La scoliose et le spondylolisthésis sont des pathologies rachidiennes qui touchent respectivement 1,5-3% et 13.6% des personnes et possèdent un potentiel d’évolution. Ces pathologies tridimensionnelles sont principalement étudiées par des indices géométriques bidimensionnels ne reflétant qu’une partie des modifications morphologiques et biomécaniques/biochimiques du rachis. L’étude clinique de ces pathologies et de leurs évolutions sont réalisées à partir d’informations limitées sur les modifications engendrées au rachis. Le disque intervertébral (DIV) est le tissu mou permettant la mobilité entre les segments vertébraux. Il subit les effets dégénératifs des pathologies de manière précoce en son sein.

Notre étude se base sur l’hypothèse que l’intensité de signal IRM au sein d’images cliniques pondérées en T2 est sensible à la pathologie rachidienne et à sa sévérité, permettant ainsi à cette modalité d’imagerie de fournir des informations sur les propriétés géométriques, biochimiques et mécaniques du DIV, et donc de réaliser des suivis in-vivo de l’évolution des pathologies rachidiennes. Ce projet vise à développer des techniques permettant l’étude tridimensionnelle de la distribution géométrique et gaussienne du signal IRM pondéré en T2 au sein d’images cliniques de patients présentant des pathologies rachidiennes, et ce dans le disque intervertébral (DIV) complet, dans l’annulus fibrosus (AF) et dans le nucleus pulposus (NP). Ces outils permettront de vérifier si les dégénérescences des DIV sont spécifiques aux pathologies les ayant engendrées ainsi qu’à leurs sévérités.

Afin d’analyser le signal IRM tridimensionnel du DIV de manière automatisée, il est nécessaire de segmenter les images cliniques. Une méthode semi-automatisée a été utilisée dans ce projet et sa reproductibilité a été testée. Cette méthode permet un gain de temps par rapport aux méthodes manuelles utilisées dans la littérature.

Des outils d’analyse de signal IRM au sein du DIV ont été développés afin de détecter la sensibilité de celui-ci aux pathologies rachidiennes et à leurs sévérités. Ces outils ont permis de refléter les variations de distribution du signal IRM de manière géométrique en 3D et de manière gaussienne.

Dans ce but, une cohorte de 79 sujets (32 scolioses, 32 spondylolithésis, 15 contrôles) a été étudiée. Une normalisation de l’intensité de signal a été nécessaire à la comparaison des signaux IRM de ces patients possédant des paramètres tels que le gain d’acquisition de l’imageur variables et ne pouvant être contrôlés. Cette étude a testé deux normalisations d’intensité. La première étant la normalisation par rapport au fluide cérébrospinal, conforme à la littérature, et la seconde par rapport aux tissus osseux qui sont connus pour subir des variations dues aux pathologies rachidiennes. La comparaison des résultats obtenus par ces normalisations sur l’ensemble de la cohorte de patients a ensuite été réalisée.

Les résultats de l’étude ont démontré la reproductibilité de la méthode pour une segmentation des images réalisée par un opérateur unique entre les différents patients. De plus, les résultats ont prouvé des différences significatives dans les distributions géométriques et gaussiennes des signaux IRM d’images cliniques pondérées en T2 entre des patients souffrant de pathologies rachidiennes telles que la scoliose et le spondylolisthésis.

Cette étude se démarque par l’aspect tridimensionnel de l’analyse du signal IRM au sein du DIV, par l’étude de la distribution gaussienne du signal IRM au sein du DIV, par l’utilisation et la comparaison de deux normalisations de signal ainsi que par l’utilisation d’une méthode de segmentation semi-automatique du DIV. Elle présente cependant quelques limites telles que la variabilité des résultats liée principalement à la faible résolution des images cliniques.

Notre recherche fondamentale a permis de développer de nouveaux critères d’analyse de signal IRM reflétant des variations morphologiques et biochimiques du DIV. Elle a montré qu’il existe une dégénérescence du DIV qui est spécifique à la pathologie rachidienne (Scoliose/Spondylolisthésis). Cette étude peut servir de base à de nouvelles analyses présentant un suivi in-vivo des pathologies afin d’étudier leur caractère évolutif. De plus, l’utilisation d’images présentant d’autres pondérations et d’images IRM quantitatives permettraient de refléter d’autres aspects morphologiques, biochimiques ou mécaniques du DIV lors des pathologies rachidiennes.

Scoliosis and spondylolisthesis are spine pathologies affecting 1.5-3% and 13.6% of the population, respectively. These diseases have the potential to further progress. These tridimensional pathologies are mainly studied using two-dimensional geometric indices, which reflect only a fraction of the morphological, biomechanical and biochemical variations of the spine. Clinical interpretations of these pathologies and of their evolution are based on the limited information of spine modifications. The intervertebral disc (IVD) is the soft tissue between adjacent vertebrae that allow the mobility of the spine between the rigid segments. Spine pathologies lead to premature degeneration of the IVD.

In our study, we hypothesize that the MRI signal intensity within clinical T2-weighted images is sensitive to the spine pathology and to its severity. Thus this imaging technique could provide information on the geometrical, biochemical and mechanical properties of the IVD, and facilitate in-vivo follow-up of the evolution of these spine pathologies. This project aims to develop techniques to analyse the tridimensional geometry as well as the Gaussian distribution of the T2- weighted MRI signal within clinical images of the IVD, the annulus fibrosus (AF) and the nucleus pulposus (NP) of patients affected with various spine pathologies. These tools will assess whether or not a specific degeneration of the IVD is caused by the spine pathologies depending on their severity.

In order to analyse automatically the tridimensional MRI signal within the IVD, it is necessary to segment clinical images. A semi-automated method was used in this project and its reproducibility was tested. This method is less time-consuming compared to the commonly used manual methods that are reported in the literature.

MRI signal analysis tools were developed to detect its sensitivity within the IVD to spine pathologies and their severities. These tools allowed a Gaussian and geometric distribution analysis of the MRI signal intensity within the IVD.

A cohort of 79 subjects (32 scoliosis, 32 spondylolisthesis, 15 controls) was studied. A normalization of the signal intensity was done in order to compare images from patients with variable parameters such as the acquisition gain. This study tested two normalizations of the intensity of the signal. The first one was based on the intensity within the cerebrospinal fluid (CSF) as described in the literature. The second one was based on the intensity of the bone tissues, which are known to vary with spine pathologies. A comparison of the results obtained with both normalizations on the total cohort was then performed.

Results of this study demonstrated the reproducibility of this method for image segmentation achieved by a single operator among the patients. Moreover, significant differences were observed within geometric and Gaussian distributions of the MRI signal intensity for T2- weighted clinical images of patients suffering from spine pathologies such as scoliosis and spondylolisthesis.

This study used innovative approaches and for the first time, allowed tridimensional analysis of the MRI signal distribution within the IVD, the Gaussian distribution of the MRI signal within the IVD, the use and comparison of two signal normalizations and a semi-automatic segmenting method. However, there are a few limits in our study such as the variability of the results which was linked to the low resolution of the IVD within clinical images.

We developed new fundamental MRI signal analysis criteria reflecting both morphologic and biochemical variations within the IVD. It allowed the detection of degeneration of the IVD specific to two spine pathologies (Scoliosis/spondylolisthesis). This study can therefore provide a new basis for in-vivo follow-up of spine pathologies in order to analyse their progression. Moreover, the use of other MR image-weighting as well as quantitative MRI images could help to analyse other morphologic, biochemical and mechanical aspects of the IVD affected by spine pathologies.