Étude expérimentale du fraisage de l’os temporal et développement d’un modèle artificiel 3D pour l’entrainement en chirurgie otologique

Experimental study of temporal bone machining for ear surgery and development of an artificial 3D model for otologic surgery education

• Auteur / Autrice : Martin Boillat
• Direction : Anne-Sophie Bonnet, Cécile Parietti-Winkler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Abdelhadi Moufki
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Sophie Bonnet, Cécile Parietti-Winkler, Gilles Dessein, Sébastien Laporte, Frédéric Venail
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Dessein, Sébastien Laporte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Procédures de chirurgie otologique

Dissertation universitaire

Modèles éducatifs

Organes artificiels

Impression 3D

Construction

Simulateurs

Simulation, Méthodes de

Os temporal

Mots clés libres

Impression 3D

Tissus osseux

Fraisage

3D Printing

Bone tissue

Milling

Résumé

Le fraisage de l'os temporal est une procédure courante en chirurgie otologique permettant l'accès aux structures de l'oreille moyenne et interne par ablation des cellules mastoïdiennes à l'aide d'un outil coupant rotatif. Cependant, cette intervention n'est pas sans risque, les structures délicates situées au sein de cette zone anatomique sont sujettes à des dommages directs en cas de contact avec l'outil de fraisage, mais aussi à des dommages indirects par échauffement, plus difficiles à évaluer. Un entrainement conséquent et efficace est donc requis pour les praticiens afin d'apprendre à réduire ces risques opératoires au maximum. L'entrainement sur pièces cadavériques est d'usage dans la formation des apprenants en chirurgie otologique, mais les nombreuses contraintes qui y sont associées (éthiques, sanitaires, financières, ...) ont permis l'émergence de modes d'entrainement complémentaires permettant de limiter leur usage. Parmi ces nouvelles modalités, les simulateurs physiques sont de plus en plus plébiscités de par leur aspect réaliste et leur coût réduit en comparaison avec les simulateurs virtuels. Cependant, le manque de réalisme anatomique de certains de ces simulateurs et l'absence de validation les concernant pose question parmi les praticiens. Dans cette optique, une nouvelle version d'un simulateur physique d'os temporal adulte, dont la variabilité induite par la démarche de conception et le procédé de fabrication a été précédemment validée, a été proposée dans ce travail. Des améliorations de la maquette existante ont pu être réalisées afin d'accroître encore davantage son réalisme anatomique. Une seconde maquette, d'os temporal pédiatrique cette fois, a également été conçue à partir de la même démarche afin d'étoffer les possibilités d'entrainement pour les apprenants en chirurgie otologique. Un protocole de mesure de la température au niveau du nerf facial a ensuite été développé puis testé sur le simulateur adulte afin d'adresser la problématique clinique de l'échauffement de ce nerf lors de la chirurgie otologique. La maquette a ensuite été fraisée dans un contexte clinique tout en mesurant les forces de fraisage et les températures générées, puis en identifiant par tomographie la position exacte des capteurs de température. Une deuxième campagne expérimentale de fraisage a ensuite été menée sur os temporaux cadavériques en suivant le protocole de mesure thermique développé. Par comparaison des forces mesurées lors du fraisage du simulateur adulte et des échantillons cadavériques dans un contexte chirurgical, nous avons pu confirmer de façon objective le réalisme de la réponse en fraisage de cette maquette. Ces essais nous ont également permis d'étudier l'influence de différents facteurs sur les efforts de fraisage, permettant ainsi d'approfondir notre connaissance du fraisage chirurgical. L'analyse des températures enregistrées lors de ces campagnes expérimentales et leur mise en perspective avec la position des capteurs de température nous a également permis de nous prononcer sur les potentiels dommages thermiques au niveau du nerf. Afin d'approfondir davantage l'analyse et de mieux comprendre les phénomènes thermiques en présence lors du fraisage, un modèle thermique a ensuite été mis en œuvre. Après une calibration expérimentale du modèle par des essais sur machine-outil, une étude paramétrique a permis de mettre en évidence l'impact de différents paramètres sur l'évolution de la température en fraisage. Nous avons aussi pu effectuer une comparaison d'opérations de fraisage dans des conditions chirurgicales sur l'os et le matériau constitutif des simulateurs physiques. Enfin une comparaison entre les résultats fournis par le modèle et les mesures expérimentales a permis de mettre en évidence les perspectives offertes par le modèle dans la prédiction des températures en fraisage otologique.

Temporal bone milling is a common surgical procedure in otology, allowing the surgeon to access the middle and inner ear structures by cutting through the mastoid cells with a reciprocating tool. However, this intervention can have consequences, with delicate anatomical structures located in the area that are subjected to both direct mechanical damage (by accidental contact with the cutting tool) and indirect damage by overheating. Effective, high volume training is therefore required by practioners to learn to reduce those surgical risks as much as possible. Training on cadaveric bones is the gold standard in otologic surgery, but the numerous associated constraints (ethical, sanitary, financial) have led to the emergence of additional training methods that make it possible to limit the use of cadaveric material. Among these new methods, physical simulators are increasingly popular because of their realistic appearance and lower cost compared with virtual simulators. Recent advances in 3D printing technologies have led to the launch of a number of physical simulators for otology training, but the lack of validation of these simulators raises questions among practitioners. With this in mind, a new adult temporal bone physical simulator has been proposed, with the validation of the variability induced by the design approach and manufacturing process. Using this approach and process, we then proposed an improvement to this adult model, further enhancing anatomical realism. A second model, this time of a pediatric temporal bone, was also designed using the same approach in order to expand the training possibilities for otological surgery students. A protocol for measuring the temperature of the facial nerve was then developed and tested on the adult simulator in order to address the clinical problem of heating of this nerve during otological surgery. The model was then milled in a clinical setting, with the milling forces and temperature measured and the exact position of the temperature sensors acquired afterwards. A second experimental milling campaign was then carried out on cadaveric temporal bones, following the thermal measurement protocol developed. By comparing the forces measured when milling the adult simulator and the cadaveric samples in a surgical context, we were able to assess the realism of the milling response of this model. These tests also enabled us to study the influence of various factors on the milling forces, thereby extending our knowledge of surgical milling. By analyzing the temperatures recorded during these experimental campaigns and comparing them with the position of the temperature sensors, we were also able to assess the potential for thermal damage to the nerve. In order to take the analysis further and gain a better understanding of the thermal phenomena involved in milling, a thermal model was then implemented. After calibrating the model experimentally using machine tool tests, a parametric study was simulated to highlight the impact of various parameters on temperature changes during milling. We were also able to carry out a comparison of milling operations under surgical conditions on the bone and material of the physical simulators, highlighting the differences in their thermal behavior. A thermal model was then implemented in order to take the analysis further and gain a better understanding of the thermal phenomena involved in milling. After calibrating the model experimentally using CNC tests, a parametric study was carried out to highlight the impact of various parameters on temperature changes during milling. We were also able to carry out a comparison of milling operations under surgical conditions on bone and the material making up the physical simulators. Finally, a comparison between the results provided by the model and experimental measurements highlighted the prospects offered by the model for predicting temperatures in otological milling.