Mallette Chirurgie

Mallette d'entraînement à la microchirurgie 

Sommaire 

I. Définition du projet 

A. Mind Map 

B. Demande du client 

C. Etat de l'art 

D. Analyse fonctionnelle 

II. Gestion 

III. Modélisation et conception 

A. Structure du thorax 

B. Moules et silicones 

C. Circulation sanguine 

IV. Version finale 

V. Conclusion et retours 

 

Introduction

Dans le cadre du projet S6 - Du concept au prototype, nous avons travaillé en collaboration avec l'hôpital de Hautepierre afin de proposer un modèle permettant l'entraînement à la microchirurgie lors d'une reconstitution mammaire. Nous avons donc dû représenter un thorax de la manière la plus réaliste possible. Les éléments du thorax et ceux nécessaires à l'opération ont donc été représentés le plus fidèlement possible. Tout au long du projet, nous avons suivi notre problématique principale : la mallette permet-elle aux étudiants de s'entraîner à la microchirurgie en situation réelle ?

I. Définition du projet
 A. Mind Map

 

 

 

B. Demande du client 

Le but est de permettre au chirurgien de première année de s'entraîner à pratiquer une technique de reconstruction mammaire : le DIEP.

Le DIEP se divise en plusieurs étapes : 

• prélèvement du lambeau (graisse du bas du ventre ou muscle de la cuisse) avec une veine et une artère auxquelles elles sont reliées
• incision de la peau au niveau du sein abîmé
• écartement du muscle pectoral 
• retrait d’un morceau de côte
• positionnement du lambeau et suture des vaisseaux situé sous les côtes avec les vaisseaux du lambeau 

Nous avons décidé de rencontrer Mme Ruffenach afin de comprendre au mieux l'opération et ce qu'elle souhaite mettre en place. Cette réunion nous a permis de faire des choix sur ce que nous devons privilégier ou non.

Le souhait principal de Mme Ruffenach est que les jeunes chirurgiens s'entraînent à la microchirurgie dans un environnement ressemblant le plus possible à un thorax de femme nécessitant une reconstruction mammaire.

La suture de tendons, de ligaments et le prélèvement du lambeau ne sont pas pris en compte dans ce projet, le seul aspect chirurgical entrant en jeu est la suture des vaisseaux du lambeau avec ceux situés entre le poumon et les côtes.

L’enjeu est donc de reproduire le plus fidèlement possible l’environnement autour des vaisseaux. Mme Ruffenach a précisé que seul un quart de thorax suffisait. De plus, il n’est pas nécessaire que tous les éléments du thorax figurent sur notre modèle, seuls les quatre côtes supérieures, le tissu qui entoure les côtes, le muscle pectoral et la peau seront représentés. Le poumon sera simplement rappelé par un fond bombé au-dessous des autres éléments.

Pour ce qui est des opérations réalisées par le chirurgien, ce dernier devra :

• inciser puis écarter la peau
• positionner la peau
• bouger le muscle pectoral
• ouvrir le tissu qui entoure les côtes
• scier la côte
• ouvrir le tissu qui entoure les côtes
• suturer les vaisseaux

En ce qui concerne le lambeau, l’objectif serait que sa texture, sa forme et sa couleur se rapprochent le plus possible d’un lambeau réel. Ce lambeau sera traversé par un vaisseau dont les deux extrémités seront ensuite suturées au vaisseau du thorax. Au mieux, la mallette chirurgicale contiendrait deux lambeaux différents (un muscle et un morceau de graisse) avec chacun des vaisseaux de diamètres différents.

 

C. Etat de l'art 

Besoins : 

• Lambeaux de peaux
• Lambeaux de graisse 
  • Ventre, vaisseau environ 2 mm de diam, 10/11 cm pour arriver au vaisseau d’origine 

• Lambeaux de muscles 
  • Cuisse, vaisseau environ 1,5 mm de diam, 5/6 cm pour arriver au vaisseau d’origine

• Vaisseaux sanguins reliés aux lambeau de graisse + pompe pour circulation du sang
• Côtes (moitié du thorax)
• Tissus
• Poumon (ébauche) 

Solutions techniques existantes :

• Différents kit d'entrainement à la suture 
  • MediStitch
  • https://www.amazon.fr/dp/B07GL45MG2?tag=asmrm-21&linkCode=osi&th=1&psc=1
  • https://www.amazon.fr/dp/B08R8ZKXWS?tag=asmrm-21&linkCode=osi&th=1&psc=1
• Organes et squelettes 
  • https://www.thingiverse.com/thing:3058103 (échelle à modifier)

• Pompe et liquides 
  • pompe du projet “Main d’entrainement à la microchirurgie" de 2021
• Vaisseaux 
  • Même type de vaisseaux utilisés par le groupe du projet “Main d’entrainement à la microchirurgie" de 2021
  • Les tubes peuvent être fournis par l’IRCAD Strasbourg

 

D. Analyse fonctionnelle 

• Bête à corne 

Contrôle de validité de ces besoins : 

 

Pourquoi le système existe-t-il ? (cause, origine…)

Parce que les étudiants ne peuvent pas s'entraîner en situation réelle (sur des patients vivants ou avec de vrais organes) 

 

Pour quoi ce besoin existe-il ? 

Pour que les étudiants puissent s’entraîner à la microchirurgie sur un thorax  

 

Qu’est-ce qui peut le faire évoluer ? 

Des nouvelles méthodes de sutures et de reconstitution mammaire

 

Qu’est ce qui pourrait le faire disparaître ? 

Des nouvelles méthodes de sutures et de reconstitution mammaire.

La création d’une nouvelle "mallette d'entraînement".

 

Dans sa forme actuelle le besoin est-il validé ?

Oui

 

Pourquoi ? 

Car il ne peut pas disparaître 

 

• Diagramme pieuvre

FP1 : Former les étudiants à la microchirurgie du thorax : à la suture des vaisseaux et à la reconstitution mammaire

FP2 : être démontable / remontable rapidement 

FC1 : être intuitif 

FC2 : résister aux manipulations des étudiants

FC3 : Faciliter l’apprentissage 

FC4 : Respecter les normes d’hygiène et de sécurité  

FC5 : Recréer la circulation sanguine 

FC6 : être réaliste, représenter au mieux un thorax réel et l’opération associée

FC7 : avoir un design attirant 

FC8 : être stable lors des manipulations 

FC9 : être abordable 

 

• Cahier des charges 

	Fonction	Critère associé	Niveau	Flexibilité*
FP1	Former les étudiants à la microchirurgie du thorax, à la reconstitution mammaire et à la suture des vaisseaux	Compétences acquises Adaptation à la formation	Amélioration des techniques de sutures sur les différents composants réalisés	Très important
FP2	Etre démontable et remontable facilement	Vaisseaux remplaçables en fin de manipulation	En moins de 5min	Très important
FC1	Etre intuitif	Packaging - brochure explicative Couleurs différentes en fonction de l'organe	Utilisable par n'importe quel étudiant	Important
FC2	Résister aux manipulations	Matériaux choisis	Utilisable environ 1an avant potentielle cassure	Important
FC3	Faciliter l'apprentissage	Rapidité d'utilisation Intuitivité	Utilisable par n'importe quel professeur*	Très important
FC4	Respecter les normes d'hygiène	Matériaux hygiéniques Matériel de suture stérile	Résister aux produits nettoyants	Peu important
FC5	Recréer circulation sanguine	Pompe correctement dimensionnée Etanchéité des vaisseaux aux liaisons	Comparaison entrée/sortie du volume de sang	Important
FC6	Etre réaliste et représenter au mieux un thorax réel et l'opération associée	Dimensions fidèles à la réalité Formes du modèles les plus réels possible (Peau, Os, Vaisseaux sanguins, Nerfs, Tendons)	30x30 cm* Côte démontable*	Peu important
FC7	Avoir un design attirant	Couleurs des différents parties Montage des éléments	Ressemblance au réel	Peu important
FC8	Etre stable lors des manipulations	Poids Matériau Adhérence	Moins de 2kg	Important
FC9	Etre abordable	Matériaux choisis	Environ 150€ par modèle (+/- 25€)	Négociable

 

• Etude des solutions techniques 

Nous avons choisi de séparer notre étude de solutions techniques en différentes parties

- Etude de solutions techniques pour les fonctions

 

- Etude de solutions possible pour la conception du thorax 

 

- Mode opératoire et solutions possibles associées

-  Etude de solution possible pour les lambeaux 

Étant donné les dimensions de nos lambeaux, nous optons pour le silicone. 

En effet, nous n’aurons pas besoin de beaucoup de matière. De plus, au vu de l’utilisation de notre maquette, le rendu se doit d’être impeccable afin de former au mieux les étudiants.

 

II. Gestion de projet 

 

Diagramme de Gantt prévisionnel

 

Diagramme de Gantt effectif 

 

III. Modélisation et conception 

Nous avons choisi de séparer la modélisation et la conception de notre projet en trois grandes parties : la structure du thorax, les moules et silicones et enfin la circulation sanguine.

A. Structure du thorax 

Dans cette partie, nous nous sommes concentrés sur la structure extérieure du thorax : les plaques socles ainsi que les côtes. 

Les plaques socles sont des formes simples à réaliser. Nous avons donc choisi d'utiliser la stratoconception. Cela nous permet également d’avoir des formes précises. Nous pourrons également assembler nos plaques socles plus facilement, en les collant ou les scotchant. 

Pour obtenir des plaques socles optimales, plusieurs essais étaient nécessaires. Après notre premier essai, nous avons choisi de changer la forme de la plaque. Des chanfreins ont été ajoutés pour faciliter l’insertion des côtes, les pointes ont été retirées car celles-ci risquent de casser et les côtes suffisent à se maintenir en position entre elles. 

Photo 1 : 1ère plaque essai

                      

Photos des plaques finales 

Les côtes ont été imprimées avec l’imprimante 3D. L’impression 3D nous permet d’usiner des formes comme celles des côtes. Nous obtenons également des formes bien précises qui permettent un assemblage fonctionnel avec les plaques socles. Pour respecter l’opération, une côte doit être coupée afin d’accéder aux vaisseaux sanguins. Pour cela, nous avons coupé une côte au ¾ avant l’impression. Nous mettons également un système clé/serrure (cf photos 3, 4 et 5) pour l’assemblage/démontage. Ce système permet alors de bloquer tous les degré de liberté excepté la translation dont nous avons besoin. D’autre part, nous avons choisi d'aplatir les côtes pour permettre un maintien en position des lambeaux de muscle et graisse. Pour cela, une simulation de l'action de l'ensemble du poids du muscle gracilis sur le méplat d'une seule côte a été réalisée. Nous pouvons alors voir que les côtes pourront supporter les lambeaux. 

                                                             

Simulation 1 : Simulation en contraine                                                                                                                    Simulation 2 : Simulation en déformation 

 

           

Photos 1 et 2 : Résulats des côtes en impression 3D

 

           

Photos 3, 4 et 5 : Côte avec système clé/serrure 

B.  Moules et silicones 

• Estimation du volume des lambeaux 

- lambeau de gras 

D’après un schéma de Mme Ruffenach, voici de quelle partie du corps est extrait le lambeau.

En mesurant sur nous mêmes et en estimant le volume retiré, on obtient les valeurs suivantes :

 

Nous avons ensuite calculé la surface et le volume associé (épaisseur estimée du lambeau de 3cm) : 

- lambeau de muscle 

De la même façon et d'après les schémas suivants 

 

• Estimation des quantités 

Selon un extrait du rapport de PFE de Monsieur Guillaume LODS (2021), nous en déduisons les volumes nécessaires de chaque composant pour chaque organe : 

“ D’après les travaux de thèse [37] d’Antoine Pfeil, il est possible de fabriquer ces gels souhait´es `a partir de silicone Dragon Skin MEDIUM 10 (Smooth-on, USA), de l’assouplissant ”Slacker” 

(Smooth-on, USA) et de l’huile minérale (Huile 47V 50, Gaches Chimie, France).”

Après discussion avec Monsieur Richard SAUMON, nous avons conclu que les silicones disponibles en PFM seraient moins coûteux et suffisants pour la réalisation de nos lambeaux malgré des duretés shores légèrement différentes. Le silicone utilisé a une dureté shore de 25, cela est légérement au dessus que la dureté voulue.

• Modélisation et conception 

A l’aide des des estimations de taille des lambeaux dans la partie précédente, nous avons pu modéliser les moules qui serviront à la réalisation des lambeaux. 

       

CAO des moules  

Deux moules ont été modélisés puis imprimés pour chaque forme de lambeaux. Pour avoir des formes nettes, précises et permettre de couler notre silicone, nous avons choisi d’imprimer les moules en 3D. Des trous dans le moule dans lesquels nous placerons des éjecteurs vont nous permettre de faire passer les vaisseaux sanguins.

        

Moule 1 : Lambeau de gras 

    

Moule 2 : Lambeau de muscle 

Nous avons ensuite préparé le silicone pour créer les lambeaux. Pour cela, nous avons du calculer les masses de silicone et de catalyseur nécessaires. 

Fiche technique silicone RTV3325

- Diep et Gracilis 

D’après des calculs préalablement réalisés (cf “estimation des volumes”) et la densité dans le tableau ci-dessus, nous avons : 

En ajoutant la perte de pot, on obtient : 

352,8+378+20 = 750,8 g

Selon la fiche technique, il faut ajouter 5% de cette masse en catalyseur : 

750,8*0,05=37,54 g

- Peau 

En ajoutant la perte de pot, on obtient : 

342+20 = 362 g

Selon la fiche technique, il faut ajouter 5% de cette masse en catalyseur : 

362*0,05=18,1 g

Plaque : 30 x 38 x 0,3 cm^3

                     

Réalisation des lambeaux et de la peau 

 

On obtient alors, les lambeaux suivants : 

      

C. Circulation sanguine 

Afin d’être le plus fidèle possible à la réalité, nous avons dû modéliser la circulation sanguine présente dans un vrai thorax. Evidemment il est impossible de reproduire le schéma sanguin à l’identique tant le corps humain est complexe. Nous avons donc fait le choix de représenter un ensemble simplifié. Le cœur est remplacé par une pompe permettant la circulation d’un flux de faux sang à travers notre thorax artificiel. 

 

La pompe avait déjà été dimensionnée l’année précédente (cf. projet “main d'entraînement à la micro-chirurgie”). C’est donc suite à une réunion avec le groupe que nous avons choisi de reprendre la même pompe puisqu’elle correspond très bien à nos besoins. 

Les vaisseaux sanguins à suturer seront symbolisés par des tuyaux en PVC de différents diamètres (2 et 3mm  de diamètre intérieur). La demande initiale était, si cela était possible, de pouvoir s'entraîner sur 3 vaisseaux de tailles différentes. Cependant, suite à des problèmes d’approvisionnement et en commun accord avec la chirurgienne, nous prototyperons un modèle avec seulement 2 vaisseaux de tailles différentes : diamètre intérieur de 2mm et de 3mm. Ces tuyaux présentent néanmoins l’avantage d’être peu chers, étanches et suturables facilement. En effet l’opération de suture présente plusieurs étapes (découpe du vaisseau, raccordement au nouveau vaisseau, suture et étanchéification de la suture), ces vaisseaux sont très fidèles à la réalité. De plus, nous sommes en contact avec Creaplast, une entreprise produisant ces vaisseaux qui à pu nous conseiller sur l’achat des vaisseaux (la commande à finalement été passée sur amazon). 

Cependant, la pompe présente une sortie et nous avons besoin de 3 vaisseaux traversant nos différents organes et lambeaux. Nous avons donc dû réaliser un embranchement. Celui-ci permettrait de répartir le flux dans 3 vaisseaux différents pour l'envoyer dans le thorax. Un deuxième adpatateur a été réalisé avec une seule sortie pour que les étudiants puissent s'entraîner sur un seul vaisseau s'ils le souhaitent. D'autre part, nous n'avons pas besoin d'adapter l'entrée de la pompe car celle-ci sera plongée directement dans l'eau. 

 

1er ébauche d'embranchement de sortie 

    

Embranchement final CAO et pièce finie 

 

IV. Version finale 

 

 CAO du rendu souhaité 

 

 

Photo 1 : Malette 

 

           

Photos 2 et 3 : thorax artificiel sans muscle et avec muscle 

La malette chirurgicale finale se compose des éléments suivants : 

• 2 plaques socles afin d'emboiter les côtes 
• 4 côtes et une côte que l'on peut démonter 
• une pompe avec son embranchement 
• un lambeau de muscle et un lambeau de gras avec leurs vaisseaux (interchangeables)
• des vaisseaux sanguins de diamètre intérieur 2mm et 3mm 
• la peau 

 

V. Conclusion et retours 

Nous avons cependant quelques points à améliorer : 

• La texture des muscles : en effet, les muscles sont légèrement trop durs pour permettre de les mettre en forme comme on le souhaite. Il serait préférable de changer la dureté des silicones utilisés afin d'assurer une bonne mise en forme.
• Permettre l'incision de la peau : dans notre cas la peau ne peut pas être incisée, il faut la déplacer pour accéder aux côtes. Nous pourrions mettre un système aimanté que l'on peut ouvrir et refermer.
• Se concentrer sur les étapes de l'opération manquantes : nous nous sommes concentrés sur les étapes fondamentales du projet afin de répondre au besoin premier et de livrer quelque chose de fonctionnel.
• Fluidité du sang : en effet, l'eau est nettement plus fluide que le sang. Il serait intéressant d'utiliser un liquide avec une fluidité qui se rapproche au mieux de celle du sang.

Néanmoins, la mallette d'entraînement à la microchirurgie répond aux besoins énoncés par Mme Ruffenach et est fonctionnelle.

Ce projet pourra ainsi se perpétuer sur les prochaines années avec comme piste d'amélioration les points listés ci-dessus. L'objectif étant de devenir un outil d'apprentissage quotidien, il serait très intéressant de le continuer jusqu'à un aboutissement plus poussé.

Ce projet nous a permis de développer de nombreuses compétences sur le travail en groupe mais aussi sur beaucoup de techniques de modélisation (impression 3D, stratoconception ...). Nous avons pu également voir l'importance de la relation client / ingénieur, nous étions régulièrement en contact avec Mme Ruffenach pour s'adapter à sa demande.