Summary
Ici, une nouvelle méthode d’établissement d’un modèle personnalisé imprimé en 3D pour l’évaluation préopératoire de la chirurgie de la thyroïde est proposée. Il est propice à la discussion préopératoire, réduisant la difficulté de la chirurgie de la thyroïde.
Abstract
La structure anatomique de la zone chirurgicale du cancer de la thyroïde est complexe. Il est très important d’évaluer de manière exhaustive et minutieuse l’emplacement de la tumeur et sa relation avec la capsule, la trachée, l’œsophage, les nerfs et les vaisseaux sanguins avant l’opération. Cet article présente une méthode innovante d’établissement de modèles imprimés en 3D basée sur des images DICOM de tomodensitométrie (CT). Nous avons établi un modèle personnalisé imprimé en 3D du domaine de la chirurgie cervicale de la thyroïde pour chaque patient ayant besoin d’une chirurgie de la thyroïde afin d’aider les cliniciens à évaluer les points clés et les difficultés de la chirurgie et à sélectionner les méthodes opératoires des pièces clés comme base. Les résultats ont montré que ce modèle est propice à la discussion préopératoire et à la formulation de stratégies opérationnelles. En particulier, grâce à l’affichage clair des emplacements récurrents du nerf laryngé et de la glande parathyroïde dans le domaine de l’opération thyroïdienne, les blessures peuvent être évitées pendant la chirurgie, la difficulté de la chirurgie de la thyroïde réduite et l’incidence de l’hypoparathyroïdie postopératoire et des complications liées aux lésions récurrentes du nerf laryngé réduite également. De plus, ce modèle imprimé en 3D est intuitif et facilite la communication pour la signature du consentement éclairé par les patients avant la chirurgie.
Introduction
Les nodules thyroïdiens sont l’une des maladies endocriniennes les plus courantes, parmi lesquelles le cancer de la thyroïde représente 14 % à 21 %1. Le traitement préféré du cancer de la thyroïde est la chirurgie. Cependant, comme la glande thyroïde est située dans la région cervicale antérieure, il existe des tissus et des organes importants proches de la glande thyroïde dans la zone d’opération, tels que la glande parathyroïde, la trachée, l’œsophage, les grands vaisseaux cervicaux et les nerfs2,3, ce qui rend l’opération relativement difficile et risquée. Les complications chirurgicales les plus courantes sont une diminution de la fonction parathyroïdienne causée par une lésion de la fonction parathyroïdienne ou une mauvaise résection et un enrouement causé par une lésion récurrente du nerf laryngé4. La réduction des complications chirurgicales mentionnées ci-dessus a toujours été un objectif pour les chirurgiens. La méthode d’imagerie la plus courante avant la chirurgie de la thyroïde est l’imagerie par ultrasons, bien que son affichage de la glande parathyroïde et du nerf soit très limité5. De plus, la variation de la position de la glande parathyroïde et du nerf laryngé récurrent dans la zone de chirurgie thyroïdienne est très élevée, ce qui empêche l’identification 6,7. Si la position anatomique de chaque patient peut être clairement affichée au chirurgien à travers le modèle en temps réel pendant l’opération, cela réduira le risque opérationnel de chirurgie de la thyroïde, réduira l’incidence des complications et améliorera l’efficacité de la chirurgie de la thyroïde.
En outre, il est également difficile d’expliquer en détail le processus chirurgical aux patients avant la chirurgie. Certains chirurgiens inexpérimentés ont du mal à expliquer et à transmettre les détails précis de l’opération aux patients, notamment en raison de la complexité de la glande thyroïde et de ses structures environnantes. Chaque patient a sa propre structure anatomique et ses besoins personnels8. Par conséquent, un modèle thyroïdien 3D personnalisé basé sur l’anatomie réelle du patient peut aider efficacement les patients et les cliniciens. Actuellement, la majorité des produits sur le marché sont fabriqués en série sur la base de diagrammes plans. En utilisant la technologie d’impression 3D pour produire un modèle spécifique au patient qui reflète les besoins médicaux individuels de chaque patient, ce modèle peut être utilisé pour évaluer l’état réel des patients atteints d’un cancer de la thyroïde et aider les chirurgiens à mieux communiquer la nature de la maladie avec les patients.
L’impression 3D (ou fabrication additive) est une construction tridimensionnelle construite à partir d’un modèle de conception assistée par ordinateur ou d’un modèle numérique 3D9. Il a été utilisé dans de nombreuses applications médicales, telles que les dispositifs médicaux, les modèles anatomiques et la formulation de médicaments10. Par rapport à l’imagerie traditionnelle, un modèle d’impression 3D est plus visible et plus lisible. Par conséquent, l’impression 3D est de plus en plus utilisée dans les procédures chirurgicales modernes. Les technologies d’impression 3D couramment utilisées comprennent l’impression basée sur la polymérisation de la cuve, l’impression sur poudre, l’impression à jet d’encre et l’impression par extrusion11. Dans l’impression basée sur la polymérisation en cuve, une longueur d’onde spécifique de lumière est irradiée sur un baril de résine photopolymérisable, qui durcit localement la résine une couche à la fois. Il présente les avantages d’économiser du matériel et d’imprimer rapidement. L’impression à base de poudre repose sur un chauffage localisé pour fusionner le matériau en poudre pour une structure plus dense, mais elle entraîne également une augmentation significative du temps et du coût d’impression, et est actuellement utilisée de manière limitée12. L’impression à jet d’encre utilise une pulvérisation précise de gouttelettes sur le substrat dans un processus couche par couche. Cette technologie est la plus mature et présente les avantages d’une compatibilité matérielle élevée, d’un coût contrôlable et d’un temps d’impression rapide13. L’impression par extrusion extrudait des matériaux tels que des solutions et des suspensions à travers des buses. Cette technique utilise des cellules et, par conséquent, a les plus hautes capacités d’imitation des tissus mous. En raison de son coût plus élevé et de sa bio-affinité, il est principalement utilisé dans le domaine de l’ingénierie tissulaire et moins fréquemment dans les modèles d’organes chirurgicaux14.
En conséquence, nous avons choisi la technologie d’impression « White Jet Process », basée sur la complexité de la thyroïde et de ses structures environnantes et le calendrier chirurgical. Cette technologie combine les avantages de l’impression à base de polymérisation en cuve et de l’impression à jet d’encre, et offre une haute précision, une impression rapide et un faible coût, ce qui en fait un bon choix pour la chirurgie de la thyroïde. L’objectif de ce protocole est de réaliser un modèle de cancer de la thyroïde imprimé en 3D, d’améliorer le pronostic des patients en fournissant suffisamment d’informations sur la structure anatomique et la variation des patients, et de mieux informer les médecins et les patients sur toutes les conditions liées au processus chirurgical.
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Protocol
Cette étude n’avait pas besoin d’approbation pour être réalisée ou de toute sorte de consentement des patients pour utiliser et publier leurs données, car toutes les données et informations de cette étude et de cette vidéo ont été anonymisées.
1. Collecte des données d’image
- Scanner la thyroïde du patient par tomodensitométrie (TDM) améliorée pour obtenir les données d’image au format DICOM. Assurez-vous que ce processus est effectué dans la 1 semaine précédant l’opération et contrôlez l’épaisseur de la tranche afin qu’elle soit de ≤1 mm.
2. Traitement des données DICOM
- Importez les données d’image du patient numérisées dans le logiciel (voir le tableau des matériaux) et définissez le seuil approprié en fonction de la différence de valeur de gris entre la glande thyroïde et les tissus ou organes environnants. Comme différentes valeurs de gris sont des reflets de différences dans la densité de différentes zones du corps humain, définissez le seuil de niveaux de gris (unité: hu; sur le logiciel) à 226-1 500 pour présenter l’image osseuse; Réglez le seuil sur -200-226 pour afficher l’image de la glande thyroïde. Laissez le logiciel identifier automatiquement la zone encadrée ou délimitez manuellement la limite de la zone cible si la reconnaissance n’est pas satisfaisante.
REMARQUE: Les imitateurs sélectionnent automatiquement la région thyroïdienne et utilisent la technologie de croissance de la région 3D pour segmenter l’image et calculer la reconstruction 3D. Dans le même temps, l’image 3D est optimisée pour réduire la rugosité et le sens des étapes afin d’obtenir un modèle de visualisation numérique 3D naturel, lisse et authentique, ce qui permet une observation plus directe du modèle 3D pour les chirurgiens. - Générez des fichiers STL à partir du modèle de données reconstruit. Choisissez le modèle reconstruit dans le logiciel, cliquez sur Exporter dans le dock de fichiers , puis choisissez STL comme format de fichier d’exportation. Enfin, générez les fichiers STL avec succès.
3. Interaction entre la médecine et l’ingénierie
- Envoyez l’aperçu du modèle 3D reconstruit aux médecins, qui confirmeront les exigences appliquées et la structure anatomique du modèle 3D et donneront un retour d’information à l’ingénieur en modélisation si une modification est nécessaire. Après avoir reçu les confirmations des médecins, passez à l’étape de préparation de la production.
4.3D impression (fichier supplémentaire 1)
- Transférez les données du fichier STL vers l’imprimante 3D en matériau coloré et complétez les paramètres prédéfinis (tels que le mode d’impression, l’épaisseur du trait de coupe, la méthode de support et la coloration du modèle) via le logiciel de découpage d’impression 3D pris en charge.
- Sélectionnez le modèle d’impression en fonction du type de produits finis (les modèles d’impression couleur utilisent généralement la technologie White Jet Process, tandis que la résine photosensible utilise généralement Digital Light Procession).
- Sélectionnez le paramètre d’épaisseur de la coupe en fonction de l’épaisseur des produits (ici, de 24 μm à 36 μm).
- Choisissez la méthode de support en fonction de la finesse du modèle d’impression : Support global (meilleure protection et moins de dommages aux détails fins) ou Support partiel (qui permet d’économiser des matériaux).
- Sélectionnez la coloration du modèle à l’aide de la fonction de palette de couleurs de l’imprimante. Unifier les artères avec la couleur rouge 255 et les veines avec la couleur bleue 255.
REMARQUE: Comme d’autres parties telles que la lésion tumorale ne sont pas strictement standard, les chirurgiens peuvent choisir une couleur en fonction de leurs besoins ou de leurs préférences.
- Remplissez la résine durcissable à la lumière dans l’imprimante 3D (voir le tableau supplémentaire S1), déboguez la plate-forme d’impression et imprimez à l’aide de la technologie White Jet Process. Après l’impression, sortez le modèle thyroïdien imprimé préliminaire.
REMARQUE: La technologie White Jet Process est basée sur le principe de l’impression à jet d’encre, où une fine couche de résine photosensible est imprimée dans un jet puis irradiée avec une longueur d’onde spécifique de lumière UV, provoquant une réaction de polymérisation rapide et le durcissement de la résine photosensible. Ce processus est terminé couche par couche jusqu’à ce que l’impression soit terminée.
5. Post-traitement
- Soustrayez la structure de support du modèle thyroïdien imprimé préliminaire. Broyez, vernis et durcissez le produit semi-fabriqué pour obtenir un modèle thyroïdien isométrique individualisé 1:1 imprimé en 3D.
- Soustraction de la structure de support
- En portant des gants, séparez les supports d’enroulement autour du modèle préliminaire et retirez la majeure partie du corps principal de la structure de support.
- Mettez le modèle dans un nettoyeur à ultrasons avec une solution alcaline Ca(OH)2 pour un nettoyage de 15 minutes.
- Placez le modèle dans une sableuse humide et rincez-le jusqu’à ce que le reste de la structure de support sur la surface soit emporté.
- Broyage
- Broyez le modèle avec une meule, une lime ou une meule électrique.
- Vernissage
REMARQUE: Ce processus consiste à pulvériser et à peindre manuellement.- Vaporisez le vernis en blocs de couleur de grande surface sur la moitié de la surface du modèle. Peignez manuellement les blocs de couleur de petite surface avec du vernis.
- Guérison
- Mettez le modèle dans une machine de durcissement UV pendant 30 s de durcissement.
- Sortez le modèle et nettoyez-le avec de l’alcool à 95%.
NOTE: Une fois que l’alcool se volatilise complètement, la production est terminée.
- Soustraction de la structure de support
6. Livraison
- Emballez le modèle thyroïdien et terminez la livraison aux chirurgiens avant la chirurgie.
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Representative Results
Cet article présente un protocole pour la construction de modèles personnalisés imprimés en 3D de la thyroïde des patients. La figure 1 montre un organigramme pour établir un modèle personnalisé imprimé en 3D pour les thyroïdes des patients. La figure 2 montre le dispositif d’impression de modèles personnalisés imprimés en 3D pour la thyroïde des patients. La figure 3 montre l’interface logicielle pour l’établissement d’un modèle personnalisé imprimé en 3D pour les patients thyroïdiens. L’interface montrée est détaillée dans la vidéo. La figure 4 montre le produit fini du modèle personnalisé imprimé en 3D des thyroïdes des patients. Il montre différents niveaux anatomiques et états du modèle 3D d’un même patient. Sur la gauche se trouve la zone de chirurgie thyroïdienne après l’ablation musculaire. Sur la droite se trouve la zone de chirurgie de la thyroïde enveloppée par le muscle sternocléidomastoïdien. La figure 5 montre le cas d’un patient atteint d’un cancer de la thyroïde pour lequel un modèle complet imprimé en 3D de la région thyroïdienne a été construit par tomodensitométrie améliorée avant l’opération. A est la section coronale, B est la section transversale et C est la section sagittale de la tomodensitométrie du patient. D montre le modèle 3D construit et imprimé sur la base de la tomodensitométrie. Basée sur la tomodensitométrie, la section transversale de chaque tomodensitométrie est superposée pour établir un modèle 3D. Par rapport à la tomodensitométrie traditionnelle, elle est plus stéréoscopique et intuitive, et peut être observée par rotation à 360°.
Figure 1 : L’organigramme pour établir un modèle personnalisé imprimé en 3D pour les patients atteints d’un cancer de la thyroïde. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Le dispositif modèle personnalisé imprimé en 3D pour les patients atteints d’un cancer de la thyroïde. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : L’interface logicielle pour l’établissement d’un modèle personnalisé imprimé en 3Dpour les patients atteints d’un cancer de la thyroïde. L’interface montrée est détaillée dans la vidéo. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Le produit fini du modèle personnalisé imprimé en 3D de patients atteints d’un cancer de la thyroïde (le même modèle sur la partie gauche et droite). Sur la gauche se trouve la zone de chirurgie thyroïdienne après l’ablation musculaire. Sur la droite se trouve la zone de chirurgie de la thyroïde enveloppée par le muscle sternocléidomastoïdien. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Le cas d’un patient atteint d’un cancer de la thyroïde qui a complété un modèle imprimé en 3Dde la région thyroïdienne grâce à une tomodensitométrie améliorée avant l’opération. A est la section coronale de la tomodensitométrie du patient. B est la section transversale de la tomodensitométrie du patient. C est la section sagittale de la tomodensitométrie du patient. D montre le modèle 3D construit et imprimé à partir de la tomodensitométrie. Sur la base de la tomodensitométrie, la section transversale de chaque tomodensitométrie est superposée pour établir un modèle 3D. Par rapport à la tomodensitométrie traditionnelle, elle est plus stéréoscopique et intuitive, et peut être observée par rotation à 360°. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Fichier supplémentaire 1 : Production et emballage de chaque modèle de modèles thyroïdiens couleur imprimés en 3D personnalisés. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau supplémentaire S1 : Spécifications techniques de l’imprimante 3D couleur multi-matériaux. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
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Discussion
L’échographie peut être la seule procédure d’imagerie préopératoire pour la plupart des patients subissant une chirurgie de la thyroïde15. Cependant, quelques cas bien différenciés peuvent souffrir de maladies avancées, qui envahissent les tissus ou organes environnants et entravent l’opération16. Ce modèle peut être plus approprié pour les patients atteints d’un cancer de la thyroïde à un stade avancé. Lorsque la maladie progresse, un scanner supplémentaire est utile pour un diagnostic plus approfondi. Ce modèle est basé sur la tomodensitométrie, qui fournit plus d’informations anatomiques et morphologiques que le fantôme de la thyroïde produit par lots actuellement accessible. Il peut également montrer clairement la relation entre la tumeur thyroïdienne et la thyroïde, ainsi que la relation entre la tumeur thyroïdienne et les tissus environnants.
Le modèle résultant peut être utilisé pour prédire les changements structurels majeurs et les malformations avant la chirurgie. En pratique clinique, il améliore considérablement l’efficacité de l’évaluation chirurgicale personnalisée par les médecins pour différents patients. L’expérience des chirurgiens a montré que ce modèle réduisait l’imprévisibilité de la chirurgie et raccourcissait le temps opératoire. L’importance de ce modèle est d’améliorer le pronostic des patients en fournissant suffisamment d’informations sur la structure anatomique et la variation du patient et en comprenant mieux les résultats postopératoires, y compris les complications qui peuvent être liées au processus naturel de la chirurgie, et en créant un véritable fantôme thyroïdien qui reflète la structure anatomique basée sur la tomodensitométrie.
De plus, la création d’un modèle de cancer de la thyroïde imprimé en 3D peut aider les patients à mieux comprendre leurs problèmes de santé et peut aider les médecins à proposer le meilleur plan de traitement. Des études antérieures ont montré que l’utilisation de modèles imprimés en 3D dans l’éducation médicale améliorait l’effet de l’éducation17,18,19. Une étude a utilisé la technologie d’impression 3D pour aider à enseigner la classification des fractures acétabulaires, car ces structures anatomiques osseuses complexes nécessitent une planification et une confirmation chirurgicales précises17. Une étude précédente a utilisé un demi-bassin imprimé en 3D pour la planification préopératoire et a obtenu des résultats positifs en formant des chirurgiens inexpérimentés18. Une autre étude a utilisé des modèles de fente labiale et palatine imprimés en 3D comme outils pédagogiques, ce qui peut permettre de mieux comprendre différents scénarios de patients19. Pour les patients atteints d’un cancer de la thyroïde, des modèles imprimés en 3D de patients avant la chirurgie peuvent aider les patients à mieux comprendre ce que leur chirurgie implique. En outre, ce modèle a également accru l’intérêt des cliniciens inexpérimentés pour les maladies thyroïdiennes, ce qui a aidé les cliniciens à s’auto-éduquer avant d’expliquer la condition et la procédure aux patients afin d’améliorer la qualité du traitement et la planification chirurgicale.
Nous avons utilisé un questionnaire pour évaluer l’utilité de modèles thyroïdiens personnalisés imprimés en 3D. Nous avons demandé aux patients ce qu’ils pensaient de l’utilisation de modèles thyroïdiens imprimés en 3D. Les patients ont obtenu les scores les plus élevés dans la « compréhension de la maladie » (71,7%), suivis de la « satisfaction globale » (17,0%), de la « compréhension de la chirurgie » (11,3%) et de « sans valeur » (0%). Ces résultats ont montré que la technologie de modélisation 3D peut être utile pour l’enseignement de l’anatomie. Montrer la relation positionnelle entre la tumeur et la glande thyroïde peut être le plus grand avantage de ce modèle imprimé en 3D.
Le temps nécessaire pour produire des modèles imprimés en 3D, qui comprend la modélisation et le temps d’impression, est l’une des principales limites, même si l’impression 3D a été intégrée dans la pratique médicale moderne. Le processus de conception du modèle de réplication de l’artère pulmonaire a pris 8 h, tandis que le processus d’impression a pris 97 h et 14 min. Par conséquent, même si de nombreuses études sur des techniques de modélisation spécifiques au patient (c.-à-d. personnalisées) ont été menées pour divers sites anatomiques ou fins (comme des lignes directrices chirurgicales ou la formation clinique)20,21,22,23, leur valeur en milieu clinique n’a été démontrée que dans quelques études 16,24,25 . À cet égard, l’avantage de ce modèle était que nous pouvions réduire le temps de création de modèles 3D personnalisés. Notre modèle de la thyroïde n’a pris que 3 h à construire et 8 h à imprimer.
Une limite de cette étude est que le modèle était basé sur la tomodensitométrie de la tête et du cou des patients atteints d’un cancer de la thyroïde participant à cette étude, ce qui entraîne des coûts supplémentaires. Dans le même temps, les modèles imprimés en 3D entraînent également des coûts supplémentaires. Par conséquent, dans les recherches futures, des modèles d’impression personnalisés spécifiques au patient peuvent être créés pour des cas uniques contenant des informations individuelles sur la thyroïde et les tissus environnants, qui peuvent être utilisés pour expliquer les procédures adaptées à chaque patient et les avantages de ce modèle 3D. En outre, les coûts supplémentaires que les patients doivent payer doivent également être pris en compte. Ce coût doit être mis en balance avec les avantages réels du modèle et les coûts supplémentaires que les patients paient.
En conclusion, une nouvelle méthode d’établissement d’un modèle personnalisé imprimé en 3D pour l’évaluation préopératoire de la chirurgie de la thyroïde a été proposée, ce qui est propice à la discussion préopératoire et réduit la difficulté de la chirurgie de la thyroïde.
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Disclosures
Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.
Acknowledgments
Cette étude a été soutenue par le Comité de la santé de la province du Sichuan (subvention n ° 20PJ061), la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (subvention n ° 32101188) et le projet général du Département de la science et de la technologie de la province du Sichuan (subvention n ° 2021YFS0102), Chine.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D color printer | Zhuhai Sina 3D Technology Co | J300PLUS | Function support: automatic optimized placement, automatic model typesetting, automatic generation support, real-time layered edge cutting and printing, slice export, custom color thickness, custom placement / scaling, man hour evaluation, material consumption evaluation, print status monitoring, material remaining display, changing materials and colors, managing work queues, full / semi enclosed printing, automatic detection of model interference, layer preview, automatic pause of ink shortage, power failure to resume printing Automatic cleaning nozzle, automatic channel adaptation, ink change, automatic cleaning pipeline, follow-up laying. Range of optional materials: RGD series transparent molding materials, RGD series opaque molding materials, FLX series soft molding materials, ABS like series molding materials, high temperature resistant molding materials, Med series molding materials (first-class medical record certification), ordinary supporting materials, water-soluble supporting materials. |
| Mimics 21.0 software | Materialise, Belgium | DICOM data processing |
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