Hadrien OLIVERI: Réduction virtuelle des fractures du cotyle

De Ensiwiki
Aller à : navigation, rechercher


Réduction virtuelle des fractures du cotyle

Labo TIMC-IMAG
Equipe GMCAO
Encadrants Matthieu.Chabanas@imag.fr

Etudiant

Hadrien Oliveri (Modélisation Mathématique, Image et Simulation)

Introduction

Fracture du cotyle
Exemple de fracture complexe (image F. de Peretti)

Contexte

La réduction d'une fracture du cotyle (cavité articulaire accueillant la tête du fémur) est une épreuve de chirurgie orthopédique complexe et non sans danger. En effet, la situation exiguë de l'os pelvien au sein de structures vasculo-nerveuses sensibles, ainsi que la grande vascularisation osseuse, exige un planning préopératoire minutieusement étudié.

L'enjeu principal est la précision. Une marge d'erreur très mince est permise en ce qui concerne le repositionnement des fragments, afin d'assurer une bonne congruence articulaire et prévenir le développement d'arthrose post-traumatique grave. La minimisation de la durée de l'intervention est également un critère majeur, du fait du risque infectieux.

Malgré ces contraintes, les chirurgiens orthopédiques traumatologues du CHU de Grenoble ne disposent que de coupes scanner et de quelques vues 3D fixes. Dans ces conditions, la préparation chirurgicale nécessite un grand travail mental, la visibilité du champ opératoire était en pratique très réduite.

Objectifs

Le but de cette étude est de permettre au praticien d'améliorer sa connaissance de la fracture et d'établir la meilleure procédure chirurgicale, en vue de satisfaire ces critères. Il s'agit donc de développer un simulateur pour assister le chirurgien dans son planning pré-opératoire. Cet outil devra lui permettre de mieux déterminer la voie d'abord et les déplacements osseux à effectuer, à travers une meilleure visualisation et grâce à une interaction virtuelle avec les fragments osseux. Par ailleurs, le simulateur pourra fournir un outil de préformage des plaques chirurgicales nécessaires au bon maintien de la réduction après l'opération. Le cadre de l'IRL concerne l'élaboration d'un modèle, puis d'une maquette d'implémentation, afin de préparer le terrain à un développement logiciel ultérieur.

Environnement de travail

Ce projet de recherche a été mené au laboratoire TIMC-IMAG (Techniques de l’Ingénierie Médicale et de la Complexité - Informatique, Mathématiques et Applications, Grenoble) au sein de l'équipe GMCAO (Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur) et a été encadré par M. Matthieu Chabanas. Le travail a été mené en collaboration avec le corps médical du CHU de Grenoble. L'aide du personnel soignant, ainsi que les démonstrations chirurgicales présentées, ont été nécessaires à la définition des besoins pratiques, ainsi que pour notre propre compréhension du problème.

La maquette réalisée durant le module d’IRL est développée pour l’environnement Artisynth, plateforme Java open source, pour la simulation de modèles mécaniques (solides, modèles à éléments finis, articulations, etc…) et utilisée spécifiquement en recherche médicale.

Besoin clinique et état de l'art

Le besoin clinique exprimé par le corps médical se résumé en trois points. Premièrement, le chirurgien souhaite un outil de visualisation efficace en trois dimensions. Il demande ensuite à pouvoir mobiliser virtuellement les fragments osseux selon une méthode d'appariement de points. Cette méthode consiste en la sélection de deux points de la surface des fragments et au rapprochement automatique de ces points. Ainsi des points devant être, en temps normal, voisins (voire confondus) peuvent être ramenés l'un sur l'autre pour réduire la fracture. Enfin le chirurgien nécessite un modèle intuitif de préformage des plaques chirurgicales.

Les recherches consultées relatives à ce thèmes (cf. rapport pour plus de précision), envisagent des méthodes de repositionnement via des outils de contrôle direct sur les fragments osseux (souris, bras à retour d'effort...). Il s'agit donc d'un contrôle à six degrés de liberté sur les structures (trois rotations, trois translations) avec parfois gestion des collisions.

Réduction de la fracture
Segmentation des fragments osseux et simulation de fracture réduite (images Cimerman et al.)

Méthode

L'étude réalisée propose deux modèles de réduction de la fracture, le premier basé sur le rapprochement de points appariés, et le second, basé sur la simulation des efforts induits par les outils chirurgicaux. Un modèle de préformage des plaques chirurgicales basé sur un modèle à éléments finis a également fait l'objet d'un test préliminaire.

La phase d'analyse du problème s'accompagnait du choix entre l'approche géométrique (régularité, etc...) et l'approche mécanique (efforts, états stables...). La méthode mécanique a été choisie pour plusieurs motifs :

- Un simulateur physique tel que la plateforme Artisynth propose une gestion des collisions et un moteur de résolution numérique pré-implémentés.

- La méthode est inédite et la faisabilité de cette approche voulait être estimée.

- Un chirurgien travaille en terme d'efforts et non via un contrôle libre des fragments dans l'espace qui a peu de sens.


Segmentation des données scanners et construction de l'objet tridimensionnel

Cette étape n'a pas été réalisée dans le cadre de l'IRL.

Après segmentation des images scanner (croissance de région), on construit un maillage par l'algorithme des Marching Cubes à partir d'un premier volume 3D composé de voxels. Le maillage obtenu est ensuite lissé (lissage laplacien) puis décimé (notamment, pour alléger les calculs).


Maillage issu des données scanner
Maillage décimé à 90%
Rendu avec ombrage de Phong

Appariemment de points : validation de l'approche mécanique et reproduction d'un résultat

Il s'agit de la demande initiale du corps médical. Le chirurgien souhaite sélectionner certaines paires de points de la surface osseuse, devant être rapprochées automatiquement. Il s'agit de points étant normalement voisins ou confondus.

Réduction par appariement de points
Estimation qualitative de la réussite de la réduction par la continuité du pourtour du cotyle


VIDEO ===> Fichier:IrlCotyleSimuAppariemment.ogg

La réduction par appariement de points fournit un résultat de qualité correcte, ce qui permet de valider l'approche mécanique. D'autre part la réduction a été effectuée de manière plus simple, intuitive et rapide qu'avec une méthode par contrôle à six degrés de liberté : seuls deux mouvements ont été nécessaires. Enfin, la méthode satisfait le cahier des charges du corps médical, se positionnant en tant que client pour ce projet.

Simulation d'efforts chirurgicaux : vers une reproduction du geste chirurgical réel

Pourtant, même en utilisant un modèle mécanique, la réduction est jusqu'ici réalisée sur des critères géométriques : tel os, tel point est déplacé parce qu'il doit être à tel endroit en réalité. Cette approche tend en fait à recréer un résultat et non une procédure chirurgicale. Or un simulateur "idéal" doit permettre au chirurgien de recréer non pas la configuration souhaitée, mais les gestes, effectués dans un ordre précis, pour prévoir un protocole correct. De plus, en offrant un contrôle trop grand sur les structures, on donne au chirurgien l'illusion d'une trop grande liberté. La zone pelvienne est en réalité bien trop exiguë pour réaliser autant de mouvements !

Dans cette partie on s'intéresse non pas à déplacer librement les os, mais à exercer des efforts sur les structures osseuses semblables à ceux induits par l'outillage du chirurgien :

Vis de Schanz équipée d'une poignée
Davier Weber
Davier de Farabeuf appuyé sur des vis

Ainsi, le praticien (conscient par expérience des zones accessibles) peut positionner ses outils selon les possibilités cliniques réelles. Les points servant à rapprocher les os représentent alors dans ce cas les mors des daviers utilisés ! Si la réduction n'est pas concluante pour certains mouvements, ou une certaine voie d'abord, on recommence, toujours en tenant compte des zones vraiment accessibles. On travaille sur la même fracture, qui est un cas simple de fracture transverse. Celle-ci sera typiquement prise en main par voie postérieure. Or dans l'exemple de l'appariemment des points, les noeuds du maillage sélectionnés sont placés sur la face antérieure du pelvis, complètement inaccessible en pratique !

Dans ce cas de fracture, deux mouvements sont nécessaires : un premier rapprochement suivi d'une correction du décalage (cf. image ci-contre). On recrée en simulation ces opérations :

Procédure chirurgicale réelle (image. Dompsure et Peretti)
Premier rapprochement via un premier davier. Il reste un décalage
Correction du décalage via un second davier


VIDEO ===> Fichier:IrlCotyleSimuEffort.ogg

Cette méthode a fourni une réduction de qualité comparable à la méthode précédente. Cependant, on a ici recréé complètement la vraie procédure envisagée pour ce cas là ! Ce point est un apport considérable en terme de simulation. En effet le chirurgien a bien plus besoin d'une procédure, que d'un aperçu du résultat !

Préformage virtuel de plaques chirurgicales

Pour préformer virtuellement les plaques chirurgicales, on envisage l'utilisation d'un modèle à éléments finis (fourni par la plateforme Artisynth). Un test préliminaire a été effectué avec un sol bosselé aléatoire et une plaque attirée par la gravité (voir video : Fichier:IrlCotylePlaque.ogg, un peu boguée). La simulation des plaques de chirurgie fournit notamment un moyen de contrôle sur la qualité de l'opération réelle. En effet en fonction du degré de conformité entre les plaques réellement fixée (éventuellement préformée à l'avance) et celle prévue par la simulation, on peut estimer la conformité de l'opération totale avec la simulation.


Broches chirurgicales (image Dompsure & Peretti)
Simulation de la déformation d'une plaque (Artisynth)

Bilan

Apports de l'étude

Le travail réalisé a permis de valider, dans un premier temps, l'approche mécanique, en fournissant un résultat de bonne qualité rapidement. De plus, l'appariement remplit le cahier des charges initial des chirurgiens du CHU de Grenoble ! Par ailleurs l'analyse scientifique réalisé a permis de mettre à jour les limites du déplacement libre des fragments et a fourni une preuve de concept d'un nouveau paradigme. En simulant les outils et les efforts chirurgicaux, il a été possible de réaliser une simulation bien plus fidèle à la procédure réelle, et bien plus conforme à ce que l'on attend d'un simulateur ! Enfin, le modèle de déformation des plaques chirurgicales a fournit un premier test prometteur et mérite la poursuite dans cette voie. Les méthodes implémentées ont par ailleurs reçu la validation du corps médical. L'objectif défini dans le cadre de l'IRL a donc finalement été rempli !

Ce qui reste à faire

Le principal pan de l'étude à travailler est l'établissement d'un modèle efficace, réaliste et réalisable d'environnement musculaire. En effet, en réalité, l'environnement tissulaire de la région du bassin fournit de fortes contraintes sur les structures osseuses. Un simulateur réaliste s'efforcerait de rendre compte de chaque muscle et chaque ligament. Une telle approche semble inapplicable et poserait certains problèmes de taille (détermination de constantes, adaptation d'un modèle prédéfini sur un bassin spécifique...). Le frottement fluide utilisé dans nos simulations manque d'efficacité dans la limitation des rebonds, basculements et oscillations. Différents modèles alternatifs ont été imaginés, en collaboration avec le corps médical. Il serait par exemple possible de représenter la capsule ligamentaire du cotyle par une nappe de ressort. De plus une force d'attraction centrée sur la tête du fémur, pourrait être implémentée.

La partie IHM est encore nettement à améliorer mais celle-ci n'était pas le thème central de cette IRL.

Enfin, les simulations réalisées ont été effectuées sur un même cas de fracture simple. Une phase de validation plus poussée sur différents cas plus complexes sera à l'avenir nécessaire.

Documents annexes

Slides de soutenance : Fichier:.pdf

Rapport : Fichier:RapportReductionFractureCotyle.pdf