Brevet FR2953123A1 — publié le 20110603

La présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'éléments de prothèse articulaire permettant d'obtenir une définition de la forme du ou des éléments de prothèse personnalisés, c'est-à-dire spécifiquement adaptés à l'anatomie et à la physiologie du patient qui doit recevoir cette prothèse. Le brevet français FR 2 737 970 décrit des éléments de prothèse articulaire qui permettent de diminuer l'importance de la résection à réaliser sur les têtes d'os de l'articulation à traiter et qui par leur forme particulière permettent de réduire très sensiblement l'importance des moyens d'ancrage mécanique de l'élément de prothèse dans l'os grâce notamment à une configuration adaptée de la périphérie de l'élément de prothèse et de la forme de la résection. Les prothèses décrites dans ce brevet permettent de reconstituer la forme anatomique qu'avait initialement la tête de l'os et de limiter le plus possible l'importance de l'enlèvement d'os à réaliser pour la mise en place de l'élément de prothèse. En outre, du fait que la résection à réaliser est plus limitée que dans les techniques antérieures, cela présente l'avantage que si une nouvelle intervention s'avérait nécessaire, le chirurgien conserve une "réserve d'os" utilisable en vue de la mise en place d'un nouvel élément de prothèse. On comprend donc que ces éléments de prothèse particuliers présentent de nombreux avantages par rapport aux prothèses articulaires de l'état de la technique antérieure. Cependant, pour satisfaire aux besoins des patients et des chirurgiens spécialistes de ce domaine, il se pose notamment un problème qui est que les éléments de prothèse utilisés sont des éléments de prothèse standards qui conviennent plus ou moins bien à l'articulation à traiter. En quelque sorte, présentement, le chirurgien part d'une prothèse standard grossièrement adaptée à l'articulation et il va procéder à la résection correspondant à l'élément de prothèse retenu. En d'autres termes, la prothèse utilisée est standard et non individualisée, c'est-à-dire non-adaptée spécifiquement au patient à traiter. Dans le cas des éléments de prothèse de genoux qui constituent un des principaux problèmes à résoudre présentement, l'indication principale de telles prothèses concerne des sujets âgés. Cependant, il 1 i Al17 existe également une demande chez des sujets plus jeunes ayant souvent une pratique soutenue du sport. Ils veulent sauvegarder et maintenir leur capital physique et le garantir pour de longues années. D'autre part, notamment dans le cas particulier de l'articulation du genou, il existe une très grande variabilité des caractérisations d'un genou tant sur le plan anatomique, morphologique que pour ce qui concerne l'élasticité, la souplesse et la maturation tissulaire qui conduisent à des distinctions et des comportements très différents d'un individu à un autre et qui ont des implications sur la définition de la forme des éléments de prothèse qu'il y aurait lieu d'utiliser. On sait également qu'un élément de prothèse est défini quant à sa forme par une surface de contact qui coopère avec l'autre élément de prothèse de l'articulation, une surface de fixation qui est appliquée contre le fond de la résection réalisée dans la tête de l'os et une surface périphérique. Pour le chirurgien, avant son intervention, le problème est donc de définir une forme de résection convenable et de définir une forme d'élément de prothèse (surface de contact, surface de fixation) adaptée à la résection et à l'anatomie du patient. En conséquence, un objet de la présente invention est de fournir un procédé de définition de la forme d'un élément de prothèse qui permet de résoudre les trois objectifs suivants : - conserver, renforcer et restaurer la physiologie articulaire ; - conserver un maximum de capital osseux pour une éventuelle 25 nouvelle intervention ; et - conserver et respecter la spécificité de l'articulation du patient, ce qui constitue un gage d'un continuum biomécanique correct. Pour atteindre ce but selon l'invention, le procédé de réalisation d'un élément de prothèse articulaire pour un patient déterminé, ledit 30 élément de prothèse étant destiné à être mis en place dans une résection réalisée dans la tête d'un des os de l'articulation, ledit élément de prothèse comprenant une surface de fixation au contact de l'os et une surface de contact, au contact de l'autre élément de prothèse de l'articulation, se caractérise en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 35 - définition de la forme de la résection à réaliser et des surfaces de contact et de fixation de l'élément de prothèse à partir de prises I i !n7 /-)An-7 d'images de l'articulation du patient ; par quoi on obtient une forme initiale de résection et une forme initiale d'élément de prothèse ; - fourniture d'un modèle mathématique paramétrable de simulation du fonctionnement dynamique et statique de l'articulation considérée ; - personnalisation dudit modèle mathématique à partir d'informations spécifiques à l'articulation du patient, par quoi on obtient un modèle personnalisé ; - paramétrage du modèle mathématique personnalisé avec les 10 caractéristiques de la forme initiale de résection et de la forme initiale de l'élément de prothèse, par quoi on obtient un modèle initial ; - simulation en dynamique et statique de l'articulation avec le modèle initial ; - comparaison des contraintes appliquées à l'élément de 15 prothèse à des valeurs prédéterminées ; - si au moins certaines des contraintes sont supérieures aux contraintes prédéterminées ; 1) modification d'au moins certains des paramètres de définition de la résection et de l'élément de prothèse, par quoi on obtient 20 un modèle modifié ; 2) contrôle des niveaux de contraintes dans la simulation du modèle modifié. - Itération des étapes 1) et 2) jusqu'à obtention de contraintes inférieures à des contraintes prédéterminées. 25 On comprend que grâce au fait que, après la définition initiale à partir des prises d'image, de la forme de la résection et de la forme de l'élément de prothèse, on réalise par simulation à l'aide d'un modèle mathématique un test quant à la façon dont se comportera l'articulation du patient équipé des éléments de prothèse. Ces tests permettent de 30 s'assurer que les contraintes appliquées à l'élément de prothèse sont acceptables. On comprend qu'il y a donc effectivement définition d'une prothèse ou d'un élément de prothèse personnalisé adapté au patient puisque le modèle de simulation du fonctionnement de l'articulation a fait l'objet lui-même d'une personnalisation à partir d'informations obtenues à 35 partir de l'anatomie même du patient. 11 tn7I,nn7 De préférence, pour définir la surface initiale de résection à réaliser et les surfaces initiales de fixation et de contact de l'élément de prothèse, on réalise les étapes suivantes : a) prises d'images de l'articulation du patient pour laquelle on 5 veut réaliser l'élément de prothèse, les images étant représentatives de la géométrie et des "matériaux" de l'articulation ; b) calibration d'un processus de traitement des images à partir d'un témoin représentatif des différents matériaux de l'articulation ; c) traitement par seuillage des images correspondant à 10 différents plans de coupe à l'aide des résultats de la calibration ; d) définition de la surface initiale de contact de l'élément de prothèse à partir des résultats du seuillage ; e) définition de la surface initiale de résection et de la surface initiale de fixation de l'élément de prothèse à partir de la surface initiale de 15 contact de l'élément de prothèse et des résultats du seuillage. On comprend que grâce à ces moyens particuliers utilisés pour obtenir les images de l'articulation du patient, il est possible de déterminer par seuillage de façon très précise le profil réel notamment du cartilage de la tête de l'os et également le profil de l'os proprement dit. A partir de ces 20 éléments, il est donc possible de déterminer la forme de résection à réaliser sur le patient ainsi que la forme de la surface de contact et de la surface de fixation de l'élément de prothèse. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs 25 modes de mise en oeuvre de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées, sur lesquelles : - la figure 1 est un organigramme montrant les différentes étapes de mise en oeuvre du procédé ; - la figure 2 est une vue de dessus d'un exemple de réalisation 30 de témoin pour l'interprétation et la calibration des images prises de l'articulation à traiter ; - les figures 3A, 3B et 3C exposent de façon simplifiée la détermination de la forme de la résection à réaliser dans la tête de l'os et de l'élément de prothèse à utiliser. 35 En se référant tout d'abord à la figure 1, on va décrire l'ensemble du procédé objet de l'invention. 1 1 ln') r7nn7 Dans une première étape 10, on procède à une prise d'images de l'articulation du patient pour laquelle un ou plusieurs éléments de prothèse doivent être réalisés. Ces images peuvent être prises par une technique habituellement appelée scanner ou par la technique habituellement appelée IRM. Comme cela est bien connu, la première technique est basée sur l'absorption de rayons X et sont très bien adaptés à l'analyse des parties osseuses. Les images par IRM qui sont basées sur la résonance protonique sont plus particulièrement bien adaptées à l'analyse des tissus mous tels que les tissus musculaires, les ligaments, les cartilages mais cependant la structure osseuse peut également être visualisée par ces moyens. Les images ainsi prises permettent comme on l'expliquera ultérieurement plus en détail non seulement d'obtenir le contour des os de l'articulation mais également de séparer les différentes parties de l'os en fonction de leurs propriétés mécaniques. En effet, on peut mettre en relation notamment dans le cas du scanner les propriétés d'absorption des différents éléments constitutifs de l'os avec une dureté. Dans le cas des images prises par scanner, les valeurs de pixels peuvent être représentées par un nombre empirique CT qui s'exprime en unité Hounsfield. On peut ainsi déterminer le contour surfacique en trois dimensions entre les différentes parties de l'os typiquement le cartilage, l'os cortical et l'os spongieux. Pour permettre d'exploiter de façon fiable les images prises, il est souhaitable d'utiliser un élément témoin ou "fantôme" qui est représentatif de l'absorption des rayons X ou de la résonance protonique pour des matériaux ayant des propriétés sensiblement semblables à celles des différentes parties de l'os. Sur la figure 2, on a représenté un exemple d'un tel témoin. Ce témoin 18 est bien sûr disposé à côté du patient lors des prises d'images. II est ainsi possible de réaliser un calibrage des images prises à partir des différentes parties du témoin utilisé dont les différents éléments constitutifs sont représentatifs des différents éléments constitutifs de l'os. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, le témoin est constitué par trois matériaux différents A, B et C. Ces différents traitements des images prises sont représentés sur la figure 1 à l'étape 12. A l'issue de cette étape, on dispose donc de l'information relative à la surface externe du cartilage des os de l'articulation et des surfaces de séparation entre les différentes parties de l'os. A partir de ces différentes informations, le chirurgien va procéder à la définition de la forme de l'élément de prothèse et de la forme de la résection à réaliser dans la tête de l'os. Cette étape est référencée 13 sur la figure 1. Pour procéder à la définition de la résection et de la forme de l'élément de prothèse, un certain nombre de paramètres sont pris en considération. L'un de ces paramètres est que, compte tenu de la nature des matériaux utilisés pour réaliser les éléments de prothèse, titane, matériaux synthétiques, au moins dans sa partie courante, l'élément de prothèse qui porte la référence 20 sur la figure 3C doit avoir une épaisseur E au moins égale à 8 mm. Plus généralement, l'élément de prothèse 20 comporte une surface 22 de contact avec l'autre os de l'articulation ou l'autre élément de prothèse et une deuxième surface opposée 24 dite surface de fixation qui est la surface de l'élément de prothèse 20 qui sera au contact du fond de la résection réalisée dans la tête de l'os. La prothèse comporte également une surface périphérique 25. Sur la figure 3A, on a représenté de façon simplifiée les différentes zones de l'os obtenues à l'aide de l'étape 12. On a fait apparaître notamment la surface externe du cartilage 30, l'interface 32 entre le cartilage et l'os proprement dit et la zone 34 de l'os cortical. Comme on l'a déjà indiqué, dans sa partie courante, l'élément de prothèse doit avoir au moins une épaisseur E. Pour définir à partir de la face externe du cartilage 30 le fond de la résection à réaliser, il est donc nécessaire qu'une distance E existe entre ce contour externe 30 et le fond de la résection. En outre, il est nécessaire que la totalité du cartilage soit enlevée. La profondeur de la résection sera donc définie par la plus grande des deux valeurs constituées par, d'une part l'épaisseur e du cartilage, et d'autre part l'épaisseur E minimale de l'élément de prothèse. Ainsi, le fond de la résection 36 doit être "parallèle" à la surface externe initiale 30 du cartilage, la distance entre le fond de la résection 36 et la surface initiale du cartilage 30 étant égale à e'. e' est la plus grande des valeurs de e épaisseur du cartilage et E épaisseur minimale de l'élément de prothèse. Comme on l'expliquera ultérieurement, la définition du fond de la résection dans les zones périphériques 38, 40 peut faire l'objet 1 11(1') /'f(1(17 d'adaptation pour assurer une meilleure stabilisation de l'élément de prothèse 20 à l'intérieur de la résection et autoriser ainsi une diminution très sensible de l'importance des éléments d'ancrage de l'élément de prothèse dans la tête de l'os qu'il s'agisse de vis, de picots ou de l'utilisation de ciment biologique. Il est en particulier très souhaitable que la coopération entre la surface latérale 25 et de l'élément de prothèse et la périphérie de la résection produise un effet de voûte s'appuyant sur la partie corticale de l'os. A la fin de l'étape 13, on a donc défini par des relations mathématiques, la surface du fond 36 de la résection à réaliser dans la tête de l'os, la surface de contact 22 de l'élément de prothèse 20 et la surface de fixation 24 de ce même élément de prothèse. Ces différentes formes constituent des formes initiales de résection et d'élément de prothèse. L'étape suivante 16 nécessite la mise en oeuvre d'un logiciel fournissant un modèle mathématique de simulation du fonctionnement de l'articulation considérée. De tels logiciels sont effectivement disponibles notamment pour l'articulation du genou. Ces logiciels ou plus exactement ces modèles mathématiques sont paramétrables pour que ce modèle mathématique puisse être adapté à l'anatomie particulière du patient pour lequel l'élément de prothèse doit être défini. Ces paramètres sont non seulement des paramètres dimensionnels et de résistance mécanique des différentes parties des os de l'articulation obtenue dans les étapes 10 et 12 mais également des paramètres généraux tels que par exemple le poids du patient. Ces modèles mathématiques permettent une simulation statique, c'est-à-dire simulant le patient à l'arrêt et une simulation dynamique simulant le patient en train de se déplacer. Ces logiciels dits à éléments finis et à mailles tridimensionnelles permettent de rendre compte des contraintes qui sont appliquées à l'articulation considérée pour différentes positions. Ce logiciel permet d'appliquer au modèle mathématique représentant l'articulation des forces statiques ou dynamiques pour lesquelles on obtiendra les contraintes appliquées à la prothèse et de préférence aux os. Ces logiciels sont en eux-mêmes connus. 111n ) Inll l7 Selon l'invention, ce logiciel ainsi personnalisé à partir des images prises à l'étape 10 est modifié à nouveau pour introduire dans le modèle mathématique la forme initiale de résection définie à l'étape 14, ainsi que la forme initiale de l'élément de prothèse avec ses paramètres dimensionnels et des paramètres représentatifs notamment des propriétés physiques du matériau dont elle est constituée. A l'aide du logiciel, on peut ainsi simuler en statique et en dynamique l'articulation à traiter, articulation dans laquelle a été mis en place l'élément de prothèse défini précédemment. Le modèle mathématique permet de déterminer les contraintes notamment les contraintes appliquées à l'élément de prothèse et éventuellement les contraintes appliquées aux os. Il est connu que les contraintes ne doivent pas être supérieures à certaines valeurs données afin d'assurer la pérennité de l'élément de prothèse ou au moins une longue durée de vie de cette prothèse. Subsidiairement, il peut être utile pour le chirurgien de vérifier les contraintes mécaniques appliquées aux différentes parties de l'os considéré. Si les contraintes en question ainsi déterminées sont toutes inférieures à des contraintes maximales acceptables, la résection initiale et la forme initiale de l'élément de prothèse définies à l'étape 14 seront les résections et les formes de prothèse finales. Si certaines contraintes sont supérieures aux valeurs maximales admissibles, le chirurgien peut modifier certaines caractéristiques dimensionnelles de l'élément de prothèse visant à améliorer les contraintes appliquées. Dans ce cas, le logiciel fera l'objet d'un nouveau paramétrage avec la nouvelle définition géométrique de l'élément de prothèse et les simulations statiques et dynamiques seront mises en oeuvre à l'aide du logiciel. Ce processus peut être répété itérativement jusqu'à ce que l'ensemble des contraintes simulées par le logiciel soit inférieur à des valeurs prédéterminées. Le logiciel paramétré en fonction de la résection et de la prothèse peut également permettre, en simulant l'application de forces convenables, de vérifier si l'amplitude des différentes possibilités de déplacement relatif des os constitutifs de l'articulation est correctement limitée par la forme de la prothèse compte tenu de l'état de l'environnement anatomique de l'articulation. 1 1 /f17 f^)f)A7 A la fin de la mise en oeuvre du procédé, le chirurgien dispose donc de données sous forme numérique qui définissent la forme de l'élément de prothèse et la forme de la résection. La première série de données permettra la fabrication de l'élément de prothèse spécialement adapté à l'anatomie du patient. La deuxième série de données permettra, de préférence, de commander un télémanipulateur équipé des instruments chirurgicaux convenables pour réaliser la résection. II /A^)I)rn7 REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'un élément de prothèse articulaire pour un patient déterminé, ledit élément de prothèse étant destiné à être mis en place dans une résection réalisée dans la tête d'un des os de l'articulation, ledit élément de prothèse comprenant une surface de fixation au contact de l'os et une surface de contact, au contact de l'autre élément de prothèse de l'articulation, ledit procédé se caractérisant en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - définition de la forme de la résection à réaliser et des surfaces de contact et de fixation de l'élément de prothèse à partir de prises d'images de l'articulation du patient ; par quoi on obtient une forme initiale de résection et une forme initiale d'élément de prothèse ; - fourniture d'un modèle mathématique paramétrable de simulation du fonctionnement dynamique et statique de l'articulation considérée ; - personnalisation dudit modèle mathématique à partir d'informations spécifiques à l'articulation du patient, par quoi on obtient un modèle personnalisé ; - paramétrage du modèle mathématique personnalisé avec les caractéristiques de la forme initiale de résection et de la forme initiale de l'élément de prothèse, par quoi on obtient un modèle initial ; - simulation en dynamique et statique de l'articulation avec le modèle initial ; - comparaison des contraintes appliquées à l'élément de prothèse à des valeurs prédéterminées ; - si au moins certaines des contraintes sont supérieures aux contraintes prédéterminées ; 1) modification d'au moins certains des paramètres de 30 définition de la résection et de l'élément de prothèse, par quoi on obtient un modèle modifié ; 2) contrôle des niveaux de contraintes dans la simulation du modèle modifié. - Itération des étapes 1) et 2) jusqu'à obtention de contraintes 35 inférieures à des contraintes prédéterminées. 11 /A7/7AA72. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour définir la surface initiale de résection à réaliser et les surfaces initiales de fixation et de contact de l'élément de prothèse, on réalise les étapes suivantes : a) prises d'images de l'articulation du patient pour laquelle on veut réaliser l'élément de prothèse, les images étant représentatives de la géométrie et des "matériaux" de l'articulation ; b) calibration d'un processus de traitement des images à partir d'un témoin représentatif des différents matériaux de l'articulation ; c) traitement par seuillage des images correspondant à différents plans de coupe à l'aide des résultats de la calibration ; d) définition de la surface initiale de contact de l'élément de prothèse à partir des résultats du seuillage ; e) définition de la surface initiale de résection et de la surface initiale de fixation de l'élément de prothèse à partir de la surface initiale de contact de l'élément de prothèse et des résultats du seuillage. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les images prises sont prises par scanner. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les 20 images prises sont prises par IRM. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ledit témoin est constitué par plusieurs matériaux dont les images sont respectivement sensiblement les mêmes que celles des matériaux constituant l'articulation. 25 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la distance entre la partie initiale de la surface initiale de contact et la partie initiale de la surface initiale de fixation est au moins égale à 8 mm. 1 1 In -i /')(V17