Planification chirurgicale et impression 3D : où en sommes-nous ?

Imaginez ce qui s’est passé lorsque les rayons X ont été introduits pour la première fois, ou encore les tomodensitogrammes et les IRM. Imaginez à quel point cette technologie a été transformatrice, donnant aux médecins la possibilité de voir à l’intérieur du corps d’un patient sans l’ouvrir. Un tout nouveau monde, n’est-ce pas ? La même transformation s’est produite avec l’avènement de l’impression 3D pour la chirurgie, et plus particulièrement pour la planification chirurgicale.

Au lieu d’être limités à des images sur un écran, les médecins et les patients ont pu utiliser des outils physiques en 3D pour comprendre certaines données. Aujourd’hui, plusieurs hôpitaux utilisent régulièrement cette technologie pour visualiser des cas complexes ou rares, et les résultats sont remarquables : les temps d’opération peuvent être réduits de plusieurs heures, les résultats chirurgicaux peuvent être améliorés et les patients peuvent aborder une opération avec une meilleure compréhension de la situation.

Crédits photo : Stratasys

Et ce n’est qu’un début : en France, le nombre d’hôpitaux équipés de solutions d’impression 3D ne cesse d’augmenter et lun véritable réseau se construit au fil des années. Les applications de l’impression 3D en chirurgie sont très nombreuses, de la création de guides chirurgicaux à la personnalisation d’implants, et avec l’intérêt croissant pour ce domaine, de nouvelles applications ne manqueront pas de voir le jour.

Comment l’impression 3D est-elle utilisée pour la planification chirurgicale ?

Il existe différents types d’outils imprimés en 3D utilisés pour la planification chirurgicale. Nous présentons ci-dessous trois des outils les plus courants. Cette technologie étant encore relativement nouvelle, ces outils sont souvent désignés par des noms différents, et nous inclurons leurs termes alternatifs pour plus de clarté.

Modèle chirurgical

Les modèles chirurgicaux sont des représentations 3D à l’échelle 1:1 de l’anatomie d’un patient qui aident le chirurgien à définir son approche de l’opération. Un peu plus loin que les scans CT ou IRM traditionnels, les modèles chirurgicaux sont un outil de traduction qui met en évidence la relation spatiale entre les organes, les os ou les tissus, quelle que soit l’anatomie. Les modèles chirurgicaux sont souvent utilisés pour comprendre où se trouvent les tumeurs par rapport à l’anatomie environnante et pour développer des stratégies de reconstruction. Ces modèles sont instructifs pour le médecin ainsi que pour le patient et sa famille.

Modèle chirurgical imprimé en 3D représentant un anévrisme de l’artère cérébrale. (crédit photo : 3D4MED)

Guide chirurgical

Également appelés guides spécifiques au patient (PSG) ou guides de coupe, les guides chirurgicaux sont utilisés pour diriger le chirurgien pendant l’opération. Ces outils à usage unique sont fabriqués sur mesure pour le patient et appliqués directement sur le corps pendant l’opération. Ils fonctionnent comme un modèle, ou un pochoir, en montrant au chirurgien où placer une lame, une vis ou tout autre outil qu’il utilise. Parfois, ils peuvent indiquer la profondeur et la direction d’une manœuvre. Essentiellement, les guides chirurgicaux permettent de garantir l’exactitude de la procédure. Ils sont utilisés pour diverses interventions chirurgicales, les plus courantes étant la chirurgie cranio-maxillo-faciale, la chirurgie dentaire, les ostéotomies et la chirurgie orthopédique.

Guide de coupe pelvienne spécifique au patient imprimé en 3D dans l’usine de fabrication d’Insight Surgery au sein du Children’s Nebraska. (crédit photo : Insight Surgery)

Simulation

Les modèles de simulation sont similaires aux modèles anatomiques chirurgicaux, mais au lieu d’être utilisés pour un cas spécifique au patient, ils sont utilisés pour l’éducation et la formation. Ils peuvent être conçus de la même manière qu’un cas spécifique, mais comme ils ne sont pas utilisés pour la planification pré-chirurgicale d’un patient spécifique, ils peuvent être modifiés ou même créés sans utiliser l’imagerie radiologique. Ils peuvent avoir des caractéristiques réalistes, chaque pièce anatomique imitant le tissu réel. La chair ressemble à de la chair, l’os ressemble à de l’os, les organes ont une sensation spécifique à la densité de chaque organe, ce qui constitue une alternative potentielle aux cadavres. Les chirurgiens peuvent effectuer des opérations entièrement simulées sur ces modèles. Les fantômes sont un type spécifique de simulation utilisé dans les cabinets de radiologie pour la formation aux pratiques de radiographie, de tomodensitométrie, d’IRM et d’échographie. Dans ces simulations, les matériaux imprimés en 3D ressemblent beaucoup aux tissus réels des patients, ce qui permet de mieux former les professionnels de l’imagerie et de réduire la dose de rayonnement (ou le temps de balayage pour l’IRM/l’échographie) pour le patient.

Chirurgiens s’exerçant sur un modèle de cœur pédiatrique imprimé en 3D (crédit photo : Stratasys)

Pourquoi utiliser l’impression 3D en planification chirurgicale ?

Les outils imprimés en 3D ne sont pas nécessaires pour toutes les opérations chirurgicales, alors qu’est-ce qui justifie leur production ? Pour les modèles et les guides chirurgicaux, il s’agit généralement d’une anatomie unique ou complexe, qui n’apparaît pas clairement à l’aide d’une simple IRM ou d’une tomodensitométrie. Selon le Dr Peter Rose, chirurgien orthopédique spécialisé dans les tumeurs à la Mayo Clinic de Rochester (Minnesota), ces cas se situent souvent dans la partie centrale du corps.

Il explique : « Si quelqu’un a une tumeur autour du genou, par exemple, c’est assez facile à comprendre… et les coupes que vous faites seront pour la plupart des coupes assez droites que vous pouvez faire avec une caméra à rayons X pour vous guider et un gabarit de coupe, ou à main levée. Mais lorsque nous avons des tumeurs qui se trouvent dans et autour du bassin, par exemple, ou des tumeurs qui se trouvent dans et autour de la colonne vertébrale, lorsqu’elles sont très compliquées et s’étendent sur plusieurs compartiments anatomiques différents… [l’impression 3D] est une chose extrêmement intéressante à utiliser. »

Le Dr Rose note que, dans le cas des cancers, il est important d’enlever la maladie entièrement et en un seul morceau, avec un morceau de tissu normal autour de lui en guise de marge. « L’anatomie sur laquelle nous devons travailler n’est souvent pas droite et rectangulaire », a-t-il déclaré. « Elle se courbe et se déplace, et l’impression 3D nous a permis d’identifier les trajectoires que nous utiliserions pour faire une coupe autour des choses. »

Modèle chirurgical d’une tumeur (noir et violet) sur l’os du bassin (blanc), avec les vaisseaux veineux (bleu) et artériels (rouge). Ce modèle spécifique au patient a été utilisé pour planifier la résection chirurgicale de la tumeur pelvienne, afin que le chirurgien puisse mieux comprendre la morphologie, la localisation et la vascularisation de la masse (crédit photo : 3D4MED).

Les fantômes et les simulations, quant à eux, peuvent être imprimés pour la formation chirurgicale générale ou pour s’entraîner à des cas de patients spécifiques. L’hôpital pour enfants de Seattle, par exemple, imprime en 3D la trachée de patients qui ont des difficultés à respirer. Le chirurgien oto-rhino-laryngologiste peut alors couper et faire des points de suture sur l’impression 3D, s’exerçant ainsi à la chirurgie avant l’opération réelle.

Comment se déroule le processus ?

Pour chaque processus d’impression 3D, la première étape consiste toujours à créer le modèle 3D, que ce soit par le biais d’un scanner ou d’un dessin 3D. Comme la réalisation d’un scanner ou d’une IRM fait déjà partie du processus préopératoire, les scans sont déjà disponibles pour l’impression 3D. À l’aide de ces IRM ou tomodensitogrammes du service de radiologie, les spécialistes de l’imagerie 3D peuvent développer des modèles 3D de l’anatomie souhaitée. Bien entendu, le processus d’impression 3D des outils chirurgicaux sera différent selon que l’hôpital procède lui-même à l’impression 3D ou qu’il la sous-traite.

Une fois les scans obtenus, les spécialistes de l’imagerie 3D doivent procéder à la segmentation, c’est-à-dire définir les structures souhaitées pour une meilleure visualisation. L’objectif principal de la segmentation est d’identifier les limites des différentes parties telles que les tumeurs, les os, les organes et les vaisseaux sanguins. Souvent, cette opération doit être effectuée manuellement pour l’impression 3D, car les cas imprimés en 3D sont presque toujours uniques. Toutefois, certaines solutions d’intelligence artificielle ont été intégrées à ce processus.

Gabe Linke, directeur du département 3D de Children’s Nebraska, explique : « Dans certains cas, [l’IA] nous aide à avancer un peu au début, mais nous avons ensuite beaucoup de travail manuel…Nous sommes enthousiastes car, à mesure que l’IA s’améliore, il faudra probablement de moins en moins de données pour former des modèles performants. »

Crédits photo : Bastawrous et. al.

Technologies et matériaux 

Une fois le fichier 3D préparé, il est temps d’imprimer, mais quelles technologies et quels matériaux utiliser ? Le processus nécessite la consultation de médecins et de spécialistes de l’imagerie 3D ou d’ingénieurs – dans tous les cas, des personnes qui précisent les besoins du cas. Différents types de technologies d’impression 3D sont utilisés pour les outils de planification chirurgicale.

Adam Wentworth, ancien ingénieur principal à la Mayo Clinic et actuellement ingénieur principal en développement de produits chez Ricoh, a expliqué que les technologies d’impression 3D les plus couramment utilisées sont l’extrusion de matériaux (FDM), la photopolymérisation en cuve (SLA) et le jet de matière (Polyjet). Dans une moindre mesure, la fusion sur lit de poudre avec du nylon 12 ou du polyuréthane est également utilisée.

Selon le cas, une technologie peut être préférable à une autre. Par exemple, pour les outils de planification chirurgicale imprimés en 3D ayant pour but d’aider les gens à visualiser une situation, l’effet visuel de la pièce sera capital c’est-à-dire qu’il sera important de reproduire des couleurs, des textures, de la transparence, etc. L’équipe peut également se demander si elle souhaite que la pièce puisse s’ouvrir, révélant ainsi l’anatomie à l’intérieur.

Ci-dessous, observez la différence entre un scan c’est-à-dire une image plate avec des nuances de gris, et un dispositif imprimé en 3D : un objet avec des couleurs très contrastées et des caractéristiques tangibles. Il est beaucoup plus facile de voir ce qui se passe avec une impression 3D qu’avec un scan qui n’est pas aussi compréhensible pour les personnes qui n’ont pas de formation médicale.

À gauche, un scan de l’abdomen et du bassin (crédit photo : Mikael Häggström, M.D.) ; à droite, un modèle 3D créé pour un patient du Children’s Nebraska atteint d’une tumeur abdominale complexe. (crédit photo : 3Dnatives)

Avant l’opération  

Après l’impression du fichier, tout post-traitement dépendra des technologies utilisées et des exigences du cas. Enfin, une pièce imprimée en 3D sera présentée lors de la séance d’information avant l’opération.

Le Dr Rose plante le décor : « Au début de toute opération, nous organisons ce que l’on appelle une réunion d’information avant que le patient n’entre dans la salle d’opération, au cours de laquelle le chirurgien principal expose le plan de l’opération, les besoins anticipés et les pièges potentiels… et le modèle imprimé en 3D est au premier plan… parce qu’il oriente tout le monde dans la salle d’opération, de l’équipe d’anesthésie au technicien en radiologie, en passant par les personnes qui nous aident avec les implants et les instruments. Tout le monde comprend intuitivement les objectifs et la nature de l’opération, bien mieux qu’en regardant des coupes d’un scanner ».

Hôpitaux disposant d’une unité d’impression 3D en interne

Plusieurs hôpitaux tirent parti de la technologie de l’impression 3D, mais ils sont beaucoup moins nombreux à disposer d’une unité d’impression 3D en interne. Au lieu de cela, beaucoup choisissent d’externaliser leurs outils imprimés en 3D. De nombreuses entreprises se consacrent à ce service, notamment Insight Surgery et MedScan, pour n’en citer que quelques-unes.

Il est parfois plus facile de faire appel à un fournisseur externe, car il dispose déjà de l’expertise, des outils et des ressources nécessaires pour imprimer la pièce. En outre, les sociétés d’impression 3D externes peuvent avoir accès à des technologies qui ne seraient pas pratiques ou sûres pour un hôpital, comme les machines capables d’imprimer du métal.

Bien que ces services d’impression 3D puissent entretenir des relations étroites avec leurs clients, leur recours peut entraîner des délais plus longs, ce qui signifie qu’un hôpital peut ne pas recevoir une pièce avant plusieurs semaines. Le Dr Rose explique cette dynamique : « Nous avons connu des retards involontaires, où nous ne pouvions pas utiliser un implant en raison de la progression du cancer et des délais. Les entreprises ont pris en charge le coût de ces retards, ce dont, honnêtement, nous n’avions pas besoin… Nous avons un bon partenariat avec l’industrie, mais nous essayons de faire la plus grande partie du travail en interne, simplement parce qu’il y a une synergie inhérente au fait de le faire avec son propre personnel.« 

Quelques-unes des imprimantes 3D à photopolymérisation en cuve de la Mayo Clinic (crédit photo : Mayo Clinic)

Les avantages

L’effet le plus significatif de ces outils de planification chirurgicale est qu’ils peuvent réduire les temps d’opération et améliorer les résultats opératoires. Une revue publiée par BioMedical Engineering OnLine, qui a analysé 227 articles sur la chirurgie, a révélé que 82 % des études sur l’impression 3D et la planification préopératoire ont noté de meilleurs résultats chirurgicaux lorsque des modèles imprimés en 3D étaient utilisés à la place de la planification préopératoire standard, et plus de 50 % des études de la revue ont démontré une réduction de la durée de l’opération.

Cette étude a été publiée en 2016, mais l’impression 3D continue de donner des résultats similaires, voire meilleurs. Ryan Cameron, vice-président de la technologie et de l’innovation au Children’s Nebraska, a déclaré que grâce à la technologie 3D, « nous constatons régulièrement des gains de 20 à 50 % de réduction du temps opératoire… C’est normal pour nous ».

Et des opérations plus rapides ne signifient pas seulement un gain de temps : cela veut aussi dire qu’un patient peut passer moins de temps sous anesthésie, avoir moins de pertes de sang peropératoires et avoir moins besoin de fluoroscopie préopératoire. En outre, comme l’impression 3D aide les chirurgiens à atteindre une plus grande précision, ces outils peuvent, dans certains cas, réduire la nécessité d’opérations multiples. Comme l’explique Linke, la simulation préalable de l’opération par l’impression 3D prend plus de temps, « mais elle peut limiter le risque d’opérations répétées, car nous disposons d’un meilleur plan chirurgical au moment d’entrer dans la salle d’opération ».

Fantôme thoracique spécifique au patient créé par le Children’s Nebraska pour la simulation et la formation à l’intervention et à l’approche d’une coarctation de l’aorte. (crédits photo : Julia Steiner)

Avant l’opération, ces outils 3D peuvent également bénéficier aux patients et à leurs familles. Le Dr Rose explique qu’en leur montrant des modèles 3D, « nous pouvons leur permettre d’être un partenaire actif et les laisser décider si cette opération est la bonne chose pour eux ».

Le Dr Rose est plus serein lorsqu’il sait que le patient a une meilleure compréhension de son opération. « Ce sont des choses incroyablement difficiles que les patients et leurs familles traversent« , dit-il en faisant référence à ses patients atteints de cancer. « La possibilité pour eux de regarder un modèle qu’ils peuvent tenir dans leurs mains les aide à mieux comprendre la nature de l’opération de leur tumeur. »

Essentiellement, ces outils 3D donnent de la clarté aux gens. Qu’il s’agisse d’un étudiant s’exerçant à la chirurgie sur une simulation, d’un chirurgien revoyant un plan d’opération ou d’un patient comprenant sa propre situation, les outils fournissent une image plus claire des scénarios médicaux, tout en améliorant les résultats chirurgicaux.

Relever les défis à l’avenir

L’un des défis liés à l’impression 3D d’outils chirurgicaux est le coût. M. Wentworth a évoqué les limites actuelles : « Certaines technologies de fabrication additive nécessitent encore l’intervention de techniciens très expérimentés pour une utilisation fiable. Dans un domaine où l’utilisation de l’impression 3D n’en est qu’à ses débuts, le coût de la mise en place de l’équipement industriel, des installations et des coûts de fonctionnement des consommables, des logiciels et des salaires peut être prohibitif, sans que le retour sur investissement soit connu. Les services d’impression peuvent fournir un accès immédiat avec un processus validé dans des installations certifiées ISO avec des retours sur investissement et une logistique légèrement moins favorables jusqu’à ce qu’un centre de soins soit construit.« 

Toutefois, les difficultés actuelles liées à la création d’outils de planification chirurgicale imprimés en 3D évolueront à mesure que la technologie continuera de progresser et sera plus largement adoptée. Linke, qui a créé le laboratoire d’impression 3D au Children’s Nebraska, a expliqué que même si l’hôpital n’avait pas de barrière à l’entrée élevée grâce à un soutien financier, « nous ne pouvons tout simplement pas embaucher et former suffisamment de personnes assez rapidement pour répondre à la demande ». Aujourd’hui, l’hôpital est prêt à faire face à une croissance exponentielle.

À mesure que l’infrastructure de l’impression 3D dans les hôpitaux s’améliore, la technologie progresse également. L’intelligence artificielle joue déjà un rôle, comme nous l’avons mentionné, dans les technologies de segmentation. Bien qu’ils ne recherchent pas l’automatisation, Cameron a déclaré que, parfois, « il n’y a pas vraiment d’option pour supprimer l’IA », parce que la technologie est automatiquement intégrée dans certains logiciels.

Le processus de segmentation de l’image du cœur avec des artefacts brillants résultant d’un implant métallique et d’une calcification artérielle. La partie b montre la segmentation automatique, qui est diminuée par les artefacts. La partie b montre comment la segmentation manuelle a été utilisée pour isoler la zone d’intérêt. (crédits photo : Segaran et. al)

Cela ne signifie pas pour autant qu’ils laissent l’intelligence artificielle prendre les rênes. Cameron explique : « Toute décision prise de manière autonome en dehors du champ de compétence d’un médecin ou d’un soignant ne nous intéresse pas vraiment. » Ils se concentrent plutôt sur les systèmes d’aide à la décision, des systèmes qui peuvent les aider à être plus efficaces, mais jamais à prendre une décision. « Nous sommes très prudents et attentifs aux produits d’IA qui promettent l’autonomie logicielle, et nous avons intentionnellement évité cet espace », a ajouté M. Cameron.

Outre les améliorations logicielles, la technologie d’impression n’a cessé de progresser, les imprimantes réalisant des impressions multi-matériaux plus réalistes, plus rapidement et avec plus de précision que jamais auparavant. Selon M. Wentworth, « d’autres applications atteindront des stades de maturité plus avancés qui justifieront des investissements en raison de leur impact publié et avéré. Ma vision est que ces initiatives actuellement cloisonnées s’épanouiront et inspireront d’autres personnes à poursuivre ce qui est possible, bien que dans la pratique, le remboursement sera probablement le moteur de l’adoption ».

En effet, le coût jouera un rôle majeur dans la manière dont les hôpitaux tireront parti de la technologie. Chaque établissement est différent, mais pour le Children’s Nebraska, l’avancement de l’impression 3D est principalement payé par l’hôpital, qui ne peut se le permettre que grâce au soutien de la communauté.

Avec tous ces progrès, l’utilisation d’outils imprimés en 3D pour la planification chirurgicale est en passe de devenir un élément essentiel des soins de santé modernes. La technologie existe et s’améliore chaque jour ; il ne reste plus qu’à trouver les personnes et les fonds nécessaires pour maximiser l’impact et garantir les meilleurs soins.

Que pensez-vous du rôle de l’impression 3D dans la planification chirurgicale ? N’hésitez pas à partager votre avis dans les commentaires de l’article. Vous êtes intéressés par l’actualité de l’impression 3D médicale et dentaire ? Cliquez ICI.Vous pouvez aussi nous suivre sur Facebook ou LinkedIn !

*Crédits photo de couverture : Stratasys