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Currently, medical imaging modalities involving X-rays play an essential role in diagnosing this pathology thanks to the good visualization of bone structure. The fluoroscopy on the other hand is used in the operating room to assist and guide the surgical gesture, now available with mobile systems which can adapt to restricted areas of operating rooms. These systems can generate two-dimensional (2D) images such as of radiography or three-dimensional (3D) images such as the scanner, based on the principle of tomography which is used in the diagnosis of pathologies. The generation of these images in 2D/3D dimensions is possible thanks to the mobile C-arm or O-arm already used for surgery. However, these devices have one major disadvantage: the amount of radiation dose they create. When exposed to high radiation doses, they become dangerous threat to both patients and operators. In this thesis, for we will try to respond to two problematics: For which tomographic configurations, for a strategy dose reduction for applications in orthopaedical surgery? what reconstruction methods are best suited to the use of morphometric criteria? How to improve the diagnosis of osteo-articular pathologies based on the analysis of 3D scanner images? I will address these objectives, on the one hand, in the field of orthopaedical surgery. To respond to the first two objectives, our approach has been experimental. The knee specimen was firstly imaged by a prototype C-arm coupling a cone-beam X-ray source to a plane sensor. This prototype was developed by our partners in the FUI-3D4Carm project with the aim of being integrated on a C-arm to get an intraoperative 3D image. We tested several dose reduction scenarios with 2 types of reconstruction algorithms, 1) classical Felkamp (FDK) and 2) Iterative (SART). We tested the reduction of the intensity (mAs), the number of projections and the angular range on the quality of the images. Various evaluation approaches were performed by expert qualitative assessment, digital image quality indicators based on grey levels, structure and finally segmentation methods. On the other hand, in the context of rheumatology, the objective is to quantify the variations in joint width as a biomarker using 3D images for the diagnosis of osteoarthritis in order to answer our third objective. We studied variations in joint spacing at the initial time and at 36 months in a longitudinal study of patients suffering from osteoarthritis. To carry out this quantification, a hybrid segmentation method was developed. It is based on two segmentation methods: a classification segmentation to select the bone part, followed by an active contour method, called "Snake", to extract the joint space. We have been able to demonstrate which criteria for which images are potentially usable for orthopaedic surgery: i) an intensity greater than 5mAs, ii) a minimum threshold angular range of 170°, iii) a minimum number of projections of 200. Then we were also able to demonstrate that the choice of the reconstruction algorithm depends on its use. Indeed, the FDK algorithm gives a better visualization of the bone structure and observers tend to favor it. Whereas images reconstructed with the SART algorithm offer a better similarity on geometric criteria and allow a more stable segmentation. Finally, we were able to obtain preliminary results on the quantification of joint spacing using a semi-automated segmentation method on patients suffering from osteoarthritis. We have identified good segmentation results in 60% of the cases, which suggests that this method is potentially interesting but still needs to be improved., De nos jours, les modalités utilisant des rayons X joue un rôle essentiel dans le diagnostic des pathologies rhumatismales en particulier l’arthrose. Cette modalité permet une bonne visualisation de la structure osseuse essentielle dans ce domaine. En chirurgie orthopédique, la radiographie garde un rôle essentiel avant, pendant et après la chirurgie, la fluoroscopie X basée sur des systèmes mobiles étant adaptée à cet environnement pour aider le geste opératoire. Ces modalités peuvent générer soit des images bidimensionnelles (2D) comme en radiographie soit des images tridimensionnelles (3D) avec le scanner basé sur le principe de la tomographie. L’approche 3D est néanmoins indispensable pour rendre compte de la complexité des structures osseuses. Des méthodes dérivées de la radiographie et plus rarement du scanner permettent de suivre quantitativement l’évolution de l’interligne articulaire. Des arceaux mobiles en forme de C (C-arm) ou de O (O-arm) sont utilisés pour la chirurgie et génèrent des images 2D rarement 3D. Néanmoins, ces appareils présentent comme inconvénient majeur le caractère irradiant qui doit être réduit pour les patients et les manipulateurs. Dans cette thèse, nous tenterons de répondre à trois problématiques : 1) quelles sont les conditions limites pour l’obtention d’images exploitables pour la chirurgie orthopédique dans l’optique de réductions de dose, 2) quelles méthodes de reconstruction sont les plus adaptées pour l’utilisation de critères morphométriques, 3) Comment améliorer le diagnostic de pathologie ostéo-articulaire tel que la gonarthrose à partir de l’analyse d’images 3D de scanners. Pour répondre aux deux premiers objectifs, notre démarche a été expérimentale. Une pièce anatomique de genou a été imagée tout abord par un prototype de C-arm couplant une source X à faisceau conique à un capteur plan. Ce prototype a été développé par nos partenaires du projet FUI-3D4Carm avec comme but d’être intégré sur un arceau C-Arm pour obtenir d’une image 3D en peropératoire. Nous avons testé plusieurs scénarios de diminution de dose avec 2 types d’algorithmes de reconstruction, 1) classique de type Felkamp (FDK) et 2) Itératif (SART). Nous avons testé la diminution de l’ampérage (mAs), du nombre de projections et de la plage angulaire sur la qualité des images. Différentes approches d’évaluation ont été abordées par une appréciation qualitative d’experts, des indicateurs numériques de qualité des images basés sur les niveaux de gris, la structure et pour finir des méthodes de segmentation. Pour répondre à notre troisième objectif, nous avons étudié les variations de l’interligne articulaire au temps initial et à 36 mois dans d’une étude longitudinale de patientes souffrant de gonarthrose. Pour procéder à cette quantification, une méthode de segmentation hybride a été développée. Elle repose sur deux méthodes de segmentation : une segmentation par classification pour sélectionner la partie osseuse, suivie d’une méthode du contour actif, nommé « Snake », pour extraire l’interligne articulaire. Nous avons pu démontrer qu’il existe des critères pour lesquels des images sont potentiellement exploitables pour la chirurgie orthopédique : i) avoir une intensité supérieure à 5mAs, ii) un seuil minimum de plage angulaire de 170°, iii) un nombre de projections minimum de 200. Puis nous avons pu également démontrer que le choix de l’algorithme de reconstruction dépend de son utilisation. En effet, l’algorithme FDK donne une meilleure visualisation de la structure osseuse et les observateurs ont tendance à le privilégier. Tandis que les images reconstruites avec l’algorithme SART offrent une meilleure similarité sur des critères géométriques et permettent une segmentation plus stable. Enfin, nous avons pu obtenir des résultats préliminaires sur la quantification de l’interligne articulaire à l’aide d’une méthode de segmentation semi-automatisée sur des patientes souffrant d’arthrose.

Introduction Les modalites d’imagerie qui aident a mieux comprendre le processus arthrosique sont la radiographie, l’IRM, la tomographie X, les ultrasons, la DXA et le TEP. A ce jour, seuls l’IRM et la tomographie sont des modalites tri-dimensionnelles (3D). L’analyse du cartilage sous forme de cartographie 3D ont ete largement developpe en IRM avec des applications in vivo reservees a la recherche clinique. L’arthroscanner permet de visualiser la surface du cartilage et la presence de calcifications mais est tres peu utilise en pratique clinique. La tomographie spectrale a comptage de photons est une nouvelle technologie qui est l’extension en multi-energie de la tomographie a double energie qui a montre son utilite pour la detection des cristaux d’urate de sodium. L’acces a des images mono-energetiques permet d’ameliorer le contraste des tissus mous habituellement non visibles en scanner classique en particulier le cartilage et le menisque. Nous proposons dans ce travail le developpement de biomarqueurs a type d’analyse morphologique quantitative du cartilage. Materiels et methodes Nous avons utilise un prototype (Philips Healthcare, Haifa) situe au CERMEP, Lyon, il s’agit appareil clinique dote d’un tube a rayons X classique et d’un detecteur a conversion directe de photons resolutif en energie qui permet l’obtention de voxels isotropes de 250 × 250 × 250 microns. L’acquisition dure quelques minutes. Cet appareil permet de recuperer une serie d’images mono-energetiques de 30 keV a 120 keV, nous avons selectionne les images a 60 keV qui offraient le meilleur contraste pour la visualisation du cartilage. Pour ce faire, nous avons etudie 24 specimens de genoux (15 normaux et 9 arthrosiques avec presence d’osteophytes), 5 hommes (âge moyen : 75,6 ± 14,3 ans), 17 femmes (87,7 ± 9,7 ans). Nous avons analyse le tibia et le femur separement des compartiments femoro-tibial medial et lateral. Nous avons utilise le logiciel itk-SNAP 3,8.0 selon un processus semi-automatique avec segmentation manuelle et interpolation. Le parametre mesure est l’epaisseur moyenne du cartilage en mm par la methode 3D des spheres. Resultats Les epaisseurs moyennes (ep_moys) du tibia lateral etaient de 2,82 ± 0,44 pour les normaux (Nx) versus 1,96 ± 0,94 mm pour les arthrosiques (OA), au tibia medial, les ep_moys etaient de 2,14 ± 0,36 Nx versus 1,95 ± 0,5 mm OA. Au femur lateral, les ep_moys etaient de 1,74 ± 0,34 Nx versus 1,32 ± 0,5 mm OA et au femur medial les ep_moys etaient de 1,35 ± 0,3 Nx versus 1,28 ± 0,7 mm OA. La difference a ete evalue a l’aide du test t et les differences etaient significatives au compartiment lateral pour le tibia (p = 0,002), femoral (p = 0,01), la difference n’etait pas significative au tibia medial et limite au niveau du femur medial (p = 0,04). Conclusion Le scanner spectral a comptage de photons est un nouvel outil qui permettra d’analyser sur la meme image des parametres quantitatifs 3D du cartilage et de l’os sous chondral pour ameliorer la comprehension du phenomene arthrosique et mieux suivre l’evolution naturelle ou sous l’effet des traitements.

Oro-facial bone loss is a major problem in oral and maxillofacial rehabilitation. They have various and varied causes: cancer, cysts, cleft palates, infections or trauma. The management of such bone defects requires the use of bone grafts. Autogenous bone or autograft is the standard gold but has disadvantages: i) the need for a second surgical site, ii) morbidity, iii) increased operating time, iv) limited amount of bone to be removed. To overcome these pitfalls, alternative therapeutics to bone autograft are used, in particular bone substitutes derived from human (allografts), animal (xenografts) or synthetic (alloplastic) bone tissue. Allografts are a credible alternative to autografts and are nowaday widely used in reconstructive and regenerative surgery. These allografts are either mineralized (FDBA: Freeze-Dried Bone Allograft) or demineralized (DFDBA: Demineralized Freeze-Dried Bone Allograft) and come in powder or gel form depending on the support used in the case of DBM (Demineralized Bone Matrix). This PhD project aims to show the osteoformative potential of a new bone allograft formulation, partially demineralized as an injectable paste, in two different models for rat calvaria; it is a PDBM (Partially Demineralized Bone Matrix). The first model is the rat calvarial defect model. Critical size defects (8 mm diameter) and sub-critical size defects (6 mm and 4 mm diameter) are performed on rat calvaria and then left empty or filled with the PDBM. Micro sacnner (µCT) and histological results showed the positive effect of PDBM in the bone repair of 6 and 8 mm diameter defects. Similarly, molecular biology (RT-PCR) showed the positive effect of PDBM in the early expression of genes involved in osteoformation. The 2nd model is a vertical bone augmentation model. A bone chamber (custom-made cylinder of Polyetheretherketone) of 6 mm high and 5 mm in diameter is attached to the rat calvarias after perforating it with 3 small holes 1 mm in diameter. The bone chambers are filled with either PDBM or Bio-Oss®. The µCT and histological results revealed an osteoformative potential for PDBM in the bone chambers. These results support the idea that allografts are a viable option for the treatment of periodontal and maxillofacial defects.; Les pertes osseuses de la sphère oro-faciale constituent un problème majeur dans la réhabilitation orale et maxillo-faciale. Elles ont des causes diverses et variées : cancers, kystes, fentes palatines, infections ou traumatismes. La prise en charge de tels défauts osseux nécessite l’utilisation de greffes osseuses. L’os autogène ou autogreffe constitue le gold standard mais présente des inconvénients: i) la nécessité de recourir à un second site opératoire, ii) morbidité subséquente, iii) une augmentation du temps opératoire, iv) une quantité limitée d’os à prélever. Pour pallier à ces écueils, des alternatives thérapeutiques à l’autogreffe osseuse sont utilisés notamment des substituts osseux dérivés des tissus osseux humains (allogreffes), animaux (xénogreffes) ou synthétiques (alloplastiques). Les allogreffes constituent une bonne alternative aux autogreffes et sont, aujourd’hui, largement utilisées en chirurgie reconstructive et régénérative. Ces allogreffes sont soit minéralisées (FDBA : Freeze-Dried Bone Allograft) ou déminéralisées (DFDBA : Demineralized Freeze-Dried Bone Allograft) et se présentent sous forme de poudre ou de gel selon le support utilisé dans le cas des DBM (Demineralized Bone Matrix). Ce projet de Doctorat avait pour but de montrer le potentiel ostéoformateur d’une nouvelle formulation d’allogreffe osseuse, partiellement déminéralisée sous forme de pâte injectable, dans deux modèles différents au niveau de la calvaria de rat : il s’agit d’une Matrice Osseuse Partiellement Déminéralisée (MOPD). Le 1er modèle est celui de défauts de calvaria de rat. Des défauts de taille critique (8 mm de diamètre) et sub-critique (6 mm et 4 mm de diamètre) sont réalisés sur la calvaria des rats puis laissés vides ou comblés avec la MOPD. Les résultats du micro scanner (µCT) et ceux histologiques ont montré l’effet positif de la MOPD dans la réparation osseuse des défauts de 6 et 8 mm de diamètre. De même, la biologie moléculaire (RT-PCR) a montré l’effet positif de la MOPD dans l’expression précoce des gènes impliqués dans l’ostéoformation. Le 2e modèle est celui d’augmentation osseuse verticale. Une chambre à os en Polyétherétherkétone (PEEK) de 6 mm de haut et 5 mm de diamètre est fixée sur la calvaria des rats après avoir perforé cette dernière de 3 petits trous de 1 mm de diamètre. Les chambres à os sont remplies soit de MOPD soit d’os bovin déprotéinisé (Bio-Oss®). Les résultats du µCT et ceux histologiques ont révélé un potentiel ostéoformateur de la MOPD dans les chambres à os. Ces résultats confortent l’idée que les allogreffes sont une option viable pour le traitement des défauts parodontaux et maxillo-faciaux.