PIEZOKNEE

Contexte du projet

Les prothèses orthopédiques représentent une part importante des implants posés chaque année, principalement des prothèses totales de genou (PTG). Au cours de la dernière décennie, le nombre de PTG a doublé dans les pays de l'OCDE et pourrait quadrupler d'ici 2030. Cette expansion est essentiellement due au vieillissement de la population, à l'augmentation de l'obésité, mais surtout à des indications de patients jeunes avec une arthrose moins avancée. Cependant, une intervention réalisée à un stade précoce peut entraîner des complications qui nécessitent souvent une reprise chirurgicale. Ces interventions répétées sont plus coûteuses, et nécessitent un suivi médical plus rigoureux : un SOI muni d’une communication par APT permettrait de réaliser ce suivi patient.

Objectif du projet et pertinence

Un modèle d'articulation du genou sera développé en utilisant de nouvelles méthodes de modélisation statistique intégrant des paramètres acoustiques. De plus, les niveaux de puissance d'entrée admissibles seront étudiés pour limiter les mécanismes physiques (thermiques, cavitations) et rester en dessous des valeurs fixées par les normes et utilisées par les équipements ultrasonores commerciaux. Ce modèle et ces données d'entrée seront ensuite utilisés pour concevoir et optimiser le système de transmission de puissance acoustique grâce à la modélisation multi-physique à la fois analytique puis par éléments finis, en intégrant les transducteurs piézoélectriques dans l'implant. Nous ciblons une puissance reçue dans l'implant comprise entre 1 mW et 10 mW, tout en restant conforme aux normes médicales et en utilisant des sondes à ultrasons commerciales côté émetteur. Les prototypes seront assemblés et testés d'abord sur cinq fantômes de genou élaborés dans le cadre du projet et ensuite sur trois spécimens cadavériques au laboratoire anatomique du CHRU de Brest. Les preuves de concept (PoCs) permettront alors d'alimenter une nouvelle génération d'implants orthopédiques intelligents intégrant des capteurs, plus robustes et plus fiables, facilitant l'industrialisation et permettant à terme une meilleure prise en charge clinique.

Approche

Géré par le LaTIM, le WP1 (voir Figure 1) fournit le modèle du genou intégrant les données anatomiques (T1.1) et acoustiques (T1.2) afin de concevoir le système. TIMA prendra en charge l'étude des exigences en termes de limites de puissance, de fréquences et de temps d'exposition, en corrélant les exigences du système aux normes médicales actuelles. Parallèlement, des tests préliminaires seront effectués à l'aide de sondes de transducteurs acoustiques disponibles dans le commerce, ce qui est essentiel pour rassurer les cliniciens et toucher les industriels. Il sera pertinent d'exploiter toutes les possibilités matérielles des dispositifs médicaux existants (en respectant les normes d'émission), tout en dimensionnant un récepteur acoustique dédié et spécifique du côté de l'implant. Fort de son expérience dans la modélisation de systèmes multi-physiques, le CEA gèrera le WP2. Conjointement avec TIMA, le CEA proposera la conception et la modélisation du (des) récepteur(s). Le CEA proposera des prototypes et des expériences intermédiaires (T2.1), sur la base de géométries "simples" et en utilisant les premiers éléments du WP1 (version initiale du modèle 3D, limites de puissance d'entrée selon les normes ...). Ces prototypes intermédiaires seront caractérisés pour affiner les modèles et vérifier l'ordre de grandeur de la puissance reçue sur des géométries simples.

Figure 1 : méthodologie proposée et liens entre les tâches et les partenaires

Résultats attendus

Le prototype final, c'est-à-dire une solution APT optimisée intégrée dans une prothèse de genou, sera optimisé et fabriqué par le CEA en exploitant pleinement la version finale du modèle acoustique 3D du genou fourni par le LaTIM (T1.1) et en suivant les recommandations du TIMA (T1.2). Les deux versions (géométries "simple" et finale) seront testées sur 5 spécimens de cadavres (T3.1 et T3.2 du WP3) dans le laboratoire d'anatomie de la plateforme PLATIMED du LaTIM en étroite collaboration avec des chirurgiens orthopédiques. Des quantités telles que l'efficacité de conversion globale et les puissances électriques transmises seront mesurées pour différentes conditions d'entrée (puissances d'entrée, fréquences, placement de l'émetteur sur le genou...). La validation comparera les performances de l'APT par rapport au couplage inductif bien connu réalisé dans le cadre du projet Followknee dans les mêmes conditions de mesure. On s'attend à un facteur de 10 dans la puissance transmise ou la densité de puissance dans un volume similaire, tout en améliorant de manière significative la robustesse mécanique et la faisabilité de l'étanchéité. Cela permettrait d'augmenter les fonctionnalités du système implanté (c'est-à-dire plus de capteurs dans un volume similaire) ou de réduire la taille de la partie réceptrice pour faciliter la miniaturisation ou la personnalisation morphologique de l'implant.

Partenaires académiques et industriels français et étrangers

PiezoKnee se veut une étape décisive vers une nouvelle génération de SOI. Par sa complémentarité, les partenaires du consortium proposent de combiner la modélisation statistique multiparamétrique des données anatomiques (LaTIM) et la modélisation multiphysique pour le transfert de puissance acoustique (CEA) contrainte par des limitations standards en termes de puissance, de fréquences et de temps d'exposition (TIMA). L'ambition scientifique globale de PiezoKnee est de valider une nouvelle méthode de conception dans le domaine de la transmission de puissance acoustique pour les implants orthopédiques. Un lien étroit entre les données d'entrée (modèles anatomiques, propriétés des matériaux et puissances maximales d'entrée) et les tâches de modélisation permettra également d'optimiser le placement, la forme et le nombre de récepteurs à l'intérieur de l'implant de genou.

Prochaines étapes

L’objectif des SOI est de limiter le nombre de reprise. Ainsi, ils initient un cercle vertueux : une meilleure compréhension de la biomécanique et des phénomènes physiopathologiques in vivo grâce aux données fournies par les capteurs intégrés dans le but d'améliorer encore les implants et les techniques chirurgicales pour un meilleur bénéfice clinique. La technologie APT est une réponse aux besoins grandissant en énergie électrique qui limite l’introduction sur le marché et l’intégration dans la routine clinique des SOI, qui reste un défi.

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Pôle de compétitivité Minalogic