Avancées technologiques en ultrasonographie : de la 3D virtuelle à la 3D haptique

Figure 1. Reconstruction volumique d’un fœtus de 24 SA présentant un proboscis

R. NICOT (1) E. HURTELOUP (2) J.M. LEVAILLANT (3)

1. CHU Lille
2. Hôpital privé Armand Brillard, Nogent-sur-Marne
3. Centre hospitalier intercommunal, Créteil

L’ évolution technologique a permis le passage de l’échographie 2D à l’échographie 3D puis à l’échographie de fusion. Ces outils apportent une aide diagnostique incontestable en pathologie malformative prénatale et en particulier en pathologie crânio-faciale fœtale. En outre, le mode surfacique et la représentation 3D sur un écran ont permis d’apporter un soutien visuel pour l’information des futurs parents, notamment dans un contexte pathologique où la représentation de l’enfant à naître peut être difficile à appréhender. Par ailleurs, ces informations ont facilité l’enseignement de la pathologie crânio-faciale fœtale en permettant d’identifier in utero des signes cliniques morphologiques isolés ou s’incluant dans un syndrome polymalformatif. En parallèle de l’évolution structurale des appareils d’échographie fœtale, la 3D a pris forme avec l’apparition d’imprimantes haptiques dont l’utilisation médicale est grandissante. Dans le domaine médical, c’est à partir de fichiers .DICOM issus de l’acquisition d’un scanner ou d’une IRM que sont classiquement générés les fichiers .STL reconnus par l’imprimante 3D. Néanmoins, notre équipe a pu réaliser cette étape à partir d’une reconstruction surfacique acquise lors d’un examen sonographique (1) . Les échographes de dernière génération incluent, depuis, une sortie compatible avec une imprimante 3D.

L’impression 3D – de quoi s’agit-il ?

Il existe de nombreux procédés permettant d’imprimer un objet en 3D. Si les techniques d’impression sont différentes sur la forme, le principe est toujours le même et consiste à superposer des couches d’un matériau selon les cordonnées transmises par un fichier 3D grâce à une imprimante 3D. Actuellement, les plus utilisées et les plus abordables fonctionnent sur le principe « Fused deposition modeling » qui signifie « modelage par dépôt de filament en fusion ».

Figure 2. Capture d’écran lors de la correction des erreurs et des marges avec le logiciel Nefabb® afin d’obtenir un fichier .STL d’un fœtus de 24 SA présentant un proboscis nasalis lateralis.

Cette technique consiste à déposer couche par couche un filament fondu de matière thermoplastique afin de former un objet en 3D. La tête d’impression se déplace selon les axes X, Y et Z transmis par un fichier .STL. Plusieurs plastiques peuvent être imprimés par le biais de ces imprimantes tels que l’ABS ou le PLA. Nous avons choisi pour diverses raisons d’imprimer les modèles présentés ci-après en ABS (2).

Figure 3. Capture d’écran du logiciel Up Studio®, qui permet de communiquer avec l’imprimante 3D et de définir les paramètres d’impression et l’échafaudage nécessaires à la réalisation d’un modèle de fœtus de 24 SA présentant un proboscis nasalis lateralis. 

De l’acquisition ultra-sonographique au modèle haptique en 3D

Les acquisitions ont été réalisées avec une machine Voluson E8 avec conversion du fichier .VOL en .STL ou avec une machine Voluson E10 disposant d’une sortie .STL. Nous avons utilisé des sondes abdominales de type RAB4-8, RM 6C ou RAB 6 (GE Healthcare, Velizy, France). Le protocole d’acquisition est basé sur des reconstructions multiplanaires dans les trois plans de l’espace, associées à des reconstructions surfaciques de la zone d’intérêt. Le volume 3D est ensuite converti ou enregistré en .STL selon la machine utilisée.

Figure 4. Modèle haptique en ABS imprimé en 3D à partir d’une imprimante 3D UPplus2® d’un fœtus de 24 SA présentant un proboscis nasalis lateralis.

Le fichier .STL est ensuite corrigé via le logiciel Nefabb® avant son impression afin de corriger les erreurs et de rogner les marges du modèle afin d’obtenir un fichier .STL représentant le modèle haptique en devenir. Le fichier est ensuite lancé dans le logiciel Up Studio®, qui permet de communiquer avec l’imprimante et de définir les paramètres d’impression ainsi que l’échafaudage nécessaire à l’impression. Les paramètres d’impression sont modifiés en fonction de la qualité du modèle et du temps d’impression souhaités.

Figure 5. Reconstruction volumique d’un fœtus de 25 SA présentant un syndrome de Binder.

Pour mémoire, le modèle de fente labiopalatine en ABS publié dans la revue International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, a été imprimé en épaisseur de couche de 0,15 mm pour une durée totale de 6 heures et 52 minutes (1). L’impression est alors réalisée avec une imprimante à « bas coût » UPplus2® (Beijing TierTime Technology Co. Ltd., Pékin, Chine) (prix au moment de l’écriture de l’article inférieur à 1 000 €).

Figure 6. Capture d’écran lors de la correction des erreurs et des marges avec le logiciel Nefabb® afin d’obtenir un fichier .STL d’un fœtus de 25 SA présentant un syndrome de Binder.

Enfin, l’objet 3D doit être nettoyé, à l’aide d’une pince, de l’échafaudage qui a été imprimé avec lui (l’imprimante ne pouvant pas imprimer dans le vide, certains objets nécessitent l’impression simultanée de zones de soutien qui seront retirées en fin d’impression). Un exemple de l’ensemble de la séquence de création d’un modèle hapique de fœtus présentant un proboscis nasalis lateralis est proposé dans les figures 1 à 4 et celui d’un fœtus présentant un syndrome de Binder dans les figures 5 à 9. D’autres modèles haptiques sont proposés dans les figures 10 à 14.

Figure 7. Capture d’écran du logiciel Up Studio® qui permet de communiquer avec l’imprimante 3D et de définir les paramètres d’impression et l’échafaudage nécessaires à la réalisation d’un modèle de fœtus de 25 SA présentant un syndrome de Binder.

Le modèle haptique en 3D d’une acquisition prénatale, gadget ou intérêt scientifique ?

On est en droit de se demander si cette nouvelle technologie peut réellement apporter quelque chose à notre pratique ? Plusieurs axes de réponse (1) : Ces modèles peuvent être un outil afin d’optimiser l’information donnée aux parents, par exemple concernant la malformation crânio-faciale complexe de leur enfant à naître.

Figure 8. Modèle haptique de 3/4 en ABS imprimé à partir d’une imprimante 3D UPplus2® d’un fœtus de 25 SA présentant un syndrome de Binder. L’échafaudage est encore présent sur la parie inférieure du modèle.

La représentation dans l’espace d’une pathologie malformative peut être difficile à appréhender pour un non-initié, et un objet 3D manipulable et mobilisable dans l’espace peut faciliter la compréhension d’une telle malformation. L’objet 3D peut être un support de choix à fournir à l’équipe chirurgicale dans le cadre d’une malformation complexe.

Figure 9. Modèle haptique de face en ABS imprimé à partir d’une imprimante 3D UPplus2® d’un fœtus de 25 SA présentant un syndrome de Binder. L’échafaudage est encore présent sur la parie inférieure du modèle.

Une malformation cardiaque ou rachidienne peut par exemple être plus facile à comprendre pour le chirurgien spécialisé, compte tenu de sa complexité spatiale. Le chirurgien aura alors une cartographie 3D à partir de laquelle il pourra optimiser la planification de la prise en charge. Le modèle haptique peut enfin constituer un support d’enseignement de choix des principales malformations fœtales.

Figure 10. Modèle haptique en ABS imprimé à partir d’une imprimante 3D UPplus2® d’un fœtus de 18 SA présentant un nanisme achondroplasique.

Il peut en effet être manipulé et annoté. Nous nous sommes ici focalisés sur une présentation de quelques malformations faciales congénitales (figures 4 et 8 à 14).

Figure 11. Modèle haptique en ABS imprimé à partir d’une imprimante 3D UPplus2® d’un fœtus de 24 SA présentant une séquence de Pierre Robin.

Conclusion

L’impression 3D au service de l’échographiste prénatal est un outil émergeant tant dans le champ clinique que dans le cadre de l’enseignement. De nombreux éléments doivent toutefois être évalués ou améliorés afin de préciser sa place dans la prise en charge d’une malformation fœtale. Des caractéristiques techniques telles que le type de matériau utilisé ou encore le temps d’impression doivent encore être optimisées.

Figure 12. Modèle haptique en ABS imprimé à partir d’une imprimante 3D UPplus2® d’un fœtus de 32 SA présentant un syndrome de Crouzon.

Enfin, le regard des parents face à une anomalie devenant palpable et bientôt réelle reste un point éthique à évaluer.

Figure 13. Modèle haptique en ABS imprimé à partir d’une imprimante 3D UPplus2® d’un fœtus de 24 SA présentant une fente naso-labio-maxillo-palatine.

Figure 14. Modèle haptique en ABS imprimé à partir d’une imprimante 3D UPplus2® d’un fœtus de 28 SA présentant un syndrome d’Apert.

 

Références

1. Nicot R et al. Three-dimensional printed haptic model from a prenatal surface-rendered oropalatal sonographic view: a new tool in the surgical planning of cleft lip/palate. Int J Oral Maxillofac Surg 2018 ; 47 : 44-47
2. Maschio F et al. Experimental validation of plastic mandible models produced by a «low-cost» 3-dimensional fused deposition modeling printer. Med Sci Monit 2016 ; 22 : 943-57.

Copyright © Len medical, Gynécologique pratique, septembre 2018

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