal, poignet en supination (fig. 2). La surface couverte par une coupe est d'environ 87 × 87 mm sur 30 mm de hauteur totale. Pour visualiser efficacement les diff6rents os du carpe, il faut tout d'abord les s6parer. Cette segmentation 3D est totalement automatique ~ partir d'un minimum de param6tres initiaux, ~ savoir : deux seuils de densit6. Elle est r6alis6e en trois phases successives. Phase de segmentation 2D

Cette phase de segmentation est la phase de reconnaissance des contours des zones osseuses visibles dans chaque coupe. Ce programme est appliqu6 successivement sur chacune des 30 coupes scanner.

I1 s'agit premi6rement de diviser l'image en deux parties : 1) l'ensemble des points appartenant ~ l'os dur ; 2) l'ensemble des points n'appartenant pas ~ l'os dur : - - zone int6rieure du carpe constitu6e de chair de ligaments, d'os spongieux, - - zone ext6rieure au carpe : air mat6riel 6tranger. La figure 3 donne l'6chelle des densit6s des mati6res rencontr6es et les histogrammes correspondants deux coupes de poignet (la n ° 15 et la n ° 29). La segmentation des os est rendue difficile par leur proximit6. Le principe de base du projet est de faire une segmentation totalement automatique. Nous utilisons seulement deux seuils de densit6 : - - une densit6 basse (densit6 de contours), une densit6 haute qui assure la s6paration des os entre eux (fig. 4a et b). -

-

La densit6 haute doit ~tre choisie avec soin. Elle d6cide du nombre de r6gions de forte densit6 dans l'image. L'algorithme fait ensuite grossir ces r6gions jusqu 5_ atteindre les contours externes des os (densit6 basse), sans chevauchement des r6gions entre elles. Ensuite un algorithme de <
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IMAGERIE DU CARPE EN TROIS DIMENSIONS

ANNALES DE CHIRURGIE D E LA MAIN ET DU MEMBRE SUPI~RIEUR

Phase de reconstruction 3D

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O ~ - -~,

'I

air

os spongieux densit6 o

i chair

os

dur

Une phase de classification des contours, puis une phase de segmentation 3D conduisent fi la reconstruction des objets constitutifs du carpe en trois dimensions. Ceci se fait en appliquant une r6gle simple de voisinage entre les contours. Si le centre de gravit6 (G) d'un contour se projette sur le contour d'une coupe voisine ou sur l'ellipse approchant au mieux la forme de ce contour on peut dire que ces deux contours appartiennent au marne objet 3D. E n a p p l i q u a n t c e t t e r6gle h l ' e n s e m b l e des contours reconnus, on reconstruit l'arborescence du volume contenant pour chaque objet 3D la liste de ses contours (fig. 5). Cette technique tr~s simple a ses limites : deux os tr6s voisins peuvent 6tre relids par erreur, un os peut ~tre segment6 abusivement, enfin la m6thode de classification automatique peut 61iminer une extr6mit6 d'un os dans le cas d'une forme complexe. Ces cas seront corrigds par une 6tape de validation-correction interactive.

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liP"

Phase de visualisation

Pour cette phase, il faut choisir : - - le mode de visualisation, - - les directions de vue et d'6clairage, - - le facteur d'homoth6tie, - - le volume ~ visualiser. L e s m o d e s de visualisation

Fig. 3. - - Echelle de densite des matieres rencontrees. a) Coupe 29 = face palmaire, b) Coupe 15 = mediane. N b : On volt sur cette coupe en basse densite (0,30) un pic representant u n , materiel 6tranger ,, il s'agit des coussinets. La surface occupee par I'os dur et spongieux est beaucoup plus importante. Comme sur la figure 3a, nous trouvons une zone de tres basse densit~ qui concerne rair exterieur au poignet. Fig. 3. - - Scale density of the structures encountered, a) Section 29 = palmar surface, b) Section 15 = median surface. NB : This low density (0.30) section shows a peak representing a "foreign body ", corresponding to cushions. The area occupied by compact and cancellus bone is much greater. As shown in figure 3a, a very low density zone corresponds to the air surrounding the wrist. Fig. 3. - - Escala de densidad de los materiales encontrados, a) Corte 29 : cara palmar ; b) corte 15 : mediano. En este corte de baja densidad (0.30) se puede observar un pico representando un "cuerpo extrafio ,,, se trata de almohadillas. La supe.rficie ocupada por el hueso duro y esponjoso es mucho mas tmportante. Como en la figura 3a, encontramos una zona de muy baja densidad que representa el aire rodeando el pufio.

L a visuaIisation filaire (ou fil de f e r ) : c'est le mode de visua|isation le plus rapide. On obtient le dessin de chaque os sous forme de contours avec 61iruination des parties cach6es, ceci sous l'angle de vue voulu. Chaque os est dessin6 avec une couleur diff6rente. Ce mode de repr6sentation est rapide et facile ~ mettre en oeuvre (fig. 6). I1 est possible de superposer deux vues de cet ensemble d'objets observ6s, selon les directions formant un angle de 5". Les contours de la premi6re vue sont pr6sent6s en rouge, ceux de la deuxi6me vue en vert. L'observation de cette s@ne, avec des lunettes st6r6oscopiques, permet d'obtenir une tr6s bonne impression de relief. De plus de telles images peuvent ~tre anim6es, ce qui am61iore encore la perception du relief. L a visualisation p a r facettes ou ~ triangulation ~.

Connaissant les coordonn6es des points de la surface des os, on approxime cette surface par un ensemble de facettes triangulaires. Ce proc6d6 est identique celui utilis6 en Conception Assist6e par Ordinateur (CAO) pour la cr6ation de proth6ses ou d'objets divers. Dans ce mode de repr6sentation surfacique des objets 3D, il est possible de plus d'6clairer la sc~ne sous l'angle voulu. On obtient ainsi des vues tr6s r6alistes.

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I M A G E R I E D U CARPE E N TROIS DIMENSIONS

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Fig, 4. - - a) Seuil de b a s s e d e n s i t e , b) S e u i l de h a u t e densit(~. Fig. 4. - - a) Low density threshold, b) High density threshold. Fig. 4. a) sitio de baja densidad ; b) sitio de alta densidad. -

-

4a

4b

contour a

contour b

coupei

contour c

coupei+1

contour d

contour e

Fig, 5, - - Application de la regle de voisinage entre les contours. Les contours a, b, c et e seront lids entre eux. IIs constitueront un m~me objet 3D. Le c o n t o u r d sera abandonn(~ car isole.

Fig, 5. - - Application of the rule of proximity between contours. Contours a, b, c and e will be linked to each other to form a single 3D object. Contour d will be abandoned because of its isolation. Fig. 5. - - Aplicacion de la regla de vecindad entre los contornos. Los contomos a, b, c, y e seran unidos entre si, para constituff el mismo objeto en 3D. El contorno d sera descartado puesto que est~ aislado. Fig. 6. - - V i s u a l i s a t i o n

Fig. 6. - - Visualizacion filiforme o en alambre del carpo.

filaire o u . fil de fer ,, du carpe.

Fig. 6. - - ,< Wire ,, visualisation of the carpus.

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IMAGERIE DU CARPE EN TROIS DIMENSIONS

ANNALES DE CHIRURGIE DE LA M A I N ET DU MEMBRE SUPI~RIEUR

7a

Fig. 7. - - Visualisation surfacique globale du carpe: a) anatomique, b) eclatee par application d'un facteur d'homothetie. Fig. 7. - - Overall surface visualisation of the carpus : a) anatomical, b) broken up by application of a homothetical factor.

Le choix de la direction de vue et de la direction d'Oclairage

Pour le mode de repr6sentation surfacique, il est facile, une fois l'image obtenue, de faire varier la direction d'6clairage, ceci apportant des r6sultats extrfmement diff6rents.

7b

Fig 7. - - Vista de superficie global del carpo, a) anat6mica dispersa por la aplicaci6n d e un factor.

; b)

RI~SULTATS Les clich6s pr6sent6s ici sont ceux d'un poignet droit sain qui a servi de base ~i ce travail (fig. 6, 7, 8 et 9).

Le facteur d'homoth~tie

I1 est int6ressant de visualiser les surfaces articulaires des os, pour cela il faut les 6carter les uns des autres. Pour ce faire, la position du centre de gravit6 de chacun des os est modifi6e ~ partir de leurs positions initiales par l'application d'un facteur d'homoth6tie, et l'on obtient alors une image plus ou moins ~ 6clat6e ~ (fig. 7a et b).

DISCUSSION

Les volumes

I1 reste h utiliser cette nouvelle technique dans des cas pathologiques tels que les pseudarthroses du scaphoide ou la maladie de Kienb6ck, elle permettra en effet de mieux comprendre la physiologie intime du carpe et de ses mouvements, ainsi que d'61ucider certaines images pathologiques complexes.

Dans le volume 3D, il est possible de visualiser les os du carpe globalement ou s6par6ment. On peut ainsi visualiser par exemple l'os crochu (fig. 8a, b, c et d) ou l'une des rang6e des os du carpe, ici la premi6re (fig. 9a et b).

Nous cherchons, quant ~ nous, ~ mod61iser le poignet afin de pouvoir r6aliser une 6tude dynamique en taille rOelle permettant de planifier le geste chirurgical, grace h la cr6ation de ce qui devient un v6ritable simulateur du poignet.

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8c-d

8a-b

9b

9a Fig. 8. - - Visualisation isolee due a I'os crochu en le faisant tourner sur un axe a) et b) vertical, c) et d) horizontal. Fig. 9. - - Visualisation de la premiere rangee des os du carpe vue depuis a) la glene radiale, b) la deuxieme rangee des os du carpe.

Fig. 8. - - Isolated visualisation of the hamatum rotating on its vertical axis (a and b) and on its horizontal axis (c and d). Fig. 9. - - Visualisation of the first row of carpal bones seen from the a) radial socket and b) the second row of carpal bones. Fig. 8. - - Vista aislada del hueso ganchudo haciendolo girar sobre un eje : a) y b) vertical; c) y d) horizontal. Fig. 9. - - Vista de la primera ilia del carpo desde ; a) la cavidad radial; b) la segunda fila del carpo. REFERENCES 1. BELSOL J., HILBELIN D. - - Scaphoid orientation and location from computed three dimensional carpal models. Orthop Clin North Am, 1986, 17, 505-510. 2. ENGEL J., SALAI M., YAFFE B., TADMOR R. - - The role of three dimension computerized imaging in hand surgery. J Hand Surg, 1987, 12 B, 349-352. 3. WEEKS P.M., VANNIER M.W., STEVENS G., GAYOU G., GILULA L.A. - - Three dimension imaging of the wrist. J Hand Surg, 1985, IOA, 32-39.

MOUTET F., CHAPEL A., CINQUIN Ph., ROSE-PITET -- Imagenologia tridimensional del carpo. A n n C h i r Main Mbre Sup, 1990, 9, n ° 1, 32-37.

L.

RESUMEN : Desde 1987 los autores han estudiado la imagenologia tridimensional (3D) del carpo. Esta reconstrucci6n a partir de 30 cortes escanogr~ificos del carpo es un nuevo aporte al estudio radiol6gico y permite visualizar en el espacio y desde todos los fingulos e iluminaciones deseadas las formas complejas del esqueleto carpiano. La evolucion de esta t6cnica debe conducir a una mejor comprensi6n de la fisiologia ca~iana profunda y permitir la realizaci6n de un verdadero simulador del pufio, capaz de planificar con precisi6n el gesto quirfirgico (osteotomia, artrodesis intercapianas, etc...). Permite, adem~is, esclarecer las imagenes patol6gicas complejas, cuya interpretacion en los cortes escanogr~ificos no es siempre f~icil. PALABRAS

CLAVES

: Imagenologia. i

Carpo. -- 3D.