Modeling and design of robotized tools and milling techniques for total knee arthroplasty

par Christopher Plaskos

Thèse de doctorat en Modélisation des systèmes vivants

Sous la direction de Philippe Cinquin et de Antony J. Hodgson.

Soutenue en 2005

à Grenoble 1 .

    mots clés mots clés

  • Titre traduit

    Modélisation et conception d'outils robotisés et de techniques de fraisage pour l'arthroplastie totale du genou


  • Résumé

    La chirurgie assistée par ordinateur (CAO) a amené une valeur ajoutée significative aux interventions médicales, en fournissant des outil: de mesure permettant aux chirurgiens de quantifier et contrôler leurs gestes. Pour la pose de prothèse totale de genou (PTG), la CAO a réduit de manière significative les variations de position, paramètres directement corrèlés aux échecs précoces nécessitant une chirurgie de reprise. Les cliniciens restent néanmoins demandeurs d'une précision accrue et de possibilités additionnelles, qui semblent ne pouvoi être offertes que par de la robotique ou des 'outils intelligents' couplés à de la navigation. Un nouvel outil robotique dédié au fraisage de l'os pour les chirurgies des PTG a été développé. Notre robot miniature, appelé PRAXITELES, est fixé directement sur l'os sur l'un des côté du genou, il positionne avec précision un guide de fraisage qui permet au chirurgien de faire manuellement les coupes. Le fraisage manuel est un acte difficile, intrinsèquement instable; c'est pourquoi un modèle prédictif du processus de fraisage de l'os a été formulé, et des tests ont été menés, pour mieux comprendre et pour améliorer ce processus. La physique de la coupe osseuse a d'abord été étudiée dans le cas le plus simple: coupe à grande vitesse orthogonale (20) et oblique (3D). Les résultats ont ensuite été intégrés dans un modèle flexible pour la prédiction des forces de fraisage comme fonction des paramètres chirurgicaux. A partir de l'analyse des forces et de la stabilité, nous faisons des recommandations sur les techniques de fraisage optimales et sur le choix des outils. Des résultats expérimentaux sur cadavre sont très encourageants.


  • Pas de résumé disponible.


  • Résumé

    Computer-assisted surgery (CAS) has brought enormous added value to medical interventions by providing precise measurement tools that permit surgeons to quantify and control their gestures. Ln total knee arthroplasty (TKA), CAS has significantly reduced implant alignment and positioning variability, which has been correlated to early failures requiring revision surgery. There remains however a clinical demand for enhanced precision and capabilities that perhaps only robotics or 'intelligent instruments' coupled with navigation systems can offer. Ln this work a novel robotic tool for bone-milling in CAS TKA is developed. Our miniature bone-mounted robot, named Praxiteles, attache~ to the side of the knee and precisely positions a milling guide so that the surgeon can make the cuts manually. Because manual milling is known to be an inherently unstable process, however, a predictive model was formulated and experiments were conducted in order to better understand and improve the bone-milling process. The physics of bone-cutting was first analysed in the simplest case possible: high-speed orthogonal (20) and oblique (3D) single-edge cutting. This knowledge was then integrated into a flexible model for predicting milling forces as a function of the surgical parameters. We make recommendations for optimal milling techniques and tools based on an analysis of force and stability. Experimental results on cadavers with our new robot and milling technique are very encouraging, and we hope to start clinical trials in the future.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (147 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 141-144

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  • Bibliothèque : Université Grenoble Alpes (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèques et Appui à la Science Ouverte. Bibliothèque universitaire Joseph-Fourier.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : TS05/GRE1/0267
  • Bibliothèque : Université Grenoble Alpes (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèques et Appui à la Science Ouverte. Bibliothèque universitaire Joseph-Fourier.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TS05/GRE1/0267/D
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