Simulation de chirurgie en 3D pour la conception de nouveaux dispositifs médicaux

Tout comme les callosités qui se forment sur la main, la surutilisation de la voix peut entraîner des excroissances dures et non cancéreuses sur les cordes vocales. L'élimination rapide de ces nodules afin de préserver la fonction des cordes vocales est essentielle pour les acteurs et les chanteurs qui dépendent de leur voix. La méthode traditionnelle pour retirer les nodules bénins, ainsi que certaines tumeurs cancéreuses rares, est la chirurgie au bloc opératoire d’un hôpital.

Ces dernières années, l'élimination au laser de ces lésions dans les cabinets médicaux a gagné en popularité. La procédure consiste à détruire les excroissances des cordes vocales avec des impulsions laser pour les éliminer ou les rétrécir. Il peut s’agir d’une intervention chirurgicale ambulatoire rapide qui ne nécessite pas d’anesthésie générale.

« Ces dispositifs sont très onéreux et nécessitent beaucoup de temps à fabriquer », explique Fichera. « Grâce à la simulation avec MATLAB, nous pouvons évaluer rapidement des dizaines de conceptions différentes sans les fabriquer. Nous déterminons quelle configuration est prometteuse et celle que nous devrions prototyper. Cela réduit le temps de prototypage, ce qui le rend beaucoup plus rentable. Chaque cycle de conception et de prototypage ne prend désormais que trois semaines à deux mois, selon la complexité de la conception. »

Larynx virtuelle

Des recherches récentes ont suggéré que les pointes effilées des fibres qui dirigent la lumière sous différents angles pourraient permettre aux médecins de traiter les espaces difficiles d'accès du larynx. Fichera s'est associé à des professionnels de la santé de la Harvard Medical School et du Brigham and Women's Hospital de Boston pour évaluer l'efficacité de ces fibres inclinées. Ils ont mené une étude basée sur la simulation comparant différents types de fibres laser : une fibre traditionnelle orientée vers l'avant et trois fibres à tir latéral qui émettent de la lumière à des angles de 45°, 70° et 90°, respectivement.

Les logiciels de radiologie commerciaux peuvent reconstruire des formes 3D à partir d’images médicales. Néanmoins, le logiciel est difficile à utiliser et ne peut souvent pas exporter les données au format STL requis par Fichera et ses collègues. L’équipe a passé une semaine à écrire du code pour convertir les tomodensitométries en rendu 3D du larynx.

« Avec Medical Imaging Toolbox, nous pouvons charger l'ensemble des données et créer le rendu tridimensionnel en quelques clics seulement. Posséder cette fonctionnalité et la possibilité d'exporter des données est important : Cela signifie que nous ne partons pas de zéro pour chaque nouveau design. Nous pouvons compter sur quelque chose dont nous savons qu’il fonctionne et qui est standard. Cela permet de gagner des semaines pour chaque nouvelle conception », explique Fichera.

Les étudiants diplômés de Fichera utilisent également Medical Imaging Toolbox™ pour le cours sur les robots chirurgicaux. Dans le passé, les étudiants devaient pratiquer la reconstruction tridimensionnelle à l’aide d’un logiciel de radiologie. « Ils n'ont plus besoin d'utiliser ce logiciel », déclare Fichera. « Je leur demande d'utiliser MATLAB pour cela. »

Simulation de chirurgie

La projection de rayons est coûteuse en termes de calculs, dit-il, c'est pourquoi ils ont utilisé Parallel Computing Toolbox™ pour accélérer les choses. « Au lieu de parcourir des milliers de points de vue et de projeter des rayons lumineux un par un, nous diffusons des rayons en parallèle depuis autant de points que possible à la fois, puis nous regroupons tous les résultats. Avec Parallel Computing Toolbox, la simulation prend environ sept heures. Sans calcul parallèle, cela prendrait beaucoup plus de temps, probablement plusieurs jours. »

Ils ont constaté que les fibres coudées à 45°, 70° et 90° augmentaient la quantité totale de tissu laryngé accessible et traité en moyenne de 50 %, 74 % et 84 %, respectivement. 

Concevoir des endoscopes de nouvelle génération

Fichera et ses collègues prévoient d'utiliser leurs données pour demander des subventions et utiliser le financement pour développer un tout nouveau dispositif. « Notre idée est de remplacer l'endoscope utilisé aujourd'hui par notre version de cet appareil. Quelle que soit la conception que nous proposons, nous pouvons d'abord effectuer une simulation dans MATLAB avant de fabriquer ou même de toucher un instrument physique, voir s'il fait ce que nous pensons, puis passer au prototypage. »