Le prototypage rapide au service de la chirurgie
   
Le projet PHIDIAS a réuni une PME, une équipe de recherche pluridisciplinaire universitaire et deux géants industriels européens pour adapter à la chirurgie les technologies les plus récentes de fabrication rapide de prototype développées par l'industrie.
Grâce à cette technique, le chirurgien pourra disposer de modèles hautement précis de l'intérieur du corps de son patient, quelques heures à peine après avoir réalisé une tomographie digitalisée par scanner ou par résonance magnétique nucléaire. Les modèles permettent d'améliorer le diagnostic et la préparation des interventions chirurgicales. Ils peuvent aussi être utilisés pour la fabrication d'implants ou de prothèses en chirurgie.
Au premier semestre 1996, la PME dirigeant le projet avait vendu 20 licences dans le monde et ouvert un point de vente aux Etats-Unis, et les deux grandes entreprises avait élargi leur gamme de produits. Ensemble, les trois entreprises ont déposé au moins sept demandes de brevets liés à ce projet.

Depuis les années 1970, les systèmes d'imagerie médicale en 3D, tels que la tomographie digitalisée par scanner, permettent aux chirurgiens de "voir" les organes à l'intérieur du corps humain et d'adapter leur traitement en conséquence. Toutefois, lors de la préparation d'une intervention complexe, un modèle solide de l'organe ou de l'os concerné serait bien plus utile au chirurgien que l'image informatisée affichée sur l'écran du scanner.
Tout d'abord, une telle technologie faciliterait l'interprétation des images fournies par le scanner, fournissant aux chirurgiens des informations plus précises sur ce qui les attend en salle d'opération. De tels modèles solides pourraient également servir à améliorer la communication au sein de l'équipe médicale ainsi qu'entre le médecin et son patient, offrant, en outre, au chirurgien le luxe de pouvoir s'entraîner avant l'intervention.
Jusqu'il y a peu, il n'existait malheureusement aucune possibilité de créer de tels modèles. Cependant, vers la fin des années 1980, on a vu apparaître dans l'industrie une nouvelle technique de fabrication rapide de prototypes (RP - Rapid Prototyping), dont les possibilités offrent des perspectives fascinantes. Lancé dans le cadre de BRITE-EURAM, le projet PHIDIAS a eu pour objectif d'adapter cette technique aux besoins de la chirurgie.

Construction rapide de prototypes

Traditionnellement, l'usinage d'un prototype s'obtient en taillant dans un bloc de matière solide, soit à la fraiseuse mécanique (usinage à la fraiseuse), soit avec des outils manuels. A l'inverse, la technologie RP élabore le prototype en partant "de l'intérieur", et en le construisant par couches successives. Il existe plusieurs variantes de cette technique. L'une d'elles, par exemple, consiste à superposer des couches de papier découpées avec précision. Mais toutes permettent de "transposer" les images informatisées en 3D en modèles solides, en quelques heures à peine.
A l'opposé d'un usinage à la fraiseuse, cette technique permet de créer des objets dotés de cavités internes : par exemple, un crâne avec ses sinus. Comprenant les avantages potentiels de ce procédé pour des applications médicales, la PME belge Materialise NV, s'est équipée en 1990 d'un système de construction de prototypes par stéréophotolithographie. Cet appareil construit chaque couche du prototype en utilisant une résine malléable qui est "cuite", c'est-à-dire solidifiée, au laser.
Après avoir confirmé la faisabilité de ce principe de base, Materialise lança en 1993 le projet PHIDIAS, en s'associant avec Siemens Medical Systems, le plus grand producteur européen de scanners médicaux, Zeneca, un fournisseur de résines stéréolithographiques à l'échelle mondiale, et le groupe pluridisciplinaire de recherche en imagerie médicale de la Katholieke Universiteit Leuven (KUL), en Belgique.
L'une des premières étapes consistant à définir les attentes des chirurgiens en matière de prototype, la KUL a mené une étude auprès de 30 spécialistes en Europe et aux Etats-Unis. Comme prévu, si certaines exigences étaient universelles (résines non toxiques, degré raisonnable de précision, solidité), d'autres demandes variaient selon la spécialité : précision de l'ordre de la fraction de millimètre pour la chirurgie dentaire, disponibilité du modèle dans les 12 heures pour les interventions urgentes de chirurgie crânienne ou spinale, etc.

Résolution et précision accrues

Le projet s'est doté d'une structure simple, où chacun des partenaires assumait la responsabilité d'une des étapes du processus. Siemens s'est concentré sur la qualité des données, l'élaboration de modèles solides exigeant une résolution et une précision nettement supérieures à celles fournies par les images médicales habituelles.
Le choix s'est porté sur un procédé de tomographie "en spirale", qui consiste à déplacer le scanner autour du patient d'un mouvement continu, en suivant le tracé d'une spirale. Contrairement à une tomographie traditionnelle, pour laquelle le patient doit rester allongé et immobile pendant près de 20 minutes, cette technique permet d'obtenir une image en une trentaine de secondes, ce qui réduit sensiblement les imprécisions dues aux mouvements du patient.
L'inconvénient, par rapport aux tomographies classiques, réside dans la nécessité de soumettre les données ainsi obtenues à un traitement fastidieux pour les transformer en une série d'images en 2D, dont chacune est le reflet d'une mince "tranche" de l'organe analysé. Siemens a donc développé une série de techniques mathématiques pour combler les lacunes des données recueillies.
A l'issue du projet, Siemens avait mis au point des algorithmes extrêmement puissants qui permirent de multiplier par cent la résolution de chaque "tranche" et de reconstituer les points manquants entre chaque tranche, de façon à obtenir les courbes lisses requises par la modélisation médicale. Outre la contribution essentielle que ce travail a apporté au projet, il a également permis d'améliorer toute la gamme des produits Siemens et débouché sur deux nouvelles demandes de brevets.

Un logiciel sophistiqué

Pour sa part, Materialise NV, qui a assuré la coordination du projet et se charge désormais de la commercialisation des résultats, a développé l'outillage logiciel de l'ordinateur de modélisation médicale. Cette station de travail compile les données captées, les affiche à l'écran, assiste le radiologue et le chirurgien dans la sélection des objets (os, muscles et organes internes) à reproduire et prépare les données pour la machine qui effectuera la construction rapide du prototype.
La sélection automatique de la partie du corps à modéliser constituait un défi important pour les chercheurs, et un logiciel spécifique fut développé dans ce but. Grâce à ce programme, le chirurgien peut se borner à sélectionner un unique point de mesure, par exemple un fragment du maxillaire inférieur, l'ordinateur identifiant automatiquement tous les autres points de mesure représentant le maxillaire choisi. Ainsi, la sélection des parties du corps à modéliser peut se faire en quelques minutes, puisqu'elle ne demande plus d'encodage manuel laborieux de centaine de points de mesure différents.
Autre problème : étant donné la forme de nombreuses parties du corps humain, les modèles n'ont pas de base stable pour être posés au moment où ils sont créés par la machine de "prototypage" rapide. Les partenaires ont donc mis au point un logiciel permettant aux utilisateurs de doter les modèles de structures d'appui stables.

D'autres aspects des données

La société Zeneca, qui s'est occupée de la mise au point des résines, a dû relever, à l'instar de Siemens, plusieurs défis techniques posés par la nouvelle application, dont l'absence de toxicité requise par l'utilisation en milieu chirurgical. En outre, presque tous les chirurgiens interrogés dans le cadre de l'enquête de la KUL affirmèrent que les modèles simples en 3D posaient un problème majeur : ils ne permettaient pas de distinguer les différents types de tissus. Pour un chirurgien qui se prépare à exciser une tumeur de la matière osseuse environnante, par exemple, cette distinction est évidemment vitale.
Les partenaires s'inspirèrent des scanners médicaux, qui représentent les os, les cartilages et les autres types de tissus dans des couleurs différentes à l'écran. Mais comment faire pour colorer les modèles de cette façon? Zeneca résolut le problème en étudiant des résines qui, sous l'action d'un rayonnement laser, vont non seulement se solidifier, mais aussi se colorer. La résine non-toxique mise au point par la société prend l'aspect d'une matière solide et transparente lorsqu'elle est irradiée par un rayon laser d'intensité normale, mais prend un ton rouge plus foncé lorsque cette intensité s'accroît. Ainsi, les différents organes ou les tumeurs peuvent être reproduits en rouge et apparaître à travers le modèle transparent. Zeneca a déposé au moins deux demandes de brevet pour ce nouveau produit.

Un succès avéré

La KUL s'est chargée de la validation de la technologie tout au long du projet, en fournissant à plus de 20 chirurgiens des prototypes de modèles qui ont servi pour près de 50 patients différents. Les appréciations fournies par les praticiens sur l'utilité des prototypes ont donné les résultats suivants : dans 6% des cas le recours au prototype a été considéré comme "peu utile", tandis qu'il était jugé "utile" pour 33%, "très utile" pour 40% et "essentiel" pour 21%.
Materialise et ses partenaires ont donc développé, testé et breveté une nouvelle technologie, dont tout porte à croire qu'elle entraînera des améliorations radicales pour la chirurgie complexe. Pour Materialise, qui a déjà vendu une vingtaine de licences, ouvert un point de vente aux Etats-Unis, et dont le personnel est passé de cinq à quarante personnes, il ne s'agit là que d'un début. Dans le futur, la PME pense pouvoir développer des applications à plus grande échelle dans la création "personnalisée" d'implants et de prothèses. Aujourd'hui encore par exemple, la mise en place d'un implant d'un genou requiert que le chirurgien ouvre l'articulation avant de pouvoir déterminer, parmi un choix de 5 ou 6 prothèses standards, quelle est la mieux adaptée, par sa forme et ses dimensions. La technologie PHIDIAS permettra au chirurgien de dessiner une prothèse sur mesure pour chaque patient, assurant ainsi une adaptation parfaite et augmentant dans des proportions considérables la durée de vie de la prothèse ainsi que son efficacité.

Article issu du programme européen : Technologies industrielles et des matériaux (BRITE-EURAM/CRAFT/SMT)
http://europa.eu.int/comm/research/success/fr/success_fr.html