Computational Anatomy for Multi-Organ Analysis in Medical Imaging: A Review

The medical image analysis field has traditionally been focused on the development of organ-, and disease-specific methods. Recently, the interest in the development of more 20 comprehensive computational anatomical models has grown, leading to the creation of multi-organ models. Multi-organ approaches, unlike traditional organ-specific strategies, incorporate inter-organ relations into the model, thus leading to a more accurate representation of the complex human anatomy. Inter-organ relations are not only spatial, but also functional and physiological. Over the years, the strategies 25 proposed to efficiently model multi-organ structures have evolved from the simple global modeling, to more sophisticated approaches such as sequential, hierarchical, or machine learning-based models. In this paper, we present a review of the state of the art on multi-organ analysis and associated computation anatomy methodology. The manuscript follows a methodology-based classification of the different techniques 30 available for the analysis of multi-organs and multi-anatomical structures, from techniques using point distribution models to the most recent deep learning-based approaches. With more than 300 papers included in this review, we reflect on the trends and challenges of the field of computational anatomy, the particularities of each anatomical region, and the potential of multi-organ analysis to increase the impact of 35 medical imaging applications on the future of healthcare.Comment: Paper under revie

Associations of health-related quality of life, fear of falling and objective measures of physical function with bone health in postmenopausal women with low bone mass

Health-related quality of life (HRQoL) and physical function deteriorate with age and may adversely impact bone health in older adults. We determined associations of objective measures of physical function and HRQoL with bone health in postmenopausal women with low areal bone mineral density (aBMD). Fifty postmenopausal women (64.4 ± 7.7 years old, mean ± standard deviation) with low spine, hip or femoral neck aBMD (T- or Z-score < −1.0) on dual-energy X-ray absorptiometry (DXA) participated. Femoral surface BMD, trabecular, integral and cortical volumetric BMD (vBMD) measurements were obtained using 3D-SHAPER software on DXA. Distal tibial vBMD and microarchitecture were assessed using high-resolution peripheral quantitative computed tomography (HRpQCT). Participants completed self-administered EuroQol-5D (EQ-5D) and modified falls efficacy scale (MFES) questionnaires, and physical function assessments. Stair climb power was positively associated with bone parameters at the hip, femoral neck, and distal tibia (all p < 0.05) in multivariable linear regression. EQ-5D demonstrated no significant associations with bone parameters and MFES was positively associated only with distal tibial cortical vBMD and cortical von Mises stress (both p < 0.05). Objective measures of physical function, particularly muscle power, are more consistently associated with bone parameters compared with self-administered HRQoL questionnaires

Cortical and trabecular bone analysis of professional dancers using 3D-DXA: a case-control study.

Given the lack of relevant data, the aim of this study was to examine femur cortical and trabecular bone in female and male professional ballet dancers. 40 professional ballet dancers and 40 sex- and age-matched non-exercising controls volunteered. Femoral bone density was scanned by dual-energy X-ray absorptiometry (DXA) scan. A 3D-DXA software was used to analyse trabecular and cortical bone. Anthropometry, maturation (Tanner staging), menstrual parameters (age at menarche and primary amenorrhea), energy availability and nutritional analysis (3-day record) were also assessed.Compared to non-exercising participants, dancers exhibited significantly higher volumetric density for integral, cortical and trabecular bone, and thicker cortex at the femur. Ballet dancers demonstrated lower body weight compared to controls (p < 0.01). Female dancers had their menarche later than controls, and the prevalence of primary amenorrhea were significantly higher in dancers than controls (p < 0.01). Dancer's energy availability was below the normal range (<30 kcal/kgFFM/day). Despite the presence of certain osteoporosis risk factors such as low energy availability, primary amenorrhoea and lower body weight, professional ballet dancers revealed higher bone density for both cortical and trabecular bone compartments compared to controls

Contribution à l'automatisation du traitement des radiographies du système ostéoarticulaire pour la modélisation géométrique et l'analyse clinique

Study and diagnosis of skeleton deformities such as scoliosis require a three-dimensional approach allowing bones' position and geometry analysis. The Laboratoire de Biomécanique (Paris, France) and the Laboratoire de recherche en Imagerie et Orthopédie (Montréal, Canada) have developed 3D reconstruction methods of skeleton from biplanar X-rays, especially from the low dose imaging device EOS (Biospace med, Paris, France). These methods allow a global 3D analysis of the patient, in standing position with a low radiation dose. However the reconstruction time remains too important for a routine clinical use.The purpose of this Ph.D. thesis is to progress in automation of 3D reconstruction methods from biplanar X-rays. The proposed approaches will be applied to thoracic and lumbar spine for scoliosis study and diagnosis. A reconstruction method based on parametric models relying on longitudinal and transversal statistical inferences was proposed and evaluated. This method gives very quickly (2min 30s), from a few identifications of anatomical landmarks in the X-rays, a first estimate of the subject-specific model of the spine with clinical measurements dedicated to scoliosis diagnosis. If necessary, a more accurate 3D subject-specific model may be obtained in a reduced reconstruction time (10min) from operator adjustments of the model which auto improves as soon as the model is corrected.Pour comprendre et diagnostiquer des pathologies telles que la scoliose qui affectent l'organisation spatiale de notre squelette, il est essentiel d'aborder ces problématiques en trois dimensions. Dans le cadre de leur collaboration franco-canadienne, le Laboratoire de Biomécanique et le Laboratoire de recherche en Imagerie et Orthopédie ont développé des méthodes de reconstruction 3D du squelette à partir de radiographies biplanes, notamment à partir du système de radiographie base dose EOS (Biospace Med, Paris). Ces techniques permettent une analyse clinique globale du patient, en position debout et avec très peu d'irradiations. Néanmoins, le temps de reconstruction reste contraignant pour une utilisation en routine clinique. L'objectif de cette thèse est donc de progresser dans l'automatisation des méthodes de reconstruction 3D à partir de radiographies biplanes. Les méthodes développées seront appliquées au rachis thoracique et lombaire, dans le contexte spécifique de l'étude de la scoliose. Une méthode de reconstruction s'appuyant sur une description paramétrée du rachis et sur des inférences statistiques longitudinales et transversales a été proposée et évaluée. Cette méthode permet, à partir de la saisie opérateur de quelques repères anatomiques dans les radiographies, d'obtenir très rapidement (2min 30s) une reconstruction 3D pré-personnalisée du rachis ainsi que des paramètres cliniques dédiés au diagnostic de la scoliose. Une reconstruction 3D plus précise peut être obtenue en un temps relativement réduit (10min) à partir d'ajustement opérateurs du modèle, qui s'auto-améliore par inférences au fur et à mesure des retouches. Afin de poursuivre la semi-automatisation de cette méthode, des techniques de recalage 2D/3D par traitement d'image, basées sur la segmentation des radiographies mais également sur des mesures de similarités entre des radiographies simulées et les clichés réels ont été proposées. Ces algorithmes s'appuient sur des modèles pseudo-volumiques de vertèbres, plus réalistes que les modèles surfaciques couramment utilisés. Les techniques de recalage ont été intégrées dans le protocole de reconstruction utilisant une description paramétrée du rachis et des inférences, pour proposer et évaluer une nouvelle méthode de reconstruction. Ce travail de thèse ouvre des perspectives concrètes en termes d'utilisation de telles méthodes en routine clinique et permet de poser des bases importantes pour automatiser les méthodes de reconstruction 3D à partir de radiographies biplanes de l'ensemble du squelette

Contribution à l'automatisation du traitement des radiographies du système ostéoarticulaire pour la modélisation géométrique et l'analyse clinique

Pour comprendre et diagnostiquer des pathologies telles que la scoliose qui affectent l organisation spatiale de notre squelette, il est essentiel d aborder ces problématiques en trois dimensions. Dans le cadre de leur collaboration franco-canadienne, le Laboratoire de Biomécanique et le Laboratoire de recherche en Imagerie et Orthopédie ont développé des méthodes de reconstruction 3D du squelette à partir de radiographies biplanes, notamment à partir du système de radiographie base dose EOS (Biospace Med, Paris). Ces techniques permettent une analyse clinique globale du patient, en position debout et avec très peu d irradiations. Néanmoins, le temps de reconstruction reste contraignant pour une utilisation en routine clinique. L objectif de cette thèse est donc de progresser dans l automatisation des méthodes de reconstruction 3D à partir de radiographies biplanes. Les méthodes développées seront appliquées au rachis thoracique et lombaire, dans le contexte spécifique de l étude de la scoliose. Une méthode de reconstruction s appuyant sur une description paramétrée du rachis et sur des inférences statistiques longitudinales et transversales a été proposée et évaluée. Cette méthode permet, à partir de la saisie opérateur de quelques repères anatomiques dans les radiographies, d obtenir très rapidement (2min 30s) une reconstruction 3D pré-personnalisée du rachis ainsi que des paramètres cliniques dédiés au diagnostic de la scoliose. Une reconstruction 3D plus précise peut être obtenue en un temps relativement réduit (10min) à partir d ajustement opérateurs du modèle, qui s auto-améliore par inférences au fur et à mesure des retouches. Afin de poursuivre la semi-automatisation de cette méthode, des techniques de recalage 2D/3D par traitement d image, basées sur la segmentation des radiographies mais également sur des mesures de similarités entre des radiographies simulées et les clichés réels ont été proposées. Ces algorithmes s appuient sur des modèles pseudo-volumiques de vertèbres, plus réalistes que les modèles surfaciques couramment utilisés. Les techniques de recalage ont été intégrées dans le protocole de reconstruction utilisant une description paramétrée du rachis et des inférences, pour proposer et évaluer une nouvelle méthode de reconstruction. Ce travail de thèse ouvre des perspectives concrètes en termes d utilisation de telles méthodes en routine clinique et permet de poser des bases importantes pour automatiser les méthodes de reconstruction 3D à partir de radiographies biplanes de l ensemble du squelette.Study and diagnosis of skeleton deformities such as scoliosis require a three-dimensional approach allowing bones position and geometry analysis. The Laboratoire de Biomécanique (Paris, France) and the Laboratoire de recherche en Imagerie et Orthopédie (Montréal, Canada) have developed 3D reconstruction methods of skeleton from biplanar X-rays, especially from the low dose imaging device EOS (Biospace med, Paris, France). These methods allow a global 3D analysis of the patient, in standing position with a low radiation dose. However the reconstruction time remains too important for a routine clinical use. The purpose of this Ph.D. thesis is to progress in automation of 3D reconstruction methods from biplanar X-rays. The proposed approaches will be applied to thoracic and lumbar spine for scoliosis study and diagnosis. A reconstruction method based on parametric models relying on longitudinal and transversal statistical inferences was proposed and evaluated. This method gives very quickly (2min 30s), from a few identifications of anatomical landmarks in the X-rays, a first estimate of the subject-specific model of the spine with clinical measurements dedicated to scoliosis diagnosis. If necessary, a more accurate 3D subject-specific model may be obtained in a reduced reconstruction time (10min) from operator adjustments of the model which auto-improves as soon as the model is corrected. To go further into automation, 2D/3D registration methods using image processing were proposed. Both segmentation based and intensity based algorithms (similarity between digitally reconstructed radiographs and the X-rays) were developed. These approaches rely on pseudo-volumic models which are more realistic than commonly-used models based on surfaces. The registration methods were integrated into the reconstruction process based on parametric models and inferences to propose and evaluate a new reconstruction method. This Ph.D. thesis led to the development of fast and efficient methods for a routine clinical use and provides important bases for automation of reconstruction methods from biplanar X-rays of the whole skeleton.PARIS-Arts et Métiers (751132303) / SudocSudocFranceF

Robust Kernel Density Estimation with Median-of-Means principle

International audienceIn this paper, we introduce a robust nonparametric density estimator combining the popular Kernel Density Estimation method and the Median-of-Means principle (MoM-KDE). This estimator is shown to achieve robustness to any kind of anomalous data, even in the case of adversarial contamination. In particular, while previous works only prove consistency results under known contamination model, this work provides finite-sample high-probability error-bounds without a priori knowledge on the outliers. Finally, when compared with other robust kernel estimators, we show that MoM-KDE achieves competitive results while having significant lower computational complexity

Etude de l’évolution des territoires d’AOC vitivinicoles de la Bourgogne à travers la mise en place d’un système d’information géographique (SIG)

International audienc

Contrôle de surveillance 2019. Echantillonnage DCE des Masses d’Eau Côtières du district hydrographique Adour-Garonne pour le paramètre « faune invertébrée benthique »

La Directive Cadre sur l’Eau 2000/60/CE établit un cadre pour la politique communautaire dans le domaine de l’eau. Elle a fixé comme objectif général l’atteinte d’un bon état écologique et chimique des masses d’eau souterraines et de surface. Ces dernières incluant les eaux côtières et de transition (intégrant notamment les estuaires). Au sein du district Adour-Garonne, qui s’étend des Pertuis charentais à l’estuaire de la Bidassoa (frontière espagnole), six Masses d’Eau Côtières (MEC) (« Côte nord-est de l’île d’Oléron » (FRFC01, « Pertuis charentais » (FRFC02), « Arcachon amont » (FRFC 06), « côte Landaise » (FRFC 08), « lac d’Hossegor » (FRFC 09) et « côte Basque » (FRFC 11)) font l’objet d’une surveillance DCE de la faune invertébrée benthique de substrat meuble. Cette faune invertébrée benthique, qui est un des éléments déterminants la qualité écologique des masses d’eau, a été échantillonnée aux printemps 2007, 2008 et 2009 puis en 2012 dans chacune de ces masses d’eau. Il convient de noter qu’une septième masse d’eau : la masse d’eau FRFC 07 « Arcachon Aval » n’est plus suivie depuis 2012. La Directive cadre européenne « Stratégie pour le milieu marin » (DCSMM, 2008/56/CE), établit un cadre supplémentaire pour les actions communautaires européennes en matière de gestion durable propre au milieu marin. Suite à la mise en application de cette seconde directive il a été demandé d’étendre et de renforcer le dispositif de surveillance du milieu marin mis en place par la DCE. Notamment par l’extension du nombre de sites d’appuis qui consistent en un ensemble de sites suivis de manière annuelle alors que la plupart des sites ne sont suivis que tous les trois ans. Le présent rapport présente les résultats de la surveillance du paramètre « faune invertébrée benthique pour l’année 2019 sur les masses d’eau dont la surveillance a été confiée à l’UMR 5805 EPOC (Université de Bordeaux/CNRS) : « Arcachon amont » (FRFC 06) ; « Côte Landaise » (FRFC 08) ; « Lac d’Hossegor » (FRFC 09) ; « Côte Basque » (FRFC 11). Le présent rapport présente les résultats acquis sur ces 8 sites (Figures 1 et 2) et propose des éléments d’interprétation de la qualité écologique des masses d’eau dans le cadre de la DCE mais ne constitue pas une évaluation de ces eaux dans le cadre de la DCSMM

Proximal Femur Responses to Sequential Therapy With Abaloparatide Followed by Alendronate in Postmenopausal Women With Osteoporosis by 3D Modeling of Hip Dual-Energy X-Ray Absorptiometry (DXA)

Previous subgroup analyses from the ACTIVE trial in women with postmenopausal osteoporosis (NCT01343004) using three-dimensional (3D)-processing of dual X-ray absorptiometry (DXA) scans indicated greater increases in total hip cortical volumetric bone mineral density (Ct.vBMD) and estimated indices of hip strength following 18 months of abaloparatide (ABL) versus placebo or teriparatide. The current post hoc analyses describe hip 3D-DXA data for ACTIVExtend (NCT01657162), in which 18 months of ABL followed by 24 months of alendronate (ABL/ALN) increased hip and spine areal BMD (aBMD) and reduced fracture risk versus placebo (PBO) followed by ALN (PBO/ALN). In an ACTIVExtend subgroup (ABL/ALN, n = 204; PBO/ALN, n = 202), hip DXA scans retrospectively underwent 3D modeling via 3D-Shaper software. Changes from baseline in cortical and trabecular compartments were calculated for total hip and hip subregions (femoral neck, trochanter, and shaft). Estimated strength indices comprising cross-sectional moment of inertia, section modulus, and buckling ratio were calculated for each hip subregion. Correlations between bone turnover marker levels at the time of alendronate initiation and subsequent BMD gains with alendronate were also investigated within each group. Total hip trabecular and cortical 3D-DXA parameters increased from baseline in both groups (all p < 0.001), with greater average increases for ABL/ALN versus PBO/ALN (trabecular vBMD: 10.87% versus 4.3%; cortical thickness: 2.32% versus 1.14%; Ct.vBMD: 3.41% versus 1.86%; cortical surface BMD: 5.82% versus 3.0%; all p < 0.001). Strength indices in the ABL/ALN group improved in all subregions versus baseline (all p < 0.0001) and versus PBO/ALN (all p < 0.02). In the ABL/ALN group, collagen type I N-terminal propeptide (P1NP) levels at the time of alendronate initiation correlated with subsequent percent changes in all 3D-DXA parameters with 24 months of alendronate therapy. In conclusion, sequential ABL/ALN or PBO/ALN treatment improves trabecular and cortical 3D-DXA parameters at the hip, as well as strength indices of hip subregions, with greater increases with ABL/ALN versus PBO/ALN. © 2022 Radius Health, Inc. JBMR Plus published by Wiley Periodicals LLC on behalf of American Society for Bone and Mineral Research.Mid-coronal sections of the hip depict mean changes in volumetric BMD. Greater increases in cortical regions are shown by more green color for participants who received sequential therapy with abaloparatide followed by alendronate versus those who received placebo followed by alendronate.Peer Reviewedhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/172340/1/jbm410612.pdfhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/172340/2/jbm410612_am.pd