Optimiser l’efficacité dans la création de patients

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12082 (2023) Citer cet article

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La conception pilotée par le champ est une nouvelle approche qui permet de définir via des équations des entités géométriques appelées corps implicites. Cette technologie ne s'appuie pas sur des sous-unités géométriques conventionnelles, telles que des polygones ou des bords, mais représente plutôt des formes spatiales à l'aide de fonctions mathématiques dans un champ géométrique. Les avantages en termes de vitesse de calcul et d’automatisation sont évidents et bien reconnus en ingénierie, notamment pour les structures en treillis. De plus, la conception pilotée par le terrain amplifie les possibilités de conception générative, facilitant la création de formes générées par le logiciel sur la base de contraintes définies par l'utilisateur. Compte tenu de ce potentiel, cet article suggère la possibilité d'utiliser le logiciel nTopology, qui est actuellement le seul logiciel de conception générative pilotée par le terrain, dans le contexte de la création d'implants spécifiques au patient pour la chirurgie maxillo-faciale. Les scénarios cliniques d'applicabilité, y compris les traumatismes et la chirurgie orthognathique, sont discutés, ainsi que l'intégration de cette nouvelle technologie avec les flux de travail actuels de planification chirurgicale virtuelle. Cet article représente la première application de la conception pilotée par le champ en chirurgie maxillo-faciale et, bien que ses résultats soient très préliminaires car limités en considérant uniquement le champ de distance élaboré à partir de points spécifiques de l'anatomie reconstruite, il introduit l'importance de cette nouvelle technologie pour le l'avenir de la conception d'implants personnalisés en chirurgie.

La chirurgie buccale et maxillo-faciale contemporaine intègre de plus en plus de dispositifs personnalisés créés en utilisant l'anatomie du patient comme modèle de guidage. Par conséquent, les dispositifs personnalisés offrent un ajustement naturel et précis avec l'os, offrant des avantages en termes de mise en place facile, de temps chirurgical réduit et de précision chirurgicale accrue1,2,3.

L’avènement de la fabrication additive (FA) dans le domaine de la santé a donné une forte impulsion à la traduction immédiate des formes conçues en implants imprimés en 3D, étendant ainsi le concept de personnalisation à un nombre croissant de scénarios chirurgicaux. La conception d’implants personnalisés imprimés en 3D reste un problème ouvert pour les dispositifs de chirurgie maxillo-faciale et représente l’une des principales raisons de rechercher de nouvelles stratégies spécifiques à la FA. De plus, les progrès dans les simulations informatisées, y compris l'analyse par éléments finis (FEA), ont conduit à une fiabilité améliorée des implants personnalisés, qui peuvent subir un test biomécanique virtuel en appliquant des forces, des limites et des propriétés de matériaux définies pour prédire les zones de contraintes critiques qui pourraient être soumises à des contraintes. échec, permettant d’améliorer la forme de l’implant avant sa fabrication4,5,6.

La conception de ces appareils implique généralement l'utilisation d'un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) pour modéliser l'objet final dans une séquence ordonnée d'opérations de modélisation 3D, en partant d'une forme vide et en utilisant l'anatomie sous-jacente comme référence. Ce processus est classiquement appelé « modélisation explicite ». Il ressemble à un processus de dessin technique et aboutit à un maillage avec une tessellation et une topologie définies par l'utilisateur et la séquence des opérations de conception mises en œuvre.

Récemment, de nouveaux logiciels ont mis en œuvre des algorithmes sophistiqués pour représenter la géométrie implicite. Mathématiquement, une surface implicite est définie par une fonction de volume continue F(x, y, z) = 0 à un niveau de détail infini, ce qui implique que la surface existe au sein de la fonction mathématique. La surface est dite implicite lorsque l’équation n’est pas résolue pour x, y et z. La géométrie devient explicite lorsque l'équation est résolue et une approximation de cette surface est représentée sous la forme d'un filaire triangulé (maillage). La modélisation implicite repose uniquement sur des fonctions de volume, ce qui en fait un outil puissant pour définir, modifier et représenter la géométrie 3D sans restituer directement un réseau polygonal complexe de sommets, d'arêtes et de faces. Ainsi, les corps implicites sont beaucoup plus faciles à calculer et conservent leur forme pure puisqu'ils ne sont pas discrétisés en sous-unités géométriques, qui ne parviennent pas à représenter avec précision la continuité de la surface au prix d'une utilisation informatique exigeante. Les corps implicites peuvent être considérés comme des entités liées à une valeur en chaque point de l'espace 3D. Ceci est similaire à la manière dont les champs sont utilisés en physique pour définir des variations continues de quantités telles que la température, l'électromagnétisme ou le débit. À des fins de conception, le champ scalaire définit des corps implicites, les dégradés de la géométrie 3D. Actuellement, nTopology (nTopology Inc., New York, NY, USA) est le seul logiciel de conception technique qui permet une approche de conception pilotée par le terrain, offrant une flexibilité accrue pour diverses applications complexes, y compris la conception générative et les structures en treillis exigeantes en termes de calcul7. Bien que la conception générative axée sur le terrain ait été utilisée à des degrés divers dans la littérature technique, on sait peu de choses sur son application dans le domaine des soins de santé8,9,10. À ce jour, aucune application chirurgicale potentielle n’a été signalée et cette approche n’a pas été mise en œuvre spécifiquement en chirurgie buccale et maxillo-faciale.