Transcript

2011

MÉMOIRE

présenté à

L’UNIVERSITÉ D’ARTOIS

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

pour l’obtention du grade de

Docteur de l'Université

Spécialité : Sciences pour l' ingénieur, option : Génie Mécanique

par

Etienne DEBARRE

Professeur Agrégé

APPLICATION DU PROTOTYPAGE RAPIDE

À L'AIDE AU DIAGNOSTIC EN CHIRURGIE

TRAUMATOLOGIQUE ET ORTHOPÉDIQUE.

Soutenu le 07 décembre 2011 devant le jury composé de :

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

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

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

P. DÉPREZ, Professeur, Université d’Artois.

Ph. HIVART, Professeur, Université d’Artois.

P. VANTOMME, Professeur, Université de Picardie. Membres

--

RÉSUMÉ

Les technologies d’imagerie médicale permettent de visualiser pathologies et

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

reste du domaine du 3D virtuel puisque sur un écran 2D. Une réplique présente dès lors un

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

cachés ou ambigus et ainsi améliore ou facilite le diagnostic et la solution chirurgicale.

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

données d'imagerie, mais ce procédé n'est pour l'instant appliqué qu'à des cas très spécifiques.

Nos travaux montrent qu'il peut l'être avec profit en orthopédie et traumatologie à des cas

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

l'établissement hospitalier.

Une méthodologie est définie visant à passer des données DICOM3 à une réplique en ABS par

prototypage rapide par dépôt de fil fondu via une reconstruction 3D numérique à l'aide de

logiciels dédiés. Une étude de capabilité, transposable à tout procédé, quantifie la réponse et la

fidélité de la machine et les paramètres optimaux. Trois applications (à partir de la tomographie

RX) sont présentées à travers trois cas cliniques (ostéotomie, arthroplastie, trochléoplastie).

Les exemples montrent que le procédé s'avère pertinent (et économiquement raisonnable) dès

qu’il est question de géométrie complexe, de matérialisation du relief et d’appréciation d’un

volume osseux. La représentation objective de l’échelle des volumes en constitue le point fort et

l'intérêt est indéniable dans nombre de domaines de la chirurgie orthopédique et

traumatologique.

MOTS CLÉS

Prototypage rapide, chirurgie traumatologique, orthopédie, imagerie médicale, tomographie RX,

diagnostic, CAO, réplique 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'Université Transilvania de Brasov, en Roumanie, et

Monsieur le Professeur Carlos MAYNOU, chef du Service Orthopédie A de l'Hôpital 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'Université de Picardie, d'avoir bien voulu

être membre de ce jury.

- Monsieur le Docteur Didier BARANSKI, chef du Service d’Orthopédie et de Traumatologie du

Centre Hospitalier Germon & Gauthier de Béthune, d'avoir également bien voulu être membre

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

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

- Monsieur Joël MARICHEZ, Professeur agrégé à l'Université du Littoral, dont la grande

expertise dans les domaines de la CAO et du prototypage rapide a été précieuse.

- Le personnel de la société MATERIALISE.

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

Génie Civil et géo-Environnement, pour m'avoir accueilli au sein de leur unité pour la

préparation de cette thèse.

- toutes les personnes qui m'ont apporté une aide morale ou matérielle pour mener à bien ce

travail.

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

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

thèse. Merci pour leur aide constante durant toute la durée de ce travail de recherche.

-3-

SOMMAIRE

Préliminaires. page

Résumé et mots-clés / Abstract and key-words. 1

Remerciements. 3

Sommaire. 4

Introduction générale. 7

Première partie : imagerie médicale et prototypage rapide.

I. Quelques techniques courantes d'imagerie médicale 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. Généralités. 25

2. Quelques techniques additives. 27

3. Conclusion. 35

III. Le prototypage rapide dans le domaine médical.

1. Anatomie et prototypage. 34

2. Exemples d'applications aux patients. 37

3. Intégration du prototypage rapide en milieu hospitalier. 39

4. Conclusions préliminaires. 43

-4-

Deuxième partie : application du prototypage rapide

à l'aide au diagnostic en chirurgie traumatologique et orthopédique.

I. Méthodologie.

1. Principe général. 46

2. Méthode. 47

II. Matériels.

1. Tomographie RX. 52

2 Numérisation et traitement des données. 52

3. Prototypage rapide. 53

4. Rétro-conception et contrôle. 55

III. Optimisation des paramètres d'un procédé de prototypage rapide.

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

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

3. Analyse globale des résultats. 61

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

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

Troisième partie : application du procédé à des cas cliniques.

I. Cas cliniques

1. Cals vicieux épiphysaires. 74

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

3. Trochléoplastie fémorale. 78

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

II. Pré-étude de coût.

1. Matériels et investissement. 83

2. Consommables et autres. 84

III. Application aux cas cliniques : conclusion. 85

-5-

Conclusion générale et perspectives. 87

Liste des figures et tables. 90

Références bibliographiques. 95

-6-

INTRODUCTION GÉNÉRALE

-7-

Les technologies d'imagerie médicale permettent actuellement de visualiser nombre de

pathologies et traumatismes. Les procédés sont nombreux et leur évolution technique a été forte

ces dernières années. Radiographie, tomographie, imagerie par résonance magnétique ou encore

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

bidimensionnelles. L'étude d'un volume a longtemps nécessité l'intégration de ces coupes dans le

cerveau du clinicien, fruit d'une réflexion, d'un effort mental et d'une expertise non négligeables.

L'évolution de l'informatique a permis la représentation tridimensionnelle, la « 3D », des

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

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

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

écran d'ordinateur ou support quelconque. Bien qu'un progrès appréciable, la notion d'échelle

reste difficilement palpable, la troisième dimension difficilement perceptible et des détails

peuvent être cachés ou ambigus. Ces paramètres majeurs sont dès lors laissés à l'appréhension du

praticien.

Les chirurgiens orthopédistes disposent ainsi actuellement de plusieurs technologies

d’imagerie médicale qui leur permettent de choisir, préparer et optimiser leurs interventions

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

n’est cependant pas suffisante et le clinicien ne peut se faire une idée précise que lors de

l’intervention. La durée de cette dernière peut en être affectée (le risque d’infection est lié au

temps opératoire) ainsi que le choix du matériel, voire celui du geste.

Afin d’améliorer le diagnostic et la solution chirurgicale, nous avons étudié, en

collaboration avec le Service d’Orthopédie et de Traumatologie du Centre Hospitalier Germon &

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

traumatologique et orthopédique. Notre objectif consiste en la réalisation de répliques à

l’identique de la zone osseuse concernée et de son controlatéral sain à partir des données

d'imagerie médicale. Le but est de montrer que ces maquettes manipulables, sécables, articulées

si besoin, présentent un avantage certain sur l’image, même en représentation 3D planaire et

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

Le choix du procédé de prototypage rapide a semblé naturel pour la fabrication rapide

d'une pièce unique, sans propriété mécanique particulière, à partir d'un fichier de type CAO.

-8-

Après quelques données sur l'imagerie médicale, en particulier la radiographie et la tomographie

RX utilisées dans notre étude, une revue des différentes technologies de prototypage, de leurs

avantages et inconvénients, est réalisée afin de choisir le process le mieux adapté à notre objectif.

Ce choix sera également guidé par les exemples d'application aux domaines de la chirurgie et de

la médecine rapportés dans la littérature scientifique.

L'optimisation du procédé retenu est ensuite envisagée afin d'être applicable dans des délais

réalistes quant aux nécessités opératoires et de fournir des répliques fidèles.

La validation de la méthodologie définie relative à la technologie choisie consiste en

l'évaluation de la démarche et de son apport au diagnostic et au geste chirurgical et à son résultat

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

permettent d'appréhender le compromis à rechercher entre le temps de réalisation et la précision

dimensionnelle et géométrique des répliques et, également, de cibler les limites d'application de

la méthode. Le coût est approché à travers une courte pré-étude afin d'étudier la faisabilité

économique de l'application à des cas cliniques couramment rencontrés.

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

l'étude portera donc, après un état de l'art, sur la méthodologie, le choix de la technologie et des

matériels, l'optimisation du procédé par la méthode des plans d'expériences et la validation à

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

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

les perspectives tant économiques que scientifiques d'utilisation étendue de cette technique en

milieu hospitalier.

-9-

PREMIÈRE PARTIE :

IMAGERIE MÉDICALE ET PROTOTYPAGE RAPIDE.

-10-

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

1. Introduction.

Dans son acception courante, l'imagerie médicale recouvre tout procédé permettant

d'examiner le patient sans opération et, au sens large, d'acquérir et de traiter des données

médicales. Le but est alors d'obtenir une représentation visuelle d'informations médicales : signal

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

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

française de radiologie la définit ainsi comme regroupant l’ensemble des techniques utilisées par

la médecine pour le diagnostic mais aussi le traitement d’un grand nombre de pathologies.

Elle a naturellement révolutionné la médecine en donnant un accès immédiat et fiable à des

informations jusqu’alors « invisibles » par le diagnostic clinique classique, comme par exemple

les caractéristiques anatomiques ou certains aspects du métabolisme (on pensera dans ce dernier

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

« photographie » du tissu ou de l’organe étudié mais une représentation visuelle fondée sur des

caractéristiques physiques ou chimiques particulières. Les appareillages utilisés sont aussi variés

que les techniques elles-mêmes ; celles-ci peuvent être complémentaires.

Le corps humain étant opaque à la lumière visible, le principe général consiste à recourir à des

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

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

radioactivité.

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

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

récentes, celle des mathématiques et de l'informatique pour les modèles et les moyens de calcul.

La première technique historique d’imagerie médicale est la radiographie, née à la fin du

19e siècle des travaux du physicien allemand Wilhelm Conrad RÖNTGEN [1]. Bien que

découvert par hasard en 1895 (la légende raconte que, dans l’obscurité de son laboratoire,

étudiant l'électricité dans un tube cathodique en verre muni d’électrodes et dans lequel il faisait le

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

très rapidement les possibilités de sa découverte. En utilisant un papier recouvert d’une

-11-

substance photographique, il pouvait même obtenir un cliché. Les rayons X (qualificatif que l'on

dit emprunté à celui de l’inconnue algébrique en mathématiques) venaient d’être découverts,

permettant de voir à l’intérieur du corps humain sans avoir besoin de l’ouvrir et valant au

chercheur le 1er prix Nobel de physique en 1901.

Plusieurs dizaines d'années plus tard, en 1972, l’apport des mathématiques et de l’informatique a

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

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

autrichien Johann Karl August RADON (1917).

À côté des rayons X, d’autres découvertes ont été faites en physique tout au long du 20e siècle,

inspirant, souvent de nombreuses années après, de nouvelles techniques d'imagerie médicale.

Ainsi, la propagation des ultrasons était utilisée par les SONAR (SOund NAvigation Ranging)

dès 1915 pour détecter les icebergs suite au naufrage du Titanic ; c’est un demi-siècle plus tard

(en 1955) qu’Inge EDLER [3], un cardiologue suédois, a eu l’idée de mettre au point sur ce

principe l’échographie pour diagnostiquer les sténoses mitrales.

La résonance des noyaux des atomes (résonance nucléaire) soumis à un champ magnétique a été

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

c’est en 1973 que le chimiste américain Paul LAUTERBUR obtient, chez un animal, le premier

cliché en imagerie par résonance magnétique [5]. De la résonance des noyaux des atomes a

découlé la spectroscopie par résonance magnétique, disponible depuis les années 1980.

Enfin, pour clore ces quelques exemples, la découverte de la radioactivité naturelle par Henri

BECQUEREL, Pierre et Marie CURIE, puis de la radioactivité artificielle par Irène et Frédéric

JOLIOT-CURIE en 1934 [6] ont conduit au développement de la médecine nucléaire, avec la

scintigraphie puis la tomographie par émission de positons (TEP) dans les années 1990.

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

sur l'exploitation de ces rayonnements physiques :

- radiographie et tomographie (rayons X),

- imagerie (IRM) et spectroscopie (SRM) par résonance magnétique (résonance magnétique

nucléaire ou RMN),

- échographie ou ultrasonographie (ultrasons),

-12-

- scintigraphie et tomographie par émission de positons (radioactivité de molécules chimiques,

naturelles ou artificielles).

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

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

ces limites. Nous nous limiterons dans cet exposé aux techniques que nous avons exploitées, les

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

celles basées sur les RX (radiologie et tomographie).

2. Imagerie par rayons X.

Le rayonnement X.

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

techniques modernes d'imagerie médicale, fortement utilisées en orthopédie et traumatologie,

nous conduit à aborder un peu plus en détail le rayonnement X avant de préciser son application

en radiographie puis en tomographie RX proprement dite.

Les rayons X découverts par Wilhelm Conrad RÖNTGEN en 1895 sont des photons émis

lorsqu'un faisceau d'électrons accélérés percute une cible matérielle. Le tube de Coolidge (1916)

est, par exemple, un dispositif classique assurant l'émission, l'accélération et le guidage des

électrons (Fig.1). En atteignant la cible, ces électrons peuvent alors percuter un électron d'un

atome de ladite cible (rayonnement de fluorescence, Fig.2a) ou être seulement déviés par le

noyau de cet atome (rayonnement de freinage ou Bremsstrahlung, Fig.2b). Dans les deux cas,

l'énergie perdue par l'électron conduit à l'émission d'un photon RX. Ces rayonnements

électromagnétiques sont de même nature que les ondes de la lumière (fréquence 10 16 à 1020 Hz)

mais plus énergétiques (20 à 150 KeV). Ils pénètrent facilement la « matière molle » (matière

solide peu dense, constituée d'éléments légers) alors qu'ils sont facilement absorbés par la

« matière dure » (matière solide dense, constituée d'éléments lourds).

-13-

Fig.1 : Dispositif de production des rayons X (tube de Coolidge).

Fig.2 : Principe de l'émission RX.

L'intérêt pour l'imagerie médicale est immédiat : les RX traversent la chair et sont arrêtés par

l'os. Par contre, ils ne sont pas sans conséquence pour les êtres vivants : rayons ionisants, ils

affectent les cellules vivantes, d'autant que la source RX doit être proche du patient puisqu'ils

sont aussi absorbés par l'air et l'atmosphère.

En effet, ces rayons sont atténués suivant la densité électronique et la configuration atomique des

-14-

a/ Rayonnement de fluorescence b/ Rayonnement de freinage

structures traversées selon deux mécanismes principaux : l'effet photoélectrique (Fig.3a),

prédominant en dessous de U = 50 kV et l'effet Compton (Fig.3b), prédominant au dessus de U =

100 kV. Cette atténuation résulte de l'absorption totale ou partielle de l'énergie des photons

constituant le rayonnement. Dans les deux cas, un photon RX est cause de l'expulsion d'un

électron d'un atome d'une molécule du corps traversé. Il y a donc ionisation, modification

éventuelle de la molécule à laquelle appartient cet atome et de la cellule à laquelle appartient

cette molécule.

Fig.3 : incidence RX / matière.

La radiologie ou radiographie RX.

La propriété des rayons X de traverser la matière tout en étant absorbés par celle-ci selon

sa densité est exploitée pour la radiographie du corps humain. Ainsi, en radiographie

traditionnelle, les rayons résiduels qui auront traversé le corps provoqueront le noircissement

d'un film argentique placé à l'opposé du patient (Fig.4). Une structure « aérée » comme celle des

poumons et qui aura donc moins absorbé les photons paraîtra noire et, paradoxalement, les zones

sombres sont appelées clartés. À l’inverse, une structure dense comme les os paraîtra blanche, les

rayons X ayant été absorbés en grande partie ; les zones blanches sont appelées opacités (elles

correspondent à des zones radio-opaques, c'est-à-dire peu ou pas traversées par le faisceau X). Il

est possible d’opacifier des structures creuses que l’on veut radiographier (appareil digestif,

articulation, etc.) en injectant un produit de contraste, opaque aux rayons X, tel que l’iode ou le

baryum. Le temps d'acquisition d'une radiographie standard est de 0,02 à 3 s pour une résolution

de 0,1 mm.

Les films radiographiques argentiques (« cassettes ») sont de plus en plus remplacés par des

-15-

Photon RX

Photon RXélectronélectron

Atomea/ effet photoélectrique b/ effet Compton

détecteurs électroniques dont les différents points, stimulés ou non par les rayons résiduels,

permettent une numérisation et donc un traitement informatique des images obtenues en

radiographie.

Fig.4 : radiographie RX (exemple : thorax).

Le caractère ionisant des RX ne permet pas de multiplier les radiographies d'un patient. Cette

technique est aussi dangereuse et inappropriée pour certains d'entre eux, les femmes enceintes

par exemple. Par ailleurs, comme le caricature la figure 4, l'image radiographique obtenue est

une projection conique (dont le sommet est le foyer du générateur de RX). Les éléments

anatomiques peuvent être ainsi superposés, légèrement agrandis et déformés et la taille sur le

film plus grande qu'en réalité. Ces aspects, limite d'utilisation et limite de représentation, sont,

naturellement, à prendre en compte dans le diagnostic.

La tomographie RX.

La tomographie RX (de τομή : « coupe ») ou tomodensitométrie (computed tomography

ou CT-scan en anglais, voire simplement « scanner » en langage courant) est une réponse aux

limites de la radiographie RX : en particulier une image 2D, des zones invisibles et un signal

moyenné.

Son objectif réside en l'obtention de coupes axiales (par mesure du coefficient d’atténuation des

RX) et en la possibilité de reconstruction 3D virtuelle.

Le tomographe à rayons X est apparu à la fin des années 1960. L'idée initiale d'OLDENDORF et

AMBROSE [7] a été développé et finalisé en 1972 par Allan Mc CORMACK et Godfrey N.

HOUNSFIELD, en utilisant la formulation mathématique d'August RADON.

-16-

Le dispositif (fig.5) est constitué d'un système qui entraîne solidairement un tube à rayons X et

un détecteur en mouvement autour du corps à étudier. Les signaux obtenus, fonction des

absorptions de ce corps, sont traités dans un calculateur permettant de reconstituer une image sur

un écran vidéo .

Fig.5. Principe du tomographe à rayons X (source: Gimenez, 1999, réf [32]).

La dimension du faisceau RX permet le balayage d'une section (la τομή). Le faisceau résiduel

ayant traversé n'impressionne pas un film mais des détecteurs en mesure l'intensité qui est

exprimée sous la forme d'un coefficient d’atténuation et d'un profil de densité (Fig.6a). Le

problème (Fig.6b) est qu'il s'agit de l'atténuation globale due à l'ensemble des tissus traversés. Or,

pour accéder aux i tissus internes, ce sont les atténuations µi qui sont nécessaires. Le

mathématicien RADON a démontré (théorème de Radon, 1917) que l'on peut obtenir des

informations sur le contenu d'un objet à partir des différentes projections enregistrées en tournant

autour de lui. C'est le principe de base de la tomographie : le couple émetteur-récepteur tourne

autour du patient et les coefficients d'atténuation sont déterminer pour chaque position (Fig.6c).

Les outils mathématiques (transformée de Fourier, algorithme de Radon, méthodes inverses,

itératives, rétroprojection) permettent alors d'accéder aux µi : un traitement numérique des

données établit les densités des tissus traversés et une image précise de la coupe peut alors être

restituée. C'est donc le progrès et la réunion des moyens technologiques, mathématiques et de

calcul qui ont permis la mise au point de cette technique précieuse d'imagerie médicale [8].

-17-

Générateurde rayons X

Moniteur

Collimateur

Ordinateur

Fig.6 : Principe de la tomographie RX

(d'après Moreau, Institut Schumann, et S. Willoteaux et al., CHU d’Angers).

Le déplacement horizontal du patient permet d’obtenir autant de coupes que nécessaire pour faire

le diagnostic (Fig.7) et reconstituer informatiquement une image 3D virtuelle.

Fig.7. Obtention et restitution des coupes (d'après Moreau, Institut Schumann).

-18-

Tube RX

Plan de projection

Profil de densité(atténuation µ)

Matière

c.a.

b.

Des densités sont associées aux structures analysées par coupes. Afin de quantifier ces densités,

HOUNSFIELD [9] a créé une échelle (Fig.8). Dans celle-ci, la densité de l'eau est fixée à 0, celle

de l'air à –1000 et celle de l'os dense à +1000. Elle est appelée échelle de densité Hounsfield. A

chaque partie anatomique du corps est associée une valeur sur cette échelle de densité exprimée

en unité Hounsfield (UH). A chaque unité correspond une densité de gris sur l'image, soit 2000

paliers de densités. Rappelons que l'œil humain ne distingue que 16 niveaux de gris.

Fig.8. Echelle des densités (unités Hounsfield : UH).

Chaque pixel d’une image tomographique correspond donc à une valeur de densité comprise

entre -1000 et + 5000 qui décrit l’atténuation RX d’un petit volume du patient (voxel). Le voxel

est le parallélépipède dont un côté se rapporte à la dimension d'un pixel de l’image et la hauteur à

l’épaisseur de la coupe réalisée.

Les avantages de la tomographie sont grands et le « scanner » est fortement utilisé en

traumatologie et chirurgie orthopédique. Néanmoins, cela reste un procédé utilisant un

rayonnement ionisant et si, désormais, les coupes 2D permettent une visualisation volumique,

celle-ci n'en reste pas moins une 3D virtuelle puisqu'affichée sur un écran 2D.

3. Des limites de l'imagerie.

De nombreuses autres techniques d'imagerie médicale et leurs variantes existent :

imagerie par ultrasons (échographie, échotomographie, échographie Doppler...), imagerie

nucléaire (gammagraphie, scintigraphie, tomographie d’émission monophotonique, tomographie

par émission de positons...), imagerie optique (transillumination, fluorescence, cohérence

optique. . . ) , imagerie électromagnétique (magnéto-encéphalographie, électro-

encéphalogramme...), imagerie par résonance magnétique (IRM, SRM...) etc. [10, 11]

-19-

Ces techniques ne sont pas toutes adaptées à l'imagerie osseuse mais ont en commun de fournir

au mieux des coupes ou des vues bidimensionnelles. L'étude d'un volume a longtemps nécessité

de la part du clinicien un effort d'imagination et une expertise non négligeable pour intégrer ces

coupes. L'évolution de l'informatique a permis la représentation tridimensionnelle des structures

anatomiques, mais également des représentations quadri-dimensionnelles, grâce à la colorisation

du tissu observé. Mais, malgré les progrès de la réalité virtuelle en médecine [12], ces

représentations restent des 3D virtuelles (Fig.9) car elles ne permettent que des visualisations

planes, sur écran d'ordinateur ou support 2D quelconque. Avec ces techniques, la notion d'échelle

est difficilement palpable et la troisième dimension difficilement perceptible. Dans certains cas

cliniques, cette visualisation se révèle insuffisante car la 3D, virtuelle et figée, ne permet pas

l'analyse fine des relations spatiales, par exemple des asymétries et de la cinématique des

articulations. Ainsi, des détails peuvent être cachés ou ambigus. Ces paramètres majeurs sont dès

lors laissés à l'appréhension du praticien.

Fig.9. Tibia-péroné, visualisation 3D issue des données de tomographie RX

(Centre Hospitalier Germon & Gauthier de Béthune, viewer OsiriX®).

Compléter l'imagerie 2D, ou même 3D virtuelle, par une technique permettant d'appréhender

échelle et volume avec une interprétation humaine minimale présente donc un intérêt majeur.

-20-

4. Le DICOM3.

Par définition, les dispositifs d'imagerie médicale créent des images (on estime qu'un

« scanner » RX peut en créer 1500 par heure). Se posent alors les problèmes de format d'image,

de sauvegarde des informations relatives au patient et aux clichés, d'archivage et de

transmissions des données.

En effet, l'utilisation d'un format courant (JPEG, GIF...) ne permet pas de coupler aisément les

informations (nom du patient, examen, hôpital, date, type d’acquisition etc.) aux images et le

risque de pertes des données est grand. Il faut aussi que l'image soit exploitable par tout clinicien,

quelque soit son équipement, ce qui exclut les formats machines, et qu'elle soit transmissible par

les moyens modernes, du CD à internet (et donc sans perte et sécurisable). Naturellement,

l'identification des images produites doit être unique.

Pour répondre à ce cahier des charges, l'American College of Radiology (ACR), en

association avec la National Electrical Manufacturers Association (NEMA), a proposé un

standard en imagerie médicale : le DICOM3 (Digital Imaging and Communication in Medicine),

aujourd'hui universellement adopté [13, 14].

Il ne s'agit pas d'un format au sens informatique du terme mais d'une norme (standard) pour les

fichiers numériques créés lors d’examens d’imagerie médicale, permettant l'archivage et la

transmission en réseau, l'indépendance vis-à-vis des technologies et des constructeurs, la

standardisation de l’accès aux résultats d’imagerie médicale et, surtout, le couplage images

numériques / informations. Elle permet ainsi de rendre unique chaque image (UID : Unique

Identifier) et de former et gérer des bases de données, le tout indépendamment des appareils et

des protocoles de communication. C'est une norme de niveau applicatif (communication des

logiciels entre eux, indépendamment du fabricant).

Une conséquence en est aussi l'utilisation d'un vocabulaire contrôlé, identique d’une machine à

l’autre. Les données sont ainsi toujours identifiées et retrouvées de la même façon (selon la

norme SNOMED CT : Systemized Nomenclature of Medicine - Clinical Terms) [15].

Les spécificités des fichiers DICOM (Fig.10) portent sur la richesse en informations

textuelles (état-civil, examen, hôpital, date, type d’acquisition...), le stockage des dynamiques

d’acquisition (affichage des nuances utiles, c'est-à-dire choix des tissus visualisés, sans perte

d’information), les informations 3D (coupes dans plusieurs dimensions, reconstruction), les

-21-

mesures (distances, surfaces, volumes, densités ...)

Fig.10. Coupe au standard DICOM3 : tibia-péroné par tomographie RX

(Centre Hospitalier Germon & Gauthier de Béthune, viewer OsiriX®).

Informatiquement, ces fichiers sont désignés par l'extension .dcm et la liste des fichiers générés

est créée à l’issue d’un examen dans un fichier DICOMDIR (comprenant les images,

compressées ou non, les vidéos et les compte-rendus). Ils nécessitent un logiciel spécifique pour

être lus, dont plusieurs versions sont des logiciels libres, ce qui renforce la diffusion et

l'utilisation du standard.

C'est sous cette forme que nous seront communiquées les données d'imagerie.

-22-

II. Le prototypage rapide.

1. Généralités.

Il y a moins de trente ans, des technologies permettant de fabriquer directement à partir

de son modèle informatique un prototype conçu et dessiné par ordinateur ont été mises au point

et se sont répandues dans les industries mécaniques. Globalement dénommées prototypage

rapide, elles permettent de valider une conception par une pièce réelle en fabriquant celle-ci

couche par couche suivant les données numériques de son contour, principe qui leur est commun

malgré différentes approches techniques.

Le prototypage rapide regroupe ainsi toutes les techniques de fabrication par couches de pièces

volumiques en matériaux divers [16] dont un des intérêts majeurs est un temps de fabrication

nettement plus court qu'avec des procédés classiques. Les techniques de prototypage rapide sont

mises en œuvre à partir d'une description numérique en strates de l'objet. A partir d'un modèle 3D

surfacique ou solide, des sections parallèles sont calculées perpendiculairement à la direction de

fabrication : c'est le processus de tranchage. L'espacement des coupes correspond à l'épaisseur

des couches. Les descriptions en 2D donnent les contours des sections. L'apport local de matière

se produit sur la couche précédente au niveau des sites calculés. Il peut se faire par solidification

d'une résine ou d'un matériau thermofusible, par agglomération de poudre ou par collage de

matériaux en feuilles. Les systèmes basés sur un balayage calculé de la section par un laser ou

par une buse construisent point par point, alors qu'un système de masquage et d'exposition ou de

recouvrement complet de la couche procède par couches entières.

La majorité des procédés reposent soit sur un changement d'état (liquide - solide par exemple)

soit sur un enlèvement de matière mais les phases restent similaires (Fig.11).

-23-

Fig.11. Étapes du prototypage rapide

(source : Association Française pour le Prototypage Rapide).

Parmi les nombreux procédés de prototypage rapide, on distingue deux groupes de

procédés : par méthode soustractive, soit par enlèvement de matière, et par méthode additive, soit

par ajout de matière (Fig.12).

La méthode additive est la plus adaptée pour l'obtention de modèles de forme complexe et,

notamment, de formes complexes intérieures. En effet, seules ces techniques permettent de

réaliser des cavités complexes à l'intérieur des modèles grâce à un dépôt de support que l'on ôte

du modèle une fois celui-ci réalisé.

-24-

Le prototypage rapide permet ainsi l'obtention d'objet unique de forme complexe. Il est en cela

un complément intéressant à l'imagerie médicale puisque permettant la fabrication unitaire d'une

zone d'intérêt médico-chirurgical et levant les limites déjà exposées de l'imagerie quant à

l'appréciation des volumes et échelles.

Pour les raisons énoncées précédemment, les procédés technologiques utilisant la méthode

additive sont les mieux appropriés pour la reproduction de modèles volumiques, par exemple

osseux. Ils seront donc seuls considérés dans le développement suivant et comparés quant à leur

application dans le domaine médical.

Fig. 12. Les techniques de prototypage rapide

(d'après l'Association Française de Prototypage Rapide).

2. Quelques techniques additives.

La stéréolithographie.

Technique historique et originelle de prototypage rapide, la stéréolithographie [17] repose

sur le durcissement localisé d'un liquide monomère (i.e. résine) par photopolymérisation,

généralement à l'aide d'un laser ultraviolet. Le passage du faisceau laser au sein de la résine,

suivant le modèle décrit par un fichier informatique, solidifie celle- ci in situ et forme au sein du

bain liquide une coupe. Le plateau support de cette coupe, et du modèle 3D solide qui va

s'ensuivre, descend alors d'une distance correspondant à l'épaisseur de la coupe polymérisée

suivante qui s'agrège à la précédente (Fig.13). Bien que fortement utilisée dans les premières

-25-

applications médicales pour sa précision, l'utilisation de ce procédé présente quelques

inconvénients majeurs comme le nombre important de paramètres de réglages machine rendant

l'utilisation plus complexe qu'avec d'autres procédés plus récents ou encore l'émanation d'odeurs

irritantes lors de la fabrication des modèles limitant son implantation in situ.

Fig.13. Prototypage rapide par stéréolithographie

(d'après l'Association Française pour le Prototypage Rapide).

Le frittage sélectif de poudre.

Dans le procédé de frittage sélectif de poudre appelé SLS (Selective Laser Sintering) [17],

le polymère liquide est remplacé par un mélange de poudres de matières plastiques qu'un

faisceau laser CO2 vient agglomérer par fusion localisée (Fig.14). Le procédé consiste en un

balayage point par point par le faisceau LASER qui durcit par frittage de fines couches de

matériaux (de l'ordre de 0,08 mm) préalablement étalées par un rouleau. Ce balayage est effectué

selon les données de la CAO en synchronisme avec la descente du plateau supportant la pièce.

Les matériaux disponibles actuellement sont des poudres polymères : polyamide, polycarbonate,

polystyrène, nylon, cire, acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS) et polychlorure de vinyle (PVC).

Par rapport aux photopolymères, le procédé offre une plus grande diversité de matériaux avec

des propriétés mécaniques plus intéressantes. Le polyamide donne d'excellents résultats, malgré

-26-

un retrait important. Le polycarbonate et le polystyrène sont principalement utilisés en fonderie

de précision par la technique de « cire perdue ».

Cette technique a évolué pour produire directement des pièces métalliques [18] . Dans ce cas, le

LASER conduit au frittage à l'aide d'un liant qui recouvre les particules d'acier. Ce liant est

ensuite fondu et la pièce métallique poreuse est infiltrée par du cuivre dans les interstices entre

les particules d'acier. Dans le cadre du frittage de poudre métallique, des alliages spécifiques

présentant des coefficients de retrait plus faibles que celui du cuivre, permettent d'obtenir une

meilleure précision, mais avec des propriétés mécaniques généralement moins bonnes.

L'application principale de ce procédé est la réalisation rapide de cavités de moules d'injection et

d'inserts métalliques.

Fig.14. Prototypage rapide par frittage sélectif de poudre.

(d'après l'Association Française de Prototypage Rapide)

Le principal inconvénient de cette technique réside en la présentation de la matière première sous

forme de poudre.

-27-

Le collage de poudre.

Le procédé de collage de poudre [17] est un système d'impression 3D basé sur le collage

d'une poudre par un liant. Ce procédé consiste à étaler de la poudre avec un rouleau sur la surface

de la zone d'impression. L'excès de poudre est poussé dans un réservoir de récupération. La tête

d'impression, animée d'un mouvement horizontal, dépose la colle sur le lit de poudre (Fig.15).

Les pièces formées sont en amidon et peuvent être ensuite imprégnées de cire ou de résine selon

l'utilisation ciblée. L'imprégnation de cire permet d'utiliser les pièces en fonderie comme modèle

pour la réalisation d'un moule en plâtre. L'imprégnation de résine permet d'utiliser les pièces

pour une validation de forme ou d'encombrement.

Fig.15. Prototypage rapide par collage de poudre.

(d'après l'Association Française de Prototypage Rapide)

Le principal avantage de ce procédé est une vitesse de réalisation 4 à 5 fois supérieure aux autres

systèmes de prototypage rapide. Le délai de fabrication et le coût du prototype sont ainsi

fortement diminués.

Mais le principal inconvénient de cette technique réside une fois encore en la présentation de la

matière première sous forme de poudre et, également, en la fragilité des modèles, rendant

stockage et manipulation aléatoires.

-28-

La découpe de matériau en feuille.

La fabrication d'objets laminés (LOM) [19] est basée sur le découpage, à l'aide d'un

faisceau LASER CO2, de sections dans des feuilles de matériaux, par exemple du papier

thermocollable de 0,1 mm d'épaisseur. Les différentes couches, empilées et assemblées par

collage (fusion de l'enduit polyester) forment le contour de la pièce (Fig. 16).

Fig.16. Prototypage rapide par découpe de matériaux en feuille.

(d'après l'Association Française de Prototypage Rapide)

Dans le cas du papier thermocollable, les propriétés mécaniques sont très proches du bois. Le fait

que le faisceau LASER ne découpe que les contours de la pièce prédestine cette technologie à

des pièces massives, qui exigeraient un temps de fabrication nettement plus important par

d'autres méthodes telle la stéréolithographie. Par contre l'extraction des parties creuses limite les

formes géométriques. Ainsi les formes complexes étant difficilement réalisables, l'exploitation de

ce procédé pour une application médicale apparaît compromise.

-29-

La stratoconception.

Procédé d'origine française, la stratoconception consiste à décomposer la pièce en couches

élémentaires 2D ou 3D appelées strates, dans lesquelles sont introduits des inserts. Les couches

élémentaires sont automatiquement découpées dans un matériau en plaque à partir de procédés

d'usinage avancés en 2,5 axes ou 5 axes (microfraisage rapide, LASER, jet d'eau…). Les strates

sont ensuite assemblées à l'aide des inserts pour constituer la pièce finale (Fig. 17).

L'assemblage est pris en compte dès la décomposition de l'objet, il participe à la tenue mécanique

des pièces. Le procédé est très rapide, sans limitation de forme, ni de matériaux (bois, plastiques,

métaux).

Fig. 17. Prototypage rapide par stratoconception.

(d'après l'Association Française de Prototypage Rapide)

L'inconvénient majeur réside en un assemblage long et contraignant. Le manque d'autonomie de

cette technique l'apparente plus à l'usinage classique. La gestion de la matière première et,

notamment, son approvisionnement, limite l'autonomie du procédé.

-30-

Le jet de matériau.

Le dispositif de jet de matériaux, aussi appelé modelmaker [20], repose sur une technologie

similaire à celle des imprimantes à jet d'encre. Le matériau est liquéfié puis projeté en fines

gouttelettes par l'intermédiaire d'une tête piézo-électrique (Fig.18). Cette tête de projection est

pilotée suivant deux axes X et Y. Le matériau, plastique thermofusible, se solidifie dès qu'il entre

en contact avec la couche inférieure. Deux buses sont utilisées, l'une pour le matériau support et

l'autre pour le matériau constituant la pièce. Cette machine peut déposer des couches de 13 µm

d'épaisseur. Chaque couche déposée est fraisée pour constituer une nouvelle surface de référence,

d'où une excellente qualité de surface. Cependant, pour rigidifier l'objet lors de sa fabrication, il

est nécessaire d'utiliser des supports.

Fig.18. Prototypage rapide par jet de matériau.

(D'après l'Association Française de Prototypage Rapide)

-31-

Le dépôt de fil fondu.

La technique la plus récente et la moins coûteuse est actuellement la modélisation par

dépôt de fil en fusion ou Fused Deposition Modeling (FDM). Un fil de matériau thermofusible

est liquéfié à l'intérieur d'une buse chauffante. Ce filament thermoplastique est déposé pour

constituer chaque section à une température légèrement supérieure à son point de fusion (Fig.19).

La tête support de buse est pilotée suivant les axes X et Y et permet de décrire la surface à

balayer et la couche à construire. Le cordon déposé se solidifie dès le contact avec la couche

précédente pour créer l'objet section par section.

Fig. 19. Prototypage rapide par dépôt de fil fondu (d'après CustomPartNet).

Ce procédé permet l'utilisation de différents matériaux comme le nylon, la cire et l'ABS. A

l'apparition du procédé, l'inconvénient majeur de cette technique était le manque de finesse pour

la reproduction de détails sur certains modèles. Néanmoins, les récentes évolutions de cette

technique ont permis d'améliorer considérablement la précision.

-32-

Il est à noter que cette technique présente de multiples avantages pour une utilisation en milieu

médical car, en effet, elle est :

• simple d'utilisation, accessible à tout opérateur après une formation minimale,

• peu polluante,

• fiable car procédé peu complexe,

et elle permet :

• la construction de toute forme complexe,

• l'obtention de modèles volumiques résistants,

• l'utilisation de matériaux thermoplastiques recyclables,

• et la production, très récemment, de pièces en matériaux biocompatibles.

3. Conclusion.

A partir de la description des principales techniques d'imagerie médicale et méthodes de

prototypage rapide, il est délicat de comparer de manière générale les différentes techniques

d'aide au diagnostic médical actuellement utilisées. Chacune présente un intérêt dépendant

fortement de l'application pour laquelle elle est mise en œuvre. Cependant, notre objectif cible

plus particulièrement l'aide au diagnostic médical en traumatologie et orthopédie et, pour

l'obtention d'un modèle de la zone d'intervention, notre choix, basé sur la présentation qui vient

d'être faite et sur nos études préliminaires, s'est porté sur le couplage de la tomographie RX avec

le prototypage rapide par dépôt de fil fondu. En effet, ce couplage permet d'obtenir un prototype

à l'échelle de la structure anatomique considérée grâce à des technologie désormais répandues.

Comme il va l'être montré, cette méthode apporte un complément aux procédés actuels de

diagnostic en traumatologie et orthopédie. De plus, le procédé de prototypage rapide retenu,

facilement intégrable dans un processus automatisé, ne génère pas de déchets incompatibles avec

un environnement médical. Son champ d'application est d'autant plus large que son efficacité, en

termes de précision et de temps de réalisation, dépend des caractéristiques de la machine de

prototypage. Ainsi, le diamètre du fil déposé, l'échelle du modèle fabriqué ou le mode de dépôt

du fil fondu peuvent être adaptés en fonction de l'application et des besoins des chirurgiens.

L'influence de ces paramètres est étudiée plus loin dans une étude par plan d'expériences. Il est à

noter que le coût d'investissement pour la mise en œuvre sur site hospitalier d'un tel procédé de

prototypage rapide par fil fondu est faible par rapport au coût de l'imagerie médicale et par

rapport à l'intérêt entrevu de l'optimisation du geste chirurgical.

-33-

III. Le prototypage rapide dans le domaine médical.

1. Anatomie et prototypage.

L'état de l'art montre que les chirurgiens, orthopédistes en particulier, choisissent,

préparent et optimisent le plus souvent leur geste à partir des données des techniques d'imagerie

médicales telle que la tomographie RX par exemple. Dans certains cas cliniques, cette

visualisation se révèle insuffisante car la 3D, virtuelle et figée, ne permet pas l'analyse fine des

relations spatiales, par exemple des asymétries et de la cinématique des articulations. Le clinicien

ne peut se faire une idée précise que lors de l'intervention, des inconvénients pouvant alors

naturellement découler d’une prise de décision in situ et à chaud. Compléter l'imagerie 2D, ou

même 3D virtuelle, par une technique permettant d'appréhender échelle et volume avec une

interprétation humaine minimale présente donc un intérêt certain.

Il y a moins de trente ans, des technologies permettant de fabriquer directement à partir

de son modèle informatique un prototype conçu et dessiné par ordinateur ont été mises au point

et se sont répandues dans les industries mécaniques. ces techniques, globalement dénommées

prototypage rapide et présentées précédemment, permettent, comme nous l'avons vu, de valider

une conception par une pièce réelle en fabriquant celle-ci couche par couche suivant les données

numériques de son contour, principe qui leur est commun malgré différentes approches

techniques. Les années 1990 ont vu l'application de cette technique à la médecine.

R. Petzold, qui en dresse un état de l'art en 1999 [21], résume d'ailleurs tout l'intérêt pour le

clinicien de ce passage du visuel au visuo-tactile par l'accès à la 3D réelle par l'expression :

« Touch to comprehend ». La possibilité de fabriquer une réplique de la zone d'intérêt a dès lors

été exploitée pour poser ou affiner le diagnostic, préparer voire simuler l'intervention, la

présenter au patient ou à un confrère, concevoir un implant personnalisé ou un guide de pose

[22], 23]. Le recours par le clinicien à la technique du prototypage rapide est cependant le plus

souvent réservé à des pathologies complexes, des interventions planifiées voire souvent cantonné

à la chirurgie maxillo-faciale ou crâniale [24, 25].

Jusque ces dernières années, le recours limité à la technique était imputable aux limites de

celle-ci. Seule la stéréolithographie [26] offrait une résolution suffisante (des couches d'épaisseur

0,2 mm par exemple) mais le principe de fabrication et la technologie (pièce dans un bain de

-34-

résine construite par polymérisation par laser ultraviolet de couches successives de résine) [27],

le temps nécessaire et le coût la réservait aux problèmes complexes. La précision de la

tomographie (problèmes de positionnement, intercouche supérieure à 1 mm etc.) conduisait par

ailleurs à des interpolations et erreurs néfastes à la précision du modèle [28]. Enfin, la faible

interopérabilité des logiciels et les différents formats numériques freinaient la communications

des données et leur traitement. Les progrès fulgurants de la tomographie, de l'informatique et du

prototypage permettent aujourd'hui de s'intéresser à la diffusion de la technique et à son

application à des cas cliniques plus courants, bien que, naturellement, nécessitant le recours à

cette procédure supplémentaire dont les limites sont désormais bien connues [29].

L'application du prototypage rapide à la fabrication de formes anatomiques a ainsi suivi

de peu le développement de cette technique. En effet, en dehors du problème initial de précision

dimensionnelle évoqué plus avant, elle prend en compte les contres-dépouilles et les cavités

closes, contrairement aux méthodes de fabrication par enlèvement de matière tel que l'usinage

sur machines cinq axes qui limite les modèles à des formes convexes relativement grossières

[30]. Les prototypes ont d'ailleurs aussi une plus grande précision que ceux obtenus par usinage

[31]. Le prototypage rapide a donc été très vite appliqué au domaine médical à la fabrication de

modèles anatomiques complexes. Historiquement, ces répliques étaient réalisées dans la plupart

des cas par stéréolithographie pour l'enseignement et plus particulièrement l'apprentissage du

diagnostic des déformations squelettiques. Très tôt, l'apport aux sciences médicales dans les

domaines du diagnostic, de la planification des actes chirurgicaux, de la simulation pré-

opératoire et par conséquent dans la minimisation des temps d'intervention a été entrevu [32], [33].

Les premiers modèles reconstruits concernaient des structures osseuses simples obtenues

par stéréolithographie à partir de la modélisation d'ossements secs issus de cadavres.

L'anthropologie s'est ainsi intéressé à cette technique [34, 35, 36]. Dès 1992, C. MOLÉ [37, 38,

39] présentait ainsi la reconstruction d'un modèle physique 3D osseux à partir d'une mandibule

édentée humaine disséquée sur cadavre. Ces travaux ont permis le développement d'une nouvelle

approche morphologique. En effet, la reconstruction d'un modèle physique 3D à partir d'une

modélisation par CAO a montré, suite à la matérialisation de cette mandibule, l'intérêt de cette

technique en implantologie maxillo-mandibulaire. Il a été notamment démontré que certains

éléments anatomiques tels que les sinus maxillaires, les fosses nasales ou les canaux

mandibulaires constituent des obstacles naturels essentiels à prendre en compte et à localiser de

façon précise dans l'espace pour la mise en place d'implants endo-osseux. Il est indéniable que

-35-

l'application du prototypage rapide pour la reconstruction de modèles physiques 3D a d'abord

trouvé un grand intérêt en chirurgie crâniofaciale.

Très rapidement, l'intérêt de l'apport de cette technique pour les prévisions opératoires a

été démontré. Ainsi, D'URSO et al. [40] ont évalué l'intérêt de ce procédé en chirurgie

crâniofaciale, en montrant la possibilité de modeler des greffes osseuses en s'appuyant sur un

modèle physique 3D reconstruit par stéréolithographie. Plus l'intervention chirurgicale concerne

une partie osseuse complexe à reconstruire, avec des courbures dans les trois plans de l'espace et

des évidements, plus l'intérêt d'un modèle réel est évident pour l'équipe chirurgicale, notamment

pour la prise en compte de l'esthétique dans le cadre d'une reconstruction crâniofaciale.

Désormais, les apports spécifiques de la technique du prototypage rapide sont connus par les

praticiens. Parmi ces apports, on peut citer l'obtention d'un modèle réel 3D de l'anatomie du

patient, dispensant le praticien d'un effort de reconstruction mentale préopératoire, l'optimisation

de la planification pré-opératoire du fait d'une répétition possible de son intervention sur le

modèle (ostéotomies par exemple), la fabrication de modèles et de moules pour la réalisation

d'implants, la réduction des temps d'intervention et par conséquent des risques pour le patient

etc. Il est également à noter que ce modèle facilite la communication avec le patient, ainsi que les

échanges entre les membres de l'équipe chirurgicale.

Dans un deuxième temps, l'évolution des logiciels de CFAO vers une segmentation des

structures a permis le couplage de ces logiciels aux données issues de l'imagerie médicale (CT-

scan, IRM etc.). De nombreuses études [41, 42, 43], portant notamment sur la stéréolithographie,

ont montré que des structures osseuses peuvent être recréées avec une définition courante de

l'ordre de 0,25 à 5 mm. Il est aussi possible de simuler le positionnement des tissus mous en

fixant des valeurs minimales et maximales sur une échelle de couleur fonction de la densité du

tissu et donc de prototyper ces tissus. La construction de modèles physiques 3D de toutes les

parties du corps d'un être vivant est donc devenue envisageable. De nombreux travaux, couvrant

la plupart des domaines médico-chirurgicaux, ont été publiés, notamment en chirurgie

crâniofaciale [44, 45, 46, 47] et maxillofaciale [48, 49, 50, 51, 52, 53], en ophtalmologie [54, 55,

56], neurochirurgie [57, 58] , oto-rhino-laryngologie [59, 60, 61], pédiatrie [62], orthopédie et

traumatologie [63, 64, 65], etc.

-36-

2. Exemples d'application aux patients.

La fabrication de modèles anatomiques complexes 3D par prototypage rapide ouvre de

réelles possibilités pour l'amélioration des performances chirurgicales. Ces dernières années, de

nombreux articles de la littérature concernent, entre autres, l'évaluation et la simulation du geste

opératoire et la réalisation de guides chirurgicaux. Nous en présentons ci-dessous quelques

exemples représentatifs.

C. Hurson et al. [66] ont étudié l'utilité du prototypage rapide pour l'évaluation, la

classification et la préparation des opérations de fractures complexes du bassin. Vingt patients et

six chirurgiens ont participé à cette étude. Le protocole expérimental mis en place consistait à

scanner par tomographie RX le bassin fracturé des patients puis à transformer les fichiers

DICOM en fichiers exploitables par une machine de prototypage rapide afin de répliquer les

bassins fracturés. La technologie utilisée était le frittage sélectif de poudre par faisceau laser

(SLS). L'intérêt de ce procédé réside dans la réalisation de modèles physiques résistants et précis,

pouvant être manipulés. Lors de cette étude, les chirurgiens ont unanimement reconnu que les

modèles prototypés leurs ont apporté une aide significative pour la compréhension des fractures

et l'appréciation des gestes opératoires à réaliser. Cependant, la chaîne complète, de l'imagerie au

modèle physique a nécessité 4 à 7 jours. La méthode s'est révélé efficace pour la compréhension

de fractures complexes, mais son utilisation n'est pas envisageable dans le cas de fractures

simples.

La simulation pré-opératoire peut être illustrée par les travaux de MINNS et al. [67]. Un

modèle solide 3D reconstruit par stéréolithographie à partir de données tomographiques

(scanning perpendiculaire à l'axe du tibia et plans de coupes tous les 1,5 mm) a été utilisé pour

préparer la pose d'une prothèse totale du genou. Cette réplique a permis de définir avec précision,

avant le geste opératoire, le plan de coupe pour implanter au mieux la prothèse, et de préparer les

éléments d'assemblage. Lors de l'opération, les plans d'incision correspondaient ainsi à des

strates de construction du modèle. Une comparaison du modèle prototypé et de l'os enlevé a

montré l'équivalence de leurs dimensions, à l'épaisseur de la lame de scie utilisée prés. Ainsi,

cette technique a démontré son efficacité dans le cadre de l'implantation d'une prothèse de genou

très complexe en permettant une simulation pré-opératoire de l'implantation de cette dernière.

Le prototypage permet aussi la réalisation de guides chirurgicaux personnalisés. L'étude

-37-

de SALAKO et al. portant sur l'installation de vis pédiculaires [68] a montré qu'il était possible

de coupler une modélisation numérique, également appelée prototype virtuel, et une technique de

prototypage rapide pour concevoir des guides chirurgicaux personnalisés. A partir d'images

médicales tomographiques d'une vertèbre L3 non pathologique, un modèle numérique

tridimensionnel a été construit. Un logiciel de CAO a conduit à la réalisation d'un modèle

physique de l'ensemble vertèbre-guide qui a ensuite été prototypé sur une imprimante 3D

stéréolithographique. Ce modèle a permis une simulation cinématique du mécanisme de mise en

place et de maintien du guide par rapport à la vertèbre, permettant donc au praticien de s'assurer

avant son intervention des dégagements nécessaires pour ne pas interférer avec les vertèbres sus

et sous-jacentes pendant l'acte opératoire, et, par conséquent, d'améliorer la précision et la

fiabilité de l'opération tout en réduisant le temps opératoire.

Les travaux de FABER et al. [69] résument en quelque sorte les trois applications

précédentes pour un cas de chirurgie dentaire : aide au diagnostic, évaluation et simulation,

fabrication d'un outillage personnalisé. Le cas clinique est celui d'un garçon âgé de treize ans et

demi présentant une malocclusion de classe 1 : la dent numéro treize est enclavée dans le palais.

Après examen, un traitement orthodontique est préconisé : extraction de la dent avec enlèvement

préalable des pré-molaires et repositionnement. La prise de décision a nécessité de définir

exactement la position de la dent enclavée. L'imagerie médicale ne le permettant pas avec

suffisamment de précision, une réplique a été prototypée à partir des données tomographiques.

Non seulement ce modèle a permis de diagnostiquer et de préparer l'intervention mais aussi de

fabriquer un outillage métallique personnalisé, ensuite collé à la dent pour la réimplantation en

site normal.

Depuis 2005, de nouvelles applications et perspectives apparaissent, notamment pour la

conception d'implant en biomatériau [70, 71], et se rapprochant parfois du domaine de la

biomécanique [72]. Une mâchoire inférieure et une vertèbre ont ainsi été répliquées en acier allié

biocompatible 316L par selective laser melting (SLM) [73]. Les implants obtenus présentaient

une structure interne de type « nid d'abeille » avec une précision de l'ordre du centième de

millimètre. Les temps de fabrication étaient admissibles, 23 heures pour la mâchoire et 25 heures

pour la vertèbre. Cette étude a montré l'intérêt du prototypage rapide pour la conception et la

production de prothèses personnalisées en macro et microstructures d'alliage métalliques

biocompatibles.

Notons qu'il est dès lors possible de fabriquer une prothèse optimisée également mécaniquement,

-38-

donc personnalisée en géométrie et en structure, en générant un modèle éléments finis à partir du

modèle 3D virtuel numérique obtenu à partir des données d'imagerie [74]. Cette analyse non

linéaire par éléments finis à partir des données biomécaniques propres au patient permet de

déterminer la répartition des contraintes et ses implications pour la structure de l'implant et le

choix du matériau. La voie est donc ouverte à l'implant « sur mesure ».

3. Intégration du prototypage rapide en milieu hospitalier.

Dès 2004, des chercheurs se sont intéressés au développement d'un service de

modélisation médical collaboratif en prenant plus particulièrement en considération les aspects

techniques et organisationnels [75]. L'objectif est de permettre au chirurgien, pour un coût

minimal, d'avoir un maximum d'informations pour la réalisation de son geste opératoire. En

effet, les exemples précédents montrent que les modélisations virtuelle et physique s'avèrent des

outils essentiels mais que ces derniers doivent encore être adaptés afin que les cliniciens puissent

les utiliser aisément. On rencontre ainsi des modèles de procédure non intégrée ou intégrée, avec

de nombreuses variantes.

De nombreuses compétences sont en effet nécessaire en vue de l'utilisation du

prototypage rapide pour le diagnostic et/ou le choix d'un processus opératoire. ROBIONY et al.

[76] illustrent ainsi l'efficacité d'un travail collaboratif entre chirurgiens (chirurgie

maxillofaciale), radiologues et ingénieurs et résument l'apport des techniques de CAO, de

prototypage rapide et de rétro-conception et leur articulation au sein du processus médico-

chirurgical (Fig.20). Le choix des zones d'intérêt, la validation à chaque étape des modèles tant

virtuels numériques (informatiques) que 3D physiques (prototypés) et donc les incontournables

allers-retours du projets entre chirurgien et ingénieur s'avèrent les points majeurs d'un tel

procédé.

-39-

Fig.20. Processus opératoire intégrant l'aide au diagnostic par prototypage rapide

(d'après ROBIONY et al. [60]).

Grâce au prototypage rapide, il est en effet possible de produire des répliques de toute

-40-

Acquisition des données

Reconstructiondu modèle 3D

Prototypage du modèle 3D

Simulation virtuelle de procédure chirurgicale

Simulation de procédure chirurgicale

sur le prototype

Opération chirurgicale

Modèle valide ?

Procédure valide ?

oui

oui

non

non

Radiologue Et

chirurgien

Concepteur et

chirurgien

Prototypiste et

Chirurgien

Chirurgien

Concepteur Et

Chirurgien

Chirurgien

Chirurgien

Chirurgien

Fichier DICOM

Modèle 3D virtuel

Modèle 3D prototypé

Prototype validé

Simulation chirurgicale créée

Procédure chirurgicale validée

Simulation chirurgicale effectuée

sur prototype

Patient opéré

partie du corps à partir de données issues de sources diverses d'imagerie médicale. En fait, la

difficulté ne réside pas dans le procédé lui-même mais dans la création informatique de la pièce,

le modèle 3D virtuel ou numérique, surtout dans la segmentation des images. Dans tous les cas

rencontrés, les zones à modéliser appartiennent à des environnements complexes, ce qui

complique considérablement les manipulations informatiques. Les établissements hospitaliers ne

sont pas couramment équipés de machines de prototypage rapide et les rares centres qui utilisent

ces techniques, souvent dans le cadre de la recherche, sous-traitent souvent la réalisation des

modèles virtuels et des modèles 3D physiques recourant dès lors à une procédure non intégrée

(Fig.21).

Fig.21. Procédure non intégrée pour la réalisation

d'un modèle 3D virtuel et/ou d'un modèle 3D physique.

Cette procédure nécessite de nombreuses interventions du praticien, notamment pour la

validation des modèles virtuels ; le temps de reconstruction du modèle 3D physique est parfois

trop important pour que ce dernier puisse être exploité. Pour que les praticiens puissent disposer

dans les délais les plus brefs des modèles 3D physiques, afin de préparer dans les meilleures

conditions possibles leurs interventions, des hôpitaux ont créé des structures intégrées (Fig.22).

L'objectif est de minimiser, à moindre coût, les délais d'obtention des modèles 3D physiques en

pilotant la transmission des données du service d'imagerie vers le service modélisation /

-41-

Hopital, Patient

Service d'imagerie

Fichier DICOM

Service de transfert des données

Fichiers de Prototypage rapide

Service PrototypageModèle prototypé

valid

atio

n

Mod

èle

3D p

hysi

que

prototypage rapide désormais interne à l'hôpital, puis de ce dernier vers le praticien.

Fig.22. Procédure intégrée pour la réalisation

d'un modèle 3D virtuel et/ou d'un modèle 3D physique.

L'intérêt de cette procédure réside dans le fait qu'elle doit permettre au chirurgien d'accéder à

plusieurs vues 3D virtuelles numériques très rapidement après le passage du patient au service

d'imagerie, afin qu'il puisse les interpréter et choisir les zones nécessitant la réalisation de

modèles physiques 3D réels par prototypage rapide.

Cependant, il a parfois été constaté que la procédure intégrée nécessitait des temps trop

importants pour le traitement des données, la rendant de fait inexploitable par les radiologues qui

ne connaissent pas a priori les objectifs des praticiens. Une évolution de la procédure intégrée a

ainsi pour but de minimiser ces temps de traitement des données (Fig.23).

L'objectif de cette évolution est de permettre au chirurgien d'accéder à plusieurs vues 3D de suite

après le passage du patient au service d'imagerie. Il peut ainsi choisir les zones nécessitant

l'obtention d'un modèle 3D physique par prototypage rapide, ou alors arrêter la procédure s'il

juge cette réplique inutile. Le succès d'une telle procédure repose sur une coopération totale entre

les différents services de l'hôpital (chirurgie, imagerie, prototypage rapide, etc.), notamment pour

que les données produites soient exploitables par les logiciels utilisés dans ces services. De plus,

pour minimiser les temps de transfert des fichiers, tout en veillant à la sécurisation des données,

-42-

Hopital, Patient

HopitalService d'imagerie

Service Prototypage externeLogiciel de reconstruction

Modèle prototypé

Mod

èle

3D p

hysi

que

la mise en réseau des services est primordiale.

Fig.23. Evolution de la procédure intégrée pour la réalisation

d'un modèle 3D virtuel et/ou d'un modèle 3D physique

4. Conclusion préliminaire.

La littérature fait apparaître que le prototypage rapide est utilisé dans le domaine médical

depuis ses débuts. D'abord à but pédagogique en formation médicale et para-médicale, puis

d'information à destination des patients et des confrères, il est maintenant employé dans un

objectif d'aide au diagnostic, d'évaluation et de simulation de geste opératoire et de conception et

fabrication d'outillage et d'implant. Il complète dans les cas complexes ou ambigus le modèle

virtuel 3D directement issu de l'imagerie médicale.

Jusque maintenant, les procédés généralement employés et la chaine numérique nécessaire au

traitement des données, ainsi d'ailleurs que la disponibilité, primordiale, des praticiens, l'ont

souvent réservé à des cas spécifiques et, plus souvent encore, dans un but de recherche.

Si l'intérêt manifeste du prototypage rapide est unanimement reconnu, sa place au sein de la

-43-

Hopital, Patient

HopitalService d'imagerie

Mod

èle

3D p

hysi

que

HopitalService de reconstruction

du modèle virtuel

Service de Prototypagedu modèle réel

chaîne de soins n'est pas encore clairement définie. Son utilisation, dans des cas certes

complexes mais courants, au sein d'un établissement hospitalier ou d'un groupe d'établissements

sans nécessairement une spécificité particulière, reste donc peu fréquente alors que le bénéfice

pour le patient, et vraisemblablement pour l'institution, est patent.

Il est donc important de montrer qu'il n'y pas de verrou technologique, financier ou intellectuel

empêchant un établissement de profiter de l'avancée de ces techniques.

-44-

DEUXIÈME PARTIE :

APPLICATION DU PROTOTYPAGE RAPIDE

À L'AIDE AU DIAGNOSTIC

EN CHIRURGIE TRAUMATOLOGIQUE ET ORTHOPÉDIQUE.

-45-

I. Méthodologie.

1. Principe général.

L'application du prototypage rapide au domaine médical est patent et bien illustré dans la

littérature scientifique. L'exploitation des données d'imagerie médicale à l'aide d'un logiciel de

reconstruction numérique permet de fabriquer ensuite par ce procédé une réplique 3D de toute

pièce anatomique que le clinicien peut utiliser dans nombre d'applications. Le choix de notre

méthode et de nos matériels est orienté par le choix du domaine : la chirurgie osseuse, et de

l'objectif majeur : le diagnostic. La réplique 3D peut en effet être exploitée par le chirurgien pour

poser ou confirmer son diagnostic ou préparer son geste opératoire.

C'est ce qui définit l'application du prototypage rapide à l'aide au diagnostic en chirurgie

traumatologique et orthopédique dont le principe général (Fig.24) consiste à traiter les données

de l'imagerie (le chirurgien choisit la zone d'intérêt à partir, par exemple, du scanner RX, puis

valide le modèle numérique) puis à prototyper (et contrôler) la zone à répliquer (le chirurgien

valide la réplique 3D physique).

Après avoir détaillé la méthode, les matériels seront rapidement présentés. Si ces derniers

ont été choisis au vu de l'état de l'art et en fonction de notre application précise, les choix se sont

portés sur des matériels standards et commercialisés. Chaque outil utilisé peut être remplacé par

un autre similaire. Cette contrainte découle de notre objectif : montrer que l'application du

prototypage rapide à l'aide au diagnostic en chirurgie traumatologique et orthopédique est

réalisable dans tout établissement. Ces choix prennent en compte les besoins spécifiques à des

cas courants, en particulier les besoins matériels, les coûts et les délais.

-46-

Fig.24. Principe général de l'application du prototypage rapide

à l'aide au diagnostic en chirurgie traumatologique et orthopédique.

2. Méthode.

Modéliser une partie osseuse devant être répliquée requiert des données numériques

définissant son enveloppe géométrique. Ces données, base de la reconstruction, sont issues de

l'imagerie médicale et, dans notre cas, de la tomographie RX. Un traitement informatique

conduit alors à une reconstruction virtuelle numérique puis au prototypage rapide de la réplique.

-47-

patient

Acquisition des données (tomographie RX)

Traitement du fichierDICOM(logiciel)

Prototypage rapide de la réplique osseuse

Validationde la réplique osseuse

Diagnostic, préparation du geste

PROCÉDURE CLASSIQUE

PROCÉDURE AVEC PROTOTYPAGE

Ce procédé est parfois appelé par les Anglo-saxons medical rapid prototyping.

Ainsi, à partir du scan de la zone du patient concernée, la fabrication d’une réplique osseuse

personnalisée à destination du clinicien est réalisée en deux étapes : construction d’un modèle

numérique tridimensionnel, prototypage rapide de la réplique (Fig. 25).

Fig.25. De l'imagerie au prototype : méthodologie.

a : fichiers DICOM3 (imagerie médicale),

b : sélection et reconstruction virtuelle numérique (exemple : côté sain),

c : réplique 3D par prototypage rapide (exemple : côté fracturé).

Le modèle numérique tridimensionnel : tomographie et CAO-DAO

Les techniques d’imagerie médicale permettent une visualisation en coupes. En

particulier, la tomographie standard fournit de nombreuses images en coupe des zones osseuses

concernées. Le principe de la modélisation 3D repose sur la segmentation, délimitation fine de

-48-

ces zones dans chaque image (séparée de ses voisines d'une distance donnée) selon leur degré

Hounsfield puis en l’empilement de ces contours pour reconstituer l’os virtuellement. Un logiciel

spécifique est ainsi nécessaire pour cette opération. Il permet de contrôler la densité de gris

associée aux matériaux et de localiser précisément le volume à traiter. La zone osseuse, par

exemple, peut ainsi être isolée des tissus environnants et son contour, son enveloppe interne et

externe, est défini par des surfaces maillées.

Après traitement informatique des anomalies et incontournables artefacts tels que les

trous, les effets de bord ou le bruit, un modèle mathématique exact tel que des surfaces NURBS

est généré par le logiciel. Cet objet surfacique 3D est alors converti en fichier 3D standard et

peut être utilisé par tout logiciel courant de CAO-DAO. Cette partie d’os « numérique » peut être

alors travaillée, complétée, symétrisée pour obtenir des modèles positif ou négatif prenant

éventuellement en compte les variations de dimension générées par les procédés suivants. Le

clinicien intervient ici pour sélectionner la zone à répliquer et y apporter d’éventuelles

modifications. Il peut, en particulier, obtenir le miroir d'un controlatéral sain pour comparaison

avec la partie pathologique. La phase numérique terminée, un modèle virtuel propre au patient

est disponible pour la fabrication.

Vers le modèle réel : prototypage rapide des formes osseuses.

Le prototypage rapide est une technique en forte expansion depuis quelques années dans

l’industrie mécanique. Rappelons que cette technique, connue parfois sous le nom de solid

freeform fabrication (SFF), consiste dans sa version dite additive à construire des objets

tridimensionnels par empilement de couches successives.

De la base vers le sommet, à chaque niveau spécifique, une couche est la section correspondante

définie par un logiciel à partir du modèle numérique de l’objet voulu. Elle adhère sur la couche

précédente. Après enlèvement d’éventuel matériau support, l’empilement reproduit très

exactement l’objet. Comme déjà énoncé, les variations dimensionnelles et autres phénomènes de

retrait (jusqu’à 20 % pour certaine technologie de prototypage) sont pris en compte lors de

l’établissement du modèle numérique en lui appliquant un coefficient homothétique.

Le modèle virtuel créé dans la phase précédente est d'abord converti en format numérique STL

(Standard Triangulation Language, parfois rapproché de STéréoLithographie, technique

historique du prototypage). Ce code, introduit par la société 3D Systems en 1987, est aujourd'hui

adopté par l'ensemble des fabricants de machines de prototypage rapide ; il permet de décrire un

-49-

objet sous la forme d'un polyèdre à facettes triangulaires qui approximent la définition

géométrique initiale. L'opération suivante consiste à définir les sections de l'objet à réaliser par

un découpage successif (numérique) de plans parallèles. La distance entre chaque section

correspond à l'épaisseur d'une couche. Pour reconstituer l'objet, les sections sont donc empilées

séquentiellement les unes sur les autres. C'est la base du prototypage rapide : chaque couche est

fabriquée et la pièce est construite par empilement.

-50-

II. Matériels.

La chaîne d'aide au diagnostic comprend les outils et matériels permettant d'obtenir une

réplique 3D de la zone anatomique d'intérêt à partir d'un fichier d'imagerie médicale et de la

contrôler. Tomographe RX, logiciels de traitement des données, machine de prototypage rapide

et scanner 3D constituent ainsi cette chaine (Fig.26).

Le choix des logiciels et de la machine de prototypage rapide résulte de l'étude bibliographique

et d'essais antérieurs et a été fait en fonction de notre application particulière à la chirurgie

osseuse.

Fig.26. Outils de la chaîne d'aide au diagnostic.

-51-

Tomographie à rayons X

Toshiba Aquilion®,

GE Ligthspeed VCT®

Logiciel de traitementdes fichiers DICOM

RapidForm 2006 / Mimics V10

Machine de Prototypage Rapidepar dépôt de fil fondu

Stratasys Dimension BST768

Scanner 3D rétroconception et contrôle

Roland LPX 60 Logiciel PixformPro

Fichier DICOM

Modèle 3D au format STL

Prototype physique de la réplique osseuse

1. Tomographie RX.

Les données d'imagerie sont communiquées par le Centre Hospitalier Germon &

Gauthier de Béthune (Pas-de-Calais) sous le standard DICOM3 et sont issues d'un scanner multi

détecteurs (tomographe à rayons X ou tomodensitomètre) hélicoïdal TOSHIBA Aquilion®

(Fig.27) ou GE MEDICAL SYSTEMS LightSpeed VCT® (GE Healthcare). L'espacement minimal

des coupes a été de 0,5 mm.

Fig.27. Scanner RX TOSHIBA Aquilion, Centre Hospitalier Germon & Gauthier de Béthune.

2. Numérisation et traitement des données.

Nous avons utilisé les logiciels RapidForm 2006 ™ développé par la société Inus

Technology (Séoul, Corée) ou Mimics™ développé par la société Materialise (Louvain,

Belgique) pour exploiter les données d'imagerie médicale et établir le modèle numérique. En

effet, ces deux logiciels, parmi d'autres, permettent de traiter le standard DICOM3 pour

reconstituer des volumes à partir des coupes, ce que ne font pas les logiciels courants de CAO-

DAO.

Par contre, ce sont ces derniers que nous avons ensuite utilisés pour traiter ce modèle numérique

et, en particulier, Catia ™ (Dassault Systèmes, Vélizy-Villacoublay, France), Autodesk

Mechanical Desktop ™ (Autodesk, San Rafael-CA, USA) ou ProEngineer ™ (Parametric

Technology Corporation-PTC, Needham-MA, USA).

-52-

3. Prototypage rapide.

Comme nous l'avons constaté, de nombreuses technologies de prototypage rapide

existent, fabriquant des prototypes en divers matériaux et selon diverses techniques.

De par sa simplicité d'utilisation, son coût raisonnable, son fonctionnement entièrement

autonome et l'absence de pollution, nous avons choisi une machine à dépôt de fil fondu (FDM :

Fused Deposition Modeling) dont le procédé peut être comparé avec la technologie des

imprimantes à jet d'encre. Cette machine (Dimension BST768 de la société Stratasys, Eden

Prairie-MN, U.S.A., Fig.28) conduit à des pièces en acrylonitrile butadiène styrène (ABS,

matériau du prototype comme matériau support), rigides et fonctionnelles, manipulables par le

clinicien.

Fig.28. Prototypage rapide par dépôt de fil fondu (ABS) : Stratasys Dimension BST 768.

a : table (mouvement vertical), b et b' : prototype et support,

c : tête d'injection et buses (mouvement plan), d et d' : fil prototype et fil support (ABS).

-53-

Si le prototype est construit en ABS dense, les cavités et formes convexes sont remplies par un

ABS de densité inférieure dit matériau support ; friable, il est enlevé à la main après fabrication.

Cela permet de construire des formes avec évidements. Une autre version du même modèle de

machine utilise un matériau de remplissage soluble dans une solution de soude ; il suffit alors de

tremper la pièce fabriquée. Nous avons opté pour la version avec ABS friable pour des raisons de

pollution.

Notons que nous avons également réalisé quelques essais sur une imprimante 3D (3D Printer)

conduisant à des pièces en cire thermofusible (Thermojet 2000 de la société 3D Systems, Rock

Hill-SC, USA). L'objectif était de fournir au clinicien un matériau moins dur que l'ABS qu'il

puisse retravailler pour, par exemple, préparer son geste. Cette cire n'ayant pas satisfait à nos

attentes (difficile à couper sans éclatement, par exemple), ce procédé est resté secondaire dans

notre étude.

Les pièces en ABS, moins fragiles et friables que la cire, se sont avérées mieux adaptées

aux manipulations et donc finalement au diagnostic. Supportant une température jusqu'à 85 °C et

pouvant être irradiées ou gazées, elles peuvent être stérilisées et utilisées en salle d'opération, par

exemple, ce qui n'est pas le cas de la cire. Elles peuvent cependant être coupées et servir, par

exemple, à préparer une ostéotomie. Les propriétés mécaniques et thermiques de l'acrylonitril

butadiène styrène (ABS) sont données dans le tableau 1.

PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DE L'ABS

Résistance à la traction 42 N/mm2

Module E 750 N/mm2

Résistance à la flexion 45 N/mm2

Élongation à la rupture 34 %

Résistance au choc (Charpy) 60 kJ/m2

PROPRIÉTÉS THERMIQUES DE L'ABS

Température de ramollissement 100 °C

Température maximale d'usage 85 °C

Secteur bas de température -30 °C

Coefficient de dilatation à la chaleur 0,02 mm/m/°C

Conductibilité de la chaleur 0,38 W/m/°C

Rétraction maximale 3 %

Tab.1. Propriétés mécaniques et thermiques de l'acrylonitril butadiène styrène (ABS).

-54-

4. Rétro-conception et contrôle.

La conformité, géométrique et dimensionnelle, entre le prototype fabriqué et le modèle

numérique est contrôlée par rétro-conception (reverse engineering). Un balayage tridimensionnel

de la pièce prototypée est effectué par scanner 3D (Scanner 3D Picza LPX-60 de la société

Roland, Irvine-CA, USA, Fig.29). Un logiciel (PixForm Pro, même société) compare les deux

modèles numériques par superposition. A noter que le terme scanner recouvre différentes réalités

car ce type de scan 3D est basé sur une technologie LASER infrarouge et non RX. Cette ultime

étape de métrologie permet de s'assurer de l'exactitude de la réplique mise à la disposition du

clinicien. (Fig.30)

Fig.29. Scanner 3D Roland LPX 60.

Fig.30. Principe du scanner 3D IR, « temps de vol.»

-55-

III. Optimisation des paramètres d'un procédé de prototypage rapide.

1. Prototypage et plan d'expériences : application à la FDM.

Un procédé de fabrication, quel qu'il soit, doit être validé pour s'assurer de sa fidélité, c'est-

à-dire de sa capacité à respecter géométrie et dimensions, et de sa répétitivité, c'est-à-dire de sa

capacité à assurer la constance dans le temps de la fabrication.

Si les machines répondent à ces critères généralement inclus dans le cahier des charges, il n'en

reste pas moins à choisir les réglages qui permettent d'optimiser le procédé pour la fabrication

désirée. Dans le cas qui nous occupe, l'aide au diagnostic, l'optimisation du procédé consiste

principalement à chercher un compromis entre le temps de fabrication des répliques et leur

précision dimensionnelle et géométrique. Ces deux paramètres sont en effet, logiquement, des

exigences des praticiens.

Une solution aux choix des paramètres machines consiste à recourir à un plan d'expériences afin

de déterminer l'influence de chacun, leur interaction et l'influence de paramètres extérieurs, non

maîtrisables ou non pris en compte initialement.

C'est une étape obligatoire quelque soit le procédé choisi. Nous nous proposons, pour l'illustrer,

d'appliquer la méthode TAGUCHI [77, 78, 79] au prototypage rapide par dépôt de fil fondu et,

plus particulièrement, à l'optimisation des paramètres de la machine Stratasys Dimension

BST768 utilisée.

En FDM, dans notre cas, les paramètres machine sur lesquels nous pouvons agir et dont

dépendent la précision dimensionnelle et géométrique du modèle ainsi que son temps de

fabrication sont : le diamètre du fil déposé, l'échelle du modèle et le mode de remplissage. Pour

en quantifier l'influence, un modèle de référence en ABS obtenu par ce procédé de prototypage

rapide a été défini (Fig.31).

Les paramètres ont été repérés A, B et C et deux niveaux 1 et 2 (c'est-à-dire deux valeurs par

paramètre) leur ont été associés, fonctions des caractéristiques de la machine et des données du

constructeur.

Ainsi, le diamètre du fil déposé est A1 = 0,254 mm ou A2 = 0,333 mm, l'échelle du modèle

fabriqué est B1 = 1 ou B2 = 0,5 et le mode de remplissage est C1 (structure pleine) ou C2

(structure type nid d'abeille).

Les interactions entre les paramètres sont notées AB (interaction entre le diamètre du fil déposé

-56-

et l'échelle du modèle), AC (interaction entre le diamètre du fil déposé et le mode de

remplissage) et BC (interaction entre l'échelle du modèle et le mode de remplissage).

L'étude a été réalisée par la méthode TAGUCHI à partir d'une table orthogonale L8 (27).

L'affectation aux colonnes de la table orthogonale des trois facteurs de niveau 2 étudiés et des

trois interactions associées est donnée dans le tableau 2.

Les dimensions (cotes X, Y et Z, intérieures et extérieures) sont mesurées au pied à coulisse

(précision : 1/50) sur une série de cinq pièces fabriquées par combinaison. Afin de s'affranchir

des erreurs de mesure, chaque dimension a été contrôlée par cinq opérateurs. Le tableau 2

présente les résultats expérimentaux obtenus, à savoir la moyenne des erreurs mesurées sur les

cotes dimensionnelles extérieures et intérieures du modèle de référence et le temps de fabrication

par unité de volume de cette dernière (Tv).

Fig.31. Dessin de définition du modèle ABS de référence.

Ainsi, les résultats expérimentaux (Tab.2) sont :

eYint, moyenne des erreurs mesurées en mm sur la cote dimensionnelle Yint = 20 mm,

eYext, moyenne des erreurs mesurées en mm sur la cote dimensionnelle Yext = 40 mm,

-57-

eZext, moyenne des erreurs mesurées en mm sur la cote dimensionnelle Zext = 50 mm,

eYZext, moyenne des erreurs mesurées en mm sur la cote dimensionnelle YZext = 10 mm,

eYZint : moyenne des erreurs mesurées en mm sur la cote dimensionnelle YZint = 15 mm,

Tv : temps de fabrication par unité de volume en min /cm3 .

B A BA C BC AC eYint eYext eZext eYZ ext eYZint Tv

1 1 1 0,08 -0,1 0,06 0,11 -0,08 4,27

1 1 2 0,01 -0,15 0,1 0,1 -0,12 2,99

1 2 1 0,03 -0,01 0,4 0,22 -0,07 2,86

1 2 2 -0,01 -0,06 0,23 0,12 -0,14 2,46

2 1 1 0,03 0,03 0,27 0,05 -0,05 8,99

2 1 2 0,03 0,01 0,3 0,05 -0,08 8,02

2 2 1 0,01 -0,01 0,17 0,13 -0,08 5,71

2 2 2 0,02 0,02 0,22 0,11 -0,09 5,71

Tab.2. Table d'expérimentation orthogonale L8 (27) – méthode TAGUCHI.

2. Étude des erreurs eYint sur la dimension Yint.

A titre d'exemple, nous allons détailler la méthode pour l'étude des erreurs eYint sur la

dimension Yint, c'est-à-dire de l'influence des paramètres de réglage et de leurs interactions sur la

cote Yint (de valeur nominale 20 mm) et sur le choix optimal d'une combinaison de ces

paramètres quant au respect de cette cote. Les résultats seront ensuite présentés pour les autres

cotes. Une synthèse conduira au choix optimal desdits paramètres pour le modèle.

Influence et interactions des paramètres sur eYint.

Les graphes de la figure 32 représentent l'influence de chaque paramètre sur l'erreur

eYint. Il montre que seuls le diamètre du fil déposé et le mode de remplissage du modèle

fabriqué ont une influence. En effet, le changement de niveau de l'un de ces deux paramètres

entraîne une variation significative de l'erreur eYint sur la dimension Yint. Une diminution de

l'erreur est observée pour un diamètre de fil déposé de 0,333 mm par rapport à un diamètre de fil

déposé de 0,254 mm, ainsi que pour un mode de remplissage du modèle fabriqué en structure

type nid d'abeille au lieu d'un mode de remplissage du modèle fabriqué en structure pleine. Par

contre le prototypage d'une pièce à l'échelle 1 ou à l'échelle 0,5 n'entraîne pas de variation

-58-

significative de l'erreur eYint sur cette cote dimensionnelle Yint. Néanmoins, il est probable que

la précision dimensionnelle des modèles fabriqués soit directement liée à la taille de la pièce

fabriquée. Ainsi, dans le cas général, il serait intéressant d'étendre le domaine de mesure afin de

cibler la taille critique du modèle fabriqué afin de déterminer la capabilité de la machine de

prototypage utilisée en terme de précision dimensionnelle. Le modèle ABS ayant été défini de

façon à ce que son volume soit représentatif du volume osseux moyen appelé à être prototypé, le

paramètre taille critique n'intervient pas dans notre cas particulier.

Fig.32. Graphe des effets des paramètres A, B et C sur l'erreur eYint moyenne.

Par contre, l'effet d'un paramètre peut être influencé par le changement de niveau d'un autre

paramètre. Les interactions entre paramètres sont présentées figure 33. Les graphes montrent que

l'influence des trois paramètres étudiés sur l'erreur eYint dépend du changement de niveau des

autres paramètres car les segments par interaction ne sont pas parallèles (par exemple, pour le

premier graphe, A1B2-A2B2 n'est pas parallèle à A1B1-A2B1).

Si les interactions AB et AC sont peu marquées, l'interaction de niveau 2 la plus significative est

celle entre le paramètre B (échelle du modèle fabriqué) et le paramètre C (mode de remplissage

du modèle fabriqué). Il est logique qu'un remplissage partiel (nid d'abeille) d'un grand volume

(échelle 1) soit plus favorable au respect d'une cote qu'un volume plein, ne serait-ce qu'à cause

du retrait du matériau. Néanmoins, la force d'un plan d'expérience est mettre en évidence des

interactions peut-être moins évidentes, ce que ne permet pas une étude linéaire paramètre par

paramètre.

-59-

Fig. 33. Graphe des interactions de niveau 2 entre les paramètres A, B et C sur l'erreur dimensionnelle eYint

Optimisation des paramètres (cote Yint).

Le choix des paramètres optimaux quant au respect de la cote Yint est basé sur les

graphes des effets et celui des interactions. L'approche des plans d'expériences permet ainsi de

préciser l'influence des paramètres pris en compte sur l'erreur dimensionnelle eYint mesurée sur

Yint. Il est possible de prédire cette dernière à partir du modèle et en fonction du niveau des

paramètres mis en œuvre.

D'après ce plan, la combinaison de paramètres minimisant l'erreur sur la dimension Yint est :

- diamètre de fil déposé : 0,333 mm,

- échelle du modèle fabriqué : 1,

- mode de remplissage du modèle fabriqué : structure de type nid d'abeille.

Une analyse de la variance permet par ailleurs de déterminer le pourcentage de

contribution des paramètres étudiés et de leurs interactions de niveau 2 sur l'erreur mesurée

eYint. Ces pourcentages de contribution sont donnés dans le tableau 3.

Les résultats obtenus confirment que l'effet du paramètre B seul (échelle du modèle fabriqué) et

des interactions AB (interaction de niveau 2 entre le diamètre du fil et l'échelle du modèle

fabriqué) et AC (interaction de niveau 2 entre l'échelle du modèle fabriqué et le mode de

remplissage du modèle fabriqué) est faible. Par contre, les paramètres A (diamètre du fil déposé)

-60-

et C (mode de remplissage ) ainsi que l'interaction BC (interaction de niveau 2 entre l'échelle du

modèle fabriqué et le mode de remplissage du modèle fabriqué) ont une influence significative

sur la réponse, avec une contribution d'environ 30 % chacun. Il est à noter que pour cette étude,

les erreurs dimensionnelles eYint sont inférieures à 0,1 mm. Cette précision est suffisante dans

le cadre de l'application d'aide au diagnostic en chirurgie traumatologique et orthopédique.

Paramètres Interactions

Pourcentage de contribution (%)

A 26,6

B 0,2

C 28,7

AB 5,9

AC 5

BC 33

Tab.3. Pourcentages de contribution des paramètres A, B et Cet de leurs interactions de niveau 2 sur l'erreur mesurée eYint.

3. Analyse globale des résultats.

Résultats de l'étude des autres cotes et du temps de fabrication par unité de volume.

Selon la même méthode que pour eYint et Yint, nous avons étudié et quantifié l'influence

des trois paramètres du procédé sur :

- eYext : moyenne des erreurs mesurée en mm sur la cote dimensionnelle Yext = 40 mm,

- eZext : moyenne des erreurs mesurée en mm sur la cote dimensionnelle Zext = 50 mm,

- eYZext : moyenne des erreurs mesurée en mm sur la cote dimensionnelle YZext = 10 mm,

- eYZint : moyenne des erreurs mesurée en mm sur la cote dimensionnelle YZint = 15 mm,

- Tv : temps de fabrication par unité de volume en min /cm3 .

La figure 34 montre l'effet des paramètres A, B et C sur ces facteurs et l'effet des interactions de

niveau 2 entre les paramètres étudiés sur les réponses. Le tableau 4 présente les pourcentages de

contribution des paramètres A, B et C étudiés et de leurs interactions de niveau 2 sur les erreurs

eYext, eZext, eYZint et eYZext mesurées.

-61-

A: diamètre du fil déposé B : échelle du modèle fabriqué C : mode de remplissage du modèle fabriqué AB : interaction entre le diamètre du fil déposé et l'échelle du modèle fabriquéAC : interaction entre le diamètre du fil déposé et le mode de remplissage du modèle fabriquéBC : interaction entre l'échelle du modèle fabriqué et le mode de remplissage du modèle fabriqué

Fig.34. Graphes des effets et des interactions de niveau 2 des paramètres A, B et C sur les réponses eYext, eZext, eYZext, eYZint et Tv.

-62-

B1

C2

C1

C1

C2 C2

B1

B2

C2

C1C1

C2

B1

B2

C1

C2

C1

C2

B2

B1

C1

C2C2

C1

B1

B2

C1

C2

C1

C2

eYext eZext eYZint eYZext Tv

A 10 13,6 3,1 44,6 17

B 59,2 4,6 23,8 28,4 75,6

C 4,2 0,3 46,7 10 2,1

AB 18,8 61,7 2,4 0 4

AC 1,1 5,6 0,2 8,7 1

BC 5,7 6,6 15,2 5 0,1

TOTAL 99,1 92,4 91,4 96,7 99,8

Tab.4. Pourcentage de contribution des paramètres A, B et C et de leurs interactions de niveau 2

sur les erreurs eYext, eZext, eYZint, eYZext et Tv mesurées.

Analyse globale des résultats.

D'une manière générale, chaque paramètre du procédé a une influence sur le résultat tant

au niveau du temps de réalisation du modèle que de la précision obtenue (Tab.4).

L'objectif visé est d'obtenir une pièce de précision suffisante en un minimum de temps.

Pour obtenir le réglage des paramètres du procédé permettant d'obtenir le temps minimal, il suffit

d'analyser les graphes des effets des paramètres seuls et en interaction sur la réponse Tv.

Le temps est minimal quand le fil est de diamètre 0,333 mm et la structure en nid d'abeille. On

remarque également que plus la pièce est petite plus le temps de réalisation par unité de volume

est grand. Il n'est donc pas utile de réduire l'échelle d'une pièce pour diminuer considérablement

son temps de fabrication.

Les erreurs dimensionnelles les plus significatives se produisent lorsque l'axe Z de la

machine de prototypage rapide est utilisé.

D'une manière générale, les cotes extérieures tendent à être supérieures à la cote visée alors que

les cotes intérieures tendent à y être inférieures. Ceci pourrait s'expliquer par un positionnement

du fil réalisé en pilotant le centre de la buse de dépôt. La figure 35 illustre l'obtention d'un

cylindre à un diamètre donné en tenant compte de cette hypothèse.

-63-

Réponses (%)

Paramètres

A: diamètre du fil déposé B : échelle du modèle fabriqué C : mode de remplissage du modèle fabriqué AB : interaction entre le diamètre du fil déposé et l'échelle du modèle fabriquéAC : interaction entre le diamètre du fil déposé et le mode de remplissage du modèle fabriquéBC : interaction entre l'échelle du modèle fabriqué et le mode de remplissage du modèle fabriqué

Fig.35. Obtention d'un cylindre par prototypage rapide FDM.

Ainsi, pour cet exemple, une erreur associée à la valeur du diamètre du fil devrait être relevée.

En réalité cette erreur est peu significative. Il est probable que le retrait du matériau contribue à

minimiser cette erreur. En effet, le matériau se rétracte au refroidissement et le diamètre du fil

déposé est ainsi diminué. Ce retrait est cependant très faible.

L'erreur dimensionnelle la plus importante est observée sur les dimensions extérieures

dirigées selon l'axe Z de fabrication. Une erreur maximale de 0,4 mm est observée pour la

dimension Zext. L'analyse des graphes des effets et du tableau des contributions montre que

60 % des effets sont dus aux paramètres A et B en interaction (diamètre du fil et échelle

dimensionnelle). La réponse la plus précise se situe pour un diamètre de fil à 0,254 mm, une

échelle 0,5 pour la pièce et un remplissage en nid d'abeille.

Les résultats concordent mis à part l'obtention d'une meilleure précision pour un diamètre

du fil de 0,254 mm alors que le temps de fabrication est minimal pour un diamètre du fil de

0,333 mm. Il faut donc quantifier l'impact de ce paramètre seul ou en interaction avec un autre

paramètre sur la précision obtenue. L'analyse du tableau des contributions des différents

paramètres (Tab.4), montre une forte contribution de ce paramètre seul pour une seule dimension

(YZ ext). En fait, le dépôt d'un fil d'ABS d'un diamètre de 0,333 mm entraîne une augmentation

de 0,07 mm d'erreur supplémentaire pour une erreur moyenne d'environ 0,15 mm. Pour

l'application envisagée, cette erreur est acceptable dans la mesure où elle procure un gain de

temps de réalisation considérable. Il est à noter que le fait d'utiliser un diamètre de fil de 0,333

mm amène une précision plus importante sur certaines cotes notamment les cotes intérieures telle

Yint. L'interaction avec les autres paramètres ne fait que conforter cette précision.

-64-

Diamètre extérieur obtenu

Diamètre intérieur obtenu

Trajectoire parcourue par la buse

Les paramètres optimaux de réglage du procédé pour l'application envisagée sont ainsi :

- diamètre du fil déposé : 0,333 mm,

- échelle de reproduction du modèle : 1,

- mode de remplissage du modèle : nid d'abeille.

Par la détermination du rôle de chaque paramètre étudié et de leurs interactions, la

méthodologie des plans d’expériences selon un plan TAGUCHI a conduit, à travers un nombre

relativement restreint d’expériences, à la détermination des conditions optimales d’élaboration

d’un modèle. Il est cependant nécessaire de s'assurer que les réponses obtenues lors de ces

expériences sont réellement et principalement dues aux paramètres pris en compte (diamètre du

fil, échelle du modèle, structure du modèle) et non à d'autres paramètres, dénommés « facteurs

parasites », influant sur le procédé mais non considérés.

Une analyse du ratio signal / bruit (S/N) permet de quantifier l'impact de ces facteurs sur les

réponses du procédé. En effet, contrairement aux modalités statistiques classiques qui les traitent

séparément, le ratio signal / bruit prend simultanément en compte la moyenne et l'écart-type, ce

dernier étant directement lié à l'impact des facteurs parasites influant sur le procédé.

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

Les causes d’instabilité associées à la machine de prototypage peuvent être multiples et

mal identifiées. Elles sont généralement impossibles à éradiquer : variabilité des caractéristiques

mécaniques, électriques, de la matière déposée, des conditions d'environnement (température,

hygrométrie, pression atmosphérique), etc. Pour optimiser réellement la performance d'un

processus de fabrication, il faut minimiser la dispersion des valeurs mesurées par rapport à leur

valeur moyenne exprimée (écart-type), ainsi que l’écart entre cette valeur moyenne et la valeur

cible à atteindre (valeur nominale). Il est à noter que ce travail doit se faire pour chacune des

caractéristiques dimensionnelles et fonctionnelles que doit respecter le procédé.

Pour apprécier objectivement l’instabilité des résultats due aux facteurs parasites ou

facteurs bruits, un indicateur, appelé ratio signal/bruit, est défini. Sa valeur algébrique est

d’autant plus grande que la valeur de la caractéristique tend vers la cible visée et que sa

variabilité est plus faible.

Les erreurs mesurées sur les modèles fabriqués par prototypage rapide peuvent être considérées

-65-

sous l'angle d'une variable y, appelée performance. L'objectif est d'atteindre une performance

définie (nominale) notée yN. Les erreurs caractéristiques de la non qualité du modèle, notées L,

peuvent être approchées par l'équation (1) :

L y =k y− yN ² (Eq.1)

où k est un coefficient de proportionnalité de cette fonction erreur.

Pour la série de 5 modèles fabriqués par combinaison de la matrice d'expériences L8 (27), la

valeur moyenne des erreurs relevées est donnée par l'équation (2) :

L( y)=k5 ∑i=1

5

( y i− yN ) ² (Eq.2)

Si l'on considère la moyenne arithmétique y=∑i=1

5

y i

5 et la variance σ ² = ∑

i=1

5

y i− y ²

5

( où σ est l'écart-type), la valeur moyenne des erreurs relevées [80] est alors exprimée par

l'équation (3) :

L y=k σ ² y− y N ² (Eq.3)

Pour minimiser cette fonction de perte suite à la non qualité pour des performances nulles

ou positives, la méthode TAGUCHI distingue, en pratique, trois objectifs différents selon le type

de valeur attendue yN.

- atteindre une valeur cible : yN est une valeur finie, différente de 0,

- le plus petit est le meilleur : yN = 0,

- le plus grand est le meilleur : yN correspond à une valeur infinie.

Pour notre cas, il faut considérer le deuxième objectif ( yN = 0), c'est-à-dire minimiser les erreurs

dimensionnelles et le temps de réalisation par unité de volume, ces paramètres étant logiquement

ceux recherchés pour une application médicale.

Cela revient à minimiser k σ ² y ² ou à maximiser −logσ ² y ² , ou encore à

maximiser −log(15 ∑i=1

5

yi ²) car σ ² y ²=1

5 ∑i

y i ²−∑

i

y i ²

5 ∑i

y i

5 2

=15∑

i

y i2

Le ratio signal/bruit exprimé en décibel est alors donné par l'équation (4) :

S/N (dB) = −10 log 15∑i=1

5

y i2 (Eq.4)

-66-

Afin de faire la part des choses entre l’influence des facteurs contrôlés et les autres

facteurs donnant naissance au bruit, le ratio signal/bruit (Eq.4) a été déterminé (Tab.5) à partir

des résultats expérimentaux obtenus avec le plan d'expériences L8(27) m i s en œuvre

précédemment (Tab.2). Pour prendre en compte l’environnement bruit inhérent au procédé

étudié, les essais associés à ce plan d’expériences ont été réalisés sur une période suffisamment

longue (un essai par jour).

Les deux exemples présentés concernent l'erreur eYint sur la dimension Yint et le temps de

réalisation de la pièce par unité de volume. On rappelle que des séries de 5 pièces ont été

réalisées pour chacune des 8 combinaisons de la table orthogonale L7(28) utilisée. La variabilité

de la fabrication des modèles fabriqués, en terme de performance dimensionnelle et de temps de

fabrication, peut ainsi être évaluée.

B A BA C BC AC eYint écart-type ratio Tv écart-type S/N

1 1 1 0,08 0,10 -11,8 4,27 0 -8,7

1 1 2 0,01 0,09 -12,1 2,99 0 0

1 2 1 0,03 0,06 -12,4 2,86 0 -9,1

1 2 2 -0,01 0,11 -12,0 2,46 0 -9,2

2 1 1 0,03 0,06 -12,4 8,99 0 -8,1

2 1 2 0,03 0,10 -12,0 8,02 0 -8,2

2 2 1 0,01 0,06 -12,5 5,71 0 -8,5

2 2 2 0,02 0,06 -12,4 5,71 0 -8,5

Tab.5. Détermination du ratio signal/bruit (S/N) associé à eYint et Tv

pour chaque combinaison de la table d'expérimentation orthogonale L8 (27).

Les niveaux des paramètres étudiés sont identiques à ceux de la première partie de l'étude :

- A : diamètre du fil déposé (A1 = 0,254 mm, A2 = 0,333 mm),

- B: échelle du modèle fabriqué (B1 = 1, B2 = 0,5),

- C : mode de remplissage du modèle fabriqué (C1: structure pleine, C2: structure nid d'abeille).

eYint est la moyenne des erreurs mesurées en mm sur la cote dimensionnelle Yint = 20 mm et Tv

est le temps de fabrication par unité de volume en min /cm3.

Les résultats ont conduit à l'établissement des graphes des effets sur le ratio signal/bruit et

aux graphes des effets pour les réponses eYint et Tv (Fig.36). Les graphes des effets sont

-67-

représentatifs du niveau de performance, les graphes des effets sur le ratio représentant

uniquement le niveau de dispersion de la réponse. Il est à noter que l'objectif est d'obtenir une

dispersion faible et peu dépendante du niveau du paramètre considéré.

Il est à remarquer que si une interaction a un effet plus important que les facteurs qu’elle

associe, les niveaux des facteurs concernés seront optimisés à partir du graphe d'interaction. Pour

les deux exemples (eYint et Tv), les pourcentages de contribution des facteurs et des interactions

montrent que les effets les plus significatifs sur les réponses correspondent aux facteurs.

Le choix du niveau des paramètres dépend de l'objectif à atteindre en terme de précision, de

temps de fabrication ou de dispersion. Selon l'objectif, ce choix est effectué à partir des graphes

des effets des paramètres ou des graphes des ratios S/N de ces derniers. Par exemple, pour la

réponse eYint, si la priorité à une faible dispersion est donnée, les valeurs des paramètres

choisies seront A2, B2 et C1. En revanche, si la précision du modèle est plus importante, les

valeurs seront A2, B1 ou B2 et C2, ce qui est le cas pour l'application au diagnostic que nous

projetons et pour laquelle un seul modèle est fabriqué.

-68-

Fig.36. Graphes des effets sur le ratio signal/bruit (S/N)

associés aux graphes des effets pour les réponses eYint et Tv.

-69-

Le même procédé a été appliqué à l'étude des cotes Yext, Zext, YZext etYZint. Les

graphes des effets sur le ratio signal/bruit (S/N) et les graphes des effets ont été dressés pour les

réponses correspondantes (Fig.37).

Fig.37. Graphes des effets sur le ratio signal/bruit (S/N)

associés aux graphes des effets pour les réponses eYext, eZext, eYZint, eYZext.

-70-

Les réponses du système sont les moyennes des erreurs mesurées :

- eYext : moyenne des erreurs mesurées en mm sur la cote dimensionnelle Yext = 40 mm,

- eZext : moyenne des erreurs mesurées en mm sur la cote dimensionnelle Zext = 50 mm,

- eYZext : moyenne des erreurs mesurées en mm sur la cote dimensionnelle YZext = 10 mm,

- eYZint: moyenne des erreurs mesurées en mm sur la cote dimensionnelle YZint = 15 mm.

5. Conclusion de l'étude d'optimisation.

Les graphes des effets et des interactions établis permettent de quantifier l'influence des

niveaux des paramètres maîtrisables d'une machine de prototypage rapide sur la précision et le

temps de fabrication d'un modèle. L'interprétation des graphes des effets sur le ratio signal/bruit

(S/N) associés permettent quant à eux d'évaluer l'influence de facteurs environnementaux non

maîtrisables (température, pression atmosphérique, hygrométrie etc.) sur la dispersion associée

aux objectifs à atteindre.

Les niveaux des paramètres machine peuvent différer selon l'objectif du praticien. A titre

d'exemple, obtenir un modèle pour préparer une intervention chirurgicale ou concevoir des outils

chirurgicaux ne requièrent pas nécessairement les mêmes réglages machines. En effet, si la

minimisation du temps de fabrication du modèle est prioritaire pour l'aide au diagnostic, pour la

conception d'outils chirurgicaux, la précision dimensionnelle devient fondamentale. Il est

également à noter que dans le cadre d'un travail collaboratif, plusieurs exemplaires du même

modèle pour plusieurs chirurgiens par exemple, les informations fournies par les graphes des

effets sur le ratio signal/bruit (S/N) sont primordiales pour minimiser les dispersions

dimensionnelles associées à la fabrication en petite série d'un modèle, en quelque sorte pour que

chaque praticien ait le même modèle.

-71-

TROISIÈME PARTIE :

APPLICATION DU PROCÉDÉ Á DES CAS CLINIQUES

-72-

I. Cas cliniques.

L’intérêt du prototypage rapide est manifestement de pouvoir concrétiser des géométries

complexes et déterminer précisément un volume osseux grâce aux répliques 3D personnalisées.

La technique est donc ici appréciée à travers trois types de cas cliniques [81, 82] illustrant

clairement les problématiques géométrie et volume. Sont donc ici présentés des exemples

d’application à l’ostéotomie de cal vicieux épiphysaire, à l’arthroplastie d’épaule et à la

trochléoplastie fémorale. Un cas de fractures multiples tibia-fibula est ensuite présenté afin de

mettre en évidence l'influence d'un appareillage métallique sur le temps de réalisation.

L'étude précédente par plan d'expériences a conduit à identifier et quantifier les

paramètres optimaux de réglage de la machine de prototypage par dépôt de fil fondu Stratasys

Dimension BST768. Il a été montré que si le diamètre du fil et le type de remplissage ont une

influence sur la fidélité dimensionnelle et géométrique de la réplique, les variations restent

cependant faibles et négligeables dans le cadre de l'aide au diagnostic (et contrôlées dans nos

exemples par rétro-conception). Ces paramètres conduisent néanmoins à un temps de fabrication

plus long. C'est la raison pour laquelle nous les avons adoptés pour les applications aux cas

cliniques qui suivent, afin de nous placer dans le timing le plus défavorable pour en tirer une

limite supérieure de temps de fabrication pour la machine considérée.

Les paramètres machines sont donc ici :

- diamètre du fil : 0,254 mm,

- type de remplissage : dense,

- les répliques sont naturellement à l'échelle 1.

-73-

1. Cals vicieux épiphysaires.

Le cas clinique retenu aux fins d’illustrer l’application aux cals vicieux épiphysaires

concerne un homme de 44 ans, victime d’un fracas épiphyso-métaphysaire de la partie proximale

du tibia ostéosynthésé (Fig.38 et 39). Un défaut de réduction tubérositaire médial postérieur

nécessite une ostéotomie correctrice.

Fig.38.Tibias fibulas : visualisation 3D virtuel issue des données de tomographie RX

(source : Centre Hospitalier Germon & Gauthier de Béthune, viewer Osirix®).

a . côté sain, b. côté trauma.

Fig.39.Tibias fibulas : reconstruction 3D virtuel colorisée, format STL lissé

a . côté sain, b. visualisation de l'enfoncement du plateau tibial.

-74-

a b

a b

Deux répliques (côté pathologique et miroir du controlatéral sain, Fig. 40) de hauteur 200 mm et

de volume d'ABS consommé 180 cm3 (augmenté de 30 cm3 de support à enlever) ont été

réalisées en FDM par couches de 0,254 mm (diamètre du fil). Le temps de traitement et de

fabrication, de la réception du fichier DICOM3 à la livraison au clinicien, est estimé à 29 h

décomposées en 1 h de traitement numérique et 28 h de fabrication ; seules 2 h de présentiel sont

nécessaires.

Ces répliques 3D montrent sans ambiguïté que les ostéotomies complexes corrigeant des cals

vicieux épiphysaires sont avantageusement planifiées à l’aide d’une modélisation en taille réelle.

En effet, la palpation du prototype permet une quantification précise des volumes (Fig. 40 a) très

utile lorsqu’il s’agira de guider un trait d’ostéotomie futur. Le prototypage est le seul support de

planification qui permet d’appréhender aussi précisément un cal vicieux (en proportion,

d’ailleurs, de sa complexité). La réalisation d’un exemplaire du membre opposé sain permet en

outre une représentation de l’anatomie normale visée en perspective. Un artifice consiste à

produire, à partir des données radiographiques du côté opposé au site de l’ostéotomie, une image

de signe inversé produisant un prototype en miroir qui servira de modèle « idéal » de

reconstruction (Fig. 40 b et 40 c).

Fig.40. Tibias prototypés (FDM ABS).

a : cal vicieux articulaire médial après fracas épiphyso-métaphysaire tibial,

b : tibia droit versus une image en miroir du tibia gauche vus de profil,

c : vue postérieure.

-75-

2. Evaluation du stock osseux avant arthroplastie d’épaule.

Une application concernant la chirurgie arthroplastique de l’épaule est représentée au

travers du cas d’une patiente de 60 ans, souffrant d’une omarthrose centrée (Fig.41 et 42), à qui

l’on propose l’implantation d’une prothèse totale anatomique.

Fig.41. Radiographie RX de l'épaule : omarthrose centrée

(source : Centre Hospitalier Germon & Gauthier de Béthune).

Fig.42.Reconstruction 3D virtuel, format STL lissé : épaule, omarthrose centrée.

Une réplique scapulohumérale (Fig. 43) de hauteur 80 mm et de volume d'ABS consommé 66

cm3 (augmenté de 48 cm3 de support à enlever) a été réalisée en FDM par couches de 0,254 mm

(diamètre du fil). Le temps de traitement et de fabrication, de la réception du fichier DICOM3 à

la livraison au clinicien, est estimé à 26 h décomposées en 2 h de traitement numérique et 24 h

-76-

de fabrication dont 2 h de présentiel.

La réplique 3D montre que, dans les cas où le scanner laisse présager des difficultés potentielles

d’implantation liées à une usure importante de la glène, une estimation du stock osseux

disponible est idéalement vérifiée en confrontant manuellement le volume osseux offert avec les

implants de référence (en disposant éventuellement d’exemplaires non-stériles). De la même

manière, il est possible de réfléchir a priori au positionnement d’une sphéroglène et de ses vis.

Le prototype (Fig. 43) est manipulable à loisir dans toutes les perspectives et l’on peut reproduire

le point de vue sur la glène, en fonction de la voie d’abord choisie. Dans les mêmes conditions, il

est possible de confronter les prothèses de resufaçage avec les reproductions humérales devant

les accueillir. On peut néanmoins préférer les coupes radiographiques traditionnelles pour juger

du caractère suffisant de la tête lorsqu’il est question d’ostéonécrose aseptique.

Fig.43. Prototype scapulohuméral (FDM ABS).

-77-

3. Trochléoplasties fémorales.

Une application du procédé aux trochléoplasties est présentée à partir du cas d’une

patiente de 37 ans porteuse d’une trochlée dysplasique luxante obérant le résultat d’une

transposition tubérositaire pratiquée quelques années plus tôt (Fig.44).

Fig.44. Trochlée dysplasique luxante : visualisations 3D virtuel issue des données de la

tomographie RX (source : Centre Hospitalier Germon & Gauthier de Béthune, viewer Osirix®).

Deux répliques (trochlées et rotules des côtés droit et gauche, Fig. 45) de hauteur 90 mm et de

volume d'ABS consommé 250 cm3 (210 cm3 pour les deux trochlées, 40 cm3 pour les deux

rotules, 45 cm3 de support pour l'ensemble) ont été réalisées en FDM par couches de 0,254 mm

(diamètre du fil). Le temps de traitement et de fabrication, de la réception du fichier DICOM3 à

la livraison au clinicien, est estimé à 26 h décomposées en 2 h de traitement numérique et 24 h

de fabrication dont 2 h de présentiel. Les anomalies de la géométrie trochléenne fémorale sont

variées et leur reconnaissance nécessite un bilan radiographique rigoureux complété d’un

scanner afin de parfaitement définir les indications chirurgicales [83]. La réalisation d’un

prototype (Fig. 46) matérialise toutes les données : le relief exagéré d’une trochlée proximale est

parfaitement visible et sa taille est précisément quantifiée. Les notions d’ « éperon » et de

« double contour » trouvent un écho très concret et la planification d’une trochléoplastie s’en

trouve confortée.

-78-

Fig.45. Reconstruction 3D virtuel, format STL lissé : rotules et environnement (trochlée

dysplasique luxante).

Fig.46.Prototype rotule et environnement (FDM ABS), trochlée dysplasique luxante.

-79-

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

Le cas d'un patient souffrant de fractures multiples des tibia et fibula a été étudié avec

appareillage (Fig.47 et 48) et après enlèvement du matériel métallique.

Fig.47. Tibia fibula multifracturés avec appareillage métallique, radiographie RX

(source : Centre Hospitalier Germon & Gauthier de Béthune).

Fig.48. Tibia-fibula avec appareillage métallique,visualisation 3D issue des données de

tomographie RX (source : Centre Hospitalier Germon & Gauthier de Béthune).

-80-

Il apparaît clairement (Fig.49) que les implants métalliques sont sources d'artefacts, en particulier

par réflexion. Les données du fichier STL 3D sont ainsi largement impactées avec pour

conséquence l'apparition de pics et volumes osseux inexistants, masquant fractures et

déplacements.

Fig.49. Tibia fibula multifracturés : reconstruction 3D virtuel, format STL lissé

a. avec appareillage métallique, b. sans appareillage métallique.

La conséquence immédiate sur la réplique 3D en ABS est l'apparition de ces volumes, pics et

excroissances mais surtout d'une imbrication des matériaux support et de construction rendant

impossible l'enlèvement du matériau support et donc le traitement a posteriori des artefacts et

finalement l'exploitation du modèle (Fig.50).

La présence de ces artefacts dus au matériel métallique ne constitue cependant pas un

verrou technologique. En effet, si le « nettoyage » du fichier numérique 3D issu du logiciel de

reconstruction (avant exportation en format STL exploitable par la machine de prototypage)

s'avère impossible par la classique fonction automatique programmée, elle le reste néanmoins

« manuellement » par l'utilisateur. Dès lors, le traitement numérique exige un temps beaucoup

plus important et, surtout, une expertise patente pour ne supprimer que ce qui doit l'être.

On peut penser qu'un patient appareillé ne relève plus de l'urgence à 24 ou 48 h et que le délai de

numérisation n'est pas problématique en soi. Cependant le travail numérique nécessaire réserve

sans doute le procédé à des cas spécifiques.

-81-

a b

Fig.50. Incidence de l'appareillage métallique sur la réplique prototypée :

a. avec appareillage métallique, b. sans appareillage métallique.

-82-

a

b

II. Pré-étude de coût.

Le retour sur investissement en milieu hospitalier d'une chaîne de prototypage rapide

pour l'aide au diagnostic est difficilement chiffrable à cette étape de l'étude. Il est néanmoins

possible de chiffrer le coût de l'investissement en matériels. Par contre, le coût d'un prototype ne

peut être qu'approché pour les exemples développés précédemment. En effet, s'il est possible de

calculer le coût matière, voire le coût de fonctionnement des machines, il n'en est pas de même

quant à la prise en compte des frais de personnel et de l'amortissement.

1. Matériels et investissement.

Afin de pouvoir réaliser en interne toutes les étapes de l'aide au diagnostic le service

dédié doit posséder au minimum :

- une station informatique récente pour une utilisation optimale des logiciels,

- un logiciel de reconstruction des modèles 3D,

- une machine de prototypage rapide,

- la matière première nécessaire à la fabrication d'un modèle prototypé.

Le logiciel actuellement en pointe en terme de reconstruction de modèles 3D à partir des

fichiers DICOM est le logiciel MIMICS® de la société belge Materialise. Il se différencie de

beaucoup d'autres par son application dédiée entièrement au domaine médical, ce qui simplifie

son utilisation. Le coût de ce logiciel est d'environ 25 000 € HT avec toutes les fonctionnalités

annexes. Les modules de ce logiciel permettent actuellement de se passer de logiciels propres à

la CAO.

Dans notre cas, nous avons utilisé une machine de prototypage rapide à technologie de

dépôt de fil fondu dont le modèle standard actuel est commercialisé au tarif moyen d'environ

20 000 € HT.

La matière première (ABS et support) est vendue sous forme de cartouche contenant le fil et

permettant d'extruder environ 1 dm3 de matériau. Une cartouche de ce consommable est vendue

environ 300 € HT.

Un poste informatique standard de type « P C » (unité centrale, écran, clavier, souris)

suffit pour l'exploitation du logiciel de reconstruction et l'interface avec la machine de

-83-

prototypage. De part sa variabilité, chiffrer le coût d'un matériel informatique est hasardeux.

Néanmoins, nous retiendrons un coût moyen de 1000 € HT.

On peut donc globalement estimer que l'enveloppe nécessaire à l'investissement matériel

dans une chaîne de prototypage rapide d'aide au diagnostic prête à l'emploi est inférieure à

50 000 € HT. Cette somme est très relative comparée au coût du matériel d'imagerie médicale.

2. Consommables et autres.

Dans notre cas, selon les données des cas cliniques traités, le coût de revient matière d'un

prototype a été de 35 € HT (arthroplastie d'épaule), 32 € HT (cal vicieux épiphysaire) et 45 € HT

(trochléoplastie fémorale). Notons que dans ces deux derniers cas, deux prototypes (côté

pathologique et controlatéral sain) ont été fabriqués pour les besoins du diagnostic et de la

préparation du geste, d'où un coût matière total respectivement de 64 € HT et 90 € HT.

Connaissant la puissance électrique (1600 W pour la Stratasys Dimension BST768) de la

machine de prototypage utilisée (dont l'électricité est la seule consommation énergétique) et le

temps total de fonctionnement (en moyenne 24 h, temps de chauffe compris), une approximation

de ce type de frais de fonctionnement pourrait être aussi faite en fonction du type d'abonnement

de l'utilisateur.

Rappelons enfin qu'en ce qui concerne les frais de personnel, le temps total cumulé de

présentiel (de la réception du fichier DICOM à la remise du prototype) pour les cas représentatifs

traités n'excède pas deux heures.

-84-

III. Applications aux cas cliniques : conclusion.

La technique du prototypage rapide facilite la planification des interventions intéressant

des volumes complexes, surtout s’ils sont inédits à l’instar des cals vicieux épiphysaires sévères.

Si chacune des indications d'examen scannographique morphologique osseux constitue une

application potentielle, ce sont les ostéotomies complexes qui se révèlent tirer le plus grand

avantage de la technique. Les prototypes peuvent être sciés, vissés ou collés pour simuler au plus

près la finalité d’une intervention. Les structures internes sont reconstruites aussi fidèlement que

les surfaces externes (mais la densité osseuse n’est pas reflétée). Les prototypes sont réalisables

en ABS ou en cire. Une matière moins dure à travailler semblait séduisante mais, à l’usage, la

cire s’avère par trop friable et au final inadaptée. Les voies d’abord des cals vicieux peuvent en

outre être réduites car l’excellente représentation spatiale que procure la prise en main littérale

d’une pièce osseuse complexe permet de limiter la recherche de repères, et par là, l’exposition du

site opératoire. Le volume maximal unitaire des pièces que peut fabriquer la machine est

d’environ 200x200x300 mm. Toutefois, la taille des prototypes n’en est pas limitée pour autant :

un os long peut être fourni « en kit » et reconstitué par emboitement et collage.

La durée de réalisation d'un prototype (de la réception du scan à la sortie de la réplique)

est de l’ordre de 24 à 48 heures et il peut paraître moins évident d’utiliser cette technologie dans

le cadre de la traumatologie urgente. Cela demeure toutefois envisageable si la machine de

prototypage est installée au sein même du service utilisateur. Il est d'ailleurs à souligner que le

temps de présence d'un technicien ne dépasse pas deux heures, presque entièrement consacrées

au traitement numérique, la fabrication ne demandant pas d'intervention. L'évolution de la

technologie entraîne d'autre part une constante et rapide diminution de ce temps.

Par contre, le matériel métallique implanté conduit à de nombreux artefacts, dus particulièrement

à la réflexion. Cela influe considérablement sur le temps de traitement numérique, beaucoup plus

long et plus complexe. Le temps de prototypage du modèle « nettoyé » n'est pas impacté. On

peut penser que le délai requis pour l'obtention d'un prototype pour un patient déjà appareillé ne

s'inscrit pas dans la même urgence que les autres cas traités. Les artefacts ne constituant pas un

verrou technologique, le procédé reste donc valide si le cas le nécessite et si le délai le permet.

La comminution ou le déplacement ne constituent pas des obstacles à la modélisation

d’une fracture récente grâce à une structure de soutien (de couleur différente) reliant les

fragments. La question d’une modélisation des tissus osseux ostéoporotiques ou nécrosiques

-85-

reste en suspend : la consistance du prototype diffère toujours de l’os original (plus dur pour

l’ABS, trop mou pour la cire). Cette notion doit rester présente à l’esprit, en particulier dans le

cadre des applications arthroplastiques. Généralement, la présentation des modèles est très

appréciée des patients et participe sans doute au consentement éclairé. Les machines de

prototypage rapide, les imprimantes 3D par exemple, sont utilisées dans divers domaines non

médicaux ce qui les préserve du coût habituellement élevé des instrumentations à usage médical

exclusif. Les tarifs sont dès lors raisonnables et suivent une relative déflation. Le coût de

l'équipement informatique et des logiciels restent également supportable.

-86-

CONCLUSION GÉNÉRALE

ET

PERSPECTIVES

-87-

Bien qu'elles permettent de visualiser pathologies et traumatismes, les résultats exposés

dans la première partie de l'état de l'art ont montré les limites des technologies d’imagerie

médicale lorsqu'échelle et volume deviennent des paramètres majeurs quant au diagnostic et à la

solution chirurgicale et, plus encore, que le clinicien est confronté à des détails cachés ou

ambigus. L'avantage de passer du 3D virtuel à une réplique, 3D réel, est dès lors patent.

Puisque plusieurs techniques d'imagerie médicale, telle, par exemple, la tomographie RX,

conduisent désormais à des fichiers numériques, couramment sous format DICOM3, permettant

une reconstruction numérique virtuelle, nous avons opté pour l'utilisation de logiciels dédié à

cette fonction, tels RapidForm® (Inus Technology) ou Mimics® (Materialise). L'obtention de

fichiers de type CAO et, en particulier, la possibilité d'export sous format STL, a ouvert la porte

à la fabrication par machine numérique de la réplique souhaitée.

La fabrication de pièces uniques dans un temps contraint a naturellement amené au

prototypage rapide. Des différentes technologies présentées dans la première partie, nous avons

retenu celle par dépôt de fil fondu. Simple d'utilisation, rapide, peu polluante, elle fabrique des

pièces en ABS (de qualité alimentaire si besoin) rigide, stérilisable et fidèle géométriquement et

dimensionnellement. Cette fidélité ainsi que le temps de fabrication ont par ailleurs été étudiés à

travers un plan d'expérience qui a conduit à déterminer les paramètres machine les plus

favorables selon l'application désirée. Réalisée pour l'exemple pour notre machine, cette étude

d'optimisation des paramètres a été voulue transposable à tout procédé.

La méthodologie retenue est la plus simple : imagerie médicale (fichier DICOM), création par un

logiciel dédié d'un modèle numérique tridimensionnel (choix de la zone d'intérêt par le clinicien),

création d'un fichier CAO (STL), fabrication par prototypage rapide (validation par le clinicien).

Les matériels et les logiciels sont des produits courants commercialisés.

La littérature montre que, connu dans le milieu médical, le procédé, ou plutôt la chaîne, de

prototypage rapide, n'est pour l'instant appliqué qu'à des cas très spécifiques. Appliqué dans notre

étude (à partir de la tomographie RX) à plusieurs cas cliniques (ostéotomie, arthroplastie,

trochléoplastie), nos travaux montrent ainsi qu'il peut l'être avec profit en orthopédie et

traumatologie à des cas chirurgicaux certes complexes mais courants, et passer du laboratoire de

recherche à l'établissement hospitalier.

En effet, l’association du prototypage rapide et de la chirurgie orthopédique et traumatologique

demeure à ce jour assez confidentielle. Les possibilités d’applications sont pourtant multiples et

gagneraient à être popularisées dans certaines indications. En pratique, l’utilisation est pertinente

-88-

dès qu’il est question de géométrie complexe ou d’appréciation nécessairement précise d’un

volume osseux. La technologie se révèle ainsi, par exemple, d’une aide appréciable dans la prise

en charge de certaines ostéotomies et dans la chirurgie arthroplastique de l’épaule. C’est la

représentation objective de l’échelle des volumes qui constitue le point fort du prototypage

rapide appliqué à la planification orthopédique. Cette technologie pourrait constituer plus

fréquemment une étape supplémentaire du bilan paraclinique, au-delà de l’imagerie

traditionnelle.

L'étude montre que le procédé de prototypage rapide appliqué à l'aide au diagnostic en

chirurgie orthopédique et traumatologique s'avère pertinent et économiquement raisonnable. Il

est vraisemblablement implantable sans problème particulier dans un établissement hospitalier

ou un centre d'imagerie. L'investissement est relativement faible, de même que le coût de

fonctionnement. Il n'exige pas non plus de personnel hautement qualifié.

De nouvelles utilisations sont par ailleurs envisageables dans l’avenir, les logiciels s'adaptant à la

modélisation de tissus non osseux. Les données numériques peuvent aussi être issues d'autres

techniques d'imagerie médicale, telle la résonance magnétique nucléaire par exemple, offrant

alors des horizons nouveaux aux futures applications.

-89-

LISTE DES FIGURES ET TABLES

-90-

I. Liste des figures.

Fig.1. Dispositif de production des rayons X (tube de Coolidge).

Fig.2 : Principe de l'émission RX.

Fig.3. Incidence RX / matière.

Fig.4. Radiographie RX (exemple : thorax).

Fig.5. Principe du tomographe à rayons X.

Fig.6. Principe de la tomographie.

Fig.7. Obtention et restitution des coupes.

Fig.8. Echelle des densités (unités Hounsfield : UH).

Fig.9. Tibia-péroné, visualisation 3D par tomographie RX.

Fig.10. Coupe au standard DICOM3 : tibia-péroné par tomographie RX.

Fig.11. Étapes du prototypage rapide.

Fig.12. Les techniques de prototypage rapide.

Fig.13. Prototypage rapide par stéréolithographie.

Fig.14. Prototypage rapide par frittage sélectif de poudre.

Fig.15. Prototypage rapide par collage de poudre.

Fig.16. Prototypage rapide par découpe de matériaux en feuille.

-91-

Fig.17. Prototypage rapide par stratoconception.

Fig.18. Prototypage rapide par jet de matériau.

Fig.19. Prototypage rapide par dépôt de fil fondu.

Fig.20. Processus opératoire intégrant l'aide au diagnostic par prototypage rapide.

Fig.21.Procédure non intégrée pour la réalisation d'un modèle 3D virtuel et/ou d'un modèle 3D

physique.

Fig.22. Procédure intégrée pour la réalisation d'un modèle 3D virtuel et/ou d'un modèle 3D

physique.

Fig.23. Evolution de la procédure intégrée pour la réalisation d'un modèle 3D virtuel et/ou d'un

modèle 3D physique.

Fig.24. Principe général de l'application du prototypage rapide à l'aide au diagnostic en chirurgie

traumatologique et orthopédique.

Fig.25. De l'imagerie au prototype : méthodologie.

Fig.26. Outils de la chaîne d'aide au diagnostic.

Fig.27. Scanner RX TOSHIBA Aquilion, Centre Hospitalier Germon & Gauthier de Béthune.

Fig.28. Prototypage rapide par dépôt de fil fondu (ABS) : Stratasys Dimension BST 768.

Fig.29. Scanner 3D Roland LPX 60.

Fig.30. Principe du scanner 3D IR, « temps de vol.»

Fig.31. Dessin de définition du modèle ABS de référence.

-92-

Fig.32. Graphe des effets des paramètres A, B et C sur l'erreur eYint moyenne.

Fig.33. Graphe des interactions de niveau 2 entre les paramètres A, B et C sur l'erreur

dimensionnelle eYint.

Fig.34. Graphes des effets et des interactions de niveau 2 des paramètres A, B et C sur les

réponses eYext, eZext, eYZext, eYZint et Tv.

Fig.35. Obtention d'un cylindre par prototypage rapide.

Fig.36. Graphes des effets sur le ratio signal/bruit (S/N) associés aux graphes des effets pour les

réponses eYint et Tv.

Fig.37. Graphes des effets sur le ratio signal/bruit (S/N) associés aux graphes des effets pour les

réponses eYext, eZext, eYZint, eYZext.

Fig.38. Tibias fibulas : visualisation 3D virtuel issue des données de tomographie RX.

Fig.39. Tibias fibulas : reconstruction 3D virtuel colorisée, format STL lissé.

Fig.40. Tibias prototypés (FDM ABS).

Fig.41. Radiographie RX de l'épaule : omarthrose centrée.

Fig.42. Reconstruction 3D virtuel, format STL lissé : épaule, omarthrose centrée.

Fig.43. Prototype scapulohuméral (FDM ABS).

Fig.44. Trochlée dysplasique luxante : visualisation 3D virtuel issue des données de la

tomographie RX.

Fig.45. Reconstruction 3D virtuel, format STL lissé : rotules et environnement (trochlée

dysplasique luxante).

-93-

Fig.46. Prototype rotule et environnement (FDM ABS), trochlée dysplasique luxante.

Fig.47. Tibia fibula multifracturés avec appareillage métallique, radiographie RX.

Fig.48 : Tibia-fibula avec appareillage métallique,visualisation 3D issue des données de

tomographie RX.

Fig.49. Tibia fibula multifracturés : reconstruction 3D virtuel, format STL lissé.

Fig.50. Incidence de l'appareillage métallique sur la réplique prototypée.

II. Liste des tables.

Tab.1. Propriétés mécaniques et thermiques de l'Acrylonitril butadiène styrène (ABS).

Tab.2. Table d'expérimentation orthogonale L8 (27) – méthode Taguchi.

Tab.3. Pourcentages de contribution des paramètres A, B et C et de leurs interactions de niveau 2

sur l'erreur mesurée eYint.

Tab.4. Pourcentage de contribution des paramètres A, B et C et de leurs interactions de niveau 2

sur les erreurs eYext, eZext, eYZint, eYZext et Tv mesurées.

Tab.5. Détermination du ratio Signal/Bruit associé à eYint et Tv pour chaque combinaison de la

table d'expérimentation orthogonale L8 (27).

-94-

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