Brevet FR2949660A1 — publié le 20110311

DISPOSITIF D'AIDE A LA MISE EN PLACE D'UNE PROTHESE TOTALE DE GENOU La présente invention concerne un ancillaire destiné à aider le chirurgien pour la mise en place d'une prothèse totale de genou. Cet ancillaire permet la mesure et la localisation des efforts transmis dans l'articulation entre l'extrémité inférieure du fémur et l'extrémité supérieure du tibia. L'articulation du genou se compose principalement de trois os (le fémur, le tibia et la patella) et de nombreux ligaments dont les ligaments collatéraux et le complexe poplité. Une prothèse totale de genou comporte de façon classique: - un composant fémoral destiné a remplacer la surface articulaire inférieure du fémur, ce composant étant généralement métallique et fixé de manière rigide au fémur préalablement réséqué, - un composant tibial destiné à remplacer la surface articulaire supérieure du tibia, ce composant étant généralement constitué d'un insert tibial en polyéthylène fixé sur une embase tibiale métallique, elle même fixée de manière rigide au tibia préalablement réséqué, et un composant patellaire destiné à remplacer la surface articulaire de la patella, ce composant étant généralement réalisé en polyéthylène et fixé de manière rigide à la patella préalablement réséquée. La mise en place d'une prothèse totale de genou consiste à réséquer les surfaces articulaires fémorale, tibiale et patellaire afin de les remplacer par des composants prothétiques. Lors de la mise en place de ces composants, le chirurgien doit veiller à respecter l'alignement du fémur par rapport au tibia et doit aussi tenter d'obtenir une répartition homogène des efforts transmis entre l'extrémité inférieure du fémur et l'extrémité supérieure du tibia. Une répartition non-homogène des efforts aboutit à une usure prématurée des composants prothétiques en commençant par l'insert tibial en polyéthylène. D'autres effets délétères comme le descellement asceptique précoce, la bascule en varus ou en valgus de l'embase tibiale peuvent aussi être des conséquences d'une répartition déséquilibrée des efforts. La mise en place d'une prothèse totale est facilitée par la connaissance des efforts transmis dans l'articulation et par un équilibrage de ces efforts afin de minimiser les contraintes supportées par les composants prothétiques. Cet équilibrage des efforts doit être effectué tout au long du mouvement de flexion du genou. Différents tenseurs ligamentaires mécaniques et électroniques permettent une mise en tension statique ou dynamique de l'espace entre l'extrémité inférieure du fémur et l'extrémité supérieure du tibia. Ces tenseurs sont introduits dans l'articulation entre l'extrémité inférieure du fémur et l'extrémité supérieure du tibia puis ouverts en écartant le fémur et le tibia. Certains tenseurs ligamentaires comme ceux décrits dans les demandes de brevet EP-A-1 915 951 ou EP-A-O 761 172 sont introduits après la réalisation des coupes fémorale distale et tibiale proximale. Le bloc opératoire dans lequel se déroule l'intervention chirurgicale de mise en place de prothèse totale de genou comporte : - une zone dite stérile dans la quelle le chirurgien et l'aide opératoire évoluent. Le chirurgien et l'aide opératoire procèdent à un lavage de mains méticuleux et à un habillage stérile avant d'entrer dans cette zone. Les instruments de chirurgie utilisés pour l'intervention sont décontaminés, nettoyés et stérilisés avant d'être introduits dans la zone stérile. Avant l'incision de la peau, le genou du patient à opéré est lui aussi nettoyé et préparé pour limiter les risques sceptiques. - une zone dite non stérile qui entoure la zone stérile. Dans la zone non stérile sont disposés l'ensemble des dispositifs qui ne peuvent pas être stérilisés et notamment les ordinateurs. L'objectif de l'invention est de proposer un dispositif de mesure dynamique permettant de quantifier les efforts transmis dans l'articulation entre l'extrémité inférieure du fémur et l'extrémité supérieure du tibia. Un autre objectif de l'invention est de localiser la résultante des efforts transmis dans l'articulation entre l'extrémité inférieure du fémur et l'extrémité supérieure du tibia. Un autre objectif de l'invention est de mémoriser les valeurs des efforts et leur localisation. Un autre objectif de l'invention est de comparer les valeurs de ces efforts par rapport à une valeur de seuil limite au delà de laquelle il pourrait y avoir un danger pour la pérennité de la prothèse de genou. Cette valeur seuil peut être pré-enregistrée dans le dispositif. Un autre objectif complémentaire de l'invention est de signaler au chirurgien l'éventuel dépassement de seuil. Un autre objectif de l'invention est de transmettre la valeur de l'effort et sa localisation à un ordinateur placé en zone non stérile. L'ordinateur avec un logiciel dédié représente la valeur de l'effort et sa localisation. Pour atteindre ces objectifs, le dispositif d'aide à la mise en place d'une prothèse totale de genou se compose : - d'un capteur pouvant être introduit dans l'articulation du genou entre la surface articulaire inférieure du fémur et la surface supérieure réséquée du tibia ou entre la surface articulaire du composant fémoral prothétique et la surface supérieure réséquée du tibia, - d'un microcontrôleur en charge du calcul des efforts, de la localisation des efforts et de la mise en forme de ces informations en vue du transfert via l'émetteur récepteur, - d'un ou plusieurs boutons poussoirs optionnels permettant au chirurgien de passer des commandes, - d'un ou plusieurs systèmes d'affichage optionnels tels que des voyants ou des écrans permettant d'informer le chirurgien, - d'un émetteur récepteur transférant les informations du microcontrôleur vers l'ordinateur. L'invention est caractérisée par le fait que le capteur est d'épaisseur suffisamment fine pour être introduit entre la surface inférieure du fémur et la surface supérieure du tibia réséqué. La surface du capteur est divisé en plusieurs secteurs. Le capteur est capable de mesurer les efforts appliqués sur chacun de ces secteurs. Le fait de connaître la valeur de l'effort transmis à chaque secteur permet de connaître la valeur totale de l'effort transmis au capteur, mais aussi la localisation de la résultante de l'effort total. L'invention est également caractérisée par le fait que le capteur comprend : une plaque rigide isolante dont le contour correspond sensiblement au contour de la surface supérieure du tibia réséqué, - un réseau de bandes conductrices apposées sur l'une des faces de la plaque rigide isolante et réparties dans les différents secteurs du capteur et - un matériau souple chargé de particules métalliques recouvrant la face de la plaque rigide isolante sur laquelle est apposée les bandes conductrices. Dans chaque secteur, au moins deux bandes conductrices sont en contact avec le matériau souple chargé de particules métalliques. Les deux bandes conductrices permettent d'amener un courant faible à traverser le matériau souple chargé de particules métalliques. La tension électrique relevée entre les deux bandes conductrices est directement dépendante de la résistance électrique du matériau souple chargé en particules métalliques. La mesure de la tension électrique entre les bandes conductrices permet de connaître la résistance électrique du matériau souple chargé de particules métalliques. L'application d'un effort sur un des secteurs du capteur déforme le matériau souple chargé de particules métalliques au regard de ce secteur et de ce fait diminue la résistance électrique du secteur. La résistance électrique du matériau souple chargé de particules est dépendante de la proximité des particules métalliques. Le fait d'exercer un effort sur le capteur rapproche les particules les unes des autres et diminue ainsi la résistance électrique du secteur. A l'aide d'un calibrage, il est possible de déterminer les lois physiques liant l'effort appliqué sur le secteur à la résistance électrique du secteur. L'invention est également caractérisée par le fait que le microcontrôleur mesure les résistances électriques de chaque secteur. Les lois physiques liant la résistance électrique à l'effort appliqué de chaque secteur ont été préalablement enregistrées dans le microcontrôleur. A partir des valeurs des résistances relevées dans les différents secteurs et des lois physiques, le microcontrôleur calcule les efforts appliqués sur chaque secteur. Ces valeurs d'efforts sont envoyées par une liaison série à l'émetteur récepteur. L'invention est également caractérisée par le fait que le microcontrôleur mémorise les valeurs des efforts. L'invention est également caractérisée par le fait que le microcontrôleur calcule la valeur maximale des efforts qu'il a enregistré par secteur et sur l'ensemble des secteurs. L'invention est également caractérisé par le fait que le microcontrôleur et stocke une valeur de seuil maxi et compare les valeurs des efforts supportées par le capteur à cette valeur de seuil. Le résultat de la comparaison de la valeur de seuil est transmise à l'émetteur récepteur pour l'envoi à l'ordinateur et/ou peut être directement affiché via un ou des voyant(s) et/ou un ou des écran(s) connecté(s) au microcontrôleur. L'invention est également caractérisée par le fait que le microcontrôleur peut recevoir des commandes du chirurgien par le biais d'un ou des bouton(s) poussoir(s) directement connecté(s) au microcontrôleur. L'invention est également caractérisée par le fait que l'émetteur récepteur lit les valeurs des efforts en provenance de la liaison série et les transmets par une liaison sans fil de la zone stérile où il se trouve vers l'ordinateur situé en zone non stérile. On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre du dispositif de l'invention. Le mode de réalisation décrit est donné à titre d'exemple non limitatif. Le capteur décrit en exemple de mise en oeuvre de l'invention mesure 4 mm d'épaisseur. Ses dimensions hors-tout dans le plan horizontal sont de 70 mm par 46 mm. La surface du capteur est divisée en quatre secteurs de surfaces approximativement égales. Le capteur est constitué : - d'une plaque en époxy de 1 mm d'épaisseur découpée suivant un contour superposable à la surface supérieure du tibia réséqué, - d'un circuit imprimé en cuivre de 0.2 mm d'épaisseur dont les pistes définissent quatre secteurs et, - d'une épaisseur de 3 mm de silicone Rhodia RTV-2 chargé de particules de cuivre de 33 microns moulée directement sur le circuit imprimé. Dans chaque secteur du circuit imprimé, afin de mesurer la résistance du silicone chargé de particules de cuivre, neuf bandes conductrices parallèles de largeurs identiques sont uniformément réparties sur la surface du secteur. La première, la troisième, la cinquième, la septième et la neuvième bande parallèle sont reliées ensemble par une première bande conductrice latérale sensiblement perpendiculaire. L'ensemble constitue un premier peigne à cinq branches parallèles. La deuxième, la quatrième, la sixième et la huitième bande parallèle sont reliées ensemble à l'aide d'une seconde bande latérale sensiblement perpendiculaire. L'ensemble constitue un second peigne qui comporte quatre branches parallèles. Il n'y a pas de contact direct sur le circuit imprimé entre les deux peignes. Le silicone chargé de particules de cuivre est en contact avec toutes les branches des deux peignes. Cette disposition permet une mesure aisée de la résistance électrique du silicone chargé de particules de cuivre. Cette mesure s'effectue en mesurant la résistance entre les deux peignes. Pour la mesure de cette résistance, la méthode avantageusement retenue consiste à réaliser un diviseur de tension avec deux résistances entre les 5 Volts de l'alimentation et la masse. La première des deux résistances du diviseur est fixe et a pour valeur 10 KOhms. La seconde est celle du silicone chargé de particules de cuivre. La tension sortant du diviseur de tension est directement reliée à une entrée analogique du microcontrôleur. La tension mesurée sur l'entrée du microcontrôleur est proportionnelle à la résistance du silicone chargé de particules de cuivre. Dans le mode de réalisation de l'invention décrit à titre d'exemple, les peignes à quatre branche de tous les secteurs sont reliés à l'alimentation continue régulée 5 volts par un fil conducteur souple commun. Les autres peignes sont reliés individuellement aux entrées analogiques du microcontrôleur. Ces entrées analogiques sont aussi reliées par l'intermédiaire d'une résistance de 10 KOhms à la masse. A titre d'exemple de réalisation de l'invention, on peut citer l'utilisation du microcontrôleur CublocTM CB220 de la société COMFILE technology dont on peut utiliser quatre entrées analogiques et deux broches dédiées à une liaison série de type UART compatible avec la liaison série UART d'un module émetteur récepteur BluetoothTM F2M03GLA de la société FREE2MOVE. Un diviseur de tension réalisé à l'aide de deux résistances 10 KOhms et 15 KOhms est nécessaire pour abaisser le niveau 5 Volts de l'émission du microcontrôleur au niveau 3.3 Volts de la réception du module émetteur récepteur BluetoothTM utilisé. Le microcontrôleur et l'émetteur récepteur sont alimentés par des piles stériles. Un boîtier étanche commun protège le microcontrôleur et l'émetteur récepteur. Le microcontrôleur est programmé pour relever les tensions aux quatre entrées analogiques, pour les convertir en valeur d'effort à l'aide des lois physiques préalablement étalonnées et pour envoyer ces valeurs d'effort sur la liaison série UART. Le module d'émission BluetoothTM transmet les valeurs à l'ordinateur. L'ordinateur affiche les valeurs reçues. Une autre mise en oeuvre de l'application complète avantageusement la configuration décrite précédemment avec l'ajout d'un ou plusieurs bouton(s) poussoir(s) connecté(s) directement au microcontrôleur. Chaque bouton poussoir est relié aux 5 Volts de l'alimentation régulée et à une entrée numérique du microcontrôleur. Les entrées numériques utilisées dans cette configuration sont initialement reliées à la masse par une résistance de l'ordre de 10 KOhms. La fixation mécanique du ou des bouton(s) poussoir(s) est réalisée sur le boîtier contenant le microcontrôleur et l'émetteur récepteur. L'utilisation de ces boutons poussoirs permet d'informer l'ordinateur d'une commande du chirurgien. Un exemple non limitatif de commande requise par le chirurgien peut être le démarrage ou l'arrêt de l'enregistrement des efforts lors d'un mouvement de flexion ou d'extension du genou. Cette commande accessible au chirurgien améliore l'ergonomie du dispositif. Une autre mise en oeuvre de l'application complète avantageusement les configurations décrites précédemment avec l'ajout d'un ou plusieurs voyant(s) connecté(s) directement au microcontrôleur. Chaque voyant est relié à la masse et à une sortie numérique du microcontrôleur. Dans le cas d'utilisation d'une diode électroluminescence (LED) comme voyant, une résistance de l'ordre de 470 Ohms peut être soudée en série avec la diode électroluminescence. La fixation mécanique du ou des voyant(s) est réalisée sur le boîtier contenant le microcontrôleur et l'émetteur récepteur. Les voyants permettent d'informer le chirurgiens d'états de l'ordinateur comme par exemple l'activation de l'enregistrement des valeurs des efforts pendant un mouvement de flexion ou d'extension du genou, ou par exemple le dépassement d'une valeur maximum d'effort définie préalablement. L'information en provenance de l'ordinateur est reçue par l'émetteur récepteur et transmise au microcontrôleur afin qu'il allume le voyant approprié. L'affichage du dépassement d'une valeur de seuil indique au chirurgien un positionnement non idéal de la prothèse qu'il pourra corriger. Une autre mise en oeuvre de l'application complète avantageusement les configurations décrites précédemment avec l'ajout d'un ou plusieurs écran(s) de contrôle ou d'information. Chaque écran peut être connecté à une sortie série ou I2C du microcontrôleur. La fixation mécanique du ou des écran(s) est réalisée sur le boîtier contenant le microcontrôleur et l'émetteur récepteur. Ces écrans peuvent transmettre aux chirurgiens des informations de même nature que celles décrites précédemment pour les voyants et/ou des valeurs d'efforts et/ou des informations sur la position des efforts. L'ensemble des figures représente une mise en œuvre particulière de l'invention non limitative. La figure 1 représente l'organisation de la salle d'intervention. Le patient (1) est allongé sur la table d'intervention (2). Les membres inférieurs du patient, le chirurgien (3) et son aide opératoire (4) sont en zone stérile(5). L'ordinateur (6) est placé en zone non stérile (8). La liaison sans fil entre l'émetteur récepteur (7) placé dans la zone stérile et l'ordinateur placé en zone non stérile peut être de type BluetoothTM, ou respecter d'autres protocoles. La figure 2 représente un éclaté de l'articulation du genou en extension. Le capteur (11) est introduit dans l'articulation entre l'extrémité inférieure (9) du fémur et l'extrémité supérieure (10) du tibia réséqué. Les ligaments collatéraux médial (12) et latéral (13) sont représentés. Le capteur est relié à un boîtier (7) contenant le microcontrôleur et l'émetteur récepteur. La figure 3 représente la plaque rigide isolante (14), et le matériau souple chargé de particules métalliques (15) reliés au boîtier (7) contenant le microcontrôleur et l'émetteur récepteur. La figure 4 représente une vue horizontale supérieure de la plaque rigide isolante (14). Les limites des secteurs sont représentés par des traits pointillés. Dans la configuration particulière de l'invention représentée sur la figure 4, les secteurs sont au nombre de quatre. D'autres configurations de l'invention pourront contenir un nombre inférieur ou un nombre supérieur de secteurs. Chaque secteur est constitué de deux peignes de bandes conductrices (16a)(17a) ou (16b)(17b) ou (16c)(17c) ou (16d)(17d). La configuration de l'invention représentée en figure 4 propose des peignes reliant 4 ou 5 bandes conductrices. Les peignes (16a), (16b), (16c) et (16d) relient 5 bandes conductrices parallèles. Les peignes (17a), (17b), (17c) et 9 (17d) relient 4 bandes conductrices parallèles. D'autres configurations de l'inventions pourront contenir un nombre différent de bandes conductrices par peigne. Les peignes sont disposés face à face, deux à deux afin de permettre la mesure de la résistance électrique du matériau souple chargé de particules métalliques en contact avec les bandes conductrices des peignes. La figure 5 représente un exemple de câblage de l'invention. Un peigne de chaque secteur (17a), (l7b), (17c), (17d) est connecté sur le fil conducteur souple commun (17). Ce fil conducteur souple commun est connecté à la tension d'alimentation (23). Les quatre autres peignes (16a) (16b) (16c) (16d) sont reliés à quatre entrées analogiques du microcontrôleur (20). Ces entrées analogiques sont aussi reliées à la masse commune du microcontrôleur et de l'émetteur récepteur par le biais de résistances (22). L'effort appliqué sur un secteur fait diminuer la résistance électrique entre les deux peignes du secteur et donc augmenter la tension aux entrées analogiques du microcontrôleur. A partir du niveau de tension sur les entrées analogiques, le microcontrôleur calcule la résistance de chaque secteur et à l'aide des lois physiques pré-enregistrées calcule la valeur de l'effort correspondant. Ces valeurs d'efforts sont transmises à l'émetteur récepteur (21) via une liaison série (18) (19). L'émetteur récepteur (21) transmet les valeurs d'effort de chaque secteur. L'ordinateur réceptionne ces valeurs d'efforts pour chaque secteur et peut afficher à l'écran les valeurs des efforts et leur localisation sur le capteur. Selon certains modes de réalisation : - le microcontrôleur et l'émetteur récepteur sont intégrés dans un seul et même composant électronique ; - le microcontrôleur et l'émetteur récepteur sont logés à l'intérieur du capteur, l'encombrement total de l'invention étant alors limité à celui du capteur ; - le nombre de secteurs du capteur est suffisamment important pour transmettre à l'ordinateur une cartographie millimétrique des efforts. REVENDICATIONS1 - Dispositif d'aide à la mise en place d'une prothèse totale de genou permettant la mesure et la localisation des efforts transmis entre l'extrémité inférieure du fémur et l'extrémité supérieure du tibia et permettant l'émission de ces informations à partir de la zone stérile (5) vers un ordinateur situé dans la zone non stérile (8) d'un bloc opératoire, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend : - un capteur (11) pouvant être introduit dans l'articulation du genou entre la surface inférieure du fémur (9) et la surface supérieure réséquée du tibia (3) ou entre le composant fémoral prothétique et la surface supérieure réséquée du tibia, constitué d'une plaque rigide isolante recouverte partiellement d'un réseau de bandes conductrices réparties en secteurs et d'un matériau souple conducteur chargé de particules métalliques, - un microcontrôleur (20) possédant des entrées analogiques reliées au capteur, capable de calculer les efforts appliqués sur les secteurs définis par le réseau de bandes conductrices et - un émetteur récepteur (21) relié au microcontrôleur et transmettant les valeurs des efforts par secteur 2 - Dispositif d'aide à la mise en place d'une prothèse totale de genou suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le microcontrôleur (20) possède une mémoire des valeurs d'efforts. 3 - Dispositif d'aide à la mise en place d'une prothèse totale de genou suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le boîtier contentant le microcontrôleur (20) et l'émetteur récepteur (21) possède un ou plusieurs bouton(s) poussoir(s) (24) relié(s) aux entrées du microcontrôleur et permettant de piloter l'enregistrement sur l'ordinateur des valeurs d'efforts. 4 - Dispositif d'aide à la mise en place d'une prothèse totale de genou suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le microcontrôleur (20) et l'émetteur récepteur (21) sont adaptés pour recevoir des informations de l'ordinateur. 11 - Dispositif d'aide à la mise en place d'une prothèse totale de genou suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le microcontrôleur possède une valeur seuil d'effort à ne pas 5 dépasser et envoie un signal d'alerte à l'ordinateur lorsque cette valeur seuil est dépassée sur n'importe lequel des secteurs du capteur. 6 - Dispositif d'aide à la mise en place d'une prothèse totale de genou suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier contenant le microcontrôleur et l'émetteur récepteur dispose d'un afficheur (25) permettant de visualiser les valeurs des efforts par secteur du capteur. 7 - Dispositif d'aide à la mise en place d'une prothèse totale de genou suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le microcontrôleur et l'émetteur récepteur sont intégrés dans un seul et même composant électronique. 8 - Dispositif d'aide à la mise en place d'une prothèse totale de genou suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le microcontrôleur et l'émetteur récepteur sont logés à l'intérieur du capteur. L'encombrement totale de l'invention étant alors limité à celui du capteur 9 - Dispositif d'aide à la mise en place d'une prothèse totale de genou suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de secteurs du capteur est suffisamment important pour transmettre à l'ordinateur une cartographie millimétrique des efforts. 10 - Dispositif d'aide à la mise en place d'une prothèse totale de genou suivant l'une des revendications 1 ou 5, caractérisé en ce que le microcontrôleur enregistre les localisations (secteurs) où les efforts sont les maximaux et trace ainsi les trajectoires des points de contact maximum entre les extrémités inférieure du fémur et supérieure du tibia.