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Revue TELECOM 180 - Vers une prothèse du genou, autonome en énergie et adaptative

Articles Revue TELECOM

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15/03/2016


VERS UNE PROTHESE DU

GENOU, AUTONOME EN

ENERGIE ET ADAPTATIVE



Par Chafiaa Hamitouche et Shaban Almouahed dans la revue TELECOM n° 180

 
Est-il possible de concevoir une nouvelle génération de prothèses du genou permettant au clinicien de suivre le patient en post-opératoire et de rétablir, grâce à des réglages fins, la fonctionnalité stabilisatrice, évitant ainsi une chirurgie de reprise ?


La chirurgie orthopédique a sensiblement évolué depuis la fin des années 90 avec les progrès des technologies de l'information et de la communication. Les systèmes de chirurgie assistée par ordinateur ont récemment été intégrés dans la salle d'opération afin d'aider le chirurgien à la planification et à effectuer certaines interventions chirurgicales. L'intégration de ces systèmes a souligné la nécessité d'élaborer des procédures chirurgicales spécifiques au patient, dû au fait que la chirurgie conventionnelle ne prend pas en compte l'anatomie spécifique du patient (geste répétitif, identique pour chaque patient).

Ces progrès techniques dans la chirurgie de remplacement du genou n'ont pas été accompagnés par des avancées équivalentes dans la conception de l'implant. Les prothèses du genou implantées dans les patients, au cours d'un geste chirurgical précis piloté par l'ordinateur, sont identiques à celles implantées au cours de la chirurgie conventionnelle. La géométrie de l'implant est générique et ne tient pas compte de l'anatomie de chaque patient. Environ 70 000 arthroplasties totales de genou sont réalisées chaque année en France. Environ 54% des chirurgies du genou sont réalisées sur des patients âgés de 65 ans et plus. Le vieillissement de la population serait accompagné d'une augmentation similaire en chirurgie de remplacement articulaire. Les proportions mentionnées ci-dessus démontrent l'importance socio-économique et médicale du problème à résoudre. De nos jours, ces prothèses orthopédiques sont implantées sur un patient en position allongée et sous anesthésie générale. Les conditions d'intervention chirurgicale sont donc différentes de celles rencontrées pendant les activités de la vie quotidienne. De plus, après son implantation, la prothèse sera soumise à des contraintes évoluant au fil du temps avec de nombreux facteurs spécifiques au patient tels que l'âge, le poids ou le mode de vie. En conséquence, la position et l'orientation de l'implant posé en per-opératoire ne peuvent être optimaux en l'absence de réglages fins en post-opératoire.

Nous travaillons depuis quelques années au développement d'une nouvelle génération d'implant du genou, instrumenté, capable de compenser un éventuel déséquilibre ligamentaire et prévenir ainsi un descellement pouvant conduire à une chirurgie de reprise. Afin d'atteindre cet objectif, nous avons décidé d'instrumenter le composant tribial avec des capteurs appropriés de force, un générateur d'énergie efficace, un système de télémétrie de faible consommation énergétique et un mécanisme miniature d'actionnement. Les capteurs de force sont intégrés dans l'embase tibiale afin de mesurer la répartition des efforts tibiofémoraux nécessaire pour évaluer le déséquilibre ligamentaire dans la période post-opératoire. Le système de télémétrie sera logé dans la tige du composant tibial pour l’acquisition, le traitement et la transmission sans fil de données. Le mécanisme d’actionnement sera intégré entre l’embase tibiale et l’insert en polyéthylène pour un réglage post-opératoire de l’implant. Le but de l’ajustement de l’implant est de corriger le déséquilibre du ligament conséquence d’une évolution morpho-fonctionnelle du patient. Le générateur d’énergie est indispensable pour alimenter tous les systèmes électroniques mentionnés ci-dessus. Le développement d’un tel implant peut éventuellement aider à réduire le nombre de chirurgies de révision grâce au réglage de l’implant qui permettrait au clinicien de rétablir l’équilibre ligamentaire parfait en cas de besoin après l’opération.

 

Au cours d’une visite post-opératoire de suivi, l’implant proposé permettrait au clinicien d’évaluer le déséquilibre ligamentaire autour du genou prothétique et de le corriger si nécessaire. Le défi le plus important dans le développement d’un tel implant est d’alimenter le système électronique embarqué à l’intérieur, sans utiliser une source d’énergie externe ou même une batterie rechargeable interne. En d’autres termes, l’implant instrumenté doit être auto-alimenté au cours de sa durée de vie. Un autre défi est d’intégrer des capteurs de force capables de mesurer les efforts tibiofémoraux, relativement élevés, agissant sur l’embase tibiale. Ces efforts peuvent atteindre plusieurs fois le poids corporel du patient au cours de la plupart des activités courantes de la vie quotidienne. En outre, les capteurs doivent être suffisamment miniaturisés afin d’être intégrés dans l’espace limité disponible dans une embase tibiale conçue sur mesure sans augmenter considérablement son épaisseur.

Afin de générer de la puissance électrique à l’intérieur de l’implant, les efforts tibiofémoraux produits à l’intérieur de l’articulation du genou pendant les activités quotidiennes de la vie peuvent être exploités. L’activité la plus importante de la vie quotidienne est la marche. L’effort de compression agissant sur le composant tibial au cours de la marche normale a été rapporté, il varie entre 1 à 7 fois le poids corporel. Cette force peut être une source importante d’énergie électrique lors de l’utilisation de l’effet direct de la piézoélectricité. En d’autres termes, les efforts tibiofémoraux peuvent être convertis en énergie électrique au moyen de quelques éléments piézoélectriques incorporés dans l’embase tibiale de la prothèse proposée. De plus, une disposition judicieuse de ces éléments au sein de cette embase nous permet de les utiliser également comme des capteurs de force, afin d’évaluer les déséquilibres médio-latéral et antéro-postérieur des efforts intra-articulaires. En utilisant le même composant pour effectuer une double tâche, on peut ainsi mieux exploiter l’espace limité disponible dans l’embase tibiale.

Un prototype expérimental de l’implant proposé a été étudié, conçu, usiné, testé et optimisé. Ce prototype nous a permis de valider l’utilisation des piézocéramiques dans l’implant en tant que capteurs de répartition d’efforts et générateurs d’énergie. En mettant en œuvre des modélisations théoriques et en réalisant des essais expérimentaux, nous avons quantifié la puissance électrique qui peut être récoltée par les éléments piézoélectriques lors d’une marche simulée [1]. Nous avons également validé une approche originale basée sur le déplacement du Centre-de-Pression (CdP) comme un moyen possible pour évaluer le déséquilibre ligamentaire en postopératoire [2]. Concernant les circuits nécessaires pour le conditionnement de la puissance électrique produite par les piézocéramiques afin qu’elle soit exploitable et aussi pour la transmission de données par radiofréquence, des solutions sur-étagère (déjà commercialisées) ou conçues sur-mesure peuvent être utilisées.
 

Un prototype expérimental de mécanisme d’actionnement a également été développé et testé pour valider le concept du réglage post-opératoire de l’implant afin de corriger le déséquilibre ligamentaire détecté par les capteurs [3]. Le système miniaturisé d’actionnement a été intégré entre l’insert en polyéthylène et l’embase tibiale de l’implant proposé. Ce système permettrait au chirurgien de corriger toute asymétrie dans la tension des ligaments collatéraux en post-opératoire, en réglant la hauteur et l’inclinaison du plateau tibial, afin de retendre le ligament hyper-détendu sans altérer l’alignement de l’axe mécanique de la jambe. Le concept de réglage de l’implant a été validé par des modélisations théoriques et au cours d’essais expérimentaux sur le prototype proposé.

Pourtant, des obstacles technologiques restent à surmonter afin que l’implant proposé remplisse les conditions et satisfasse les exigences d’utilisation in-vivo. Le système électronique embarqué dans l’implant doit être hermétiquement étanche. Pour ce faire, les circuits électriques doivent être scellés à l’intérieur de l’implant afin d’éviter tout contact avec les tissus mous et osseux. Tous les composants ayant un contact avec le corps humain doivent être bio-compatibles et bio-stables.
 

Références :

[1] S. Almouahed, M. Gouriou, C. Hamitouche, E. Stindel, and C. Roux, “The use of piezoceramics as electrical energy harvesters within instrumented knee implant during walking,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 16, pp. 799–807, October 2011.

[2] S. Almouahed, M. Gouriou, C. Hamitouche, E. Stindel, and C. Roux, “Design and evaluation of instrumented smart knee implant,” IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 58, pp. 971–982, April 2011.

[3] A. Collo, S. Almouahed, P. Poignet, C. Hamitouche, and E. Stindel, “Design and evaluation of an actuated knee implant for postoperative ligament imbalance correction”, Medical Engineering & Physics, In Press, January 2016.



Biographies des auteurs :

Chafiaa Hamitouche est professeur en Traitement du Signal et de l'Image au département Image et Traitement de l'Information de Télécom Bretagne, et Directrice-Adjointe du Laboratoire de Traitement de l'information Médicale - LaTIM INSERM U1101.
Ses travaux de recherche concernent : imagerie médicale, modélisation morpho-fonctionnelle, action thérapeutique mini-invasive, optimisation des implants.




Shaban ALMOUAHED a reçu son diplôme d'ingénieur en génie biomédical en 2002 et son diplôme d'études supérieures en 2003 de l'Université de Damas en Syrie. De 2003 à 2006, il était assistant de recherche et d'enseignement à cette université. En 2011, il a eu son diplôme de docteur de Télécom Bretagne. Ses intérêts de recherche portent sur la conception et la mise en oeuvre des implants instrumentés en orthopédie.



 

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