Représenter la forme de la colonne vertébrale à partir d’échographies 3D

Sommaire

Les patients atteints de scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) subissent généralement des examens tous les six mois, ce qui implique l’exposition fréquente aux rayons X et cause une accumulation de radiations nocives. Pour éviter ces radiations, de plus en plus de recherches portent sur l’échographie de la colonne vertébrale, qui peut évaluer de façon non invasive la courbure rachidienne liée à la scoliose. Cependant, les méthodes actuelles requièrent un travail manuel. Elles sont également biaisées et limitées à l’analyse 2D. Pour obtenir des analyses 3D automatiques et précises de la colonne vertébrale, nous proposons un cadre d’apprentissage profond qui porte sur l’extraction 3D automatique de courbes repères lisses, à partir d’une échographie 3D à main levée. Ce cadre peut représenter la forme de la colonne vertébrale de manière quantifiable et visuelle. Mots-clés : apprentissage profond, forme de la colonne vertébrale, vertèbres, repères, scoliose, échographie.

Échographie 3D à main levée

L’échographie 3D à main levée (FH 3D US) peut générer l’imagerie de grandes structures comme la colonne vertébrale. L'échographe est compact, portable, exempt de radiations nocives et abordable. La FH 3D US capte des séquences échographiques composées d'une multitude de cadres de données, comprenant chacun une image 2D et sa matrice de transformation obtenue à partir d’un capteur de position 3D. La figure 1 illustre la capture 3D de séquences échographiques sur la colonne vertébrale. Lorsque l’échographiste passe la sonde échographique le long de la colonne, les cadres de données sont collectés à un taux d'échantillonnage élevé. Ils sont stockés en deux séquences : l’une composée des images échographiques, et l’autre, des transformations spatiales reliant la position des images au repère de coordonnées global. Nous obtenons ainsi le rendu d’une séquence échographique rachidienne 3D en coordonnées globales.

Protocole normalisé d’étiquetage des repères

Dans la littérature existante, l’extraction des points de repère des lames vertébrales est une tâche mal définie : il n’existe aucune directive concernant la partie la plus représentative de la surface laminaire osseuse à observer dans les échographies. Nous proposons un protocole pour résoudre ce problème.

La figure 2, rangée II, est un diagramme de préférences subjectif sur la localisation manuelle des repères laminaires dans les échographies, où seule une partie de la surface de l’os laminaire est visible. Le diagramme de préférences attribue la plus haute priorité à la paire de points situés au-dessus du fond plat des régions laminaires gauche/droite, près de l’apophyse épineuse et symétrique au centre ombragé. Les priorités diminuent de façon monotone des deux côtés. Ces repères préférés, au milieu des courbes osseuses horizontales

à luminance élevée, correspondent aux deux lignes pointillées vertes de la rangée I.

Nous définissons la courbure de la lame gauche/droite comme étant celle qui correspondant de manière optimale à tous les repères de lames gauche/droite pour une séquence échographique en 3D. La figure 2, rangée I, illustre les deux courbes laminaires prévues pour chaque vertèbre lombaire et thoracique et comprend les deux séquences des repères laminaires provenant de la même vertèbre. Les courbes pointillées vertes représentent la paire optimale ; les courbes pointillées mauve et rouge correspondent aux paires en bordure intérieure et extérieure, respectivement. Toute paire de courbes à l’intérieur de ces bordures peut être considérée comme acceptable, à condition que leur courbure centrale soit parallèle à la moelle épinière.

Rendu 3D : comparaison des courbes laminaires

La figure 3 montre une comparaison des courbes laminaires. Il s’agit de la saisie et de l’agrandissement de la sous-séquence de deux vertèbres lombaires, extraites au moyen de notre cadre d’apprentissage profond (courbe jaune), et de la méthode d’étiquetage manuel (courbe verte), respectivement. L’entrecroisement de deux courbes colorées distinctes confirme l’efficacité de l’IA dans l’extraction 3D automatisée des courbes laminaires.

Conclusion

Nous avons conçu un modèle d’apprentissage profond adapté à l’analyse de séquences échographiques 3D, afin d’extraire automatiquement en 3D une paire de courbes laminaires lisses. Ce nouveau cadre d’apprentissage profond a fait l’objet d’une évaluation expérimentale sur des séquences d’ultrasons 3D des régions lombaires et thoraciques. Les courbes laminaires extraites peuvent être projetées sur le plan coronal, ce qui permet d’évaluer la scoliose et d’analyser la rotation vertébrale. Leur projection en plan sagittal peut faciliter l’identification par échographie des niveaux vertébraux et la mesure de l’angle cyphotique. Les repères vertébraux des lames, distribués symétriquement en nuage et centrés autour de l’apophyse épineuse, pourront appuyer la reconstruction 3D de la colonne vertébrale à l’aide de modèles statistiques de formes. Ils pourront également servir au recalage d’images 3D en combinant la FH 3D US avec un modèle articulé. Les repères vertébraux extraits des images échographiques trouvent des applications en anesthésie péridurale, en recalage d’images et en guidage péropératoire de la colonne vertébrale.

Complément d’information

Pour plus d’informations sur cette recherche, veuillez lire l’article suivant : S. Li, F. Cheriet, L. Gauthier and C. Laporte, "Automatic 3D Lamina Curve Extraction from Freehand 3D Ultrasound Data using Sequential Localization Recurrent Convolutional Networks," in IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, doi: 10.1109/TUFFC.2024.3385698