Brevet FR2855959A1 — publié le 20041217

PROCEDE ET EQUIPEMENT POUR LA FABRICATION D'UN EQUIPEMENT PERSONNALISE La présente invention concerne un procédé pour la fabrication d'un équipement personnalisé, en particulier mais non exclusivement une orthèse, par exemple un corset orthopédique. On connaît dans l'état de la technique une première 10 solution consistant un moulage de la partie du corps devant recevoir cet équipement, avec des bandes plâtrées. Ce moulage permet de réaliser une ébauche. Cette ébauche est ensuite façonnée par un opérateur pour ajuster la forme. L'orthèse est ensuite réalisée par thermoformage sur cette 15 ébauche retravaillée. Ce procédé recueillere plusieurs interventions: L'orthopédiste prend d'abord l'empreinte du patient en la moulant à l'aide de bandes de plâtre appliquées directement sur le malade. Le plâtre une fois pris et démoulé, il reste une coquille qui représente l'empreinte du corps, l'orthopédiste coule du plâtre liquide dans ce creux et obtient ainsi la représentation en plâtre de la forme du corps du malade. L'orthopédiste façonne directement cette forme par 25 enlèvement au burin ou à la râpe et par des ajouts de plâtre, l'orthopédiste colore les différentes couches de plâtre pour garder des repères, afin de créer l'appareil le mieux adapté à la morphologie du patient. Cette forme sert de matrice de formage. La matrice terminée, l'orthopédiste déforme des plaques thermoplastiques chauffées en les appliquant dessus. La forme obtenue est une coque en plastique dans laquelle le malade se loge pour être soutenu. Ce procédé nécessite une grande habileté de l'opérateur, et un temps de préparation long. De plus, la prise d'empreinte est fastidieuse et inconfortable pour le patient. On a également proposé dans l'art antérieur une solution basée sur l'acquisition d'une image tridimensionnelle. Certains procédés développés permettent de balayer une partie du corps à l'aide d'un numériseur à laser, mais présentent des difficultés lorsqu'il s'agit 10 d'identifier des régions, telles des protubérances osseuses, qui nécessitent une modification dans le profil interne de la cavité de réception d'un membre. Des difficultés ont aussi été rencontrées en ce qui concerne la programmation d'un logiciel suffisamment souple pour effectuer les 15 modifications appropriées. Le brevet américain US5432703 décrit un système destiné à produire un dispositif, tel qu'une structure prothétique ou orthodontique, dont une surface interne doit s'appliquer sur une partie du corps humain. Dans la cavité produite à partir du moule obtenue 20 avec le présent système, les régions de renflement constituent des zones d'allégement dans la surface de la structure et les régions de rétrécissement constituent des zones à plus forte pression dans la surface. Le procédé de fabrication selon ce document de l'art 25 antérieur est destiné à être utilisé dans un dispositif prothétique, orthopédique ou analogue ayant une surface interne destinée à être au contact d'une partie d'un corps humain, comprenant le balayage de la partie de corps avec un numériseur à laser destiné à donner plusieurs coordonnées de 30 contour représentant un contour externe de la partie de corps le long de plusieurs lignes très rapprochées lues par le numériseur laser, la mémorisation des coordonnées de contour représentant une image numérique du contour de la partie de corps, la création d'un code à partir de l'image numérique pour la commande d'une machine d'usinage destinée à former un moule ayant une surface externe dont le contour est semblable à celui de la partie de corps, et la création de la structure à partir du moule, perfectionné en ce qu'il 5 prend en considération les effets des charges appliquées à la partie de corps et caractérisé par: a) l'introduction de la partie de corps dans un support flexible ayant une surface externe réfléchissante pour la numérisation laser, et l'application de charges à la 10 partie de corps, b) l'inspection de la partie de corps introduite et soumise à des charges et la localisation sur celle-ci des sites de modification fondamentale qui supportent les charges et qui ne les supportent pas, c) l'identification des sites de modification fondamentale à l'aide d'une série de petits repères non réfléchissants placés sur la surface réfléchissante, d) l'affichage graphique de l'image numérique du contour et l'identification des sites de modification 20 fondamentale de points vides discrets produits par les repères non réfléchissants, e) la création d'une image numérique modifiée par ajustement sélectif de certains points vides discrets dans les sites de modification fondamentale d'une manière 25 positive pour la création d'agrandissements et l'ajustement des points vides discrets dans d'autres sites sélectionnés de modification fondamentale de manière négative pour la production de réductions, f) la production du moule à partir des données 30 modifiées avec une surface dont le contour est semblable à celui de la surface du corps, mais qui comprend des régions d'agrandissement et de réduction, et g) la production de la structure à partir du moule de manière que les régions d'agrandissement correspondent aux sites de modification fondamentale ne supportant pas de charges et que les régions de réduction correspondent aux sites de modification fondamentale supportant des charges. Le brevet européen EP0251720 décrit un détecteur de la 5 forme d'une prothèse comprenant un ensemble unique de caméra et une surface réfléchissante, montés sur une table rotative et disposés de façon opposée l'un à l'autre pour définir entre eux un espace pour le moignon d'un patient, la surface réfléchissante étant formée pour s'ajuster entre le moignon 10 et une jambe du patient, dans lequel l'ensemble de caméra comprend une source lumineuse et dans lequel l'ensemble de caméra et la surface réfléchissante peuvent tourner ensemble d'au moins 180 sur la table rotative, grâce à quoi l'ensemble de caméra peut collecter une série d'images de 15 silhouette du moignon pendant la rotation autour du moignon. Le but de la présente invention est de proposer un procédé et un équipement pour la mise en oeuvre de façon ambulatoire, avec des moyens légers transportables et facile à utiliser. A cet effet, l'invention concerne selon son acception la plus générale un procédé pour la fabrication d'un équipement personnalisé, tel qu'une orthèse, caractérisé en ce qu'il comporte une première étape d'acquisition d'une représentation tridimensionnelle la partie du corps destinée 25 à recevoir ledit équipement, une étape de modification de ladite représentation tridimensionnelle par un moyen de modelage virtuel interactif et une étape de génération d'un fichier de pilotage d'une machine d'usinage à partir dudit fichier tridimensionnel modifié. Selon une variante, l'étape d'acquisition d'une représentation tridimensionnelle comprend des opérations consistant à balayer la surface de la partie du corps par un faisceau lumineux pour la réalisation d'une image tridimensionnelle, à réaliser au moins une photographie numérique de ladite partie du corps. Avantageusement, l'étape d'acquisition d'une représentation tridimensionnelle comporte en outre une 5 opération de reconstruction d'une image tridimensionnelle consistant à agréger les informations obtenues par balayage et les photographies numériques, pour calculer une image tridimensionnelle numérique. Selon une autre variante, l'étape de modification de 10 la représentation tridimensionnelle est réalisée avec un palpeur à retour d'effort permettant de commander la position d'un pointeur virtuel sur l'image tridimensionnelle calculée pendant l'étape d'acquisition, et avec des périphériques d'activation de fonctions de modification de 15 ladite image tridimensionnelle en fonction de la position dudit pointeur. L'invention concerne également un équipement pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte 20 des moyens d'acquisition d'une image tridimensionnelle, des moyens de traitement de ladite image tridimensionnelle comprenant un palpeur interactif à retour d'effort commandant la position d'un pointeur apparaissant sur ladite image tridimensionnelle, et des moyens de calculs pour 25 générer un fichier de pilotage d'une machine d'usinage à partir de ladite représentation modifiée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant un exemple non limitatif de réalisation, et se référant aux dessins annexés o : - la figure 1 représente une vue de l'équipement mobile d'acquisition; - la figure 2 représente une vue de la station de post-traitement numérique; - la figure 3 représente une vue de l'équipement d'usinage. L'équipement mobile d'acquisition représenté en figure 1 est constitué par un caisson portatif (1) muni d'une poignée de transport (2). Il comporte un scanner laser dont l'objectif (3) est monté sur la face avant du caisson, et un équipement de prise de vue dont l'objectif (4) est monté sur cette même face avant du caisson (1). Le scanner laser premet de réaliser une acquisition sous forme de nuages de points sans contact avec le patient, avec une durée d'acquisition de 0, 8 à 2,5 secondes par prise de vue. La figure 2 représente une vue de l'équipement de 15 post-traitement. Il comporte un système de matérialisation à retour de force (10) muni d'un bras tactile à effet réaliste (11), et un ordinateur (12) assurant les traitements de retouche du fichier numérique enregistré lors de l'acquisition avec l'équipement mobile. La figure 3 représente une vue de l'équipement d'usinage. Il comporte un porte-outil (20) actionné par des poutres mobiles (21, 22, 23) selon trois axes perpendiculaires, le porte-outil étant lui-même mobile selon un axe de transalation et un axe de rotation. Il supporte un 25 outil tel qu'une fraise (24). Le procédé mise en oeuvre avec ce système comporte les étapes suivantes: Acquisition sans contact - Modification de l'acquisition - Restitution de la forme modifiée. Il est mis en euvre par un ensemble mobile comprenant: - Un système optique acquisition par triangulation de rayon lumineux laser, portable Un logiciel de modification des nuages de points - Un ensemble fixe composé de: - Un logiciel de création de parcours d'usinage par enlèvement de matière - Une machine de fraisage pour matériaux tendres, celle-ci est remplaçable par une machine par apport de matériaux par couche pour des applications particulières: conception d'usinage par strates, frittage de matériaux, stéréolithographie. L'acquisition sans contact est réalisée avec un laser optique portable, pour un palpage sans contact. Le système est compatible avec les normes imposées dans les milieux médicalisés et médicaux protégés (salles blanches). Laser de classe 2 sans danger pour les yeux. Le système a deux fonctions. La première est un système optique par triangulation laser. La seconde est la prise d'une photo numérique couleur. Le système enregistre les deux prises de vues simultanées, la projection laser en 3D et la photo numérique. La caméra doit être portable, 20 légère, utilisable sur un pied ou à la volée à prise de mesure en moins d'une seconde. La caméra est autonome et conserve dans une mémoire interne les informations qui seront transmises ensuite à un ordinateur. Un écran LCD interne permet la visualisation de la prise de vue. Un appareil sans écran intégré et sans mémoire peut être utilisé à condition qu'il soit relié à un ordinateur portable, dans ce cas, la manipulation sera moins aisée. Un ordinateur de bureau peut être utilisé, dans le cas d'une salle aménagée, l'opérateur pourra vider la mémoire du système de numération sur son ordinateur ou être relié par câble à l'ordinateur. Le principe de la triangulation par laser ou par autre source lumineuse met en oeuvre un plan de lumière qui est créé par la source lumineuse. Le plan de lumière balaye rapidement le champ de vue, 5 en passant par l'intermédiaire d'un miroir rotatif contrôlée par un galvanomètre précis. La lumière est réfléchie par la surface de l'objet scanné. Elle passe à travers un objet transparent. La structure de chaque ligne de scanner est analysée 10 et capturée par une caméra CCD. Le contour de la surface est le résultat de la silhouette de l'image reflétée par chaque ligne de scanner. Une photo numérique est capturée simultanément par la même caméra. L'instrument couvre un volume entre 110X80X40 mm et 1200X900X750 mm et crée entre 300000 et 76000 points pixel suivant la précision demandée par l'opérateur, la distance de prise de vue entre 0,6 et 2,5 m. La photo 2D couleur sert de visualisation et permet 20 un repérage plus aisé, lors de l'assemblage des différents nuages de points issus des prises de vues multiples d'un sujet. La photo 2D peut être projetée sur le modèle 3D afin de lui donner l'aspect de l'original (en réalité virtuelle). 25 Ceci est utile pour des applications particulières Après la numérisation, l'opérateur a le choix entre faire la réunion des images sur place s'il est équipé du logiciel de modification et modélisation. Il peut transmettre les fichiers par Internet vers un 30 centre de traitement approprié équipé du logiciel de modification. Un programme informatique pour réunir les vues et recréer le sujet en 3D à l'échelle 1. Ce logiciel réalise les fonctions de fusion des différentes acquisitions numériques. Ce logiciel intermédiaire ne peut servir que dans le cas de prises de vues d'un sujet parfaitement fixe, ce n'est pas le cas des numérisations de corps humain et surtout des sujets traités en orthopédie. Les informations recueillies sont transformées en 5 fichiers standard, STL, DXF, OBJ, ASCI points, VRML, pour la communication avec d'autres programmes. La modification de l'acquisition: Le logiciel de modelage est un outil de modelage interactif, utilisant les compétences de réalisation de 10 modèles physiques classiques dans l'environnement numérique. Ce programme de modification et modélisation lié au système est le centre de la réalisation. Il reçoit les nuages de points recueillis lors de la numérisation. Ces points, appelés VOXEL décrivent le volume, les points constituant l'image graphique plane sont appelés PIXEL. L'orthopédiste va travailler le nuage de point dans l'espace grâce à une interface tactile. L'interface du 20 logiciel introduit le toucher dans la modélisation tridimensionnelle, sans les restrictions engendrées par les complexités informatiques, équations mathématiques, commandes clavier et souris, il modélise librement. L'opérateur est directement en interaction avec la forme 25 physique, il la touche et peut ainsi la replacer dans l'espace. Il réunit les différentes images 3D du malade en corrigeant les éventuelles imperfections de prise de vue causées par les petits changements de position du patient lors des captures. Le système de modélisation est aussi intuitif que le modelage en plâtre dont l'orthopédiste à l'habitude. Les outils du logiciel utilisent des techniques de travail issues du modelage, comme le grattage et la découpe. Accédant à la possibilité de contrôler ces outils avec le sens du toucher, l'orthopédiste est en relation directe avec le moulage virtuel du patient. En outre la souplesse et la liberté qu'offre ce modelage par toucher, l'interaction de la modélisation directe et les outils courants contribuent à 5 supprimer les longues sessions d'apprentissage. Le logiciel est dépendant de son périphérique d'interface que l'opérateur tient en main comme le manche de son outil. Les outils de modelage comprennent un ou plusieurs outils parmi ceux susvisés: - Outil de formes boule, cube, racloir, gouge, spatules. - Outil de sculpture guidé le long d'une courbe. - Outil de repoussage avec zone d'influence réglable. - Outil d'attraction permet d'extruder la matière. - Outils de lissage d'influences différentes. - Outils d'apport de matière en forme de boules, cylindre ou en tube. Les outils de conception 2D comprennent un ou 20 plusieurs outils parmi ceux susvisés: Crayon, Ligne, Arc, Cercle, Ellipse, Boite. Coupe, déplacement, rotation, miroir, décalage. Les outils de modélisation de courbes comprennent un ou plusieurs outils parmi ceux susvisés: 25 -Couper un modèle par une courbe. -Enlever de la matière le long d'une courbe. -Elever ou baisser une zone sur le modèle par rapport à une courbe. - Créer une rainure ou des crêtes le long d'une 30 courbe. Les outils de courbes en 3D comprennent un ou plusieurs outils parmi ceux susvisés: - Projection des courbes sur le modèle. - Création d'une courbe sur un plan de coupe du modèle. - Symétrie de courbe. - Copier-coller de courbe. - Division des courbes en courbes distinctes. - Plaquage de courbe sur le modèle 3D. Les outils d'assemblage permettent de: - Créer une nouvelle pièce dans le modèle en cours. - Insérer un modèle déjà existant dans le modèle en 10 cours. - Créer un décalage selon une valeur précise et définie, à l'intérieur ou à l'extérieur de la pièce en cours. Cela permet de créer des noyaux. Les fonctions productives permettent: - L'annulation ou la reprise des niveaux de modification précédents. - La symétrie du modèle entier, le plan de symétrie peut être placé de façon interactive en le faisant glisser à l'écran en tout endroit et selon toute 20 orientation dans l'espace. - La copie et collage permet de sélectionner et d'enregistrer des modèles entiers et de les réutiliser en collant de nouveau. - La projection de niveau de gris permet à 25 l'opérateur de créer des gravures sur le modèle par des ajouts de relief ou des enlèvements. Les fonctions de contrôle de l'outil comprenant: - Le masque permet de protéger certaines zones du modèle de tout changement. - L'introduction de pièces non déformable et non modifiable dans le projet. - Les contraintes permettent de limiter le mouvement de l'outil à un plan choisi pour un contrôle plus fin de l'outil. Les fonctions d'analyses réalisent les fonctions de: -Mesure de distance entre deux points ou entre deux modèles. -Mesure l'épaisseur du modèle de façon interactive. -Mesure entre deux pièces différentes. -Mesure de rayons de courbure de la surface d'une 10 pièce. -Ligne de plan de joint permet de vérifier la direction de démoulage et les zone de contre dépouille. Les fonctions d'affichage réalisent les fonctions de: 15 - Translation, zoom, rotation - Zoom d'ajustage à l'écran de la pièce en cours. - Visualisation d'une coupe du modèle selon un plan. L'importation des données est réalisée, pour les images, au format BMP, pour les représentations 20 tridimensionnelles selon les formats STL, OBJ, PLY. La solution comprend des bibliothèques de fonction, pour des outils de correction automatique des trous, des faces ouvertes, des normales inversées. L'exportation des données est réalisée, pour les 25 images, au format BMP, pour les représentations tridimensionnelles selon les formats STL Binaire et ASCII, OBJ, ZCP, PLY. L'opérateur, s'il est équipé du logiciel dédié peut préparer la restitution. Autrement, il peut envoyer les 30 fichiers par Internet vers un centre de traitement approprié équipé du logiciel de restitution. La restitution de la forme modifiée est réalisée à l'aide d'un logiciel intégré d'usinage de modèle 3D et la fraiseuse à commande numérique conçue pour la fabrication des corsets et des corsets siège. Une solution interactive et intuitive, simple pour préparer un usinage en quelques minutes consiste à : -Placer le modèle dans sa position d'usinage. -Choisir une fraise et un type d'usinage. Le logiciel calcul automatiquement le parcours d'outil, par exemple muni d'une tête de fraisage 3 à 5 axes pour les ébauches et finition, avec une fraise 10 hémisphérique, cylindrique, conique plate et boule, torique. Le système de coordonnées en 4 axes est du type cylindrique ou conique, plateau vertical ou horizontal. L'équipement comprend des moyens de transformation interactive de la géométriques du modèle: Copie, 15 translation, rotation, changement d'échelle, symétrie, retournement, alignement, de définition de la position de l'origine sur la machine automatique, de gestion automatique des retournements, des bruts et des attaches et de définition d'un usinage en plan parallèle (x, y) usinage en 20 spirale (carrée, ronde et elliptique). La machine à commande numérique est commandée par un fichier d'usinage transmis à la commande numérique PMAC Turbo dont les paramètres ont été étudiés pour recevoir les fichiers de points générés par le logiciel d'usinage. La machine a deux fonctions: l'usinage en 3 axes à plat et l'usinage rotatif 3 axes. Elle se présente sous la forme d'une poutre (X) supportant l'axe vertical (Z) circulant sur deux rails parallèles (Y) entraînement par visse à billes. En deux 30 zones de travail, elle est ouverte d'un côté pour les usinages à plat de l'autre pour les usinages rotatifs horizontaux cette partie est recouvrable pour allonger la partie usinages à plat. L'opérateur pour le placement des patients peut utiliser des instruments complémentaires de maintien en matière transparente incolore. Le rai de lumière sera réfléchi par le sujet opaque visible au travers des instruments de maintien incolores. Un siège transparent incolore (Plexiglas), des gouttières, tube, plaques en plastique transparent incolore seront utilisées comme aide le temps de la prise de vue. De même que des coussins gonflés, ou des bandes et films de 10 matériaux transparents incolores peuvent servir au maintien du malade pendant la prise de mesure. Le noir est perçu comme un trou par les systèmes optiques. L'opérateur pour le maintien direct d'un patient peut utiliser des gants noirs. Grâce au logiciel de 15 modification, la perte de donnée à l'endroit du maintien peut être comblée. Pour un meilleur repérage, l'opérateur peut placer des pastilles noires ou des marques noires sur la peau du patient ou sur un vêtement moulant: une chaussette moulante 20 avec des points noirs de repérage pendant la prise de mesure d'un pied. Pour le cas d'un moignon, il est important d'identifier les prises de vues avant et arrière. Les utilisations du système comprennent les adaptations de matériels et d'outils qui nécessitent un 25 moulage précis du corps humain pour sa personnalisation. Il permet également la conception du matériel orthopédique sur mesure parfaitement adapté à la morphologie: - Corset de maintien pour handicapé et accidenté - Appareillage nécessitant un moulage et une modification. - Membre artificiel, bras, jambe, main, pied. - Corset siège pour handicapé. - Attelle - Masque morphologique. - Masque compressif pour les greffes de peaux. (grand brûlé) - Chaussure orthopédique. - Matériel sur mesure pour sportif handicapé - Conception de chaussures sur mesure - Création de vêtements ou parties de vêtements sur mesure: veste, pantalon, chapeau, casque, jambière - Conception d'outils sur mesure proches du corps; 10 sac à dos, crosse de fusil, casque de visée et de protection - Conception d'outils sur mesure prolongeant le corps; manette, manche d'outil - Conception de sièges sur mesure; siège baquet 15 pour voiture de compétition, selle de vélo, selle d'équitation - Vêtements techniques adaptés à la morphologie: pointe de chaussures de danse. L'équipement trouve également des applications: - en chirurgie esthétique, telles que le moulage des parties du corps et modification dans le but de visualiser en 3D de la morphologie modifiée. - dans le domaine judiciaire pour la reconstitution de visages et autres parties de corps en 3D à partir 25 d'ossements numérisés. - dans le domaine de l'archéologie pour le moulage numérique d'une oeuvre ancienne et recréation des parties manquantes. - dans le domaine artistique, pour la réalisation de 30 masque de cinéma et de théâtre adapté à la morphologie du porteur. - dans le domaine industriel, pour l'acquisition de la forme de base et création des matrices de toutes les tailles de bottes en caoutchouc et l'acquisition de la forme de base et création des matrices de toutes les tailles de gants en caoutchouc. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour la fabrication d'un équipement personnalisé, tel qu'une orthèse, caractérisé en ce qu'il 5 comporte une première étape d'acquisition d'une représentation tridimensionnelle la partie du corps destinée à recevoir ledit équipement, une étape de modification de ladite représentation tridimensionnelle par un moyen de modelage virtuel interactif et une étape de génération d'un 10 fichier de pilotage d'une machine d'usinage à partir dudit fichier tridimensionnel modifié. 2 - Procédé pour la fabrication d'un équipement personnalisé selon la revendication 1 caractérisé en ce que 15 l'étape d'acquisition d'une représentation tridimensionnelle comprend des opérations consistant à balayer la surface de la partie du corps par un faisceau lumineux pour la réalisation d'une image tridimensionnelle, à réaliser au moins une photographie numérique de ladite partie du corps. 20 3 - Procédé pour la fabrication d'un équipement personnalisé selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'étape d'acquisition d'une représentation tridimensionnelle comporte en outre une opération de reconstruction d'une 25 image tridimensionnelle consistant à agréger les informations obtenues par balayage et les photographies numériques, pour calculer une image tridimensionnelle numérique. 4 - Procédé pour la fabrication d'un équipement personnalisé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'étape de modification de la représentation tridimensionnelle est réalisée avec un palpeur à retour d'effort permettant de commander la position d'un pointeur virtuel sur l'image tridimensionnelle calculée pendant l'étape d'acquisition, et avec des périphériques d'activation de fonctions de modification de ladite image tridimensionnelle en fonction de la position dudit pointeur. - Equipement pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'acquisition 10 d'une image tridimensionnelle, des moyens de traitement de ladite image tridimensionnelle comprenant un palpeur interactif à retour d'effort commandant la position d'un pointeur apparaissant sur ladite image tridimensionnelle, et des moyens de calculs pour générer un fichier de pilotage 15 d'une machine d'usinage à partir de ladite représentation modifiée.