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Modèle d’implant imprimé en 3D pour pectus excavatum - Par : Linh-Aurore Le Bras, Anatolie Timercan, Alain Danino, Vladimir Brailovski,

Modèle d’implant imprimé en 3D pour pectus excavatum


Linh-Aurore Le Bras
Linh-Aurore Le Bras Profil de l'auteur(e)
Linh-Aurore Le Bras est diplômée de l’INSA Rennes en spécialité génie mécanique et automatique et étudiante à la maîtrise à l'ÉTS.
Programme : Génie mécanique 

Anatolie Timercan
Anatolie Timercan Profil de l'auteur(e)
Anatolie Timercan est étudiant au doctorat au Laboratoire sur les alliages à mémoire et systèmes intelligents (LAMSI) de l’ÉTS.
Programme : Génie mécanique 

Alain Danino
Alain Danino est chef du service de chirurgie plastique du CHUM et professeur titulaire à l’Université de Montréal.
Programme : Génie mécanique 

Vladimir Brailovski
Vladimir Brailovski Profil de l'auteur(e)
Vladimir Brailovski est professeur titulaire et directeur de laboratoire au Département de génie mécanique de l’ÉTS. Il est spécialiste en conception et en fabrication de dispositifs en alliages à mémoire de forme et en fabrication additive.
Programme : Génie mécanique 

Homme souffrant d’un pectus excavatum

Achetée sur Istock.com. Droits d’auteur.

RÉSUMÉ:

Une collaboration a été établie entre le Laboratoire sur les alliages à mémoire et systèmes intelligents (LAMSI) de l’ÉTS et le Centre de chirurgie plastique de L’Île-des-Sœurs pour concevoir un implant personnalisé de correction du pectus excavatum en utilisant la tomographie à rayons X de la cage thoracique du patient et pour le produire en utilisant la technologie de l’impression 3D. Le pectus excavatum est une anomalie congénitale du thorax qui peut être corrigée par chirurgie plastique par la pose d’un implant en silicone sous la peau. Le degré de gravité de la déformation peut être caractérisé par des indices morphologiques, calculés à partir de l’anatomie du patient. Le suivi d’un cas clinique a été effectué afin de présenter la méthode de conception et de fabrication du modèle imprimé en 3D qui permettra la fabrication du moule utilisé pour moulage de l’implant en silicone.

Le pectus excavatum

Le pectus excavatum, aussi appelé thorax en entonnoir, est une malformation congénitale du thorax qui affecte de 1:300 à 1:1000 personnes. Cette malformation peut rarement compromettre la fonction des poumons et/ou du cœur, mais provoque le plus souvent une gêne esthétique. Cette gêne est très importante dans la majorité des cas, provoquant une diminution de l’estime de soi des personnes atteintes et peut être soulagée par une intervention chirurgicale de correction de la déformation du thorax. L’intervention peut être de grande envergure, modifiant la géométrie de la cage thoracique, ou simplifiée, modifiant seulement l’esthétique du patient à l’aide d’un implant en silicone, sous forme de pièce de marqueterie sur la cage thoracique.

Conception d’un implant pour corriger le pectus excavatum 

Les traitements les plus courants du pectus excavatum sont les opérations de Ravitch et de Nuss, qui réparent la cage thoracique à l’aide d’instrumentations métalliques [1]. Dans les cas où cette déformation n’affecte pas la fonction respiratoire ou cardiaque, l’implantation sous-cutanée d’une prothèse en silicone peut être employée à des fins purement esthétiques. La méthode la plus fréquente de fabrication d’implants de correction implique le moulage en silicone dans un moule construit à partir d’une empreinte obtenue au niveau cutané [2, 3]. Cette technique ne permet pas d’offrir le niveau de détail requis pour une correction adéquate et comporte un risque de déplacement de l’implant après l’opération. Grâce aux avancées dans le domaine de l’imagerie et des logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO), il devient possible de concevoir les implants en se basant sur la géométrie exacte de la cage thoracique du patient prélevée à partir d’un tomodensitogramme (aussi appelé tomographie à rayons X ou CT scan). 

Les implants conçus à partir de ce type d’image représentent plus fidèlement la malformation et doivent donc offrir une correction plus adéquate et une implantation simplifiée. Par contre, il n’existe pas de méthode de conception objective permettant d’atteindre des standards esthétiques normaux à partir d’images scannées. Dans le but de fabriquer un implant qui corrigera adéquatement la déformation du thorax, il paraît pertinent de se baser sur le calcul des indices appelés « morphologiques » qui reflètent l’anatomie du thorax du patient.

Ces indices morphologiques permettent de diagnostiquer et de jauger la gravité du pectus excavatum. Ils reposent sur des calculs de rapports de longueurs au niveau de la plus grande distance latéro-latérale de la cage thoracique. Trois indices en particulier peuvent être calculés : l’indice anthropométrique (IA), l’indice de Haller et le low vertebral index (LVI) [4].

Dans le cadre de cette étude de cas, un patient de la clinique a subi une analyse par tomodensitométrie (CT) et les données ont été transmises à l’équipe du LAMSI pour l’analyse et la conception du modèle de l’implant en silicone qui sera implanté lors de l’intervention de chirurgie plastique. L’étude des images montre bien l’enfoncement de la cage thoracique (Figure 1a, b, c).

scan CT du thorax, pectus excavatum

Pectus excavatum, vues transverse et frontales

Figure 1 : a) Vue de section du thorax du patient à partir du tomodensitogramme (en blanc les os et en gris les tissus mous); b) Vue transverse de la déformation ; c) Vue frontale de la déformation

Les mesures utilisées pour calculer l’IA sont présentées à la Figure 2 a; celles pour l’indice d’Haller, à la Figure 2 b; et celles pour l’indice LVI, à la Figure 2 c. L’indice anthropométrique est basé sur le rapport entre la profondeur du pectus excavatum (62,29 mm) et la distance maximale antéro-postérieure du thorax (216,80 mm). L’indice d’Haller se base sur le rapport entre la distance latéro-latérale maximale (285,15 mm) et la plus courte distance anteropostérieure (30,67 mm). L’indice LVI correspond au rapport entre le diamètre du bord sagittal vertébral au bord postérieur vertébral (63,52 mm) et le diamètre du bord postérieur du sternum au bord postérieur vertébral (98,90 mm) [4]. 

Les trois indices permettent d’établir que le cas présente bien un pectus excavatum selon la littérature (Tableau 1). La conception d’un modèle qui sera imprimé en 3D pour le moulage d’un implant en silicone est alors justifiée (voir la section suivante).

mesure de l’indice anthropométrique avant implantation mesure de l’indice d’Haller avant implantation

mesure low vertebral index avant implantation

Figure 2 : Mesures d’indices morphologiques avant implantation : a) IA; b) Indice de Haller; c) indice du LVI

Tableau 1 : Indices morphologiques du patient avant la pose de l’implant et indices morphologiques dits normaux [4]

comparaison entre les indices morphologiques pour le diagnostic du pectus excavatum

Conception de l’implant

La conception de l’implant se réalise sur le logiciel d’imagerie médicale Mimics (Materialise). Une première phase est dédiée à la reconstruction de la cage thoracique, puis une seconde à la conception de l’implant.

Il est nécessaire de reconstruire la cage thoracique puisque le logiciel fonctionne par seuillage : il affiche des objets segmentés qui correspondent à un ensemble de valeurs de pixels de même intensité. Les pixels associés à la cage thoracique sont censés avoir la même intensité puisqu’ils représentent des os d’une même densité. Cependant, il arrive qu’en fonction de la qualité des images et de leur importation sur le logiciel, la qualité d’image soit altérée (Figure 3).

images de la cage thoracique obtenue par seuillage et reconstruction numérique

Figure 3 : a) Cage thoracique non reconstruite; b) Cage thoracique reconstruite.

Cette phase est essentielle pour entamer la phase de conception de l’implant, car, lors de l’opération, l’implant sera directement posé sur la cage thoracique, puis les muscles incisés pour accéder à la cage thoracique reposeront sur l’implant. La modélisation de la cage thoracique doit donc être la plus fidèle possible pour garantir une compatibilité de forme avec l’implant.

L’implant est conçu couche par couche afin d’épouser au mieux la forme de la cage thoracique déformée. La mesure de la Figure 4 rend compte de l’épaisseur de l’implant (en vert) qui permettra de combler la différence de profondeur entre les deux entités de la cage thoracique à cette hauteur de la cage.

image de l’implant surperposée au scan CT

Figure 4 : Conception de l’implant

L’opération est répétée plusieurs fois, un volume est ensuite généré à partir des différentes couches. La forme de la cage thoracique apparaît volontairement sur la pièce (Figure 5) pour assurer la bonne tenue de l’implant en silicone sur la cage. Des détails sont ajoutés à l’implant afin de faciliter son positionnement par le chirurgien lors de l’opération : une rainure centrée sur le sternum pour aligner l’implant ainsi qu’une mesure de la distance entre le haut du sternum et le haut de l’implant est communiquée (Figure 6).

Image de l’implant final, vues de face et de côté

Figure 5 : Rendu de l’implant final et ses dimensions

Image de l’implant surperposée sur la cage thoracique, vues de face, inclinée et de haut

Figure 6 : Alignement de l’implant sur la cage thoracique et distance sternum-implant

Le modèle de l’mplant étant conçu, les indices morphologiques sont recalculés afin d’évaluer la correction de la déformation. Les nouvelles mesures liées à l’implant (Figure 7) permettent d’évaluer les nouveaux indices et de conclure que le patient avec l’implant ne présente plus de pectus excavatum, selon les valeurs de l’indice anthropométrique (IA) et de celui de Haller (Tableau 2). Seul l’indice LVI ne rentre pas dans l’intervalle des mesures dites normales (Tableau 2) puisque cet indice est basé sur la position des os qui reste inchangée avec la pose de l’implant.

mesure de l’indice anthropométrique après implantation mesure de l’indice d’Haller après implantation

mesure low vertebral index après implantation

Figure 7 : Mesures des indices morphologiques après implantation (projection) : a) IA; b) indice de Haller; c) indice du LVI

Tableau 2: Indices morphologiques du patient après la pose de l’implant (projection)

comparaison entre les indices morphologiques du pectus excavatum après la pose d’un implant

Préparation pour la fabrication et impression

Le modèle conçu est ensuite imprimé en 3D (Figure 8) sur un système Fortus 250mc (Stratasys) suivant le principe de dépôt de filament fondu. Les paramètres d’impression : l’orientation de la pièce (en vert, Figure 8), les supports (en orange, Figure 8) sont contrôlés avec le logiciel GrabCAD (Stratasys). La phase de finition de la pièce imprimée (Figure 9) fait intervenir du sablage pour lisser les surfaces et les rendre plus homogènes. La pièce conçue est ensuite utilisée pour fabriquer le moule de l’implant en silicone.

imprimante 3D

Figure 8 : Imprimante 3D et simulation d’impression avec supports

implant imprimé vues de face et de côté

Figure 9 : Modèle de l’implant imprimé en 3D

Étude clinique

Puisque la méthodologie n’est pas homologuée, il est nécessaire d’avoir l’approbation de Santé Canada au cas par cas. Ce cas d’étude a fait l’objet d’une telle demande et a permis à un patient de corriger son pectus excavatum grâce à la conception et à la fabrication d’un implant personnalisé. Des photos avant la chirurgie et après la chirurgie permettent de rendre compte de la nette amélioration de l’aspect esthétique de la cage thoracique du patient (Figure 10).

photo du patient avant et après implantation

Figure 10 : a) Photo du patient avant la pose de l’implant ; b) Photo du patient avec le modèle de l’implant; c) Photo du patient après la pose de l’implant

Linh-Aurore Le Bras

Profil de l'auteur(e)

Linh-Aurore Le Bras est diplômée de l’INSA Rennes en spécialité génie mécanique et automatique et étudiante à la maîtrise à l'ÉTS.

Programme : Génie mécanique 

Laboratoires de recherche : LAMSI – Laboratoire sur les alliages à mémoire et les systèmes intelligents 

Profil de l'auteur(e)

Anatolie Timercan

Profil de l'auteur(e)

Anatolie Timercan est étudiant au doctorat au Laboratoire sur les alliages à mémoire et systèmes intelligents (LAMSI) de l’ÉTS.

Programme : Génie mécanique 

Chaire de recherche : Chaire de recherche ÉTS sur l'ingénierie des procédés, des matériaux et des structures pour la fabrication additive 

Laboratoires de recherche : LAMSI – Laboratoire sur les alliages à mémoire et les systèmes intelligents 

Profil de l'auteur(e)

Alain Danino

Profil de l'auteur(e)

Alain Danino est chef du service de chirurgie plastique du CHUM et professeur titulaire à l’Université de Montréal.

Programme : Génie mécanique 

Laboratoires de recherche : LAMSI – Laboratoire sur les alliages à mémoire et les systèmes intelligents 

Profil de l'auteur(e)

Vladimir Brailovski

Profil de l'auteur(e)

Vladimir Brailovski est professeur titulaire et directeur de laboratoire au Département de génie mécanique de l’ÉTS. Il est spécialiste en conception et en fabrication de dispositifs en alliages à mémoire de forme et en fabrication additive.

Programme : Génie mécanique 

Chaire de recherche : Chaire de recherche ÉTS sur l'ingénierie des procédés, des matériaux et des structures pour la fabrication additive 

Laboratoires de recherche : LAMSI – Laboratoire sur les alliages à mémoire et les systèmes intelligents 

Profil de l'auteur(e)