Optimisation du processus de conception et fabrication de la prothèse de membre inférieur

Design and manufacturing process optimization for prosthesis of the lower limb

• Auteur / Autrice : Abbass Ballit
• Direction : Tien-Tuan Dao, Imad Mougharbel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique et Bio-ingénierie : Unité de Recherche Biomécanique et Bio-ingénierie (UMR-7338)
• Date : Soutenance le 17/11/2020
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biomécanique et Bioingénierie / BMBI

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces graphiques (informatique)

Capteurs (technologie)

Temps réel (informatique)

Déformations (mécanique)

Conception assistée par ordinateur

Modélisation tridimensionnelle

Simulation par ordinateur

Éléments finis, Méthode des

Ressorts

Moulage (médecine)

Modèles mathématiques

Tissu mou

Membre inférieur

Jambes artificielles

Membres artificiels

Prothèses

Mots clés libres

Prothèse de membre inférieur

Système masse-ressort

Déformations en temps réel

Scan 3D

Lower-limb prosthetic socket

Finite element method

Real-time soft tissues deformation

Mass-Spring System (MSS)

3D scan

Computer-aided design

Detectors

Résumé

Le socket prothétique (dit aussi emboiture prothétique), élément d'interface essentiel entre le moignon du patient et le dispositif prothétique, est le plus souvent le lieu où se définit le degré de réussite prothétique. C'est la partie la plus critique de la prothèse, personnalisée pour s'adapter au membre résiduel unique de l'amputé. Sans une forme et un ajustement approprié du socket, la prothèse devient inconfortable, voire inutilisable, et provoque des douleurs et des problèmes de peau. La production prothétique actuelle manque encore de normes numériques universelles pour concevoir un socket. La pratique actuelle est coûteuse et repose sur les raffinements manuels du technicien orthopédiste, et la qualité de l'ajustement est strictement corrélée à ses compétences ainsi qu'aux retours subjectifs du patient lors des phases d’essai de la prothèse fabriquée. La thèse vise à mener une analyse approfondie d'une conception optimale de l'emboîture prothétique en étudiant un processus alternatif de conception assistée par ordinateur. Ce processus est entièrement basé sur le modèle virtuel du membre résiduel du patient et repose sur le calcul de l’interaction emboîture-moignon. Un calcul rapide est favorable dans ce cas, c'est pourquoi nous proposons d'utiliser le système Mass-Spring (MSS) au lieu de la méthode FE largement utilisée pour modéliser les tissus mous du membre résiduel. Une nouvelle configuration du modèle MSS est proposée pour respecter la propriété de non compressibilité des tissus mous en ajoutant des « ressorts correctifs » non linéaires. Le modèle numérique doit être généré à partir du modèle scanné du moignon. À cette fin, nous proposons un schéma de fusion de quatre capteurs de profondeur à bas coût pour un scan rapide et économique avec des techniques de réduction des erreurs. Enfin, le membre résiduel virtuel est utilisé dans la phase de conception du socket. Une méthode de conception paramétrique est proposée et étudiée. Le problème de conception est transformé en problème de satisfaction des contraintes dérivées du calcul inverse de l'interaction socket-moignon. L'approche inverse a été choisie pour éliminer le besoin d'une formulation de contact coûteuse. Ce fait conduit à des calculs rapides, et par conséquent, permet de fournir des retours numériques en temps réel pendant le processus de conception. Le système a été implémenté pas programmation C++ avec une interface graphique où les retours numériques sont donnés sous forme d’une carte de radar. La validation a été faite en comparant les résultats de notre système avec la sortie des simulations FE. Le système a été implémenté avec une interface graphique conviviale et virtuellement testé et validé numériquement. Ce système réduit les limites des pratiques actuelles. Cependant, de nombreux travaux sont encore en cours pour affiner et développer le système et le valider par des expériences cliniques.

The prosthetic socket, an essential interface element between the patient's stump and prosthetic device, is most often the place where the degree of prosthetic success is defined. It is the most critical part of the prosthesis, customized to fit with the unique residual limb of the amputee. Without a proper socket shape and fit, the prosthesis becomes uncomfortable, or even unusable, and causes pain and skin issues. The state-of-the-art prosthetic production is still missing universal numerical standards to design a socket. The current practice is expensive and relies on the manual refinements of the orthopedic technician, and the fit quality strictly correlates with his skills as well as the subjective feedback of the patient. The thesis aims to conduct a deep analysis of an optimal design of the prosthetic socket by studying and developing an alternative computer-aided design process. This process is fully based on the virtual model of the patient’s residual limb and relies on the calculation of the socket-stump interaction. A fast calculation is favorable in this case, that’s why we propose to use the Mass-Spring System (MSS) instead of the widely used FE method to model the soft tissues of the residual limb. A new configuration of the MSS model is proposed to respect the non-compressibility property of the soft tissues by adding non-linear “Corrective Springs”. The numeric model is to be generated from the scanned model of the stump. For this purpose, we propose a fusion scheme of four RGB-Depth sensors for a rapid and low-cost scan with error reduction techniques. Finally, the virtual residual limb is used in the socket designing phase. A parametric design method is proposed and investigated. The design problem is transformed into a constraint-satisfaction-problem whose constraints are derived from the inverse calculation of the stump-socket interaction. The inverse approach has been chosen to eliminate the need for expensive contact formulation. This fact leads to rapid calculations, and consequently, allows to provide real-time numerical feedback during the designing process. The validation was done by comparing the results of our system with the output of FE simulations. The system has been implemented with a user-friendly graphical interface and virtually tested and numerically validated. This system reduces the limitations of the current practices. However, a lot of works is still ahead to refine and develop the system and validate it with clinical experiments.