Comprendre la réaction des tissus

La simulation à l’aide de méthode d’analyse par éléments finis (FEM) a déjà fait progresser l’ingénierie médicale, et plus particulièrement les produits du génie biomédical. Mais aujourd’hui, des applications axées sur le patient, en matière de prothèses articulaires, de médecine dentaire, de technique orthopédique voire de chirurgie plastique, constituent de nouveaux défis pour cette technologie. Son atout majeur réside dans le fait qu’elle restitue l’interaction de matériaux externes, comme des implants ou des stents, et des tissus humains comme les os et le système vasculaire avec un tel réalisme et une telle précision qu’elle peut influencer le médecin dans sa prise de décisions.

Le scanner ou l’IRM sont des techniques d’imagerie qui permettent aujourd’hui de créer des formes d’implants adaptées à chaque patient. Ainsi, la rigidité d’un matériau externe peut être calculée à l’aide d’un logiciel FEM. Des spécialistes prennent même en compte les forces réelles qui s’exercent à l’intérieur du corps. Si cela facilite une planification d’implants avantageuse en termes biomécaniques, il n’en reste pas moins que de nombreux facteurs, comme la position intracorporelle, la taille de l’implant et notamment, les forces en présence, varient sensiblement d’un patient à l’autre.

S’il peut visualiser différents scénarios sur ordinateur avant d’opérer, le médecin peut s’aider de simulations calculées par FEM et adaptées au cas de chaque patient pour réduire les risques post ou per-opératoires. Néanmoins, les premiers champs d’application de ces simulations se situent bien en amont de la table d’opération. Pour obtenir une prothèse orthopédique adaptée au moignon restant après l’amputation d’un membre, il faut aujourd’hui prendre des empreintes en négatif et les retravailler longuement à la main pour obtenir un modèle en positif. La qualité du résultat et la vitesse du procédé dépendent en grande partie du savoir-faire de l’orthopédiste. Il obtient en général la forme correcte de la diaphyse après avoir façonné trois ou quatre échantillons, à raison de huit heures de travail pour chacun. Une simulation adaptée à chaque patient permettrait de recréer les processus complexes liés à la transformation des tissus pendant la phase d’essai. On pourrait ainsi déterminer l’emplacement de la prothèse et, dans le meilleur des cas, faire l’impasse sur la production de l’échantillon de diaphyse, une étape qui demande du temps et de l’argent.

La simulation personnalisée par patient d’anévrismes abdominaux constitue un autre champ d’application médical de la technologie FEM. L’anévrisme de l’aorte abdominale est dangereux. Il s’agit d’un bombement de l’aorte dans la cavité abdominale à l’intérieur duquel se forme un thrombus de sang coagulé. En cas de rupture ou de déchirement du tissu, l’hémorragie interne peut mettre la vie du patient en danger. Toutefois, il est en principe possible de calculer les modifications des tensions sur les parois tissulaires à l’aide de simulations FEM et donc d’obtenir des informations sur la probabilité de rupture d’un tissu. Si cela est déjà techniquement possible, il reste encore quelques détails à clarifier pour ce qui est des propriétés mécaniques des parois tissulaires, avant d’envisager son application dans la pratique clinique.

Le projet de recherche Serv.biz a montré que cette technologie était même à la portée de dentistes n’ayant pas de compétences particulières en FEM. La partie la plus complexe – la création des modèles FEM adaptés qui nécessite un certain savoir-faire et la maîtrise de certains outils logiciels – a été automatisée par les partenaires du projet. Des spécialistes de l’Institut Fraunhofer IAO (Arbeitswissenschaft und Organisation) de Stuttgart et de la société Cadfem de Grafing près de Munich ont mis au point un environnement de simulation pour le domaine dentaire, utilisable sur ordinateur par un chirurgien dentiste ou un stomatologue spécialisé en implants, avant ses interventions. Il peut ainsi comparer différents implants, en fonction de leur diamètre ou leur longueur, et sélectionner la meilleure option biomécanique pour son patient.

Le groupe de chercheurs CAPS (Computer Aided Plastic Surgery), placé sous la direction du professeur Laszlo Kovacs de l’Université technologique de Munich, est également partenaire de Cadfem. Ces scientifiques axent leurs recherches sur des questions médicales précises, pour lesquelles la simulation FEM pourrait être d’une aide précieuse pour le médecin. Elles portent également sur des technologies innovantes qui permettent de modéliser, numériser et visualiser en 3D des surfaces corporelles ou des tissus mous.

Les chercheurs génèrent ainsi des reconstructions en 3D de modèles volumiques anatomiques de différentes régions du corps à partir de données d’imagerie radiologique. Ils simulent avec précision les déformations physiques des tissus en intégrant des paramètres tissulaires biomécaniques. Ils peuvent ainsi représenter par avance des interactions biomécaniques en s’appuyant sur ces modèles FEM déformables qui prennent même en compte les propriétés spécifiques des différents tissus.

Il est ainsi possible de dégager des paramètres tissulaires physiques comme l’élasticité ou l’allongement, utiles pour la simulation numérique. Ces données servent par exemple en chirurgie plastique à apprécier le résultat visé avant une opération de chirurgie mammaire.

Ces exemples illustrent l’état de la technique et les débuts de la simulation FEM personnalisée. Quoi qu’il en soit, la tâche qui consiste à évaluer et interpréter les résultats de chaque cas particulier implique un haut niveau d’expertise technique. Les résultats d’une simulation FEM fournissent en fin de compte uniquement des données sur des faits précis ; cela est vrai pour l’ingénierie, mais aussi pour leur utilisation en médecine. La décision à prendre sur la suite du traitement, et la question de leur responsabilité, repose comme toujours entre les mains du médecin traitant.

Christoph Müller Cadfem, Grafing (Munich)

Informations complémentaires C’est dans le secteur médical que Cadfem valorise les méthodes de simulation informatique pour la médecine et coopère avec des instituts de recherche. Pour plus de détails : www.cadfem.de