ESTIMATION, À PARTIR DE MESURES PAR RESONANCE

ESTIMATION, À PARTIR DE MESURES PAR RESONANCE
MAGNETIQUE NUCLEAIRE, DES DIMENSIONS
ET DU VOLUME DES VERTEBRES LOMBAIRES
AU COURS DE LA CROISSANCE
Nabil M. ZAHRA
Département de Génie BioMédical
Université Claude Bernard
Lyon 1
Année universitaire 2004/2005
Remerciements
Je tiens à remercier M. le professeur Jean Pierre PRACROS et, mon tuteur,
Professeur Pierre BRAILLON, qui m’ont permis d’effectuer ce stage à l’hôpital
DEBROUSSE.
Je tiens à remercier, le Dr Loïc VIREMOUNEIX et le Dr Aygulf CHOUSTA,
pour l'aide qu'ils m'ont apportée dans l'utilisation du logiciel "Volume Viewer".
Je souhaite également à remercier les manipulateurs radiologistes qui m’ont
expliqué les modalités d’examen IRM.
2
SOMMAIRE
1 – PRESENTATION DE L4HOPITAL.
2 -- INTRODUCTION
3 – MATERIELS ET METHODES
4 - RESULTATS
■ Reproductibilité des mesures.
■ Corrélations obtenues
■ Modélisation.
■ Comparaison avec les résultats publiés
5 – DISCUSSION
6 – CONCLUSION
- REFERENCES
- ANNEXE
Généralités sur les activités développées durant le stage
■ Résumé du stage.
■ IRM : ∙ Principes généraux.
∙ But de l’étude.
∙ Déroulement de l’examen.
3
Résumé
Le but de cette étude a été de mesurer le volume réel des vertèbres lombaires, quantité dont
l’utilité pour des applications radiologiques et cliniques en pédiatrie est importante.
L’étude a pris en compte 32 patients, âgé de 2 à 20 ans, ne présentant pas de pathologies
osseuses.
La mesure des volumes des corps vertébraux (C.V.), a été réalisée à partir de coupes
jointives sagittales d’images obtenues par IRM en pondération T2, et en utilisant un logiciel
d’analyse « Advantage Workstation – Volume Viewer » dont l’appareil d’IRM est équipé.
Les résultats qui ont été comparés avec ceux d’autres études, ont permis de mettre en
évidence de bonnes corrélations entre diamètre antéropostérieur et volume du CV (r
>0,90), et entre taille des patients et volume du CV (r
2
2
> 0,95). De plus une modélisation
des plateaux du CV par une cardioïde a permis d’obtenir des corrélations linéaires (r 2>0,92)
avec le volume vertébral mesuré.
Finalement une amélioration très sensible a été apportée par ces mesures du volume
vertébral par rapport aux études antérieures, par exemple celle de Rauch publiés en 2003.
Abstract
Objective: To measure with accuracy the vertebral body volume (VBV), a data which can be
used for clinical and radiological applications.
Materials and methods:
A total of 32 patients aged from 2 to 20 years with no bone
pathology were examined. The measurement of the vertebra volumes were taken from
images obtained using MRI software “Advantage Workstation – Volume Viewer”, by selection
of 12 contiguous sagittal T2 sections.
Results: Significant correlations were found between the anteroposterior diameter and VBV
(r 2 > 0, 90), as well as between patient height and VBV(r
2
> 0, 95). In addition the modality,
of the vertebral body axial area with cardioids gave linear correlation with the measured VBV.
Conclusion: These results improved the accuracy of VBV estimation, as compared to
previous published results, for example, those of Rauch published in 2003.
4
1 – Présentation du lieu de stage:
J’ai effectué mon stage à l’hôpital DEBROUSSE dans le service de radiologie, dirigé par le
professeur PRACROS. Cet hôpital comprend 187 lits en hospitalisations conventionnelles, 8
lits Unité d' Hospitalisation à Courte Durée et 18 places d'hôpital de jour.
Hôpital d'enfants : urgences pédiatriques, pédiatrie, réanimation des prématurés,
néonatalogie et chirurgie infantile.
5
2 – Introduction :
Le volume vertébral est un paramètre important à connaître en pédiatrie dans de
nombreuses pathologies osseuses. C'est le cas, tout particulièrement, de l'ostéogénèse
imparfaite, maladie pour laquelle on dispose maintenant de traitements efficaces et bien
codifiés. Ces traitements augmentent la densité minérale des pièces osseuses ainsi que leur
volume. L'évolution de la densité minérale osseuse peut être mesurée de façon simple au
niveau vertébral lombaire par absorptiométrie biphotonique à rayons X (ou Dual Energy Xray Absorptiometry, DXA). Le volume vertébral n'est pas donné directement par cet examen,
mais la surface de projection antéro-postérieure de la zone du rachis mesurée est obtenue,
en même temps que la densité.
Le but de ce travail a été essentiellement de définir des corrélations entre les différentes
dimensions des corps vertébraux (diamètre antéro-postérieur, diamètre coronal et hauteur)
et leur volume. Ces corrélations ont été établies à partir d'images obtenues au cours
d'examens du rachis par Imagerie de Résonance Magnétique (IRM), chez des enfants et des
adolescents.
3 – Matériels & Méthodes :
Patients :
Trente deux patients âgés de 2 à 20 ans, de morphologie normale, ont été étudiés. Leur
biographie sommaire est donnée dans le tableau 1.
Ces patients qui ne présentaient pas de pathologie osseuse, ont subi un examen d’imagerie
par résonance magnétique (IRM), pour rechercher la cause de troubles neurologiques
d’apparition récente.
Mesures:
A partir des examens effectués au niveau des vertèbres lombaires, des mesures de la
hauteur (h) des corps vertébraux (CV), ainsi que de leur diamètre antéro-postérieur (Dap),
figures (1a ; 1b), dans le plan sagittal et de leur largeur à mi-hauteur dans le plan coronal
(Dt), ont été effectuées.
6
Patients :
Patients
N
15
Mini
Age
17
2
2
Maxi
20
19
Moy±1DS
9,9±5,6
10.0±6
(Année)
Tableau 1. Biographie sommaire des patients étudiés.
7
Figure 1 :
1 a - Examen IRM d’un patient sans pathologie osseuse, coupe sagittale du rachis
lombaire.
1 b - Coupe sagittale schématique de trois vertèbres lombaires, montrant, en particulier, les
dimensions du CV mesurées : diamètre anteroposterieur (Dap) et hauteur (h).
8
La mesure des volumes des vertèbres a été réalisée suivant 2 méthodes :
-
En utilisant des coupes de 4mm d’épaisseur, jointives, obtenues avec des séquences
T2
"Fast Spin-Echo". Le logiciel d’analyse ‘’Volume Viewer, Advantage
Workstation’’, dont l’appareil d’IRM est équipé, donne directement la mesure du
volume des pièces osseuses délimitées par l'opérateur par sommation de l’ensemble
des valeurs calculées sur chacune des coupes.
-
En assimilant le contour moyen des plateaux du corps vertébral (CV) à une cardioïde
et en calculant la surface de la cardioïde (2a
représentant le diamètre
antéropostérieur du CV), puis en multipliant cette surface par la hauteur du CV
V (cm3) = S cardioïde (cm2) * H (cm).
Avec S=3/2 x Π x a 2
-
Une comparaison des résultats obtenus par ces deux méthodes avec ceux donnés
par par Rauch et al [4] a été ensuite effectuée. La figure 2 montre un résultat
d'examen du rachis lombaire sur lequel est indiqué la surface de la projection antéropostérieure des vertèbres que ces auteurs utilisent en l'élevant à la puissance 3/2,
pour estimer le volume des CV (approximation sommaire qui sera discutée plus loin).
9
Figure 2: Exemple de résultats obtenus par DXA pour l'examen du rachis lombaire chez
un enfant de 11 ans. La surface de projection des vertèbres L1-L4 (Area) vaut ici 41.99
cm2 et leur hauteur, disques compris (length) est de 10.35 cm.
10
4 – Résultats :
4.1 Reproductibilité des mesures :
Pour déterminer la reproductibilité des résultats, quatre mesures successives du volume de
L4 chez quatre patients ont été effectuées. Les résultats sont donnes dans le tableau 2.
4.2 Corrélations obtenues :
■ Les mesures effectuées, ont permis d'obtenir des relations simples entre la somme des
volumes des CV des vertèbres L1 à L4, et le diamètre antéropostérieur du CV (figures 3 à 5),
ou la taille des patients (figure 6).
Les courbes des figures 3 et 4 illustrent la variation du volume des CV de L1 et L4 en
fonction de leur diamètre antéropostérieur. La meilleure corrélation entre ces deux mesures
est obtenue par une fonction puissance (R
2
= 0.95) et le diamètre antéropostérieur et le
volume du CV, tableau 4. De même, la figure 5 montre également la corrélation obtenue
pour les 4 vertèbres L1à L4 avec une fonction puissance et un exposant proche de 3
(V = K*Dap3).
4.3 Modélisation:
V (cm3) = K * S cardioïde (cm2) * H (cm)
Des corrélations linéaires sont obtenues entre les volumes mesurés en utilisant le logiciel de
la console de calcul de l’appareil d’IRM ‘’Volume Viewer, Advantage Workstation ’’et les
volumes des CV assimilés à une cardioïde et corrigés par un facteur de correction (K,
Tableau 5), et sont présentées figures 7, 8, 9 et 10 pour les volumes de chacune des
vertèbres L1, L2, L3 et L4.
4.4 Comparaison avec les résultats publiés :
La formule utilisée par Rauch et al [4], V = A
3/2
, conduit à des volumes bien corrélés avec
les résultats de nos mesures (figure11) ; Cependant, un facteur correctif (K~ 1,6) doit être
appliqué aux résultats données par ces auteurs pour obtenir le volume réel mesuré des
corps vertébraux.
11
VolumeL4
1
2
3
4
(cm3)
(cm3)
(cm3)
(cm3)
Moy±1DS
 (%)
Patients
1
15,735
15,461
15,25
16,1
15,637±0,367
2.35
2
25,339
25,066
25,170
25,636
25,303±0,249
0.98
3
21,055
20,891
20,628
20,349
20,731±0,309
1.49
4
24,514
24,442
24,586
24,148
24,423±0,192
0.79
Tableau 2. Reproductibilité des mesures & coefficients de variation ( = 100*SD/moy).
Volume mini
Volume max
(cm3)
(cm3)
L1
2.495
31.937
L2
2.496
32.992
L3
3.538
35.997
L4
3.438
37.701
Tableau 3. Volume minimum et maximum mesurés des CV, dans la population étudiée.
12
Equation de
corrélation
R2
1.551* Dap 2,701
L1
0.934
1.511* Dap 2,672
L2
0.900
1.745* Dap 2,588
L3
0.973
1.626* Dap 2,611
L4
0.949
Tableau 4. Exemple de corrélation entre le diamètre antéropostérieur (Dap) et le volume des
corps vertébraux de chacune des vertèbres L1 à L4, (les équations de corrélation et le
facteur de corrélation R 2 sont donnés).
K
L1
1,24
L2
1,20
L3
1,20
L4
1,20
Tableau 5. Valeur des coefficients de correction pour chacune des vertèbres étudiées dans
le cas de la modélisation du contour des plateaux vertébraux par une cardioïde.
13
Dap L1 vs Vol CV L1
60
vol CV L1 (cm3)
50
40
y = 1,551x2,708
R2 = 0,934
30
20
10
0
1
1,5
2
2,5
3
3,5
D ap moy L1 (cm)
Figure 3: corrélation entre le diamètre antéropostérieur (Dap) du corps vertébral et le volume
mesuré de L1 (m ± 2 SD).
Dap L4 vs Vol CV L4
80
Volume CV L4 (cm3)
70
2,611
y = 1,626x
R2 = 0,949
60
50
40
30
20
10
0
1
1,5
2
2,5
3
3,5
Dap moy L4 (cm)
Figure 4: corrélation entre Dap L4 et le volume des corps vertébraux de L4 (m ± 2 SD)
14
4
Correlation Volume/Diametre ap
180
y = 0,1279x2,7358
R2 = 0,9515
somme Vol CV (cm3)
160
140
120
100
80
60
40
20
0
4
6
8
10
12
14
16
somme Dap (cm)
Figure 5: Corrélation entre la moyenne des diamètres antéropostérieurs et la somme des
volumes des corps vertébraux des vertèbres L1 à L4.
correlation Volume CV / estimation taille
250
vol CV (cm3)
200
y = 0,000104x2,749
R2 = 0,949
150
100
50
0
50
70
90
110
130
150
170
190
210
Taille (cm)
Figure 6 : Corrélation entre la taille des patients et la somme des volumes des corps
vertébraux (L1 à L4).
15
Correlation Volume Calculé / volume mesuré L1
Volume mesurée L1 (cm3)
45
y = 1,063x - 0,812
R2 = 0,924
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Volume calculé (cm3)
Figure 7 : Corrélation entre le volume calculé (Aire d’une cardioïde * h) et le volume mesuré
du corps vertébral de L1.
Correlation Volume cardioide / Volume CV L2
40
y = 1,0239x - 2,4915
R2 = 0,9417
Vol CV L2 (cm3)
35
30
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Vol Calculé (cm3)
Figure 8 : Corrélation entre le volume calculé (Aire d’une cardioïde * h) et le volume mesuré
du corps vertébral de L2.
16
Correlation Volume corrigés / volume CV L3
45
y = 1,0648x - 2,4451
R2 = 0,9504
40
vol CV L3 (cm3)
35
30
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Vol calculé (cm3)
Figure 9 : Corrélation entre le volume calculé (Aire d’une cardioïde * h) et le volume mesuré
du corps vertébral de L3.
Correlation Volume corrigés/ volume CV L4
50
y = 0,9168x + 3,2571
R2 = 0,9466
45
Vol CV L4 (cm3)
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
Vol Calculé (cm3)
Figure 10 : Corrélation entre le volume calculé (Aire d’une cardioïde * h) et le volume
mesuré du corps vertébral de L4.
17
60
Volume mesuré vs Volume "RAUCH"
Volume mesuré (cm3)
250
y = 1,147x - 1,07
R2 = 0,925
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Volume R (cm3)
Figure 11 : Corrélation entre le volume mesuré et le volume donné par Rauch et al [4], et
corrigé par le facteur K.
18
5 - Discussion :
L’étude qui a été faite a porté sur la mesure du volume vertébral au niveau lombaire chez
trente deux enfants et adolescents, en vue d’obtenir des valeurs de référence dans le suivi
de maladies osseuses, telles, en particulier l’ostéogenèse imparfaite.
Peu d’étude sont disponibles à ce jour dans ce domaine précis, l’article de Rauch et al [4] a
porté essentiellement sur la mesure par absorptiomètrie à rayons X (DXA) du contenu
minéral osseux du rachis lombaire. Le volume vertébral qui est, dans cette pathologie, un
élément important à considérer, n’a été pris en compte que de façon imprécise à partir de la
surface de projection des vertèbres. En fonction de l’age les mesures peuvent être imprécise
en raison de retard ou d’avance de croissance très souvent rencontrées chez les enfants
durant la période de croissance. La différence entre les deux mesures est illustrée par la
courbe de
régression linéaire des 2 volumes, volume mesuré et le volume estimé par
Rauch.
De même, dans l’étude de W. A. Reinus et al [1] également faite à partir de résultats
obtenus par DXA pour évaluer le changement de la densité minérale de squelette osseux
chez des enfants adolescents atteints d’OI et non traités.
Une autre étude faite par K. M. Diab et al [2] permet la détermination du volume du CV
des vertèbres thoraciques (T7-T10) et lombaire (L3) chez des enfants scoliotiques, à partir
d’images de tomodensitométrie (TDM) en utilisant une méthode dérivée de Cavalieri [2] ;
L’article de Braillon et al [3] donne des valeurs de référence des volumes du squelette et
du corps entier chez des fœtus normaux, en utilisant la tomodensitométrie à acquisition
hélicoïdale (Spiral CT Scan).
De même, Arikoski P et al [5], ont évalué par DXA, l’évolution de la taille du squelette,
ainsi que la masse osseuse totale et régionale chez des enfants atteints d’OI pendant la
première année de leur traitement par pamidronate.
Finalement, l’étude la plus proche de la notre a été fait par Knirsch et al [6]. Cette étude a
été faite chez des enfants sains, et a permis d’évaluer les valeurs normales du diamètre
sagittal des CV et le diamètre de la moelle épineuse en utilisant l’IRM, cependant notre
étude et plus précise puisque on a pris en considération la taille des enfants ce qui est un
facteur beaucoup plus important que l’âge. Par contre on n’a pas pu vérifier leurs résultats
donnant une différence entre les deux sexes, en raison, essentiellement,
statistique (32 patients) de notre population.
19
de la faible
6 - Conclusion :
La méthode de calcul du volume vertébral qui a été définie dans cette étude, apporte une
amélioration très sensible par rapport aux précédentes estimations.
Elle peut être utilisée, en particulier, pour suivre de façon simple, l’évolution du volume
vertébral chez des enfants atteints d’ostéogenèse imparfaite et traités, par exemple, par
biphosphonates. Ces résultats peuvent être utiles dans des services de radiologie et de
clinique de façon à estimer les différentes dimensions des vertèbres lombaires chez les
patients et voir si elles sont situées dans les limites normales, ou ils ont des pathologies
osseuses, en particuliers l’ostéogenèse imparfaite.
20
Références :
[1] Reinus W. R., McAlister W. H., Schranck F., Chines A., Whyte M. P. .
Differing Lumbar Vertebral Mineralization Rates in Ambulatory Pediatric Patients with
Osteogenesis Imperfecta.
Calcif Tissue 1998; 62:17-20.
[2]. Diab K. M, Ollmar S., Sevastik J. A., Willers U., Svensson A.
Volumetric determination of normal and scoliotic vertebral bodies.
Eur Spine J 1998; 7:282-288.
[3] Braillon P. M., Buenerd A., Lapillonne A., Bouvier R.
Skeletal and total body volumes of human fetuses: assessment of reference data by spiral
CT. Pediatr Radiol (2002) 32:354-359
[4] Rauch F., Plotkin H., Zeitllin L., and Glorieux F.H.
Bone Mass, Size, and Density in Children and Adolescents With Osteogenesis Imperfecta:
Effect of Intravenous Pamidronate Therapy.
J Bone Miner Res 2003; 18:610-614
[5] Arikoski P, Silverwood B, Tillmann V, Bishop NJ.
Intravenous pamidronate treatment in children with moderate to severe osteogenesis
imperfecta: assessment of indices of dual-energy X-ray absorptiometry and bone metabolic
markers during the first year of therapy.
Bone. 2004 Mar; 34(3):539-46
[6] Knirsch W., Kurtz C., Häffner N., Langer M, Kececioglu D.
Normal values of the sagittal lumbar spine (vertebral body and dual sac) in children
measured by MRI.
Pediatr Radiol 2005;35:419-424.
[7] Gatti D, Antoniazzi F, Pirizzi R, Braga V, Rossini M, Tato L, Viapiani O, Adami S.
Intravenous neridronate in children with osteogenesis imperfecta: A randomized controlled
study.
J Bone Miner Res. 2005 May; 20(5):758-63.
21
Annexe :
Généralités sur les activités développées durant le stage :
Je vais d’abord résumer ce que j’ai vu pendant mon stage de 7 semaines à l’ Hôpital
DEBROUSSE en quelques lignes.
Dans un premier temps, j’ai participé à des examens osseux par absorptiomètrie, pratiqués
sur un appareil « NORLAND XR-36® ». Cet appareil à rayons X permet de mesurer la
masse squelettique et la densité minérale osseuse du patient, ainsi que la composition du
corps en
masse grasse et masse maigre. Ensuite, j’ai assisté à des consultations, en
particulier de chirurgie orthopédique, qui m’ont permis de comprendre comment on peut
aborder le traitement de pathologies telles les inégalités de longueur des membres inférieurs
et l’expliquer aux parents du patient. Enfin, dans la salle de l’IRM (GE 1 Tesla), j’ai appris
comment se font les principales séquences d’examens. Finalement, j’ai pu consacrer
l’essentiel de mon temps au sujet du stage proposé par le Dr Braillon, qui était de mesurer
l’évolution du volume des corps vertébraux au niveau lombaire au cours de la croissance.
Pour cela, des corrélations entre ce volume et les diamètres antéro-postérieur ou coronal et
la hauteur des vertèbres ont été établies à partir de mesures effectuées sur des images IRM
en T2, obtenues chez des patients ne présentant pas de pathologie osseuse.
L’IRM (Imagerie par Résonance Magnétique)
-- Qu’est-ce que c’est ?
Irm signifie imagerie par résonance magnétique. Elle utilise un champ magnétique (aimant)
et des ondes radio. Aucune radiation ionisante n’est émise. Son principe consiste à réaliser
des images du corps humain grâce aux nombreux atomes d’hydrogène qu’il contient. Placés
dans un puissant champ magnétique, tous les atomes d’hydrogène s’orientent dans la même
direction : ils sont alors excités par des ondes radio durant une très courte période (ils sont
mis en résonance). A l’arrêt de cette stimulation, les atomes restituent l’énergie accumulée
en produisant un signal qui est enregistré et traité sous forme d’image par un système
informatique.
22
Dans la salle d’examen, on trouve :

La machine se compose d’un tunnel formé d’un aimant à l’intérieur duquel le lit
d’examen va entrer ainsi que d’antennes adaptées à la région à explorer.

Le pupitre de commande derrière lequel se trouve le personnel médical est séparé de
la machine par une vitre protectrice.
-- Buts de l’étude :
L’irm étudie avec une grande précision de nombreux organes tels que le cerveau, la colonne
vertébrale, les articulations et les tissus mous.
L’irm est d’une grande utilité lorsqu’une analyse très fine est nécessaire et que certaines
lésions ne sont pas visibles sur les radiographies standard, l’échographie ou le scanner.
Elle permet de faire des images en coupes dans différents plans et de reconstruire en trois
dimensions la structure analysée.
Elle recherche :

Au niveau du cerveau, des lésions infectieuses ou inflammatoires, des anomalies des
vaisseaux, ainsi que des tumeurs.

Au niveau de la colonne vertébrale, des hernies discales.

Au niveau des articulations, des lésions ligamentaires ou méniscales.
-- déroulement de l’examen :

C’est un médecin spécialiste en radiologie qui pratique cet examen.

Après avoir signalé votre arrivée à l’accueil, on vous fera patienter quelques minutes
en salle d’attente.

Avant l’examen, vous passerez au vestiaire pour vous dévêtir (on vous indiquera les
vêtements qu’il faut ôter).

On vous demandera d’enlever toute pièce métallique (bijoux, montre, lunettes,
prothèses auditives et dentaires…) ainsi que vos cartes magnétiques (bancaires,
transport…).

Il ne faut pas que vous soyez porteur d’un stimulateur cardiaque (il tomberait en
panne).
23

Allez aux toilettes avant d’entrer dans la machine pour plus de confort.

Pendant l’examen, vous serez allongé sur un lit, le plus souvent sur le dos. Une
antenne est placée au niveau de l’organe à visualiser puis vous entrez
automatiquement dans l’appareil. Une injection de produit de contraste sera peut être
réalisée afin d’améliorer la qualité des images. Surtout, ne bougez pas et respirez
calmement afin que les images soient de bonne qualité.

Rassurez vous, vous n’êtes pas seul : le personnel médical vous voit et vous entend.
En cas de problème, vous êtes munis d’une sonnette qui vous permet d’appeler par
une simple pression.

Il dure 30 minutes à une heure selon l’organe à étudier. C’est un examen
relativement long.

Les résultats : le radiologue vous donnera un premier commentaire. Son compte
rendu définitif sera adressé dans les plus brefs délais à votre médecin traitant. Il vous
expliquera les résultats et vous donnera la conduite à tenir.
24