APPLICATION DU PROTOTYPAGE RAPIDE À L'AIDE AU ?· Deuxième partie : application du prototypage rapide…

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    13-Nov-2018

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  • 2011MMOIRE

    prsent

    LUNIVERSIT DARTOIS

    (Ecole Doctorale Sciences pour l'ingnieur, PRES Lille Nord de France)

    pour lobtention du grade de

    Docteur de l'UniversitSpcialit : Sciences pour l' ingnieur, option : Gnie Mcanique

    par

    Etienne DEBARREProfesseur Agrg

    APPLICATION DU PROTOTYPAGE RAPIDE

    L'AIDE AU DIAGNOSTIC EN CHIRURGIE

    TRAUMATOLOGIQUE ET ORTHOPDIQUE.

    Soutenu le 07 dcembre 2011 devant le jury compos de :

    C. MAYNOU, Professeur - Praticien Hospitalier, Universit de Lille 2.

    I. ROSCA, Professeur, Universit de Brasov (Roumanie). Rapporteurs

    D. BARANSKI, Docteur, Chirurgien, Centre Hospitalier de Bthune.

    P. DPREZ, Professeur, Universit dArtois.

    Ph. HIVART, Professeur, Universit dArtois.

    P. VANTOMME, Professeur, Universit de Picardie. Membres

  • --

  • RSUM

    Les technologies dimagerie mdicale permettent de visualiser pathologies et

    traumatismes. Cependant, mme si cette imagerie permet des vues perspectives dynamiques, elle

    reste du domaine du 3D virtuel puisque sur un cran 2D. Une rplique prsente ds lors un

    avantage certain : elle rend palpable la notion d'chelle et de volume, et apparents des dtails

    cachs ou ambigus et ainsi amliore ou facilite le diagnostic et la solution chirurgicale.

    Le prototypage rapide permet la fabrication d'une rplique partir d'un fichier CAO issu des

    donnes d'imagerie, mais ce procd n'est pour l'instant appliqu qu' des cas trs spcifiques.

    Nos travaux montrent qu'il peut l'tre avec profit en orthopdie et traumatologie des cas

    chirurgicaux certes complexes mais courants, et passer du laboratoire de recherche

    l'tablissement hospitalier.

    Une mthodologie est dfinie visant passer des donnes DICOM3 une rplique en ABS par

    prototypage rapide par dpt de fil fondu via une reconstruction 3D numrique l'aide de

    logiciels ddis. Une tude de capabilit, transposable tout procd, quantifie la rponse et la

    fidlit de la machine et les paramtres optimaux. Trois applications ( partir de la tomographie

    RX) sont prsentes travers trois cas cliniques (ostotomie, arthroplastie, trochloplastie).

    Les exemples montrent que le procd s'avre pertinent (et conomiquement raisonnable) ds

    quil est question de gomtrie complexe, de matrialisation du relief et dapprciation dun

    volume osseux. La reprsentation objective de lchelle des volumes en constitue le point fort et

    l'intrt est indniable dans nombre de domaines de la chirurgie orthopdique et

    traumatologique.

    MOTS CLS

    Prototypage rapide, chirurgie traumatologique, orthopdie, imagerie mdicale, tomographie RX,

    diagnostic, CAO, rplique 3D.

    -1-

  • RAPID PROTOTYPING HELPING DIAGNOSIS

    IN ORTHOPAEDIC AND TRAUMA SURGERY.

    ABSTRACT

    The medical imaging technologies allow the visualization of diseases and injuries.

    However, even if dynamic perspective ones, these views remain a virtual 3D visualization

    because on a 2D screen. Real replicas have therefore a definite advantage: they can make

    palpable the notion of scale and volume and apparent hidden or ambiguous details and thus

    enhance or facilitate the diagnosis and the surgical solution.

    The rapid prototyping allows to achieve a replica from a CAD file issued from imaging data but

    this process is now only applied to specific cases. Our work shows that it can be applied with

    profit for complex but usual orthopaedic and trauma surgery cases. It can be so transfered from

    the research laboratory to the hospital.

    A methodology is defined to manufacture an ABS replica through rapid prototyping by fused

    deposition modelling from DICOM3 data and digital 3D reconstructions using dedicated

    software.

    The study of the capability, transferable to any process, quantifies the response and the accuracy

    of the machine and the optimal parameters. Three applications (from CT-scan) are presented

    through three clinical cases (osteotomy, arthroplasty and trochleoplasty) .

    The examples show that the method is appropriate (and economically reasonable) when it comes

    to complex geometry or assessment of bone volume. The objective representation of the volumes

    is the strength of the method and the interest is undeniable in many areas of orthopaedic surgery

    and traumatology.

    KEY WORDS

    Rapid prototyping, surgical traumatology, orthopeadics, medical imaging, CT Scan, diagnosis,

    CAD, three dimensional replica.

    -2-

  • REMERCIEMENTS

    Bien que la crainte persiste toujours d'oublier quelqu'un, je me dois de citer et de remercier :

    - Madame le Professeur Ileana ROSCA, de l'Universit Transilvania de Brasov, en Roumanie, et

    Monsieur le Professeur Carlos MAYNOU, chef du Service Orthopdie A de l'Hpital Roger

    Salengro au CHRU de Lille, d'avoir bien voulu accepter la charge de rapporteur de ce travail.

    - Monsieur le Professeur Pascal VANTOMME, de l'Universit de Picardie, d'avoir bien voulu

    tre membre de ce jury.

    - Monsieur le Docteur Didier BARANSKI, chef du Service dOrthopdie et de Traumatologie du

    Centre Hospitalier Germon & Gauthier de Bthune, d'avoir galement bien voulu tre membre

    de ce jury mais, aussi et surtout, pour son implication totale dans ce projet de recherche. Sans

    son apport prcieux, ce travail n'aurait pu avoir lieu.

    - Monsieur Jol MARICHEZ, Professeur agrg l'Universit du Littoral, dont la grande

    expertise dans les domaines de la CAO et du prototypage rapide a t prcieuse.

    - Le personnel de la socit MATERIALISE.

    - Messieurs les Professeur Didier DEFER et Isam SHAHROUR, directeurs du Laboratoire de

    Gnie Civil et go-Environnement, pour m'avoir accueilli au sein de leur unit pour la

    prparation de cette thse.

    - toutes les personnes qui m'ont apport une aide morale ou matrielle pour mener bien ce

    travail.

    Enfin, mes remerciements vont Messieurs les Professeurs Pascal DPREZ et Philippe HIVART

    pour m'avoir tmoign leur confiance en me confiant ce sujet et en acceptant de diriger cette

    thse. Merci pour leur aide constante durant toute la dure de ce travail de recherche.

    -3-

  • SOMMAIRE

    Prliminaires. page

    Rsum et mots-cls / Abstract and key-words. 1

    Remerciements. 3

    Sommaire. 4

    Introduction gnrale. 7

    Premire partie : imagerie mdicale et prototypage rapide.

    I. Quelques techniques courantes d'imagerie mdicale et leurs limites.

    1. Introduction. 11

    2. Imagerie par rayons X. 13

    3. Des limites de l'imagerie. 19

    4. Le DICOM 3. 21

    II. Le prototypage rapide.

    1. Gnralits. 25

    2. Quelques techniques additives. 27

    3. Conclusion. 35

    III. Le prototypage rapide dans le domaine mdical.

    1. Anatomie et prototypage. 34

    2. Exemples d'applications aux patients. 37

    3. Intgration du prototypage rapide en milieu hospitalier. 39

    4. Conclusions prliminaires. 43

    -4-

  • Deuxime partie : application du prototypage rapide

    l'aide au diagnostic en chirurgie traumatologique et orthopdique.

    I. Mthodologie.

    1. Principe gnral. 46

    2. Mthode. 47

    II. Matriels.

    1. Tomographie RX. 52

    2 Numrisation et traitement des donnes. 52

    3. Prototypage rapide. 53

    4. Rtro-conception et contrle. 55

    III. Optimisation des paramtres d'un procd de prototypage rapide.

    1. Prototypage et plan d'expriences : application la FDM. 56

    2. tude des erreurs eYint sur la dimension Yint. 58

    3. Analyse globale des rsultats. 61

    4. Etude du ratio signal / bruit (S/N). 65

    5. Conclusion de l'tude d'optimisation. 71

    Troisime partie : application du procd des cas cliniques.

    I. Cas cliniques

    1. Cals vicieux piphysaires. 74

    2. Evaluation du stock osseux avant arthroplastie d'paule. 76

    3. Trochloplastie fmorale. 78

    4. Incidence de l'appareillage : tibia - fibula avec fractures multiples. 80

    II. Pr-tude de cot.

    1. Matriels et investissement. 83

    2. Consommables et autres. 84

    III. Application aux cas cliniques : conclusion. 85

    -5-

  • Conclusion gnrale et perspectives. 87

    Liste des figures et tables. 90

    Rfrences bibliographiques. 95

    -6-

  • INTRODUCTION GNRALE

    -7-

  • Les technologies d'imagerie mdicale permettent actuellement de visualiser nombre de

    pathologies et traumatismes. Les procds sont nombreux et leur volution technique a t forte

    ces dernires annes. Radiographie, tomographie, imagerie par rsonance magntique ou encore

    chographie sont les plus connues. Mais toutes ces techniques fournissent des coupes ou vues

    bidimensionnelles. L'tude d'un volume a longtemps ncessit l'intgration de ces coupes dans le

    cerveau du clinicien, fruit d'une rflexion, d'un effort mental et d'une expertise non ngligeables.

    L'volution de l'informatique a permis la reprsentation tridimensionnelle, la 3D , des

    structures anatomiques (voire quadridimensionnelle mais la quatrime dimension n 'est pas ici le

    temps, cher aux physiciens, mais plus couramment la colorisation du tissu observ). Mais ces

    reprsentations sont cependant des 3D virtuelles car elles restent des visualisation planes, sur

    cran d'ordinateur ou support quelconque. Bien qu'un progrs apprciable, la notion d'chelle

    reste difficilement palpable, la troisime dimension difficilement perceptible et des dtails

    peuvent tre cachs ou ambigus. Ces paramtres majeurs sont ds lors laisss l'apprhension du

    praticien.

    Les chirurgiens orthopdistes disposent ainsi actuellement de plusieurs technologies

    dimagerie mdicale qui leur permettent de choisir, prparer et optimiser leurs interventions

    chirurgicales. Dans certains cas cliniques, certes complexes mais courants, cette visualisation

    nest cependant pas suffisante et le clinicien ne peut se faire une ide prcise que lors de

    lintervention. La dure de cette dernire peut en tre affecte (le risque dinfection est li au

    temps opratoire) ainsi que le choix du matriel, voire celui du geste.

    Afin damliorer le diagnostic et la solution chirurgicale, nous avons tudi, en

    collaboration avec le Service dOrthopdie et de Traumatologie du Centre Hospitalier Germon &

    Gauthier de Bthune, l'application du prototypage rapide l'aide au diagnostic en chirurgie

    traumatologique et orthopdique. Notre objectif consiste en la ralisation de rpliques

    lidentique de la zone osseuse concerne et de son controlatral sain partir des donnes

    d'imagerie mdicale. Le but est de montrer que ces maquettes manipulables, scables, articules

    si besoin, prsentent un avantage certain sur limage, mme en reprsentation 3D planaire et

    qu'elles permettent au chirurgien d' affirmer voire de poser son diagnostic et prparer son geste.

    Le choix du procd de prototypage rapide a sembl naturel pour la fabrication rapide

    d'une pice unique, sans proprit mcanique particulire, partir d'un fichier de type CAO.

    -8-

  • Aprs quelques donnes sur l'imagerie mdicale, en particulier la radiographie et la tomographie

    RX utilises dans notre tude, une revue des diffrentes technologies de prototypage, de leurs

    avantages et inconvnients, est ralise afin de choisir le process le mieux adapt notre objectif.

    Ce choix sera galement guid par les exemples d'application aux domaines de la chirurgie et de

    la mdecine rapports dans la littrature scientifique.

    L'optimisation du procd retenu est ensuite envisage afin d'tre applicable dans des dlais

    ralistes quant aux ncessits opratoires et de fournir des rpliques fidles.

    La validation de la mthodologie dfinie relative la technologie choisie consiste en

    l'valuation de la dmarche et de son apport au diagnostic et au geste chirurgical et son rsultat

    par le clinicien partir de cas cliniques de chirurgie orthopdique et traumatologique. Ils

    permettent d'apprhender le compromis rechercher entre le temps de ralisation et la prcision

    dimensionnelle et gomtrique des rpliques et, galement, de cibler les limites d'application de

    la mthode. Le cot est approch travers une courte pr-tude afin d'tudier la faisabilit

    conomique de l'application des cas cliniques couramment rencontrs.

    A travers la proposition d'un processus complet, conception et validation, l'ensemble de

    l'tude portera donc, aprs un tat de l'art, sur la mthodologie, le choix de la technologie et des

    matriels, l'optimisation du procd par la mthode des plans d'expriences et la validation

    partir d'un choix de cas cliniques quant l'utilisation de la technologie de prototypage rapide

    pour l'aide au diagnostic en chirurgie orthopdique et traumatologique. La conclusion ouvrira sur

    les perspectives tant conomiques que scientifiques d'utilisation tendue de cette technique en

    milieu hospitalier.

    -9-

  • PREMIRE PARTIE :

    IMAGERIE MDICALE ET PROTOTYPAGE RAPIDE.

    -10-

  • I. Quelques techniques courantes d'imagerie mdicale et leurs limites.

    1. Introduction.

    Dans son acception courante, l'imagerie mdicale recouvre tout procd permettant

    d'examiner le patient sans opration et, au sens large, d'acqurir et de traiter des donnes

    mdicales. Le but est alors d'obtenir une reprsentation visuelle d'informations mdicales : signal

    unidimensionnel (1D), image bi- (2D), tri- (3D) ou quadridimensionnelle (4D, o la quatrime

    dimension n'est pas celle chre aux physiciens, le temps, mais la colorisation) etc. La Socit

    franaise de radiologie la dfinit ainsi comme regroupant lensemble des techniques utilises par

    la mdecine pour le diagnostic mais aussi le traitement dun grand nombre de pathologies.

    Elle a naturellement rvolutionn la mdecine en donnant un accs immdiat et fiable des

    informations jusqualors invisibles par le diagnostic clinique classique, comme par exemple

    les caractristiques anatomiques ou certains aspects du mtabolisme (on pensera dans ce dernier

    cas l'imagerie fonctionnelle des organes). Ces techniques ne donnent pas une simple

    photographie du tissu ou de lorgane tudi mais une reprsentation visuelle fonde sur des

    caractristiques physiques ou chimiques particulires. Les appareillages utiliss sont aussi varis

    que les techniques elles-mmes ; celles-ci peuvent tre complmentaires.

    Le corps humain tant opaque la lumire visible, le principe gnral consiste recourir des

    rayonnements physiques pouvant le traverser et donner une information sur le trajet parcouru,

    par exemple, les rayons X, les ultrasons, le champ magntique et tout rayonnement issu de la

    radioactivit.

    L'histoire des techniques d'imagerie mdicale suit ainsi, parfois avec un dcalage certain (mais

    relatif, l'ensemble ne datant gure plus d'un bon sicle), celle de la physique et, pour les plus

    rcentes, celle des mathmatiques et de l'informatique pour les modles et les moyens de calcul.

    La premire technique historique dimagerie mdicale est la radiographie, ne la fin du

    19e sicle des travaux du physicien allemand Wilhelm Conrad RNTGEN [1]. Bien que

    dcouvert par hasard en 1895 (la lgende raconte que, dans lobscurit de son laboratoire,

    tudiant l'lectricit dans un tube cathodique en verre muni dlectrodes et dans lequel il faisait le

    vide, il vit ses propres os en interposant sa main devant le tube), le physicien ralisa sans doute

    trs rapidement les possibilits de sa dcouverte. En utilisant un papier recouvert dune

    -11-

  • substance photographique, il pouvait mme obtenir un clich. Les rayons X (qualificatif que l'on

    dit emprunt celui de linconnue algbrique en mathmatiques) venaient dtre dcouverts,

    permettant de voir lintrieur du corps humain sans avoir besoin de louvrir et valant au

    chercheur le 1er prix Nobel de physique en 1901.

    Plusieurs dizaines d'annes plus tard, en 1972, lapport des mathmatiques et de linformatique a

    abouti la mise au point de la tomographie RX, Allan Mc CORMACK et Godfrey N.

    HOUNSFIELD, leur tour prix Nobel en 1979 [2], se basant sur les travaux du mathmaticien

    autrichien Johann Karl August RADON (1917).

    ct des rayons X, dautres dcouvertes ont t faites en physique tout au long du 20e sicle,

    inspirant, souvent de nombreuses annes aprs, de nouvelles techniques d'imagerie mdicale.

    Ainsi, la propagation des ultrasons tait utilise par les SONAR (SOund NAvigation Ranging)

    ds 1915 pour dtecter les icebergs suite au naufrage du Titanic ; cest un demi-sicle plus tard

    (en 1955) quInge EDLER [3], un cardiologue sudois, a eu lide de mettre au point sur ce

    principe lchographie pour diagnostiquer les stnoses mitrales.

    La rsonance des noyaux des atomes (rsonance nuclaire) soumis un champ magntique a t

    dcouverte en 1945 par Edward PURCELL et Felix BLOCH [4], tous deux prix Nobel en 1952 ;

    cest en 1973 que le chimiste amricain Paul LAUTERBUR obtient, chez un animal, le premier

    clich en imagerie par rsonance magntique [5]. De la rsonance des noyaux des atomes a

    dcoul la spectroscopie par rsonance magntique, disponible depuis les annes 1980.

    Enfin, pour clore ces quelques exemples, la dcouverte de la radioactivit naturelle par Henri

    BECQUEREL, Pierre et Marie CURIE, puis de la radioactivit artificielle par Irne et Frdric

    JOLIOT-CURIE en 1934 [6] ont conduit au dveloppement de la mdecine nuclaire, avec la

    scintigraphie puis la tomographie par mission de positons (TEP) dans les annes 1990.

    Ainsi, les techniques aujourd'hui courantes d'imagerie mdicale reposent principalement

    sur l'exploitation de ces rayonnements physiques :

    - radiographie et tomographie (rayons X),

    - imagerie (IRM) et spectroscopie (SRM) par rsonance magntique (rsonance magntique

    nuclaire ou RMN),

    - chographie ou ultrasonographie (ultrasons),

    -12-

  • - scintigraphie et tomographie par mission de positons (radioactivit de molcules chimiques,

    naturelles ou artificielles).

    Les technologies associes limitent cependant souvent leurs domaines d'utilisation dans le cadre

    d'une application mdicale. Il est utile d'approfondir les principes technologiques afin de cerner

    ces limites. Nous nous limiterons dans cet expos aux techniques que nous avons exploites, les

    plus courantes en milieu hospitalier dans le domaine de l'orthopdie et de la traumatologie, soit

    celles bases sur les RX (radiologie et tomographie).

    2. Imagerie par rayons X.

    Le rayonnement X.

    L'importance de la radiographie et dsormais de la tomographie RX au sein des

    techniques modernes d'imagerie mdicale, fortement utilises en orthopdie et traumatologie,

    nous conduit aborder un peu plus en dtail le rayonnement X avant de prciser son application

    en radiographie puis en tomographie RX proprement dite.

    Les rayons X dcouverts par Wilhelm Conrad RNTGEN en 1895 sont des photons mis

    lorsqu'un faisceau d'lectrons acclrs percute une cible matrielle. Le tube de Coolidge (1916)

    est, par exemple, un dispositif classique assurant l'mission, l'acclration

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