Vers une méthode automatique de reconstruction 3D du tronc scoliotique

La scoliose idiopathique adolescente est une déformation tridimensionnelle complexe du tronc. Elle est caractérisée par une déviation de la colonne vertébrale dans les trois plans de l'espace. Le diagnostic de la scoliose idiopathique adolescente actuellement utilisé à l'hôpital Sainte-Justine, est basé sur les radiographies postéro-antérieures et latérales. Le clinicien mesure l'angle de Cobb sur les radiographies et décide du traitement nécessaire pour les patients en se basant sur la sévérité de l'angle de Cobb. Cependant, l'exposition répétitive à des radiations ionisantes peut augmenter les risques de développer certains cancers. Pour cette raison, les cliniciens limitent la fréquence des acquisitions radiographiques de patients scoliotiques à une acquisition tous les six mois. Cependant, la dose cumulative d'irradiations infligées au patient durant un suivi clinique est tout de même importante. Plusieurs techniques ont été utilisées pour l'évaluation non invasive de la scoliose à partir de la topographie de la surface au cours des trente dernières années. Dans ce contexte, le système InSpeck (Creaform, inc., Lévis, Québec) est utilisé à la clinique de scoliose à l'hôpital Sainte-Justine. La précision des reconstructions 3D de la surface externe du tronc par InSpeck a été mesurée par la distance normale moyenne entre la reconstruction tridimensionnelle de InSpeck et les points mesurés à la MMT (machine à mesurer tridimensionnelle), cette distance est évaluée à 1.1±0.9 mm. Les reconstructions 3D de la surface externe du tronc de patients scoliotiques avec le logiciel EM (Editing and Merging) de InSpeck ne sont pas automatiques. Elles nécessitent des interventions manuelles qui prennent un temps considérable (en moyenne 21 minutes) pour faire une seule reconstruction 3D de la surface du tronc d'un patient scoliotique. De plus, ces interventions manuelles entrainent une faible reproductibilité. Le but de ce projet est d'automatiser les reconstructions 3D de la surface externe du tronc de patients scoliotiques afin de diminuer le temps nécessaire pour faire chaque reconstruction 3D. L'avantage d'une nouvelle méthode de reconstruction automatique et rapide est de construire rapidement une grande base de données de reconstructions 3D de la surface externe du tronc de patients scoliotiques dans différentes positions et aussi des patients normaux. Cette base de données de différentes reconstructions permettra de faire plusieurs études statistiques sur les patients normaux et les patients scoliotiques, calculer des indices cliniques pour pouvoir évaluer les déformations scoliotiques à partir de la surface externe du tronc et de faire un suivi des déformations de patients scoliotiques sur plusieurs années. Nous avons proposé et validé une méthode de reconstruction 3D automatique de la surface externe du tronc de patients scoliotiques. Celle-ci est rapide, fonctionnelle quelque soit la position du patient et indépendante de l'opérateur. De plus, les résultats sont complètement reproductibles. Cette méthode de reconstruction 3D est composée de trois étapes : le prétraitement des quatre surfaces polygonales 3D bruitées issues des numériseurs InSpeck, le recalage de ces surfaces polygonales et la fusion de géométries et de textures. Premièrement, nous avons proposé le filtre bilatéral 3D pour supprimer le bruit des surfaces polygonales pour sa simplicité, sa rapidité et ses qualités pour supprimer le bruit tout en préservant les détails fins pertinents des surfaces 3D. Nous avons choisi les paramètres du lissage en calculant la distance moyenne point à point entre la surface bruitée et la surface filtrée sur 28 surfaces polygonales. Nous avons opté pour la valeur des paramètres du filtre bilatéral σ_c=σ_s=3, puisque qualitativement le bruit n'apparait plus sur la surface filtrée et quantitativement la distance moyenne calculée sur 28 surfaces polygonales est petite (0.26±0.33 mm), elle est inférieure à la résolution en profondeur du système InSpeck (1 mm). Par la suite, nous avons présenté une mesure de calcul de la qualité des triangles d'une façon automatique et rapide. Nous avons sélectionné la valeur du facteur de qualité q=0.3 parce qu'elle permet de supprimer les triangles de mauvaise qualité et en même temps garder un minimum de pourcentage de triangles pour avoir une bonne reconstruction 3D de la surface externe du tronc de patients scoliotiques. Nous avons validé cette valeur sur 145 patients en différentes positions (debout ou en flexion). Cette étape prend seulement 3.5 secondes pour les quatre surfaces polygonales, elle est très rapide par rapport à l'étape manuelle de InSpeck qui prend environ 20 minutes. Dans une deuxième étape, les données recueillies par chaque numériseur sont exprimées dans un système de coordonnées propre à chaque caméra. Il est donc nécessaire de recaler toutes les données dans un système de coordonnées commun. Nous avons donc proposé un recalage rigide en utilisant la matrice de recalage calculée par InSpeck, suivi d'un raffinement par l'algorithme de ICP pour corriger les erreurs. Cette étape de recalage est automatique et rapide. Dans une troisième étape, nous proposons une méthode de fusion de géométries basée sur l'équation de Poisson. Cette méthode génère une surface résultante fermée et lisse et le maillage ne contient ni sommets dupliqués ni polygones en intersection. Contrairement au maillage obtenu par le logiciel de InSpeck qui contient des trous dus à des occlusions, des arêtes qui sont connectées à plus de deux faces, des sommets dupliqués et des polygones en intersection. Enfin, la méthode de fusion de textures proposée permet de récupérer la texture des quatre faces et interpoler la texture des triangles qui ont été créés par la méthode de fusion de géométries par une moyenne de toutes les couleurs sur les quatre faces. Nous avons validé quantitativement la méthode proposée de reconstruction 3D en évaluant trois mesures cliniques (la rotation de la surface du dos (BSR), la déviation du tronc dans le plan frontal et la déviation du tronc dans le plan sagittal) sur 10 patients scoliotiques. Ces mesures montrent bien que la méthode proposée est proche de celle du logiciel EM de InSpeck. L'avantage de la méthode proposée est l'automatisation et la rapidité. Le temps nécessaire pour une reconstruction 3D de la surface externe du tronc avec la méthode proposée est environ une minute au lieu de 21 minutes avec la méthode de InSpeck. Afin d'intégrer la méthode proposée de reconstruction 3D dans un outil d'évaluation clinique, nous proposons de déterminer les valeurs optimales des paramètres du filtrage et du facteur de la qualité des triangles sur une plus grande cohorte de patients scoliotiques. Une validation clinique plus exhaustive sur la reconstruction 3D proposée doit être aussi effectuée en calculant les trois mesures cliniques (BSR, déviation du tronc dans le plan frontal, déviation du tronc dans le plan sagittal) sur une plus grande cohorte de patients scoliotiques. Finalement, il faut intégrer la méthode proposée de reconstruction 3D dans une interface graphique pour l'utiliser en clinique afin de permettre une évaluation 3D des déformations scoliotiques durant la visite des patients.