FR2577697A1 - Procede de fabrication d'un implant chirurgical personnalise adapte au canal medullaire d'un os recepteur et implant realise par ce procede - Google Patents

Abstract

PROCEDE DE FABRICATION D'UN IMPLANT CHIRURGICAL PERSONNALISE ADAPTE AU CANAL MEDULLAIRE D'UN OS RECEPTEUR ET IMPLANT REALISE PAR CE PROCEDE. SELON LE PROCEDE, ON REALISE PAR SCANOGRAPHIE OU RMN UNE SERIE DE N IMAGES REPARTIES LE LONG DE L'OS RECEPTEUR DANS DES PLANS TRANSVERSAUX PARALLELES, ON ECHANTILLONNE LES DIFFERENTES IMAGES, ON EN DEDUIT DES IMAGES ECHANTILLONNEES DU CONTOUR DU CANAL MEDULLAIRE, ON PROCEDE A PLUSIEURS PHASES DE LISSAGE SELON UNE ELLIPSE DES IMAGES ECHANTILLONNEES DU CONTOUR, ET DE LISSAGE SELON UNE PARABOLE DES PROJECTIONS DES N CENTRES DES ELLIPSES DE FACON A DETERMINER UN AXE ANATOMIQUE, PUIS DES DIVERS PARAMETRES, DES ELLIPSES DE LISSAGE, ON RECONSTITUE A PARTIR DES ELLIPSES DE LISSAGE UNE FORME SIMPLIFIEE D'IMPLANT 10 AJUSTE AU CANAL MEDULLAIRE ET ON PROCEDE A L'USINAGE DE L'IMPLANT 10 A PARTIR DES INFORMATIONS NUMERIQUES RELATIVES A LA FORME SIMPLIFIEE, A L'AIDE D'UNE FRAISE A COMMANDE NUMERIQUE.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN IMPLANT CHIRURGICAL PERSONNALISE
ADAPTE AU CANAL MEDULLAIRE D'UN OS RéCEPTEUR ET IMPLANT REALISE
PAR CE PROCEDE.

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un implant chirurgical personnalisé adapté au canal médullaire d'un os récepteur et un implant réalisé par ce procédé.

Il est souvent nécessaire de réaliser un implant devant s'adapter au canal médullaire d'un os long afin de pallier une déficience ou une défaillance dudit os. C'est notamment le cas lorsqu'il s'agit d'implanter dans le canal médullaire d'un fémur une tige de prothèse totale de hanche.

On sait que les prothèses totales de hanche, qui sont constituées d'une sphère (la tête fémorale) fixée sur une tige destinée à être emboîtée dans le canal médullaire du fémur, sont principalement employées dans le cas de fracture du col du fémur chez les vieillards et dans les cas d'arthrose.

Lors de l'opération chirurgicale de mise en place d'une prothèse totale de hanche, la tige est emboîtée en force dans le canal médullaire. Pour tenir compte des différences de forme et de dimensions du canal médullaire selon les patients, les fabricants de prothèses proposent une gamme limitée de tiges différentes dont la forme et la taille Varient. Les tiges présentent cependant en général une forme plate et, compte tenu de la très grande variété de formes des canaux médullaires d'os de personnes différentes, l'ajustement d'une prothèse à un canal particulier ne peut qu'être imparfait. Il est alors nécessaire de combler le manque d'ajustement par des ciments, mais ces ciments ont tendance à se dégrader au cours du temps de sorte qu'il existe un risque important de descellement et que l'on hésite à équiper de prothèses des personnes relativement jeunes.

L'invention a ainsi pour but de permettre une meilleure adaptation des tiges de prothèse, ou plus généralement des implants chirurgicaux, à la morphologie particulière du canal médullaire de chaque os à renforcer, et donc de réaliser des implants chirurgicaux personnalisés qui. soient réellement adaptés à l'anatomie du canal médullaire récepteur tout en étant faciles à réaliser et à mettre en place.

Ce but est atteint grâce à un procédé selon lequel on réalise par scannographie ou par résonance magnétique nucléaire une série de n images réparties le long de l'os récepteur dans des plans transversaux parallèles dont la position est repérée par rapport à une origine située sur un axe perpendiculaire auxdits plans; on échantillonne les différentes images de la série d'images, et on déduit des différentes images échantillonnées, une série de représentations échantillonnées du contour du canal médullaire situé dans l'os récepteur; on procède au lissage suivant une éllipse de chacune des représentations échantillonnées du contour; on procède au lissage suivant une parabole des projections des n centres des ellipses obtenus dans deux plans perpendiculaires, pour déterminer un axe anatomique; on réitère la phase de lissage suivant une ellipse de chacune des représentations éhantillonnées du contour, mais en imposant aux ellipses de lissage d'être centrées sur l'axe anatomique résultant de la phase précédente; on procède au lissage suivant une parabole des grands axes, des petits axes et des angles définis par les grands axes et un axe de référence des n ellipses de lissage centrées sur l'axe anatomique; on reconstitue, à partir des ellipses de lissage, une forme simplifiée d'implant ajusté au canal médullaire et on procède à l'usinage de l'implant, à partir des informations numériques relatives à ladite forme simplifiée, à l'aide d'une machine-outil a Commande numérique, par copiage d'un modèle réalisé à partir desdites informations numériques.

Selon une caractéristique particulière de l'invention, pour déduire des images échantillonnées le contour du canal médullaire, on procède pour chaque image à une reconnaissance automatique du contour de ce canal afin d'automatiser le procédé.

Pour déduire automatiquement des images échantillonnées les contours du canal médullaire, on procède pour chaque image J à un prétraitement en transformant oelleci en une image binaire JS par comparaison avec une valeur de niveau de gris, de seuil correspondant à la valeur séparant approximativement la couronne osseuse du canal médullaire, valeur déduite de l'histogramme des niveaux de gris de l'image J; et on--procède à partir de cette reconnaissance approximative de la couronne osseuse, à une reconnaissance plus précise du canal médullaire pour application d'un procédé de détection de bord basé sur la technique des moindres carrés.

Selon une autre caractéristique particulière, avant usinage de l'implant, on procède en outre à une modification volontaire de la forme simplifiée ajustée de l'implant, afin de faciliter l'ancrage de celui-ci, par une légère réduction prédéterminée de la longueur des axes des ellipses de lissage.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante d'un mode particulier de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés, sur lesquels:
- la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une prothèse totale de hanche traditionnelle,
- la figure 2 est une vue schématique en coupe, réalisée par scannographie, d'un os long dont le canal médullaire doit être équipé d'un implant,
- la figure 3 est une vue schématique en perspective montrant la façon dont une série d'images d'un os long est prise par scannographie, ou par résonance magnétique,
- les figures 4a à 4m correspondent à une série d'images d'un canal médullaire prises par scannographie et échantillonnées pour faire apparaitre le contour du canal,
--la figure 5 représente, pour une image échantillonnée de la coupe d'un os long, la courbe donnant le nombre de points de l'image d'un niveau de gris donné en fonction du niveau de gris,
- les figures 6 et 7 illustrent la façon dont le bord du canal médullaire peut etre déterminé de façon précise à partir des images prises par scannographie ou par résonance magnétique et échantillonnées,
- les figures 8 et 9 représentent, en projection dans un même plan transversal les ellipses de lissage des extremités d'une forme d'implant réalisée conformement à l'invention, et
- les figures 10 et 11 sont des vues en perspective montrant un implant personnalisé réalisé selon le procédé conforme à l'invention à partir d'une série d'ellipses de lissage.

A titre d'exemple, on considérera dans la suite de la description le cas d'une tige fémorale pour prothèse totale de hanche, mais l'invention est naturellement applicable d'une manière générale à la réalisation de divers types d'implants chirurgicaux adaptés à des canaux médullaires d'os longs.

On voit sur la figure 1 une prothèse totale de hanche classique comprenant une tige 1 en forme de lame, munie de nervures 4, et une tête sphérique 2 raccordée par un col 3 à la tige 1; la tige 1 étant engagée dans le canal médullaire 6 d'un fémur 5.

Selon l'invention, on procède d'abord à l'acquisition d'une série de n images J1 à t'n du membre à équiper d'un implant, par scannographie ou résonance magnétique, selon un protocole. Comme on peut le voir sur la figure 3, on réalise une série d'images parallèles prises dans des plans perpendiculaires à un axe Oz qui s'étend dans le sens longitudinal du membre dont un os est à équiper d'un implant. Le nombre n d'images doit être adapté à la longueur de l'implant à réaliser et en pratique est supérieur ou égal à 5. Les plans des images J1 à Jn sont repérés le long de l'axe Oz par leur coordonnée par rapport à une origine O. L'écartement entre deux images voisines peut varier.

Les images J1 à Jn peuvent être obtenues sous une forme analogique, sur un support papier (fig 2). Dans ce cas, il est imprimé en surimpression à l'image J une grille avec une échelle permettant des repérages selon deux axes rectangulaires x et y situés dans le plan de l'image et donc perpendiculaires à l'axe Oz. On reconnait sur chaque image une zone sombre extérieure correspondant au.muscle 7 du membre observé, une couronne claire 5 correspondant à ltos devant recevoir l'implant et une zone centrale sombre 6 correspondant au canal médullaire de ltos 5.

L'os 5 est limité par des contours externe 9 et interne 8.

Les contours internes 8 sur les images J1 à Jn obtenues sous forme analogique sur un support en papier ou similaire peuvent être échantillonnés manuellement à l'aide d'une table à numériser qui permet à 1 tordinateur la pilotant de relever les coordonnées en x et y d'un curseur placé manuellement sur le point de l'échantillon en cours de numérisation. On peut ainsi obtenir la série d'images représentées sur les figures 4a à 4m.

Naturellement, les images analogiques J1 à J
n peuvent également être converties de façon automatique, sous une forme numérique, soit au sein même du scannographe ou de l'appareil à résonance magnétique nucléaire qui délivre alors par exemple sur un support magnétique, des images qui sont directement sous forme numérique, soit à partir des images analogiques présentées sur un support papier et converties ensuite sous forme numérique. Dans ce cas, un échantillonnage automatique du contour 8 peut être réalisé à l'aide d'un calculateur, comme on va maintenant le décrire.

Une image scannographique Jde la cuisse est schématisée sur la figure 2. Mise sous forme numérique, cette image est constituée par un tableau de nombres (I(i,j);i,j=l,... ,k) où le niveau de gris I(i,j) est compris entre O (noir) et 2P (blanc) si la numérisation a été faite sur p bits. On voit que cette image est très contrastée: la couronne claire de la partie osseuse 5 sépare la zone sombre 6 du canal médullaire de la zone sombre 7 du muscle. Il en résulte que l'histogramme des niveaux de gris de l'image est bimodale (voir figure 5).Les sommets des deux modes sont séparés par un col correspondant à un niveau de gris I
L'échantillonnage du canal 6 correspond à une reconnaissance automatique du contour 8 du canal. Par un prétraitement de l'image J une reconnaissance grossière de la couronne osseuse 5 est pratiquée comme suit. Supposons connue la valeur Io; celle-ci est choisie empiriquement, et reste la même pour toute la fabrication, ou automatiquement suivant la technique proposée ci-dessous.

Soit I un niveau de gris fixé présumé pour 10.

m o
Chacun des deux morceaux d'histogramme correspondant aux intervalles gO,Im7 et ZImf 2p2 est lissé par un polynôme du troisième degré n (I) = a I b 12 + cI + d (1) suivant la technique de la régression polynomiale décrite plus loin en référence à l'ajustement d'une parabole avec
zi = (13,12,1,1) et xi = n (I) (2) Le point I est alors l'abscisse correspondant au plus petit
o des minima des deux polynômes ajustés.

Avec cette valeur Io, l'image J est transformée en une image JS par seuillage avec
Is (i,j) = O si I (i,j) < Io
Is (i,j) = 2P si I (i,j) > 1o
L'image JS constituée par le tableau de nombres IS (i,j) est binaire : sur un fond noir 6,7 se détache une couronne blanche 5 qui est une approximation de la couronne osseuse (voir figure 6). De cette image, il est alors très simple d'extraire les contours intérieur 8 et extérieur 9 de la couronne 5 car toute différence de 2P entre deux points voisins de l'image correspond à un contour.

Une reconnaissance fine du contour intérieur 8 est alors pratiquée. Appelons G le barycentre du canal 6 obtenu à l'issue du prétraitement. Soit GE une demi-droite partant de G et faisant un angle 8 avec l'axe Ox et soit F le point d'intersection de cette droite avec le contour extérieur 9 reconnnu précédemment. Si l'on revient alors à l'image non seuillée J et si l'on considère l'ensemble des niveaux de gris portés par le segment GF (voir figure 7), on peut procéder de la manière suivante pour déterminer automatiquement le bord 8 du canal médullaire 6.

Si C désigne le point du canal appartenant à GF, alors les niveaux de gris moyens ml et m2 caractéristiques du canal 6 et de l'os fémoral 5 sont estimés en minimisant par rapport à ml et m2 les moindres carrés:

C
Enfin, l'estimation C du point C résulte de la minimisation:
Min C# GF S (m1(C) m2(C)) (6)
L'échantillon complet de m valeurs est obtenu en faisant tourner la demi-droite GO autour de G suivant un pas angulaire dO= 2#/m, (avec par exemple m = 30) la meme procédure étant reproduite à chaque fois.

Lorsque l'on dispose d'une série de représentations échantillonnées 8a à 8m du contour 8 du canal médullaire 6 dans une série de n plans parallèles au plan xOy, On procède à la détermination d'une forme d'implant adaptée à celle du canal médullaire défini par la série d'images échantillonnées, c'est-à-dire personnalisée, mais qui répond en fait aux trois critères suivants:~
1) elle est suffisamment simple pour être appréhendée facilement par le chirurgien, tout en étant suffisamment complexe dans son ajustement anatomique,
2) elle possède un axe anatomique,
3) elle peut être modifiée aisément pour intégrer d'éventuelles contraintes supplémentaires d'ancrage ou des contraintes mécaniques additionnelles particulières.

La détermination de la forme d'implant personnalisée se décompose en quatre phases principales:
a) chacun des échantillons 8a à 8m est lissé suivant une ellipse 18a à lSm (fig 10). Cette phase permet notamment de répondre au premier critère susmentionné,
b) les projections des n centres des ellipses 18 a à 18 in dans les plans xOz et yOz sont lissées suivant une parabole. Le résultat de ce lissage est l'obtention d'un axe 12 (fig 8 à 10) que l'on appelle anatomique
c) la phase a) est reprise, mais en imposant aux ellipses de lissage 18a à 18m d'être centrées sur l'axe anatomique 12 résultant de la phase b),
d) chacune des ellipses de lissage 18a à 18m est caractérisée par son centre l9a à l9m, son grand axe 21a à 21m, son petit axe (non représenté sur les figures pour plus de clarté), et l'angle que fait le grand axe 21a à 21m avec la direction Ox. La méthode utilisée à la phase b) est reprise pour lisser les deux axes et les angles des n ellipses 18a à l8m.

On dispose alors, sous une forme numérique, de la définition d'une forme d'implant 10 optimisée qui peut être facilement réalisée automatiquement dans le matériau approprié à l'aide d'un usinage par outil à commande numérique. Naturellement, il est possible de réaliser d'abord un modèle à partir des informations numériques relatives à la forme d'implant, puis de réaliser ensuite les implants par copiage du modèle sur une machine de recopie.

Selon l'invention, un implant personnalisé 10 est alors défini par:
1) l'axe anatomique 12 dont les projections x,y dans les plans xOz et yOz sont des paraboles telles que pour toute cote z (z min z z max)
x = al z2 +bl z + C1 (7 >
y = a2 Z +b2 z + C2 (8) où z min et z max sont les cotes sur l'axe Oz des ellipses 18S 18m correspondant aux premières et dernières images échantillonnées 8a, 8m du contour du canal médullaire, et al,bl,cl,a2, b2, c2 sont des paramètres définis à l'issue de la phase b) susmentionnée,
2) un déploiement continu d'ellipses centrées sur l'axe anatomique 12 et telles que, pour toute cote z, une ellipse est définie par ses deux axes d,D et son angle A suivant les équations suivantes: :
D=a3 z + b3 z + C3 (9)
d a4 22 + b4 z + C4 (1 )
A = aS Z + b5 z + C5 (11) où a3,b3,c3,a4,b4,c4, a5,b c5 sont des paramètres définis à l'issue de la phase d) susmentionnée
A partir des cinq équations de paraboles (7) à (11) donnant les valeurs x,y,D,d,A, il est immédiat de calculer des génératrices 23; 24 de la forme de l'implant 10 et un usinage par une fraise à commande numérique peut être réalisé sans difficulté.

La forme finale d'un exemple d'implant personnalisé 10 peut être mieux comprise si l'on se reporte aux figures 8 à 11.

Sur la figure 8, seules les première et dernière ellipses l8a, 18m et l'axe anatomique 12 ont été représentés en projection sur un même plan xOy. Des lignes 13 représentant les projections des courbes d'égale latitude permettent de mieux voir l'évolution de la forme de l'implant et sa courbure.

La figure 9 est seSblable à la figure 8, mais on a représenté les projections des grands axes 21a à 21m des ellipses 18a à 18m dans le même plan xOy et non les projections de courbes d'égale latitude.

La figure 10 est une vue en perspective sur laquelle on n'a représenté qu'un nombre restreint d'ellipses de lissages et de grands axes pour rendre la figure plus claire.

La figure 11 est une perspective cavalière d'une moitié d'implant qui fait apparaître à la fois la complexité d'adaptation à un canal médullaire particulier et une limitation des irrégularités provenant du lissage effectué.

On notera que, à ce niveau de conception, la forme de l'implant 10 peut être trop ajustée pour être ancrée facilement.

On opère donc de préférence une légère réduction de la longueur des axes des ellipses comme suit:
Si ei est la distance entre le i ème point échantillonné du canal 8 sur une image J et son point correspondant sur la forme numérique obtenue 10; la réduction s'opère progressivement et continuement sur les petits et grands axes à travers les equations des paraboles D et d jus > 'à ce que toutes les distances e. soient plus petites qu'une certaine valeur E que l'on se donne empiriquement et qui peut être par exemple de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre.

Les différentes phases d'ajustement conduisant à une forme finale d'implant 10 qui soit à la fois ajustée et suffisamment simplifiée pour être facilement mise en place par un chirurgien peuvent être réalisées automatiquement à 1 aide d'un calculateur en appliquant pour l'essentiel des méthodes dites des "moindres carrés".

Pour la clarté des explications, et bien que l'invention ne porte pas sur les outils mathématiques en eux-mêmes mais à une application particulière à la réalisation d'implants chirurgicaux "sur mesure", on rappelera brièvement ci-dessous trois méthodes applicables dans le cas présent et concernant respectivement l'ajustement d'une conique à un ensemble de points du plan, l'ajustement d'une conique dont on impose la position du centre et l'ajustement d'une parabole.

10) ajustement d'une conique à un ensemble de points du plan. On procède par analyse en composante principale généralisée. Il s'agit de déterminer les coefficients d'une conique d'équation a x2 + b xy + c y2 + d x + e y + f = O, ajustant les m points du plan de coordonnées ((xi,yi), i=l,.. . ,m).

pour cela, on construit la matrice X de dimension (m,5) où la ligne i, notée Xi s'écrit Xi = (xi2, xi yi, yi2, xi, yi), et le vecteur ligne g, appelé centre de gravité qui s'écrit g = (Mxi2, Mxi, yi, Myi2, Mxi, Myi) où le symbole M désigne la moyenne des m valeurs qui le suivent. On transfome X en une matrice W telle que Wi = Xi - g. La matrice d'inertie est définie par S = W'W où W' désigne la matrice transposée de W. La méthode consiste alors à calculer le vecteur v' = (a,b,c,d,e) qui minimise la forme quadratique v' S v sous la contrainte de normalité v' v = 1. La solution est le vecteur propre associé à la plus petite valeur propre de S. Le paramètre f est v' g'.

20) ajustement d'une conique dont on impose la position du centre. La contrainte de centrage en (xO, yO) est donnée par les deux équations 2a xO + b yO = O et b xO + 2c yO =0,
soit sous forme matricielle C' v = O. La solution est alors le vecteur propre associé à la plus grande valeur propre de la matrice S -1 - S -1 C (c' S-l C) -1 C'S
3 ) ajustement d'une parabole. On procède par régression polynomiale. Il s'agit de déterminer les paramètres de l'équation x = a z2 + b z + c, ajustant les n points du plan de coordonnées ((xi, zi), i=l,...,n). On construit le tableau Z de dimension (n,3) dont la ligne i est Zi = (zi21 zi, 1). La solution est le vecteur (Z'Z) Z' x où x est le vecteur colonne de composantes xi.

La présente invention est applicable également au cas de certaines morphologies de canal qui présentent une torsion se traduisant par un changement double de l'orientation du grand axe des ellipses 18 génératrices de la forme. Quand ce cas rare se présente, on peut modifier la phase b) mentionnée plus haut comme suit : on impose aux abscisses de chacune des minima des deux paraboles d'être inférieure à z min ou supérieure à z max,
(O < 2azmin +b, 2az max +b < O) ce qui conduit à l'utilisation d'une procédure d'ajustement semblable à celle définie plus haut en 20).

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'un implant chirurgical personnalisé adapté au canal médullaire d'un os récepteur, caractérisé en ce que l'on réalise par scannographie ou par résonance magnétique nucléaire une série de n images (J1 Jn) réparties le long de l'os récepteur dans des plans transversaux (xOy) parallèles dont la position est repérée par rapport à une origine (O) située sur un axe (Oz) perpendiculaire auxdits plans, en ce que lton échantillonne les différentes images (J1,..J ) de la série d'images, et on déduit des différentes images échantillonnées, une série de représentations échantillonnées (8a à 8m) du contour (8) du canal médullaire (tri) situé dans l'os récepteur (5), en ce que l'on procède au lissage suivant une éllipse de chacune des représentations échantillonnées du contour (8a à 8m), en ce que l'on procède au lissage suivant une parabole des projections des n centres des ellipses obtenus dans deux plans perpendiculaires (xOz et yOz), pour déterminer un axe anatomique (12), en ce que l'on réitère la phase de lissage suivant une ellipse de chacune des représentationsechantillonnées du contour (8a à 8m), mais en imposant aux ellipses de lissage d'etre centrées sur l'axe anatomique (12) résultant de la phase précédente, en ce que l'on procède au lissage suivant une parabole des grands axes, des petits axes et des angles définis par les grands axes et un axe de référence (Ox) des n ellipses de lissage (18A à 18ru) centrées sur l'axe anatomique (12), en ce que l'on reconstitue, à partir des ellipses de lissage, une forme simplifiée d'implant (-10) ajusté au canal médullaire (6) et en ce que l'on procède à l'usinage de l'implant (10), à partir des informations numériques relatives à ladite forme simplifiée, à l'aide d'une machine-outil à commande numérique, ou par copiage d'un modèle réalisé à partir desdites informations numériques.

2. procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour déduire automatiquement des images échantillonnées les contours (8a à 8m > du canal médullaire (6), on procède pour chaque image J à un prétraitement en transformant celle-ci en une image binaire JS par comparaison avec une valeur de niveau de gris (Io) de seuil correspondant à la valeur séparant approximativement la couronne osseuse (5) du canal médullaire (6), valeur déduite de l'histogramme des niveaux de gris de l'image J; et on procède à partir de cette reconnaissance approximative de la couronne osseuse, à une reconnaissance plus précise du canal médullaire (6) par application d'un procédé de détection de bord basé sur la technique des moindres carrés.

3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'avant usinage de l'implant (10), on procède en outre à une modification volontaire de la forme simplifiée ajustée de l'implant (10), afin de faciliter l'ancrage de celuici, par une légère réduction prédéterminée de la longueur des axes des ellipses de lissage.

4. Implant chirurgical personnalisé adapté au canal médullaire d'un os récepteur, caractérisé en ce qu'il est fabriqué selon le procédé défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.

5. Implant chirurgical personnalisé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est constitué par une tige fémorale (1) de prothèse totale de hanche (1,2,3) adapté au canal médullaire (6) du fémur.