Endoprothèses canines métalliques et guides de coupe plastiques personnalisés : conception, fabrication additive et validation

Timercan, Anatolie (2018). Endoprothèses canines métalliques et guides de coupe plastiques personnalisés : conception, fabrication additive et validation. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’ostéosarcome est le type de cancer des os le plus courant chez le chien, affectant principalement le radius distal. L’opération de sauvetage de membre avec plaques métalliques commerciales est un des traitements disponibles, mais il offre des résultats sous-optimaux. Cette étude propose l’utilisation d’endoprothèses et de guides de coupe personnalisés, produits par fabrication additive pour améliorer ce type de chirurgie.

Les modèles osseux issus des tomodensitométries du patient sont reconstruits et utilisés pour concevoir la prothèse et le guide de coupe en appliquant les consignes du chirurgien vétérinaire. La prothèse est fabriquée en un alliage de titane sur un système de fusion par laser sur lit de poudre, tandis que le guide de coupe est imprimé en plastique par dépôt de fil. Plusieurs étapes de post-traitement sont effectuées avant l'expédition de l’ensemble prothèse-guide pour la chirurgie. Le temps requis pour cette démarche est en moyenne entre 65 et 85 heures. Une telle approche permet de réduire la durée de la chirurgie de 25-50%.

Pour vérifier la résistance des endoprothèses personnalisées, un modèle numérique d’un membre instrumenté est développé et validé par un test biomécanique ex-vivo. Ce modèle validé est utilisé pour analyser la distribution de contraintes dans les os et l’implant, et peut servir afin d’optimiser l’endoprothèse personnalisée en termes de forme et de matériau de fabrication. Une comparaison des tests biomécaniques de membres cadavériques instruments d’une endoprothèse personnalisée et d’une plaque commerciale montre un comportement similaire des deux assemblages. Ceci semble indiquer que l’endoprothèse personnalisée est au moins aussi résistante que ses contreparties disponibles commercialement.

Cinq chiens sont opérés avec succès au cours de l'essai clinique en cours. L’analyse de temps de ces cinq cas identifie des goulots d’étranglement dans la méthodologie de production et des solutions potentielles sont présentées. L’analyse des coûts montre que la prothèse personnalisée est 70-100% plus dispendieuse qu’un assemblage plaque-endoprothèse commercial, toutefois, la réduction de la durée de la chirurgie, le potentiel de diminution des risques d'infection postopératoire et des risques de défaillance de l'implant sont des benefices non-négligeables.

Titre traduit

Personalized metallic canine endoprostheses and plastic cutting guides: desisgn additive manufacturing and validation

Résumé traduit

Osteosarcoma is the most common type of bone cancer in dogs, affecting mainly the distal radius. Limb-sparing surgery using commercial metal plates is one of the available treatments, but often does not yield optimal results. This study proposes the use of personalized endoprostheses and cutting guides produced by additive manufacturing to improve this type of surgery.

The bone models derived from the patient's CT scans are reconstructed and used to design the prosthesis and the cutting guide following the veterinary surgeon’s guidelines. The prosthesis is manufactured of a titanium alloy on a laser powder bed fusion system, while the cutting guide is created of ABS plastic by fused deposition modeling. Several post-treatment steps are performed prior to shipping of the prosthesis-guide kit for surgery. The time required for this approach is on average between 65 and 85 hours. Such an approach can reduce the duration of the surgery by 25-50%.

To verify the resistance of the personalized endoprosthesis, a numerical model of an instrumented limb is developed and validated by an ex-vivo biomechanical test. The validated model is used to analyze the stress distribution in the bones and the implant, and can be used to optimize the personalized endoprosthesis in terms of design and manufacturing material. A comparison of the biomechanical tests of cadaveric limbs instrumented with a personalized endoprosthesis and a commercial plate shows similar behavior of the two assemblies. This suggests that the personalized endoprosthesis is at least as strong as its commercially available counterparts.

Five dogs are successfully implanted during the ongoing clinical trial. The time distribution analysis of these five cases identifies bottlenecks in the production workflow and potential solutions are presented. The cost analysis shows that the customized prosthesis is 70-100% more expensive than a commercial plate-endoprosthesis assembly, however, the reduction in surgery duration and the potential reduction in postoperative infection risks and implant failure risks are non-negligible benefits.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par articles présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique." Comprend des références bibliographiques (pages 69-75).
Mots-clés libres:	implant personnalisé, fabrication additive, modèle par éléments finis, validation expérimentale ex-vivo, opération de sauvetage de membre
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Brailovski, Vladimir
Codirecteur:	Codirecteur Petit, Yvan
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	17 déc. 2018 17:19
Dernière modification:	17 déc. 2018 17:19
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2182

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