FR3054692A1 - Procede de conception et de fabrication d'un appareillage personnalise dont la forme est adaptee a la morphologie d'un utilisateur - Google Patents

Procede de conception et de fabrication d'un appareillage personnalise dont la forme est adaptee a la morphologie d'un utilisateur Download PDF

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Abstract

L'invention porte sur un procédé de conception d'un appareillage personnalisé dont la forme est adaptée à la morphologie d'un utilisateur déterminé. Le procédé comprend l'identification d'une transformation géométrique mettant en correspondance une morphologie générique et une morphologie de l'utilisateur déterminé ; et l'application de la transformation géométrique à une description de l'appareillage générique pour établir une description de l'appareillage personnalisé. L'invention porte également sur un programme d'ordinateur mettant en œuvre ce procédé de conception. Elle porte aussi sur un procédé de fabrication de l'appareillage personnalisé et sur l'appareillage personnalisé issu de ce procédé.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un procédé de conception d'un appareillage personnalisé, adapté à la morphologie d'un utilisateur déterminé et à qui l'appareillage est spécifiquement destiné. L'invention concerne aussi un programme d'ordinateur mettant en œuvre une telle méthode de conception. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel appareillage et un appareillage conçu et/ou fabriqué à l'aide des méthodes exposées.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION
Dans le cadre de la présente invention, on désigne par « appareillage » tout objet ou dispositif pouvant être disposé en contact intime avec le corps d'un utilisateur. Il peut s'agir par exemple d'un objet ou d'un dispositif dont la fonction impose qu'il épouse la forme de son utilisateur. À titre d'exemple non exhaustif d'un tel objet, il peut s'agir d'une prothèse médicale, telle qu'une prothèse d'articulation comme une prothèse de hanche, d'une orthèse telle qu'une genouillère ou une coudière, ou de tout autre dispositif de sécurité ou de protection du corps tel qu'un casque, une coque de maintien du dos, etc.
Pour des raisons médicales, de sécurité ou de confort on cherche à concevoir un tel appareillage pour qu'il s'ajuste au mieux à la morphologie de son utilisateur.
Selon une première méthode connue de conception et de fabrication, on réalise une reproduction matérielle d'une partie du corps de l'utilisateur, par exemple à l'aide d'une maquette en plâtre, en mousse ou en cire qui peut être obtenue directement par moulage. Cette maquette est alors utilisée pour produire l'appareillage personnalisé par déformation d'un matériau, par exemple par thermoformage. Cette approche traditionnelle est longue, coûteuse et ne se prête pas à une fabrication industrielle d'appareillages personnalisés.
Des approches plus récentes de conception d'un appareillage personnalisé proposent d'élaborer une description de l'appareillage plutôt que de passer par la fabrication d'une maquette. Cette description peut être interprétée par un dispositif informatique pour en faire une représentation graphique et/ou interprétée par un équipement de fabrication en vue de sa réalisation réelle. La description peut comprendre, à titre d'illustration, la décomposition en éléments finis par maillage 3D des surfaces définissant l'appareillage.
Ces approches récentes de conception peuvent également se fonder sur une description de la morphologie de l'utilisateur. Cette description, similairement à celle de l'appareillage, peut comprendre un maillage 3D des surfaces définissant la morphologie. Alternativement, ou en complément, la description peut comprendre une image volumique (image composée de voxels) issue par exemple d'un dispositif de mesures telles qu'une I.R.M., un scanner à rayon X pour tomographie axiale calculée par ordinateur, ou d'un dispositif de mesure par ultrasons. Alternativement encore la description peut comprendre une pluralité d'images 2D (image composée de pixels) prises sous des angles différents, par exemple en rayons X, permettant de recomposer la morphologie d'utilisateurs.
Une telle solution de Conception et de Fabrication Assistée par Ordinateur (CFAO) est par exemple connue du logiciel RODIN4D™, développée et distribuée par la société RODIN.
Ainsi, selon une méthode connue de conception d'un appareillage personnalisé, on élabore une description de l'appareillage personnalisé en combinant une première partie extraite de la description de la morphologie de l'utilisateur et une seconde partie correspondant à une description figée de l'appareillage. La première partie correspond à la surface de l'appareillage qui est en contact avec une zone du corps de l'utilisateur, et on définit sa forme en se conformant à la morphologie de l'utilisateur en cette zone. La seconde partie correspond à une portion de l'appareillage qui n'est pas en contact avec l'utilisateur, par exemple les surfaces extérieures de l'appareillage, et qui donc ne doit pas nécessairement être personnalisée.
La combinaison de ces deux parties, extraites chacune d'une source différente, n'est pas aisée. En particulier, ces deux parties ne se raccordent généralement pas parfaitement, ce qui nécessite une édition manuelle de la description de l'appareillage à l'aide d'un outil informatique dédié. Cette édition qui vise à rendre l'objet fabricable et gomme ses imperfections est manuelle, ce qui rend cette méthode de conception imparfaite, car complexe et souvent coûteuse.
OBJET DE L'INVENTION
La présente invention vise à pallier tout ou partie des inconvénients précités. Elle vise notamment à fournir une méthode de conception et/ou de fabrication d'un appareillage personnalisé qui limite, voire qui élimine, le besoin d'éditer manuellement la description de 1'appareillage.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
En vue de la réalisation de l'un au moins de ces buts, l'objet de l'invention propose, selon un premier aspect, un procédé de conception d'un appareillage personnalisé dont la forme est adaptée à la morphologie d'un utilisateur déterminé. Le procédé de conception comprend les étapes suivantes :
- obtenir une description d'un appareillage générique, l'appareillage générique étant adapté à une morphologie générique ;
- obtenir une description de la morphologie générique et la description de la morphologie de l'utilisateur déterminé ;
- traiter les descriptions de la morphologie générique et de la morphologie de l'utilisateur déterminé pour identifier une transformation géométrique mettant en correspondance la morphologie générique et la morphologie de l'utilisateur déterminé ;
- appliquer la transformation géométrique à la description de l'appareillage générique pour définir la description de l'appareillage personnalisé.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
- le procédé comporte une étape préalable de mesures pour établir la description de la morphologie de l'utilisateur déterminé.
- les descriptions comprennent au moins une description à l'aide d'un langage de description 3D d'objets, d'un maillage 3D, d'une image volumique, ou d'une pluralité d'images 2D.
- la description de l'appareillage générique est associée à une information locale de rigidité de l'appareillage générique pour moduler localement l'application de la transformation géométrique lors de l'étape d'application.
Selon un autre aspect, l'objet de l'invention propose un programme d'ordinateur comprenant des instructions
adaptées à la mise en œuvre de chacune procédé de conception, lorsque le programme un ordinateur. des est étapes du exécuté sur
Selon encore un autre aspect, l'objet de 1'invention
propose un procédé de fabrication d'un appareillage personnalisé comprenant :
- la fourniture d'une description de l'appareillage personnalisée obtenue par la méthode de conception proposée ;
- la réalisation de l'appareillage personnalisé à partir de sa description.
La réalisation de l'appareillage personnalisé peut être obtenue par fabrication additivé.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre en référence au figures annexées sur lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement les étapes composant une méthode conforme à l'invention ;
- les figures 2a à 2d représentent un exemple d'application de la méthode de la figure 1.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de conception d'un appareillage personnalisé, c'est-à-dire un appareillage dont la forme est adaptée à la morphologie d'un utilisateur déterminé. On rappelle que cet appareillage peut être une orthèse ou une prothèse dont l'utilisateur déterminé souhaite s'équiper.
La conception de l'appareillage vise à établir une description de cet objet, suffisante, selon le besoin, pour en permettre sa représentation par exemple sous une forme graphique à l'aide de moyens de traitement et de visualisation informatique ou pour en permettre sa fabrication. On pourra se référer à l'ouvrage général « Warping & Morphing of Graphical Objects » de J.Gomes, The Morgan Kaufmann Sériés in Computer Graphics, Morgan Kaufamn, 1998 ; pour un exposé détaillé des méthodes bien connues de description et de manipulation d'objets.
L'invention n'est pas limitée à une forme particulière de description de l'appareillage et/ou de la morphologie d'un utilisateur : ces descriptions peuvent être formées à l'aide d'un langage de description d'objets (du type VRML). Elles peuvent être également formées par décomposition en éléments finis (maillage 3D) des surfaces qui les définissent. Elles peuvent être aussi décrites par une image volumique, i.e. composée de points, appelés « voxels », repérés dans un espace à trois dimensions et associées à au moins une valeur numérique qui peut représenter un niveau de gris ou une couleur. Les descriptions d'un appareillage ou d'une morphologie peuvent être également formées par une pluralité d'images 2D (composés de « pixels ») permettant de recomposer l'objet décrit dans son volume.
Une description d'un appareillage ou d'une morphologie peut être hybride, c'est-à-dire combiner différentes formes de description comme celles qui viennent d'être présentées. Ces différentes formes peuvent porter sur des parties identiques ou complémentaires de l'objet décrit.
Quel que soit la où les formes choisie (s) pour décrire un objet, sa description peut être matérialisée par un fichier informatique contenant les éléments de langage et/ou les pixels, voxels, et/ou les points de maillage qui la constituent.
Pour concevoir l'appareillage personnalisé, la présente invention repose sur la disponibilité d'une description d'un appareillage générique. L'appareillage générique présente une forme adaptée à une morphologie générique d'un utilisateur. Cette morphologie générique fait elle-même l'objet d'une description, désignée dans la présente demande comme la « description de la morphologie générique ».
Par « morphologie générique », on désigne une morphologie représentative d'une classe d'utilisateurs. Une seule morphologie générique ainsi que sa description peut être disponible, et cette morphologie peut alors constituer une morphologie moyenne et simplifiée d'un corps humain. Alternativement, une pluralité de morphologies génériques (et leurs descriptions) peuvent être disponibles, par exemple une morphologie générique masculine et une morphologie générique féminine. Dans tous les cas, une morphologie générique et sa description forment une version représentative, bien que simplifiée, de la classe d'utilisateurs qu'elle représente. On note qu'il n'est pas nécessaire que la description de la morphologie générique représente un corps humain dans son entier. Il peut s'agir de la partie de ce corps la plus pertinente vis-à-vis de l'appareillage considéré.
A une morphologie générique, et à sa représentation est associé un descriptif d'un appareillage générique. L'appareillage générique est précisément adapté à la morphologie générique, c'est-à-dire que les surfaces qui sont appelées, par leurs fonctions, à entrer en contact avec l'utilisateur épousent la morphologie générique. Bien évidemment, la morphologie générique et l'appareil générique sont décrits dans un même espace de départ, ce qui permet de les associer l'un à l'autre, de les repérer l'un par rapport à l'autre, et d'assurer qu'ils sont bien adaptés l'un à l'autre.
La morphologie générique étant généralement une représentation simplifiée d'une morphologie réelle, on comprend qu'il est relativement aisé d'établir la description de cet appareillage générique.
Pour concevoir l'appareillage personnalisé, l'invention repose également sur la disponibilité d'une description de la morphologie de l'utilisateur déterminé à qui l'appareillage personnalisé est destiné.
description permettant
Comme on l'a vu, cette description peut prendre des formes multiples et hybrides, mais avantageusement la description est issue d'un système de mesure du type I.R.M., ou issue d'un scanneur à rayon X pour tomographie axiale calculée par ordinateur, ou encore issue d'un dispositif de mesure par ultrasons. Ces moyens permettent d'établir très directement une image volumique de la morphologie de l'utilisateur. Alternativement, la peut être issue d'un système de mesure d'établir une pluralité d'images 2D de l'utilisateur. Il peut s'agir d'un dispositif à base de rayons X. Dans une autre alternative encore, la description peut être issue d'un système de mesure de la surface de la peau. Il peut s'agir d'une caméra de profondeur ou d'un balayage laser.
Il n'est pas nécessaire que la description de la morphologie de l'utilisateur déterminé soit une description complète du corps de cet utilisateur, et seule la partie de son corps la plus pertinente vis-à-vis de l'appareillage à concevoir peut-être suffisante.
La figure 1 représente schématiquement les étapes composant une méthode conforme à l'invention. La méthode comprend une première succession d'étapes consistant, sans qu'aucun ordre précis ne soit imposé, à obtenir la représentation d'un appareillage générique dont la forme ίο est adaptée à une morphologie générique ; à obtenir une description de cette morphologie générique, et à obtenir la description de la morphologie de l'utilisateur déterminé. Les descriptions de l'appareillage générique et de la morphologie générique peuvent être issues d'une, et choisies dans, une bibliothèque préalablement constituée. Dans le cas où l'on ne dispose pas d'une description de la morphologie de l'utilisateur déterminé, cette succession d'étapes peut comprendre ou être précédée d'une étape visant à établir cette représentation. Il peut s'agir par exemple, mais non exclusivement, d'une des techniques de mesure qui ont été présentées précédemment.
Dans 1'invention description une étape suivante, le procédé conforme à comprend une étape de traitement de la de la morphologie générique et de la description de la morphologie de l'utilisateur déterminé. Ce traitement vise à identifier la transformation géométrique de l'espace mettant en correspondance la morphologie générique, définie et décrite dans un espace de départ et la morphologie de l'utilisateur déterminé, définie et décrite dans un espace d'arrivée.
Ces traitements sont bien connus de la personne du métier, comme en témoigne l'ouvrage de J. Gomes cité précédemment. On pourra également se référer aux articles de revue de Audette, M. A., Ferrie, F. P., & Peters, T. M. (2000) « An algorithmic overview of surface registration techniques for medical imaging », Medical image analysis, 4(3), 201-217 ou de Van Kaick, O., Zhang, H., Hamarneh, G., & Cohen-Or, D. (2011, September) « A survey on shape correspondence » In Computer Graphics Forum (Vol. 30, No. 6, pp. 1681-1707), Blackwell Publishing Ltd pour avoir un panorama complet des algorithmes et des techniques existantes qui peuvent s'appliquer.
D'une manière très générale, ce traitement revient à déterminer la transformation de l'espace qui met au mieux en correspondance des éléments définissant une première description d'un objet dans une première disposition aux éléments définissant une seconde description de cet objet dans une seconde disposition. Ce traitement se pose généralement comme un problème d'optimisation dont la résolution met en œuvre des techniques connues de minimisation d'une fonction, par exemple dérivée d'une méthode de gradient. La présente invention met à profit les algorithmes connus de mise en correspondance de description d'objet pour identifier la transformation géométrique mettant en correspondance la morphologie générique et la morphologie de l'utilisateur déterminé.
Cette transformation géométrique peut être indifféremment celle appliquée à la représentation de la morphologie générique pour obtenir la morphologie de l'utilisateur déterminé. Inversement, il peut s'agir de celle appliquée à la description de la morphologie de l'utilisateur déterminé pour obtenir une morphologie correspondant au mieux à celle de la morphologie générique. Dans ce dernier cas on prend grand soin d'inverser la transformation géométrique avant de l'appliquer conformément à l'étape suivante du procédé de conception dont la description suit.
La transformation géométrique peut être déterminée sous la forme d'une combinaison de translation, rotation, homothétie, etc. ...
Plus généralement, la transformation géométrique peut prendre la forme d'un champ de déformation associant par exemple chaque point de l'espace de départ à un point de l'espace d'arrivée ; ou associant un déplacement à appliquer selon les directions X, Y et Z à chaque point de l'espace de départ pour déterminer le point de l'espace d'arrivée.
Dans une étape suivante du procédé selon l'invention, on applique la transformation géométrique identifiée à la description de l'appareillage générique pour établir la description de l'appareillage personnalisé.
En appliquant la même transformation à la description de l'appareillage générique que celles mettant en correspondance la morphologie générique et la morphologie d'un utilisateur déterminé, on s'assure de l'adaptation de l'appareillage personnalisé à la morphologie de l'utilisateur déterminé. Comme sa transformation s'applique à l'espace contenant l'appareillage dans son ensemble (par exemple par application du champ de déformation identifié, comme cela a été précisé antérieurement), il n'est pas nécessaire de combiner plusieurs parties entre elles pour former la description de l'appareillage personnalisé. On limite ainsi, voire on élimine, le besoin d'éditer manuellement la description de l'appareillage personnalisé.
Dans un mode particulier de mise en œuvre de l'invention, l'étape d'application de la transformation géométrique est mise en œuvre concourrament à l'étape conduisant à déterminer la transformation géométrique.
Selon un mode de mise en œuvre particulièrement avantageux, la description de l'appareillage générique est associée à une information locale de rigidité. Cette information vient préciser quelles zones de l'appareillage générique peuvent être transformées ou déformées librement, celles qui doivent être non transformées ou déformées, ou celles qui doivent subir un moindre degré de transformation ou de déformation. On peut de la sorte moduler localement l'application de la transformation géométrique sur l'appareillage générique. Cela peut présenter l'avantage de préserver, dans l'appareillage adapté, des portions qui n'ont pas subi pleinement la transformation géométrique et qui peuvent donc préserver, au moins en géométrie originelle. Il peut s'agir fonctionnelles de l'appareillage, par articulation, qu'une transformation mal contrôlée pourrait rendre inopérante.
partie, leur de portions exemple une
À l'issue de la mise en œuvre du procédé de conception qui vient d'être présentée, on dispose donc d'une description de l'appareillage adapté. Cette description, notamment lorsqu'elle prend la forme d'un fichier informatique, peut être utilisée en tant que telle par des dispositifs de traitement et/ou de visualisation, par exemple pour constituer des objets intégrés dans une séquence animée.
Les figures 2a à 2d représentent un exemple d'application d'une méthode conforme à l'invention à la conception d'une orthèse de jambe.
La figure 2a représente, dans un espace de départ matérialisé par la grille 1, une morphologie générique 2 d'un membre d'un utilisateur et l'orthèse générique 3 associé à ce membre. On a représenté également une partie fonctionnelle 3a de l'orthèse, « rigide », qui ne doit pas subir de transformation. La représentation de la morphologie et de 1'orthèse a été obtenue à partir de leurs descriptions respectives, qui définissent ces objets en 3 dimensions. Cette description définit également le degré de rigidité de la partie fonctionnelle 3a, comme cela a été exposé antérieurement. On aurait pu choisir de représenter l'orthèse et la morphologie sous un autre angle de vue, ou de les représenter séparément l'un de l'autre. Les descriptions à la base de ces deux représentations peuvent avoir été conçus spécifiquement ou extrait d'une bibliothèque préexistante.
La figure 2b représente, sous le même angle de vue que celui utilisé sur la figure 2a, une morphologie 4 d'un membre d'un utilisateur déterminé, par exemple obtenu par une technique de scan 3D. Similairement aux commentaires s'appliquant à la figure 2a, la représentation de la morphologie de l'utilisateur déterminé a été obtenue à partir de sa description, qui définit cet objet en 3 dimensions.
La figure 2c représente la transformation géométrique appliquée à la morphologie générique 2 pour la mettre en correspondance avec la morphologie 4 de l'utilisateur déterminé. Cette transformation est notamment matérialisée par la déformation de la grille 1' , définissant le champ de déformation s'appliquant à l'espace de départ pour assurer cette correspondance. On observe que la morphologie 2' représentée sur cette figure est bien identique à celle représentée sur la figure 2b, de l'utilisateur déterminé 4.
On a également représenté sur cette figure 2c, l'orthèse générique 3 à laquelle on a appliqué le même champ de transformation que celui appliqué à la morphologie générique, pour former l'orthèse générique transformée 3'. Cette orthèse transformée définit l'orthèse adaptée 5 à l'utilisateur particulier, qui est représentée sur la figure 2d.
Le procédé de conception selon l'invention a pour vocation d'être mis en œuvre par un ordinateur, par l'intermédiaire d'un programme d'ordinateur constitué d'instructions adaptées pour mettre en œuvre au moins chacune des étapes de ce procédé.
Selon un autre aspect de l'invention, la description de l'appareillage personnalisé est utilisée pour réaliser l'appareillage personnalisé en tant que tel, afin qu'il puisse équiper l'utilisateur déterminé. L'invention concerne donc, selon cet autre aspect, une méthode de fabrication d'un appareillage personnalisé. Elle concerne également l'appareillage personnalisé obtenu par ce procédé.
Avantageusement, l'appareillage personnalisé est réalisé par fabrication additive, particulièrement bien adapté à la fabrication d'un objet en exemplaire unique, comme c'est bien le cas pour un appareillage personnalisé à son utilisateur.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de conception d'un appareillage personnalisé dont la forme est adaptée à la morphologie d'un utilisateur déterminé, le procédé comprenant les étapes suivantes :
    - obtenir une description d'un appareillage générique, l'appareillage générique étant adaptée à une morphologie générique ;
    - obtenir une description de la morphologie générique et la description de la morphologie de l'utilisateur déterminé ;
    - traiter les descriptions de la morphologie générique et de la morphologie de l'utilisateur déterminé pour identifier une transformation géométrique mettant en correspondance la morphologie générique et la morphologie de l'utilisateur déterminé ;
    - appliquer la transformation géométrique à la description de l'appareillage générique pour définir la description de l'appareillage personnalisé.
  2. 2. Procédé de conception selon la revendication précédente comprenant une étape préalable de mesures pour établir la description de la morphologie de l'utilisateur déterminé.
  3. 3. Procédé de conception selon l'une de revendications précédentes dans lequel les descriptions comprennent au moins une description à l'aide d'un langage de description 3D d'objets, d'un maillage 3D, d'une image volumique, ou d'une pluralité d'images 2D.
  4. 4. Procédé de conception selon l'une des revendications précédentes dans lequel la description de l'appareillage générique est associée à une information locale de rigidité de l'appareillage générique pour moduler localement l'application de la transformation géométrique lors de l'étape d'application.
  5. 5. Procédé de fabrication d'un appareillage personnalisé comprenant :
    - la fourniture d'une description de l'appareillage personnalisé obtenue par le procédé de conception selon l'une des revendications précédentes ;
    - la réalisation de l'appareillage personnalisé à partir de sa description.
  6. 6. Procédé de fabrication selon la revendication précédente dans lequel l'appareillage personnalisé est réalisé par fabrication additive.
  7. 7. Programme d'ordinateur comprenant des instructions adaptées à la mise en œuvre de chacune des étapes du procédé de conception selon l'une des revendications 1 à 5, lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur.
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