Registration of 3D structures based on low-dose stereo-radiographic acquisitions - Application to the estimation of human movements
Recalage de structures tridimensionnelles à partir d'acquisitions stéréo-radiographiques basse dose. Application à l'estimation de mouvements humains
Résumé
Osteoarticular diseases are an important part of the pathologies that affect the musculoskeletal human system. They have a major impact on the individual and society. In this context, the kinematic studies are a strong tool to help clinicians assess the condition of the joints. These studies go through a motion estimation of bone structures. Several approaches are currently used for this purpose: tracking of external markers (attached to the skin), internal (attached to bones), palpation, and the registration of medical images (radiographs, CT, MRI). The latter approach was maintained by proposing a 2D 3D registration method to estimate bone positions. In the first part, we take advantage of the specifications of a new bi-planar and low-dose radiological modality (EOS) to propose a novel and particularly well adapted method. This method uses the classical Fourier central slice theorem. For that, in the first step, through a state of the art of traditional approaches to motion estimation, we perform an original and multi-criteria classification (invasiveness, accuracy, genericity) to situate the contributions of this new modality. In a second step, we propose an alternative to the conventional 2D 3D registration. Our approach has several advantages. The registration made in the frequency domain provides an elegant link between the 2D and 3D data that avoids the simulation of radiographs. The search for two components of rigid motion, rotation and translation, is performed in a sequential manner. First, the rotation is determined by an iterative optimization of a metric depending of the data modules. Then, the translation is deduced, directly using the phases. A second part is devoted to the practical implementation of the method and its evaluation on different data going from synthetic data to real EOS data consisting on frontal and sagittal radiographs and a single 3D reconstruction. This allows validating the method under real conditions of acquisition. The application of our registration method for motion estimation of various structures: femur, tibia, knee and hip prostheses, allowed us to illustrate the genericity of the proposed approach.
Les maladies ostéoarticulaires constituent une part importante des pathologies qui touchent l'appareil locomoteur humain et elles ont un impact majeur quant à l'individu et à la société. Dans ce cadre les études cinématiques présentent un outil permettant aux cliniciens une évaluation de l'état des articulations. Ces études passent par une estimation du mouvement des structures osseuses. Plusieurs approches sont actuellement utilisées dans cet objectif : passant par le suivi de marqueurs externes (fixés sur la peau), internes (fixés sur les os), la palpation, et le recalage d'images médicales (radiographies, CT, IRM). Cette dernière approche a été retenue en proposant un recalage 2D 3D pour l'estimation des positions des structures osseuses. Dans une première partie, on tire profit de la particularité d'une nouvelle modalité radiologique bi-planes basse dose (EOS) pour proposer une méthode originale et particulièrement bien adaptée et qui utilise le théorème classique de la coupe centrale de Fourier. Pour cela, dans un premier temps, au travers d'un état de l'art des approches classiques de l'estimation de mouvements, nous réalisons une classification originale multi critères (invasivité, précision, généricité) afin de bien situer les apports de cette nouvelle modalité. Dans un deuxième temps, nous proposons une alternative au schéma classique de recalage 2D 3D qui présente plusieurs avantages. Le recalage effectué dans le domaine fréquentiel établit un lien élégant entre les données 2D et 3D ce qui permet d'éviter la simulation des radiographies. La recherche des deux composantes du mouvement rigide, rotation et translation, est effectuée d'une manière séquentielle. D'abord, la rotation est déterminée par une optimisation itérative d'une métrique dépendant des modules des données. La translation se déduit, alors, directement en utilisant les phases. Une deuxième partie est consacré à la mise en oeuvre pratique de la méthode et à l'évaluation de l'implémentation sur des données de plus en plus complexes allant des données synthétiques, des fantômes puis des données EOS réelles composées de radiographies frontales et sagittales et d'une seule reconstruction 3D. Ceci permet de valider la méthode dans des conditions réelles d'acquisition. L'application de notre méthode de recalage pour l'estimation de mouvement de différentes structures : fémur, tibia, prothèses de genou et de hanche, nous a permis d'illustrer la généricité de l'approche proposée.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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