La reconstruction 3D biplanaire de cages thoraciques de patients scoliotiques est pratiquée en routine aux cliniques de scoliose de l'Hôpital Sainte-Justine de Montréal. L'exploitation de radiographies numériques permet d'éviter les problèmes d'irradiation liés à l'emploi d'imageurs 3D. Cependant, l'algorithme de reconstruction employé (Dansereau et Stokes, 1988;​ Marcil, 1996) utilise une radiographie PA-20° non standard et nécessite la numérisation de 440 repères ponctuels dans les images radiographiques soit environ deux heures de travail.

Dans ce mémoire, la technique proposée pour reconstruire la cage thoracique de patients scoliotiques s'inspire des travaux de Benameur et coll. (2001, 2003) sur les vertèbres et n'utilise que les radiographies classiques PA-0° et LAT. La reconstruction de la cage thoracique complète s'effectue de manière hiérarchique :​ chaque côte reconstruite permet d'initialiser la suivante. La reconstruction de chacune des côtes s'appuie sur le développement, à partir de la base de données de l'Hôpital Sainte-Justine, d'un modèle générique 3D statistiquement déformable (Cootes et coll., 1992) de ligne médiane costale, complété par un modèle surfacique. Par ailleurs, les contours des côtes sont extraits de la radiographie PA-0° à l'aide de l'algorithme classique de Canny (1986) suivi d'une étape de post-traitements. Dans la vue LAT, la visibilité réduite impose la numérisation manuelle d'un ensemble restreint de points. L'ajustement des paramètres de positionnement et de déformation du modèle générique se fait en recalant ses rétroprojections dans les deux radiographies avec les contours costaux détectés (PA-0°) ou numérisés (LAT). Ce problème est résolu en optimisant une fonction d'énergie mesurant la qualité de l'ajustement du modèle 3D avec les données 2D. À cette fin, un algorithme génétique s'inspirant des travaux de Goldberg (1989) est implanté. Finalement, l'algorithme est validé par simulation de radiographies à partir d'un échantillon de vingt géométries 3D connues.

Cette approche statistique hiérarchique permet d'incorporer un maximum d'information. géométrique à priori dans le processus de reconstruction tout en s'appuyant sur des bases théoriques solides. L'intervention manuelle requise est alors largement réduite par rapport aux techniques de reconstruction antérieures. Ainsi, seuls 60 points 2D sont à numériser soit environ 30 minutes de travail.

Les précisions atteintes sont en moyenne de 2,0 ± 0,3 mm pour les images simulées. Les erreurs maximales observées s'établissent à 18,4 ± 2,3 mm et sont essentiellement concentrées dans les portions antérieures de la cage thoracique très peu visibles dans les clichés radiographiques. Cependant, l'évolution vers de nouvelles modalités d'acquisition d'images comme les radiographies basses doses et/ou les clichés multi-énergie permettrait d'augmenter la qualité de l'information extraite et donc de diminuer ces erreurs de reconstruction.

Il est donc recommandé, en priorité, d'évaluer le comportement de l'algorithme développé ici sur ces nouveaux types d'images en mettant l'accent sur l'extraction de données qui permettraient de contraindre la géométrie des portions antérieures des modèles déformables de côtes. De nouvelles méthodes de rehaussement et de segmentation plus robustes doivent être développées pour permettre une exploitation adéquate des données costales, notamment dans la radiographie latérale où la visibilité reste très réduite.

3D personalized biplane reconstructions of scoliotic rib cages are frequently performed at the Sainte-Justine Hospital in Montreal, Canada. The use of a pair of digital radiographs makes it possible to avoid high levels of radiation and other problems related to classical 3D imaging modalities such as CT-Scan for instance. However, the reconstruction algorithm (Dansereau and Stokes, 1988;​ Marcil, 1996) requires a nonstandard X-ray PA- 20° and the extensive, very time-consuming (on average, two hours per rib cage) manual positioning of 440 specific landmarks in the images.

In this project, the 3D/2D registration technique suggested to reconstruct scoliotic rib cages relies on the work done by Benameur and al. (2001, 2003) on socliotic vertebrae and uses only conventional x-ray images PA-0° and LAT. The reconstruction of the complete rib cage is carried out in a hierarchical way:​ each reconstructed rib determines the initial pose parameters (size and orientation) of the following one. The 3D reconstruction of each rib is based, through the analysis of the data base of the Sainte- Justine Hospital, on the development of a set of 3D statistically deformable templates (Cootes and al., 1992) of rib centerlines and meshed models of their surface. Rib edges are automatically extracted from the postero-anterior radiograph using the Canny algorithm (1986) and post-processing steps involving thresholding and linking of the edges. In the lateral view, reduced visibility prevents from automatic treatment and thus, a set of 60 points are manually digitized. The 3D/2D registration problem is stated as the optimization of a cost function measuring the quality of the fit between the data extracted from the radiographs and the projections of the deformable models in both images. A genetic algorithm (Goldberg, 1989) is proposed to determine the optimal pose and deformation of the models. Eventually, the validation is based on synthetic images obtained from a sample of twenty 3D rib cage models.

This hierarchical statistical approach, anchored in a solid theoretical background, allows to incorporate a maximum of geometrical a priori information in the 3D reconstruction process. As a consequence, manual intervention is largely reduced compared to former techniques. Only 60 2D landmarks are to be digitized, corresponding to approximately 30 minutes of manual work.

The validation results reveal an average reconstruction error of 2,0±0,3 mm for the simulated x-rays proposed and a maximum error of 18,4 ± 2,3 mm. Most of these errors are concentrated in the anterior portions of the ribs, less visible in the x-ray images. However the proposed method remains very general and with the generalization of multi- energy imaging modalities and recently developed low radiation radiographic techniques, the measured reconstruction errors could be significantly decreased.

Therefore, future work should concentrate on the study of the algorithm's behavior on these new types of images and put the stress on the development of more powerful 2D segmentation techniques and the extraction of enough data in the anterior region of the rib cage to adequately constrain the deformation of the rib models, especially in the lateral radiograph.