Brevet FR3054691A1 — publié le 20180202

PROCEDE DE CONCEPTION ET DE FABRICATION D'UN APPAREILLAGE PERSONNALISE DONT LA FORME EST ADAPTEE A LA MORPHOLOGIE D'UN UTILISATEUR. DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de conception d'un appareillage personnalisé, adapté à la morphologie d'un utilisateur déterminé et à qui l'appareillage est spécifiquement destiné. L'invention concerne aussi un programme d'ordinateur mettant en oeuvre une telle méthode de conception. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel appareillage et un appareillage conçu et/ou fabriqué à l'aide des méthodes exposées. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Dans le cadre de la présente invention, on désigne par « appareillage » tout objet ou dispositif pouvant être disposé en contact intime avec le corps d'un utilisateur. Il peut s'agir par exemple d'un objet ou d'un dispositif dont la fonction impose qu'il épouse la forme de son utilisateur. À titre d'exemple non exhaustif d'un tel objet, il peut s'agir d'une prothèse médicale, telle qu'une prothèse d'articulation comme une prothèse de hanche, d'une orthèse telle qu'une genouillère ou une coudière, ou de tout autre dispositif de sécurité ou de protection du corps tel qu'un casque, une coque de maintien du dos, etc. Pour des raisons médicales, de sécurité ou de confort on cherche à concevoir un tel appareillage pour qu'il s'ajuste au mieux à la morphologie de son utilisateur. 3054691 2 Selon une première méthode connue de conception et de fabrication, on réalise une reproduction matérielle d'une partie du corps de l'utilisateur, par exemple à l'aide d'une maquette en plâtre, en mousse ou en cire qui 5 peut être obtenue directement par moulage. Cette maquette est alors utilisée pour produire l'appareillage personnalisé par déformation d'un matériau, par exemple par thermoformage. Cette approche traditionnelle est longue, coûteuse et ne se prête pas à une fabrication industrielle 10 d'appareillages personnalisés. Des approches plus récentes de conception d'un appareillage personnalisé proposent d'élaborer une description de l'appareillage plutôt que de passer par la 15 fabrication d'une maquette. Cette description peut être interprétée par un dispositif informatique pour en faire une représentation graphique et/ou interprétée par un équipement de fabrication en vue de sa réalisation réelle. La description peut comprendre, à titre d'illustration, la 20 décomposition en éléments finis par maillage 3D des surfaces définissant l'appareillage. Ces approches récentes de conception peuvent également se fonder sur une description de la morphologie 25 de l'utilisateur. Cette description, similairement à celle de l'appareillage, peut comprendre un maillage 3D des surfaces définissant la morphologie. Alternativement, ou en complément, la description peut comprendre une image volumique (image composée de voxels) issue par exemple d'un 30 dispositif de mesures telles qu'une I.R.M., un scanner à rayon X pour tomographie axiale calculée par ordinateur, ou d'un dispositif de mesure par ultrasons. Alternativement encore la description peut comprendre une pluralité d'images 2D (image composée de pixels) prises sous des 3054691 3 angles différents, par exemple en rayons X, permettant de recomposer la morphologie d'utilisateurs. Ainsi, selon une méthode connue de conception d'un 5 appareillage personnalisé, on élabore une description de l'appareillage personnalisé en combinant une première partie extraite de la description de la morphologie de l'utilisateur et une seconde partie correspondant à une description figée de l'appareillage. La première partie 10 correspond à la surface de l'appareillage qui est en contact avec une zone du corps de l'utilisateur, et on définit sa forme en se conformant à la morphologie de l'utilisateur en cette zone. La seconde partie correspond à une portion de l'appareillage qui n'est pas en contact avec 15 l'utilisateur, par exemple les surfaces extérieures de l'appareillage, et qui donc ne doit pas nécessairement être personnalisée. La combinaison de ces deux parties, extraites 20 chacune d'une source différente, n'est pas aisée. En particulier, ces deux parties ne se raccordent généralement pas parfaitement, ce qui nécessite une édition manuelle de la description de l'appareillage à l'aide d'un outil informatique dédié. Cette édition qui vise à rendre l'objet 25 fabricable et gomme ses imperfections est manuelle, ce qui rend cette méthode de conception imparfaite, car complexe et souvent coûteuse. 30 OBJET DE L'INVENTION La présente invention vise à pallier tout ou partie des inconvénients précités. Elle vise notamment à fournir une méthode de conception et/ou de fabrication d'un 35 appareillage personnalisé qui limite, voire qui élimine, le 3054691 4 besoin d'éditer manuellement la description de l'appareillage. 5 BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION En vue de la réalisation de l'un au moins de ces buts, l'objet de l'invention propose, selon un premier aspect, un procédé de conception d'un appareillage personnalisé 10 dont la forme est adaptée à la morphologie d'un utilisateur déterminé. Le procédé de conception comprend les étapes suivantes : obtenir une description d'un appareillage générique dont la forme est adaptée à une morphologie générique ; 15 obtenir une description de la morphologie générique et la description de la morphologie de l'utilisateur déterminé ; traiter les descriptions de la morphologie générique et de la morphologie de l'utilisateur déterminé pour 20 identifier une transformation géométrique mettant en correspondance la morphologie générique et la morphologie de l'utilisateur déterminé ; appliquer la transformation géométrique à la description de l'appareillage générique pour établir la 25 description de l'appareillage personnalisé. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toute 30 combinaison techniquement réalisable : le procédé comporte une étape préalable de mesures pour établir la description de la morphologie de l'utilisateur déterminé. 35 3054691 5 - les descriptions comprennent au moins une description à l'aide d'un langage de description 3D d'objets, d'un maillage 3D, d'une image volumique, ou d'une pluralité d'images 2D. 5 - la description de l'appareillage générique est associée à une information locale de rigidité de l'appareillage générique pour moduler localement l'application de la transformation géométrique lors 10 de l'étape d'application. Selon un autre aspect, l'objet de l'invention propose un programme d'ordinateur comprenant des instructions adaptées à la mise en oeuvre de chacune des étapes du 15 procédé de conception, lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur. Selon encore un autre aspect, l'objet de l'invention propose un procédé de fabrication d'un appareillage 20 personnalisé comprenant : - la fourniture d'une description de l'appareillage personnalisée obtenue par la méthode de conception proposée ; - la réalisation de l'appareillage personnalisé à partir 25 de sa description. La réalisation de l'appareillage personnalisé peut être obtenue par fabrication additive. 30 Enfin, l'objet de l'invention propose également l'appareillage personnalisé obtenu par ce procédé de fabrication. 35 3054691 6 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va 5 suivre en référence à la figure 1 qui représente schématiquement les étapes composant une méthode conforme à l'invention. 10 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de conception d'un appareillage personnalisé, c'est-à-dire un appareillage dans la forme est adaptée à la 15 morphologie d'un utilisateur déterminé. La conception de l'appareillage vise à établir une description de cet objet, suffisante, selon le besoin, pour en permettre sa représentation par exemple sous une forme 20 graphique à l'aide de moyens de traitement et de visualisation informatique ou pour en permettre sa fabrication. L'invention n'est pas limitée à une forme 25 particulière de description de l'appareillage et/ou de la morphologie d'un utilisateur : ces descriptions peuvent être formées à l'aide d'un langage de description d'objets (du type VRML). Elles peuvent être également formées par décomposition en éléments finis (maillage 3D) des surfaces 30 qui les définissent. Elles peuvent être aussi décrites par une image volumique, i.e. composée de points, appelés « voxels », repérés dans un espace à trois dimensions et associées à au moins une valeur numérique qui peut représenter un niveau de gris ou une couleur. Les 35 descriptions d'un appareillage ou d'une morphologie peuvent 3054691 7 être également formées par une pluralité d'images 2D (composés de « pixels ») permettant de recomposer l'objet décrit dans son volume. 5 Une description d'un appareillage ou d'une morphologie peut être hybride, c'est-à-dire combiner différentes formes de description comme celles qui viennent d'être présentées. Ces différentes formes peuvent porter sur des parties identiques ou complémentaires de l'objet 10 décrit. Quel que soit la où les formes choisie(s) pour décrire un objet, sa description peut être matérialisée par un fichier informatique contenant les éléments de langage 15 et/ou les pixels, voxels, et/ou les points de maillage qui la constituent. Pour concevoir l'appareillage personnalisé, la présente invention repose sur la disponibilité d'une 20 description d'un appareillage générique. L'appareillage générique présente une forme adaptée à une morphologie générique d'un utilisateur. Cette morphologie générique fait elle-même l'objet d'une description, désignée dans la présente demande comme la « description de la morphologie 25 générique ». Par « morphologie générique », on désigne une morphologie représentative d'une classe d'utilisateurs. Une seule morphologie générique ainsi que sa description peut 30 être disponible, et cette morphologie peut alors constituer morphologie moyenne et simplifiée d'un corps humain. Alternativement, une pluralité de morphologies génériques (et leurs descriptions) peuvent être disponibles, par exemple une morphologie générique masculine et une 35 morphologie générique féminine. Dans tous les cas, une 3054691 8 morphologie générique et sa description forment une version représentative, bien que simplifiée, de la classe d'utilisateurs qu'elle représente. On note qu'il n'est pas nécessaire que la description de la morphologie générique 5 représente un corps humain dans son entier. Il peut s'agir de la partie de ce corps la plus pertinente vis-à-vis de l'appareillage considéré. A une morphologie générique, et à sa représentation 10 est associé un descriptif d'un appareillage générique. L'appareillage générique est précisément adapté à la morphologie générique, c'est-à-dire que les surfaces qui sont appelées, par leurs fonctions, à entrer en contact avec l'utilisateur épousent la morphologie générique. 15 La morphologie générique étant généralement une représentation simplifiée d'une morphologie réelle, on comprend qu'il est relativement aisé d'établir la description de cet appareillage générique. 20 Pour concevoir l'appareillage personnalisé, l'invention repose également sur la disponibilité d'une description de la morphologie de l'utilisateur déterminé à qui l'appareillage personnalisé est destiné. 25 Comme on l'a vu, cette description peut prendre des formes multiples et hybrides, mais avantageusement la description est issue d'un système de mesure du type I.R.M., ou issue d'un scanneur à rayon X pour tomographie 30 axiale calculée par ordinateur, ou encore issue d'un dispositif de mesure par ultrasons. Ces moyens permettent d'établir très directement une image volumique de la morphologie de l'utilisateur. Alternativement, la description peut être issue d'un système de mesure 35 permettant d'établir une pluralité d'images 2D de 3054691 9 l'utilisateur. Il peut s'agit d'un dispositif à base de rayons X. Dans une autre alternative encore, la description peut être issue d'un système de mesure de la surface de la peau. Il peut s'agir d'une caméra de profondeur ou d'un 5 balayage laser. Il n'est pas nécessaire que la description de la morphologie de l'utilisateur déterminé soit une description complète du corps de cet utilisateur, et seule la partie de 10 son corps la plus pertinente vis-à-vis de l'appareillage à concevoir peut-être suffisant. La figure 1 représente schématiquement les étapes composant une méthode conforme à l'invention. La méthode 15 comprend une première succession d'étapes consistant, sans qu'aucun ordre précis soit imposé, à obtenir la représentation d'un appareillage générique dont la forme est adaptée à une morphologie générique ; à obtenir une description de cette morphologie générique, et à obtenir la 20 description de la morphologie de l'utilisateur déterminé. Les descriptions de l'appareillage générique et de la morphologie générique peuvent être issues d'une, et choisies dans, une bibliothèque préalablement constituée. Dans le cas où l'on ne dispose pas d'une description de la 25 morphologie de l'utilisateur déterminé, cette succession d'étapes peut comprendre ou être précédée d'une étape visant à établir cette représentation. Il peut s'agir par exemple, mais non exclusivement, d'une des techniques de mesure qui ont été présentées précédemment. 30 Dans une étape suivante, le procédé conforme à l'invention comprend une étape de traitement de la description de la morphologie générique et de la description de la morphologie de l'utilisateur déterminé. 35 Ce traitement vise à identifier la transformation 3054691 10 géométrique mettant en correspondance la morphologie générique et la morphologie de l'utilisateur déterminé. Ces traitements sont bien connus de la personne du 5 métier. On pourra par exemple se référer aux articles de revue de Audette, M. A., Ferrie, F. P., & Peters, T. M. (2000) « An algorithmic overview of surface registration techniques for medical imaging », Medical image analysis, 4(3), 201-217 ou de Van Kaick, O., Zhang, H., Hamarneh, G., 10 & Cohen-Or, D. (2011, September) « A survey on shape correspondence » In Computer Graphics Forum (Vol. 30, No. 6, pp. 1681-1707), Blackwell Publishing Ltd pour avoir un panorama complet des algorithmes et des techniques existantes qui peuvent s'appliquer. 15 D'une manière très générale, ce traitement revient à déterminer la transformation qui met au mieux en correspondance des éléments définissant une première description d'un objet dans une première disposition aux 20 éléments définissant une seconde description de cet objet dans une seconde disposition. Ce traitement se pose généralement comme un problème d'optimisation dont la résolution met en oeuvre des techniques connues de minimisation d'une fonction, par exemple dérivée d'une 25 méthode de gradient. La présente invention met à profit les algorithmes connus de mise en correspondance de description d'objet pour identifier la transformation géométrique mettant en correspondance la morphologie générique et la morphologie de l'utilisateur déterminé. 30 Cette transformation géométrique peut être indifféremment celle appliquée à la représentation de la morphologie générique pour obtenir la morphologie de l'utilisateur déterminé. Inversement, il peut s'agir de 35 celle appliquée à la description de la morphologie de 3054691 11 l'utilisateur déterminé pour obtenir une morphologie correspondant au mieux à celle de la morphologie générique. Dans ce dernier cas on prend grand soin d'inverser la transformation géométrique avant de l'appliquer 5 conformément à l'étape suivante du procédé de conception dont la description suit. La transformation géométrique peut être déterminée sous la forme d'une combinaison de translation, rotation, 10 homothétie, etc. ... Plus généralement, la transformation géométrique peut prendre la forme d'un champ de déformation associant par exemple un point de l'espace de départ à un point de 15 l'espace d'arrivé ; ou associant un déplacement à appliquer selon les directions X, Y et Z à un point de l'espace de départ pour déterminer le point de l'espace d'arrivée. 20 Dans une étape suivante du procédé selon l'invention, on applique la transformation géométrique identifiée à la description de l'appareillage générique pour établir la description de l'appareillage personnalisé. 25 En appliquant la même transformation à la description de l'appareillage générique que celles mettant en correspondance la morphologie générique et la morphologie d'un utilisateur déterminé, on s'assure de l'adaptation de l'appareillage personnalisé à la 30 morphologie de l'utilisateur déterminé. Comme sa transformation s'applique à l'appareillage dans son ensemble, il n'est pas nécessaire de combiner plusieurs parties entre elles pour former la description de l'appareillage personnalisé. On limite ainsi, voire on 3054691 12 élimine, le besoin d'éditer manuellement la description de l'appareillage personnalisé. Selon un mode de mise en oeuvre particulièrement 5 avantageux, la description de l'appareillage générique est associée à une information locale de rigidité. Cette information vient préciser quelles zone de l'appareillage générique peuvent être transformées ou déformées librement, celles qui doivent être non transformées ou déformées, ou 10 celles qui doivent subir un moindre degré de transformation ou de déformation. On peut de la sorte moduler localement l'application de la transformation géométrique sur l'appareillage générique. Cela peut présenter l'avantage de préserver, dans l'appareillage adapté, des portions qui 15 n'ont pas subi pleinement la transformation géométrique et qui peuvent donc préserver, au moins en partie, leur géométrie originelle. Il peut s'agir de portions fonctionnelles de l'appareillage, par exemple une articulation, qu'une transformation mal contrôlée pourrait 20 rendre inopérante. À l'issue de la mise en oeuvre du procédé de conception qui vient d'être présentée, on dispose donc d'une description de l'appareillage adapté. Cette 25 description, notamment lorsqu'elle prend la forme d'un fichier informatique, peut être utilisée en tant que telle par des dispositifs de traitement et/ou de visualisation, par exemple pour constituer des objets intégrés dans une séquence animée. 30 Le procédé de conception selon l'invention a pour vocation d'être mis en oeuvre par un ordinateur, par l'intermédiaire d'un programme d'ordinateur constitué d'instructions adaptées pour mettre en oeuvre au moins 35 chacune des étapes de ce procédé. 3054691 13 Selon un autre aspect de l'invention, la description de l'appareillage personnalisé est utilisée pour réaliser l'appareillage personnalisé en tant que tel, 5 afin qu'il puisse équiper l'utilisateur déterminé. L'invention concerne donc, selon cet autre aspect, une méthode de fabrication d'un appareillage personnalisé. Elle concerne également l'appareillage personnalisé obtenu par ce procédé. 10 Avantageusement, l'appareillage personnalisé est réalisé par fabrication additive, particulièrement bien adapté à la fabrication d'un objet en exemplaire unique, comme c'est bien le cas pour un appareillage personnalisé à 15 son utilisateur. REVENDICATIONS1. Procédé de conception d'un appareillage personnalisé dont la forme est adaptée à la morphologie d'un utilisateur déterminé, le procédé comprenant les étapes suivantes : - obtenir une description d'un appareillage générique dont la forme est adaptée à une morphologie générique - obtenir une description de la morphologie générique et la description de la morphologie de l'utilisateur déterminé ; - traiter les descriptions de la morphologie générique et de la morphologie de l'utilisateur déterminé pour identifier une transformation géométrique mettant en correspondance la morphologie générique et la morphologie de l'utilisateur déterminé ; - appliquer la transformation géométrique à la description de l'appareillage générique pour établir la description de l'appareillage personnalisé. 2. Procédé de conception selon la revendication précédente comprenant une étape préalable de mesures pour établir la description de la morphologie de l'utilisateur déterminé. 3. Procédé de conception selon l'une de revendications précédentes dans lequel les descriptions comprennent au moins une description à l'aide d'un langage de description 3D d'objets, d'un maillage 3D, d'une image volumique, ou d'une pluralité d'images 2D. 4. Procédé de conception selon l'une des revendications précédentes dans lequel la description de 3054691 15 l'appareillage générique est associée à une information locale de rigidité de l'appareillage générique pour moduler localement l'appliCation de la transformation géométrique lors dé l'étape 5 d'application. 5. Procédé de fabrication d'un appareillage personnalisé comprenant : - la fourniture d'une description de l'appareillage 10 personnalisé obtenue par le procédé de conception selon l'une des revendications précédentes ; - la réalisation de l'appareillage personnalisé à partir de sa description. 15 6. Procédé de fabrication selon la revendication précédente dans lequel l'appareillage personnalisé est réalisé par fabrication additive. 7. Programme d'ordinateur comprenant des instructions 20 adaptées à la mise en oeuvre de chacune des étapes du procédé de conception selon l'une des revendications 1 à 5, lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur.