Prédiction et détection de la rupture d'un os lors d'une ostéotomie à l'aide d'un maillet instrumenté

Prediction and detection of bone rupture during an osteotomy using an instrumented mallet

• Auteur / Autrice : Manon Bas dit nugues
• Direction : Guillaume Haïat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Inscription en doctorat le 31/08/2021
• Etablissement(s) : Paris 12
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MSME - Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi Echelle
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Biomécanique (BIOMECA)

Mots clés

Mots clés libres

Ostéotomie

Marteau d'impact

Biomécanique osseuse

Test biomécanique

Osteotomy

Impact hammer

Bone biomechanics

Biomechanical testing

Résumé

Les ostéotomies sont des interventions chirurgicales visant à couper les tissus osseux ou cartilagineux afin de les remodeler ou de les réaligner. Lors de l'ostéotomie, le chirurgien utilise un maillet pour frapper un instrument chirurgical composé d'une lame et d'un manche, appelé ostéotome. Les décisions prises pendant l'opération sont uniquement basées sur la proprioception du chirurgien, c'est-à-dire le son et le retour haptique et sont donc subjectives et dépendantes de l'expérience du chirurgien. Ce travail porte sur le développement d'une technique vibroacoustique, un maillet instrumenté, pour détecter et prévenir la rupture de l'os en temps réel pendant une ostéotomie. Dans une étude préliminaire, la méthode vibroacoustique a été utilisée pour détecter la rupture d'échantillons en forme de plaque composé de différents matériaux. Ensuite, des protocoles spécifiques basés sur la même méthode vibroacoustique ont été développés et appliqués à des ostéotomies utilisées en pratique clinique. La méthode a d'abord été appliquée à une partie spécifique de l'ostéotomie de Le Fort, la rupture des plaques ptérygoïdes également appelée disjonction ptérygomaxillaire. Cette ostéotomie étant réalisée sans contrôle visuel, des hémorragies et des lésions nerveuses peuvent survenir si des impacts supplémentaires inutiles sont donnés. Des disjonctions ptérygomaxillaires ont été réalisées sur un modèle animal, en utilisant des têtes d'agneau et sur des sujets anatomiques. Un algorithme de classification, une machine à vecteurs de support combinée à une matrice de coût, a été appliqué aux informations extraites du signal de chaque impact afin de détecter la rupture des plaques. Ensuite, la méthode a été appliquée à l'ostéotomie tibiale de valgisation. Dans cette ostéotomie, le chirurgien coupe le tibia et crée une charnière pour réaligner le plateau tibial. Pour éviter la rupture de la charnière et donc de l'os, le chirurgien doit arrêter d'impacter dès que la pointe de l'ostéotome atteint l'os cortical. Un critère basé sur les informations recueillies par le maillet instrumenté a été développé et appliqué à la détection de la transition de l'os cortical à l'os trabéculaire et vice versa. Le protocole a été validé sur des tibias de porc et sur des sujets anatomiques. Cette thèse démontre que le maillet instrumenté basé sur l'analyse vibroacoustique, peut être utilisé pour détecter la rupture de l'os. De plus, comme la capacité de prédire et de détecter la rupture peut être utile à d'autres chirurgies, cette méthode a été étendue à d'autres applications, telles que l'élévation du sinus maxillaire et la pose de vis pédiculaires. Ces derniers résultats ont été obtenus dans le cadre de collaborations internationales. Ces résultats ouvrent la voie au développement d'un dispositif d'aide à la décision peropératoire pour le chirurgien.

Osteotomies are surgeries aiming at cutting bone or cartilage tissues in order to re-shape or re-align them. During an osteotomy, the surgeon uses a mallet to impact a surgical instrument composed of a blade and a handle, called an osteotome. The decisions made during the surgery are only based on the surgeon's proprioception, i.e. the sound and haptic feedback, and therefore they are highly subjective and dependent on the surgeon's experience. This work focuses on the development of a vibroacoustic technique, an instrumented mallet, to detect and prevent the rupture of the bone in real time during an osteotomy. In a preliminary study, the vibroacoustic method was used to detect the rupture of a plate-like samples made of different materials. Then, specific protocols based on the same vibroacoustic method were developed and applied to osteotomies used in clinical practice. First the method was applied to a specific part of the Le Fort osteotomy, the rupture of the pterygoid plates also called the pterygomaxillary disjunction. Since this osteotomy is performed without visual control, hemorrhage and nerve injury can happen if unnecessary additional impacts are given. Pterygomaxillary disjunctions were performed on an animal model, using lamb specimens and on anatomical subjects. A classification algorithm, i.e. a support vector machine combined with a cost matrix, was applied to the information retrieved from the signal of each impact in order to detect the rupture of the plates. Second, the method was applied to high tibial osteotomy. In this osteotomy, the surgeon cuts the tibia and creates a hinge to re-align the tibial plateau. To prevent the rupture of the hinge, the surgeon must stop the impaction as soon as the tip of the osteotome reaches cortical bone. A criterion based on the information retrieved from the instrumented mallet was developed and applied to the detection of the transition from cortical to trabecular bone and vice versa. The protocol was validated on pig tibia and on anatomical subjects. This thesis demonstrates that the instrumented mallet based on vibroacoustic analysis can be used to detect bone rupture. Moreover, as the ability to predict and detect the rupture may be useful to other surgeries, this method was further extended to other applications, such as sinus lift elevation and spinal surgery. These last results were carried out in the framework of international collaborations. These results pave the way to the development of a per-operative decision support device for the surgeon.