MÉMOIRE Docteur de l'Université Etienne DEBARRE APPLICATION DU PROTOTYPAGE RAPIDE ...

106 Pages·2011·2.17 MB·French

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
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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.
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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.
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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.
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