Procédé digitalisé et fabrication individualisée d'interface homme - dispositif orthopédique – IMPRINT

Toute la chaîne de conception et fabrication de ces dispositifs d'interface sera étudiée, modifiée, optimisée, pour atteindre l'objectif visé: conception numérique et fabrication additive. La recherche portera sur les capteurs d'acquisition de la géométrie et mesures de pressions d'interface; le développement d'un logiciel dédié aux orthoprothésistes pour concevoir l'emboiture intégrant toute la démarche classique sur-mesure; les tests de matériaux et procédés qui répondent aux contraintes mécaniques et environnementales.

Des pièces-étalon spécifiques ont été développées pour évaluer les outils de scan. Des logiciels ont été programmés afin de concevoir géométriquement des emboitures, transtibiale puis transfémorale.

Les composants de connexion avec le reste de la prothèse ont été conçus, validés mécaniquement par modélisation éléments finis (EF) puis sur banc de test.

Du côté de la modélisation biomécanique, un modèle EF de membre résiduel (MR) transtibial a été créé, sa géométrie personnalisée reposant sur des radiographies EOS, les propriétés des tissus extraits d’essais d'indentation et les conditions de chargement basées sur des résultats d'analyses du mouvement. La mesure de pressions d’interface a été rendue possible par l’intégration de capteurs à jauges de déformation directement dans la paroi de l'emboiture.

Un logiciel dédié a été développé, qui reprend les étapes de fabrication classiques. A partir d'un scan et de données cliniques, il permet aux orthoprothésistes de concevoir l'emboiture: position des zones de rectification, définition des modifications de volumes, des alignements, des lignes de découpe; choix des composants de connexion. En fin de conception, le procédé de fabrication est choisi; l'option "impression 3D" est proposée, où le design est optimisé pour être fabriqué via ce procédé.

Une nouvelle imprimante répond à nos besoins de procédé de fabrication : elle permet d’imprimer un matériau 100% recyclable, aux caractéristiques mécaniques satisfaisantes pour l’usage attendu, avec une grande liberté de personnalisation des paramètres.

Des premières expérimentations ont été réalisées sur banc de test avec un membre résiduel fictif puis en situation de marche avec des sujets appareillés.

Les modèles éléments finis de membre résiduel, validés pour les deux niveaux d’amputation, seront intégrés au logiciel de conception d’emboitures. L’impact des contractions musculaires sera étudié. Des emboitures imprimées 3D pourraient utiliser de la matière recyclée. D'autres procédés d'impression, plus rapides, devraient être explorés. Enfin, le processus pourra être répliqué sur d'autres types d'interfaces de dispositifs médicaux.

Martinot, P.; Algourdin, P.; Naniche, T.; Rohan, Py.; Bonnet, X.; Pillet, H. Peut-on estimer la géométrie du bassin à partir de marqueurs externes palpés combinée à une déformation d’un modèle générique moyen ? Etude rétrospective sur 58 sujets. Communication orale au congrès national ISPO France. 2022.

Colobert, B.; Carre, V.; Gesbert, J.C.; Trahin, G. Technical assessment of scan solutions. Communication orale au congrès international OT World, Allemagne. 2024.

Matray, M.; Bonnet, X.; Rohan, Py.; Calistri, L.; Pillet, H. Residual limb-socket interface pressure measurement on a roll over simulator using low-cost load cells. Communication orale au congrès international ESB, Ecosse. 2024.

Les prothèses et les orthèses permettent aux personnes souffrant de handicaps physiques ou de limitations fonctionnelles de mener une vie saine, productive, indépendante et digne, et de participer à l'éducation, au marché du travail et à la vie sociale. La conception et la fabrication actuelle des prothèses et des orthèses sont principalement réalisés manuellement à partir de matériaux thermoplastiques sur le plâtre afin de permettre l'adaptation de la géométrie à chaque utilisateur. Ce processus manuel et itératif est nécessaire pour obtenir un transfert mécanique optimal et pour assurer un bon ajustement de l'emboîture. En même temps, le processus dépend fortement de la compétence et de l'expérience de l’orthoprothésiste, ainsi que du retour d'information du patient, sans aucune prédiction quantitative de l'adaptation préalable à la fabrication de l'emboîture. Le processus actuel représente un frein à l'automatisation de la chaîne de fabrication et à l'utilisation de modèles mécaniques pour l'optimisation de la topologie.

Les processus de fabrication additive sont désormais suffisamment murs pour être utilisés afin de créer des dispositifs orthopédiques/médicaux fonctionnels et dans leur état final d'utilisation. Cependant, il reste des défis à relever pour les intégrer dans une procédure entièrement numérisée qui puisse prendre en compte une conception personnalisé. La modélisation biomécanique a été identifiée comme un outil potentiel pour aider les orthoprothésistes dans leur processus de conception. L'intégration d'une telle modélisation dans le processus de fabrication constituerait donc une innovation majeure. Cependant, la validation des modèles est difficile en raison de la grande variabilité à la fois anatomique et des chargements inter et intra-individuelle, y compris la description précise des propriétés des matériaux, des données géométriques, des caractéristiques de chargement et des conditions d'interaction aux interfaces.

Le projet IMPRINT contribuera à lever des verrous scientifiques et technologiques nécessaires pour transformer le marché des prothèses et orthèses grâce à l’intégration des processus numériques dans le processus de conception et de fabrication de ces dispositifs orthopédiques. Pour atteindre cet objectif ambitieux, IMPRINT poursuivra quatre objectifs de recherche : 1/ Développer et évaluer un cadre de modélisation-simulation combinant analyse de la marche, simulations musculo-squelettiques et analyse par éléments finis afin d'étudier l'interaction entre le moignon et l'emboîture et de quantifier l'impact de rectifications virtuelles sur les mesures biomécaniques 2/ Collecter des données expérimentales sur la variabilité inter et intra-individuelle, 3/ Réaliser une analyse paramétrique mixte expérimentale/numérique pour déterminer quels paramètres d'entrée du modèle sont responsables de la variabilité de la sortie du modèle (pression d'interface) 4/ Développer et intégrer une fabrication 100% numérique et sans déchets de toutes les orthèses et prothèses fabriquées par PROTEOR. Cela comprend toutes les tâches nécessaires à une mise en œuvre efficace du cycle de fabrication numérique au sein de clusters d'impression 3D et le développement d'un cadre de conception virtuel permettant d'assister le prothésiste/orthésiste dans son processus de conception, en fournissant une prédiction de l’ajustement avant fabrication.

Ce projet ouvrira la voie à des processus numériques flexibles et centrés sur l'homme pour répondre à la demande de produits innovants, personnalisés et optimisés dans des processus sans déchets. D'un point de vue plus général, le défi sous-jacent abordé par le projet IMPRINT s'étend à toutes les interfaces mécaniques homme-machine.