FR3058311A1 - Dispositif de guidage d'un foret utilise en chirurgie et procede de conception et fabrication associe. - Google Patents
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Abstract
Dispositif (1) de guidage d'un foret utilisé en chirurgie, comprenant un puits de forage (10) prévu pour recevoir un foret en rotation et un dispositif pour refroidir ce foret ayant la forme d'une chambre de refroidissement (14) sensiblement contigüe au puits de forage et prévue pour être traversée par le foret en rotation, cette chambre de refroidissement (14) comportant un conduit d'admission (12) agencé pour injecter un fluide caloporteur dans la chambre de refroidissement (14) et au moins un conduit d'échappement (11.1) agencé pour évacuer le fluide caloporteur hors de la chambre de refroidissement (14). Procédé pour concevoir et fabriquer ce dispositif, comprenant une mise en œuvre de marqueurs radio-opaques qui sont fixés en des points spécifiques d'une zone d'intervention chirurgicale, une radiographie tridimensionnelle (3D) de ladite zone d'intervention sur laquelle une empreinte est effectuée, et à partir d'un traitement de données de la radiographie 3D, une conception d'un modèle virtuel du dispositif de guidage. Application notamment dans le domaine de la chirurgie dentaire, de l'orthodontie et de l'implantologie dentaire.
Description
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif de guidage d'un foret utilisé en chirurgie. Elle vise également un procédé pour la conception et la fabrication de ce guide. Le domaine de l'invention est plus particulièrement celui de l'orthodontie, de l'implantologie dentaire et des activités de conception et de réalisation d'équipements adaptés.
Etat de la technique antérieure
Les interventions chirurgicales en orthodontie, notamment lors de la mise en place d'implants dentaires ou de prothèses maxillaires, impliquent l'utilisation de forêts pour réaliser des trous dans l'os des patients. Il est essentiel que ces forêts soient correctement guidés afin d'assurer un angle de perçage conforme à la prescription chirurgicale.
Il existe déjà pour cela des guides pour forêt comportant un tube de guidage prévu pour recevoir un foret fixé au mandrin d'un outil rotatif à vitesse variable. Or le frottement du foret tournant à grande vitesse dans une mâchoire induit généralement un échauffement local significatif.
Le but principal de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un guide à refroidissement optimisé qui offre à la fois des fonctionnalités de guidage tridimensionnel du foret et des conditions de refroidissement plus efficaces que les guides pour foret actuellement disponibles. Ce guide comprend un puits de forage prévu pour recevoir un foret en rotation et un dispositif pour refroidir ce foret.
Exposé de l'invention
Suivant l'invention, le dispositif de guidage pour foret comprend en outre, au titre du dispositif de refroidissement, une chambre de refroidissement sensiblement contigüe au puits de forage et prévue pour être traversée par le forêt en rotation, cette chambre de refroidissement comportant un conduit d'admission agencé pour injecter un fluide caloporteur dans la chambre de refroidissement et au moins un conduit de sortie agencé pour évacuer le fluide caloporteur hors de la chambre de refroidissement.
Ainsi, le refroidissement du foret est assuré de façon bien plus efficace puisqu'une chambre est spécifiquement dédiée à la mise en contact thermique du foret avec le fluide caloporteur qui fait fonction de fluide de refroidissement.
-2Dans une forme avantageuse de mise en œuvre de l'invention, le puits de forage est réalisé en résine et est pourvu d'un insert de guidage réalisé dans un matériau métallique, par exemple du titane.
Le conduit d'admission peut être avantageusement pourvu à son extrémité libre d'un tube en matériau métallique prévu pour recevoir un cathéter d'injection du fluide caloporteur. Ce tube est par exemple inséré dans le conduit d'admission et est arrêté en translation par un épaulement correspondant sensiblement à l'épaisseur du tube.
Dans un mode particulier de réalisation, les conduits d'échappement sont au nombre de trois et peuvent être angulairement répartis autour du puits de forage.
Dans une forme particulière de l'invention, le dispositif de guidage selon l'invention peut comprendre au moins un clip prévu pour maintenir le ou les cathéters d'injection et/ou d'évacuation du fluide caloporteur.
Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé pour concevoir et fabriquer un dispositif de guidage d'un foret utilisé en chirurgie selon l'invention, comprenant les étapes de conception suivantes :
Une mise en œuvre de marqueurs radio-opaques qui sont fixés en des points spécifiques d'une zone d'intervention chirurgicale,
Une radiographie tridimensionnelle (3D) de ladite zone d'intervention sur laquelle une empreinte est effectuée,
A partir d'un traitement de données de la radiographie 3D, une conception d'un modèle virtuel du dispositif de guidage comprenant un conduit d'admission et au moins un conduit d'échappement.
L'étape de conception peut en outre avantageusement comprendre une optimisation de l'angle entre le conduit d'échappement et l'axe central du puits de forage.
Le procédé selon l'invention peut en outre comprendre les étapes de fabrication suivantes : Une impression tridimensionnelle du dispositif de guidage à partir du modèle virtuel,
Une insertion des tubes en matériau métallique dans le puits de forage et le conduit d'admission.
Ces étapes peuvent être suivies des étapes de fabrication suivantes :
Un passage en étuve du dispositif de guidage et de ses inserts,
Un refroidissement du dispositif de guidage et de ses inserts jusqu'à température ambiante, puis
Un frettage dudit dispositif de guidage pour atteindre une hauteur prédéterminée du puits de forage.
-3Dans un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, il est en outre prévu un stockage de fichiers de conception virtuels de puits de forage au sein d'une banque de pièces.
Le procédé de conception et de fabrication selon l'invention peut tout particulièrement être appliqué dans le domaine de l'orthodontie et de l'implantologie dentaire, mais il pourrait être mis en œuvre dans tout domaine d'intervention nécessitant un guidage de forêts prévus pour percer une partie osseuse d'un patient ou d'un animal.
Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
La figure 1 illustre plusieurs vues d'un puits de forage partie d'un guide pour foret selon l'invention ;
La figure IA est une vue en coupe partielle d'un guide pour foret selon l'invention
La figure 2 représente un guide pour foret selon l'invention, pourvu d'un cathéter d'admission;
La figure 3 illustre une modèle soustractif d'un puits de forage, mis en œuvre dans une forme particulière de mise en œuvre du procédé de conception selon l'invention ;
La figure 4 illustre une pièce de maintien de cathéter mise en œuvre pour un guide pour foret selon l'invention;
La figure 5A illustre un premier exemple de positionnement d'une pièce de maintien pour un dispositif de guidage selon l'invention;
La figure 5B illustre un second exemple de positionnement de deux pièces de maintien pour un dispositif de guidage selon l'invention ;
Les figures 6 et 7 représentent respectivement des modèles virtuels de supports mis en œuvre dans le procédé de conception selon l'invention ;
La figure 8 illustre un dispositif intégrant deux guides à refroidissement optimisé selon l'invention, et
La figure 9 illustre le dispositif de la figure 8 pourvu de deux cathéters d'admission d'un fluide caloporteur.
Ces modes de réalisation étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites ou illustrées par la suite isolées des autres caractéristiques décrites ou illustrées (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état
-4de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, et/ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou à différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 1, IA et 2, un exemple particulier d'un dispositif de guidage pour foret 1 selon l'invention. Ce dispositif 1, qui peut être réalisé en résine, comporte un corps principal cylindrique 10 déterminant un puits de forage 13 ouvrant sur une chambre de refroidissement 14. Cette chambre de refroidissement 14, prévue pour être traversée par un foret guidé dans le puits de forage 13, reçoit un fluide caloporteur via un conduit ou une tubulure d'admission 12 communicant avec la chambre 14. Ce fluide caloporteur est évacué via des conduits ou tubulures d'échappement 11.1, 11.2, 11.3 reliée à la chambre de refroidissement 14. Le puits de forage est lui-même pourvu d'un insert en titane dont le diamètre intérieur correspond sensiblement au diamètre du foret qui y sera guidé. A titre d'exemple pratique non limitatif, le diamètre intérieur de cet insert en titane peut être inférieur ou égal à 1,5 mm.
La tubulure d'admission 12 est pourvue d'un tube en métal 16, par exemple en titane, inséré à l'extrémité libre de cette tubulure 12. Ce tube métallique ainsi inséré 16 est prévu pour recevoir un cathéter chirurgical 2.
On va maintenant décrire des étapes de conception et de fabrication d'un dispositif de guidage selon l'invention. Une première étape consiste à réaliser une empreinte de la zone d'intervention chirurgicale et à y associer des données de localisation obtenues grâce à des marqueurs radio-opaques qui sont collés provisoirement sur trois dents de chaque arcade des mâchoires d'un patient. Une radiographie tridimensionnelle (3D) de la zone d'intervention pourvue des marqueurs radio-opaques est alors effectuée et les résultats de cette radiographie sont ensuite couplés à l'empreinte.
Ces marqueurs radio-opaques ont été préalablement réalisés au moyen d'une imprimante de type stéréolithographique et à partir d'une résine bio-compatible radio-opaque.
Un scan de type Cône Beam Computed Tomography (CBCT) pour « tomographie calculé à faisceau conique » est effectué sur le patient et les données issues de ce scan sont traitées et notamment filtrées pour ne conserver que les données correspondant à une plage de densité excluant toute trace de bruit ou d'artefact lié à des tissus mous qui pourrait nuire à la qualité des données numérique des parties osseuses.
Un modèle 3D de l'insert en titane 15 disposé dans le puits de forage 13 comme représenté par les figures 1 et IA, est créé par rétro-conception. Il et est de même pour le modèle 3D du puits de forage. Les conduits d'admission et d'échappement sont eux aussi conçus de manière virtuelle. On dispose alors d'un modèle virtuel complet du guide d'assemblage et de son complémentaire : un
-5modèle soustractif 3 illustré par la figure 3. Ce modèle soustractif, qui représente les parties vides du dispositif de guidage, comprend une partie cylindrique axiale 30 correspondant au vide intérieur du puits de forage, et des cylindres virtuels 31.1, 31.2, 31.3 et 31.4 correspondant aux vides internes à l'intérieur des conduits ou tubulures d'admission et d'échappement.
Ces modèles virtuels sont ensuite exploités par commander une imprimante 3D à partir de laquelle une version physique en résine du dispositif de guidage va pouvoir être réalisée.
Il est à noter que l'insert en titane 15 équipant le puits de forage 13 n'est solidaire du guide en résine que par friction, ce qui sous-entend un parfait réglage du jeu entre les deux pièces. Un jeu trop faible risquerait d'endommager le guide lors de l'insertion de l'insert en titane alors qu'un jeu important ne permettrait pas un maintien suffisant de l'insert et le guide serait inutilisable. Une solution envisageable est alors de mesurer le coefficient d'expansion thermique de la résine utilisée. Une fois le résultat numérique obtenu, le jeu peut être réglé pour que l'insert en titane soit inséré immédiatement à la sortie d'une étuve à 70°C.
Au cours d'un lent refroidissement du guide et de ses inserts jusqu'à température ambiante, la résine se resserre autour de ses composants, laissant ainsi une pièce finie stable qui n'aura subi aucun effort d'assemblage. Un frettage est ensuite réalisé et les tolérances de fabrications sont gérées.
La connexion entre le guide 1 et le cathéter d'admission 2 peut être effectuée au moyen d'un tube en inox inséré d'une manière analogue à celle employée pour les guides titanes et arrêté en translation par un épaulement correspondant à l'épaisseur du tube. Une nervure réalisée sur le tube peut rendre l'assemblage suffisamment solide pour supporter l'insertion manuelle du cathéter autour du tube en inox.
Dans l'exemple de réalisation illustré par les figures 1, IA et 2, les tubulures d'échappement sont de simples tubes et au nombre de trois. En référence à la figure IA, les angles a formés entre les grands axes des tubulures et du corps central 10 peut être optimisés de façon à limiter l'encombrement en bouche, par exemple pour le positionnement de vis dans un palais étroit, et à ne pas gêner le chirurgien pendant l'opération. Une fois ces réglages effectués sur le modèle virtuel, il faut ensuite traiter la question de la profondeur du puits de forage.
A titre d'exemple pratique, on peut considérer un praticien disposant d'un foret de diamètre 1.5 mm et de longueur 15 mm. Le mandrin de l'outil entraînant le foret en rotation doit arriver en butée sur le puits de forage en fin de perçage afin de garantir une certaine précision sur la profondeur.
Une solution retenue a été de créer une banque de puits de différentes hauteurs afin d'avoir de manière rapide et fiable un puits utilisable, le modèle virtuel du puits de départ disposant d'une
- 6base que l'on extrudera plus ou moins suivant la hauteur désirée. Un puits est alors conçu pour chaque dimension et exporté dans un format CAO de stéréolithographie, par exemple le format STL.
Les puits sont désormais virtuellement créés, il s'agit alors d'intégrer la banque de pièces dans un logiciel de calcul tridimensionnel pour l'orthodontie, tel que le logiciel 3Shape®. Pour ajouter une pièce dans la banque de pièces, il est nécessaire, pour chaque item, de créer en plus de la pièce en elle-même un visuel d'attache et un modèle soustractif et attribuer à cette pièce ses degrés de liberté dans l'espace et son axe d'insertion.
En référence à la figure 3, le procédé de conception et de fabrication selon l'invention met en œuvre un modèle soustractif 30 d'un dispositif de guidage, qui représente la pièce virtuelle complémentaire du puits de forage 10 dans un espace donné. Un modèle soustractif pourra être créé pour chaque hauteur de puits différente.
Le modèle soustractif 3 exprime la forme extérieure 32 de l'insert titane selon le grand axe de la pièce et les cylindres 31.1, 31.2, 31.3 et 31.4 correspondant respectivement aux trois tubulures d'échappement 11.1, 11.2, 11.3 et à celle d'admission 12 du dispositif de guidage 1 représenté en figure 1. Le cylindre 31.4 correspondant à la tubulure d'admission est repérable par l'épaulement de butée du tube inox qui sera inséré dans cette tubulure.
Le puits de forage 10 et son modèle soustractif 3 doivent être exportés avec le même repère spatial et la même échelle, et l'orientation spatiale d'export va directement dépendre des paramètres internes du logiciel de calcul tridimensionnel utilisé.
Après résolution d'éventuels problèmes de maillage, d'orientation et d'échelle au moyen d'un outil logiciel disponible sur le marché tel que le logiciel Netfabb® proposé par la société Autodesk, le nouveau fichier au format STL peut être exporté pour être immédiatement exploité dans la session de paramétrage afin d'être intégré à la banque de pièces.
Le procédé de conception et de fabrication selon l'invention prévoit aussi la conception de modules de maintien des cathéters, sous la forme de clips comme l'illustrent les figures 4, 5A et 5B. Ces modules de maintien ou clips 4 ont pour fonction d'éviter que les durites ou cathéters d'alimentation en fluide caloporteur ne gênent l'opérateur. A titre d'exemple, un clip 4 comprend un support 43 prévu pour être en contact et fixé sur une zone d'intervention chirurgicale 5 en référence à la figure 5A, un logement cylindrique 40 conçu pour recevoir un cathéter et bordé par deux parties 41, 42 de maintien élastique conçues pour exercer des forces de maintien du cathéter et sa non déformation pour garantir le bon écoulement du fluide caloporteur. Ces clips 4 sont, au même titre que les puits de forage, modélisés directement depuis les différents logiciels de conception. Dans l'exemple illustré en figure 5B, deux clips 4.1, 4.2 sont prévus pour maintenir chacun un cathéter (non représenté) prévu alimenter en fluide de refroidissement l'un et l'autre de deux puits de forage 51, 52.
-7On va maintenant décrire, en référence aux figures 6 et 7, des étapes de conception d'un dispositif de guidage selon l'invention, mettant un couplage entre un premier fichier contenant des données d'imagerie numérique au format standard DICOM (« Digital imaging and communications in medicine ») et un second fichier contenant des données d'empreinte numérique intraorale.
Les trois points repères correspondant aux marqueurs radio-opaques sont positionnés et les deux fichiers sont superposés. C'est à partir de cela que le modèle 6 est mis de dépouille puis la coque principale 7 y est créée. Le modèle 6 comporte à titre d'exemple non limitatif les deux puits de forage virtuels 61, 62 et des fenêtres de contrôle 63, 64 conçues virtuellement dans le visuel d'attache.
Le fichier au format STL comporte l'emplacement des futures vis pour lesquelles les puits de forage vont être mis en œuvre. Le positionnement virtuel des puits de forage se limite alors à une simple superposition, comme l'illustre la figure 7 représentant un visuel d'attache 6 superposé à une coque 7. Les puits 61, 62 sont ensuite placés virtuellement dans le visuel d'attache, ainsi que les clips de maintien 4.1, 4.2.
Le dispositif de guidage ainsi virtuellement conçu est alors exporté, sous la forme d'un fichier au format STL, dans un logiciel de fabrication par impression 3D. Dans une réalisation pratique, on a utilisé une imprimante « Projet 3510 HD » commercialisée par la société 3D Systems.
Chaque pièce est imprimée dans une résine biocompatible transparente en même temps qu'une cire support qui va soutenir la résine tout au long de l'impression. La hauteur de chaque couche est, à titre d'exemple non limitatif, de 29 microns, garantissant une surface lisse et une grande précision. À la sortie de l'imprimante, la résine est entièrement polymérisée, contrairement à la stéréolithographie qui nécessite un post traitement très rigoureux afin d'obtenir une pièce parfaitement polymérisée et biocompatible.
A l'issue de l'étape d'impression 3D, le dispositif de guidage est passé en étuve puis dans un bac à ultrasons afin de séparer le dispositif de guidage de sa cire support. Une fois, le dispositif de guidage complètement nettoyé, les tubes en titane pour le puits de forage et les tubes en inox pour les conduits d'admission sont insérés à chaud. Le dispositif de guidage ainsi équipé est alors prêt à être aseptisé pour être mis à la disposition d'un praticien.
La figure 8 illustre ainsi un dispositif de guidage 80 disposé sur un moulage dentaire 8 et pourvu de deux puits de forage 81, 82, obtenu avec le procédé de conception et de fabrication selon l'invention. Sur la figure 9, le dispositif de guidage 90 disposé sur un moulage 9 comporte deux puits de forage 91, 92 munis de cathéters 91.1, 91.2 d'admission d'un fluide caloporteur.
Bien entendu, on pourrait combiner tout ou partie des dispositifs de guidage décrits cidessus en référence aux figures précitées.
- 8Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, le nombre de puits de forage au sein d'un dispositif de guidage selon l'invention peut être variable en fonction du nombre de vis prévues pour une intervention d'implantologie ou d'orthodontie. De même, d'autres logiciels de calcul tridimensionnel CAO et de fabrication que ceux cités dans la description pourront être mis en œuvre.
Bien entendu, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. En particulier toutes les variantes et modes de réalisation décrits précédemment sont combinables entre eux.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de guidage d'un foret utilisé en chirurgie, comprenant un puits de forage (10) prévu pour recevoir un foret en rotation et un dispositif pour refroidir ce foret, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, au titre dudit dispositif de refroidissement, une chambre de refroidissement (14) sensiblement contigüe audit puits de forage (10) et prévue pour être traversée par le forêt en rotation, ladite chambre de refroidissement (14) comportant un conduit d'admission (12) agencé pour injecter un fluide caloporteur dans ladite chambre de refroidissement (14) et au moins un conduit d'échappement (11.1, 11.2, 11.3) agencé pour évacuer ledit fluide caloporteur hors de ladite chambre de refroidissement (14).
- 2. Dispositif de guidage (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le puits de forage (10) est réalisé en résine et est pourvu d'un insert de guidage (15) réalisé dans un matériau métallique.
- 3. Dispositif de guidage (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le conduit d'admission (12) est pourvu à son extrémité libre d'un tube (16) en matériau métallique prévu pour recevoir un cathéter (2) d'injection du fluide caloporteur.
- 4. Dispositif de guidage (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tube en matériau métallique (16) est inséré dans le conduit d'admission (12) et est arrêté en translation par un épaulement correspondant sensiblement à l'épaisseur du tube (16).
- 5. Dispositif de guidage (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conduits d'échappement (11.1, 11.2, 11.3) sont au nombre de trois.-106. Dispositif de guidage selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un clip (4) prévu pour maintenir le cathéter d'injection (2).
- 7. Procédé pour concevoir et fabriquer un dispositif de guidage d'un foret utilisé en chirurgie selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes de conception suivantes :- une mise en œuvre de marqueurs radio-opaques qui sont fixés en des points spécifiques d'une zone d'intervention chirurgicale, une radiographie tridimensionnelle (3D) de ladite zone d'intervention sur laquelle une empreinte est effectuée, à partir d'un traitement de données de la radiographie 3D, une conception d'un modèle virtuel du dispositif de guidage comprenant un conduit d'admission et au moins un conduit d'échappement.
- 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape de conception comprend une optimisation d'un angle (a) entre le conduit d'admission (12) et l'axe central du puits de forage (10).
- 9. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes de fabrication suivantes :une impression tridimensionnelle du dispositif de guidage à partir du modèle virtuel, et- une insertion de tubes en matériau métallique dans le puits de forage et le conduit d'admission.
- 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes de réalisation suivantes :- Un passage en étuve du dispositif de guidage et de ses inserts,- Un refroidissement du dispositif de guidage et de ses inserts jusqu'à température ambiante, puis- Un frettage dudit dispositif de guidage pour atteindre une hauteur prédéterminée du puits de forage.-11 11.Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un stockage de fichiers de conception virtuels de puits de forage au sein d'une banque de pièces.5 12. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, pour la conception et la fabrication de dispositifs de guidage utilisés en implantologie dentaire.1/3U Μ
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