Contribution to morpho-functional analysis of the upper-limb: application to the gleno-humeral joint
Contribution à l'élaboration d'un espace commun de représentation pour l'analyse morpho-fonctionnelle du membre supérieur : application à l'articulation glénohumérale
Abstract
Locomotor disorders comprehension is limited by the absence of dynamic 3D imaging technology. 3D imagers give access to accurate but static information about bones morphology. On the other hand, motion analysis systems provide dynamic measures. However, these measures may be distorted by the presence of soft tissues between the bones and the skin surface.
First, we study a new method for correcting soft tissues artifacts when using external markers for motion estimation. This method is based on a surfacic approach and aims to follow the deformation created by the scapula on the skin surface. A robust registration algorithm, called IMCP, is used. This algorithm, developed in previous works, has been modified and adapted to be more specific to the study context: motion analysis using external markers. The improvements concern post-processing so as to make the most of the information mutualization properties of the IMCP, a way to take into account the influence of the edges of the markers clusters, and finally the optimization of the processing time thanks to multi-threading developments. In a second time, a specific MRI protocol is developed in order to allow morpho-functional analysis. Moreover, articular coherence indicators are proposed for the glenohumeral joint. These indicators are adapted to the case of errors in motion estimation.
The results show that the use of a markers cluster covering all the scapula do not allow to follow the scapula print at skin surface. Thanks to simulation studies, two hypotheses are proposed to explain these results: the noise created by the soft tissues is too significant, and / or the available skin resolution is not sufficient. The relevance of proposing markerless analysis is so emphasized. Our morpho-functional study on the glenohumeral joint shows the significant influence of the motion analysis protocol on joint coherence during bones animation. The placement of the markers on the scapula and on the humerus as well as the choice of the motion estimation algorithm have a large influence on the bony structures motion estimation.
First, we study a new method for correcting soft tissues artifacts when using external markers for motion estimation. This method is based on a surfacic approach and aims to follow the deformation created by the scapula on the skin surface. A robust registration algorithm, called IMCP, is used. This algorithm, developed in previous works, has been modified and adapted to be more specific to the study context: motion analysis using external markers. The improvements concern post-processing so as to make the most of the information mutualization properties of the IMCP, a way to take into account the influence of the edges of the markers clusters, and finally the optimization of the processing time thanks to multi-threading developments. In a second time, a specific MRI protocol is developed in order to allow morpho-functional analysis. Moreover, articular coherence indicators are proposed for the glenohumeral joint. These indicators are adapted to the case of errors in motion estimation.
The results show that the use of a markers cluster covering all the scapula do not allow to follow the scapula print at skin surface. Thanks to simulation studies, two hypotheses are proposed to explain these results: the noise created by the soft tissues is too significant, and / or the available skin resolution is not sufficient. The relevance of proposing markerless analysis is so emphasized. Our morpho-functional study on the glenohumeral joint shows the significant influence of the motion analysis protocol on joint coherence during bones animation. The placement of the markers on the scapula and on the humerus as well as the choice of the motion estimation algorithm have a large influence on the bony structures motion estimation.
La compréhension des dysfonctionnements locomoteurs est limitée par l'absence de technologie permettant l'analyse dynamique des structures internes et en particulier des segments osseux. Les imageurs tridimensionnels donnent accès à une description précise mais statique de la morphologie osseuse. Les systèmes d'analyse du mouvement par marqueurs externes fournissent quant à eux une information dynamique mais potentiellement empreinte d'erreurs relativement importantes en raison de la présence de tissus mous entre les os et la peau.
Dans un premier temps, une étude a été menée pour proposer une méthode de correction des artéfacts des tissus mous lors de l'estimation du mouvement. Une approche surfacique est décrite. Cette méthode repose sur le suivi de la déformation, induite par le déplacement de l'omoplate, d'une nappe de marqueurs à la surface de la peau. Le suivi est réalisé par un algorithme de recalage robuste, l'IMCP. Cet algorithme, développé dans des travaux précédents, a été modifié et adapté de manière à prendre en compte le contexte de l'étude. Les améliorations ont principalement consisté en un post-traitement des données afin d'exploiter au maximum les capacités de mutualisation de l'information de l'algorithme, la prise en compte de l'influence des bords de la nappe de marqueurs et enfin l'optimisation du temps de calcul. Dans un second temps, afin de réaliser une étude morpho-fonctionnelle dans un espace commun de représentation, un protocole spécifique d'acquisition IRM a été mis en place. Celui-ci a pour objectif le recalage des repères locaux propres à l'acquisition morphologique et à celle du mouvement. L'analyse morpho-fonctionnelle de l'articulation glénohumérale, dans le cas de mouvements empreints d'erreurs, a également nécessité le développement de mesures quantifiant la cohérence articulaire.
Les résultats obtenus montrent que l'utilisation d'une nappe de marqueurs recouvrant l'omoplate à la surface de la peau ne permet pas le suivi de l'empreinte de l'os. L'étude sur des simulations conduisent à avancer 2 hypothèses pour expliquer ces résultats : le bruit crée par les tissus mous est trop important et / ou la résolution de la surface de la peau disponible est insuffisante. L'intérêt de tendre vers des méthodes d'acquisition sans marqueurs est ainsi également mis en évidence. L'analyse morpho-fonctionelle a quant à elle mis en évidence l'influence du protocole d'acquisition utilisé sur la cohérence articulaire lors de l'animation des os. Le choix du positionnement des marqueurs sur l'omoplate et sur l'humérus ainsi que la méthode de traitement employée pour reconstruire le mouvement ont ainsi une influence significative sur l'estimation du mouvement des structures osseuses.
Dans un premier temps, une étude a été menée pour proposer une méthode de correction des artéfacts des tissus mous lors de l'estimation du mouvement. Une approche surfacique est décrite. Cette méthode repose sur le suivi de la déformation, induite par le déplacement de l'omoplate, d'une nappe de marqueurs à la surface de la peau. Le suivi est réalisé par un algorithme de recalage robuste, l'IMCP. Cet algorithme, développé dans des travaux précédents, a été modifié et adapté de manière à prendre en compte le contexte de l'étude. Les améliorations ont principalement consisté en un post-traitement des données afin d'exploiter au maximum les capacités de mutualisation de l'information de l'algorithme, la prise en compte de l'influence des bords de la nappe de marqueurs et enfin l'optimisation du temps de calcul. Dans un second temps, afin de réaliser une étude morpho-fonctionnelle dans un espace commun de représentation, un protocole spécifique d'acquisition IRM a été mis en place. Celui-ci a pour objectif le recalage des repères locaux propres à l'acquisition morphologique et à celle du mouvement. L'analyse morpho-fonctionnelle de l'articulation glénohumérale, dans le cas de mouvements empreints d'erreurs, a également nécessité le développement de mesures quantifiant la cohérence articulaire.
Les résultats obtenus montrent que l'utilisation d'une nappe de marqueurs recouvrant l'omoplate à la surface de la peau ne permet pas le suivi de l'empreinte de l'os. L'étude sur des simulations conduisent à avancer 2 hypothèses pour expliquer ces résultats : le bruit crée par les tissus mous est trop important et / ou la résolution de la surface de la peau disponible est insuffisante. L'intérêt de tendre vers des méthodes d'acquisition sans marqueurs est ainsi également mis en évidence. L'analyse morpho-fonctionelle a quant à elle mis en évidence l'influence du protocole d'acquisition utilisé sur la cohérence articulaire lors de l'animation des os. Le choix du positionnement des marqueurs sur l'omoplate et sur l'humérus ainsi que la méthode de traitement employée pour reconstruire le mouvement ont ainsi une influence significative sur l'estimation du mouvement des structures osseuses.