Utilisation de l’impression 3D avant

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Utilisation de l’impression 3D avant

néphrectomie partielle pour tumeur du rein

Use of personalized 3D printed kidney models for partial nephrectomy

C. Michiels

, A. Boulenger de Hauteclocque

,

J. Sarrazin

, F. Cornelis

, S. Ricard

, M. Faessel

, N. Grenier

, F. Bos

, J.C. Bernhard

aServicedechirurgieurologiqueettransplantationrénale,CHUBordeaux,Bordeaux,France

bFablabetTechnoshopCoh@bit,IUT,universitédeBordeaux,Bordeaux,France

cServicederadiologieetoncologieinterventionnelles,CHUTenon,Paris,France

dServiced’imagerieetradiologieinterventionnelle,CHUBordeaux,Bordeaux,France

eRéseaufranc¸aisderecherchesurlecancerdureinUroCCR,Bordeaux,France

DisponiblesurInternetle1octobre2020

Résumé Lanéphrectomiepartielleestuneoptionthérapeutiquedepremierchoixpourla priseenchargedestumeursrénales.Ils’agitd’uneopérationchirurgicaledontlacomplexité etlesenjeuxvarientenfonctiondel’anatomiespécifiquedupatientetdesatumeur.Lamodé- lisation3Detl’impression3Dsontdevenusunmoyendereprésenteretdoncdevisualiserla lésiontumoraleainsiquesesrapportsanatomiquesauseindel’organe.Cemodedevisualisation permetauchirurgienetàsonéquipemaiségalementaupatient,deserendrecompteaisé- mentdelacomplexitétumorale,deladifficultéprévisibledelachirurgieetdoncdesrisques decomplications.Diversespublicationsontrapporté lebénéficepourlepatient,entermes d’éducationpré-thérapeutique.Certainesontmontréunbénéficepourl’opérateurentermes deplanificationchirurgicale.Enfin,desétudesportantsurlasimulationchirurgicalepréopéra- toiremontraientdestempsdetumorectomierénalepluscourtsetmoinsdesaignementquand leschirurgiensavaientpus’entraîneravantl’opérationsurlemodèleimpriméen3Dcorrespon- dant.L’impression3Dreprésentedoncunoutilinnovantquipermettraitd’améliorerlaprise enchargedupatientavantnéphrectomiepartielle,àtraversl’informationqu’ellepermetde délivrer,maiségalementparlebiaisdelasimulationchirurgicale.

©2020Publi´eparElsevierMassonSAS.

∗Auteurcorrespondant.Serviced’urologieettransplantationrénale,hôpitalPellegrin,centrehospitalieruniversitairedeBordeaux,place Amélie-Raba-Léon,33076Bordeaux,France.

Adressee-mail:[email protected](J.C.Bernhard).

https://doi.org/10.1016/j.purol.2020.09.007 1166-7087/©2020Publi´eparElsevierMassonSAS.

Summary Partialnephrectomyisafirst-linetreatmentoptionforthemanagementofrenal tumors.Itisasurgicalprocedurewhosecomplexityandstakesvaryaccordingtothespecific anatomyofthepatientandhistumor.3Dmodelingand3Dprintinghavebecomeameansof representingandthusvisualizingthetumorlesionanditsanatomicalrelationshipswithinthe organ.Thismodeofvisualizationallowsthesurgeonandhisteam,butalsothepatient,toeasily realizethetumorcomplexity,thepredictabledifficultyofthesurgeryandthereforetherisks ofcomplications.Variouspublicationshavereportedthebenefittothepatientintermsofpre- therapyeducation.Somehaveshownabenefitfortheoperatorintermsofsurgicalplanning.

Finally,studiesonpreoperativesurgicalsimulationshowedshorterkidneylumpectomytimes andlessbleedingwhensurgeonswereabletotrainbeforetheoperationonthecorresponding 3D printed model.3D printingtherefore represents aninnovative tool thatwould improve patientmanagementpriortopartialnephrectomy,throughtheinformationitcandeliver,but alsothroughsurgicalsimulation.

©2020PublishedbyElsevierMassonSAS.

Introduction

Lanéphrectomiepartielleestl’optionthérapeutiqueprin- cipale de prise en charge des tumeurs du rein. Cette interventionprésente2objectifspouvantaupremierregard paraître difficilement conciliables : parvenir à l’exérèse complète d’une tumeur tout en préservant au mieux l’anatomieetlafonctionnalitédel’organe.Selonlescarac- téristiques de la tumeur (localisation, taille, profondeur d’implantation...)maisaussil’anatomie dureinlui-même (conformation des arborisations artérielles et veineuses ainsiquedusystèmecollecteur), l’approchetechniqueet lesrisquesdecomplicationsper-etpostopératoiresvarient.

Le principe même decette chirurgie etla variabilitédes situations rencontrées lui confèrent son caractère tech- nique. Une parfaite compréhension de l’anatomie rénale ettumoraledupatientestindispensablepourenoptimiser ledérouléetlesrésultats. Cettecompréhensionpassepar l’acquisitionetl’exploitationd’uneimageriepréopératoire dequalité.Unscannercomportantuneséquencesansinjec- tionettroisséquencesaprèsinjection(artérielle,portale, urinaire) permet une analyse multiplanaire. Néanmoins, pourl’opérateuretplusencorepourlepatientoul’équipe paramédicale,visualiseretcomprendrel’anatomie3Dàpar- tirdudéfilementdecoupesen2Dnécessiteexpérienceet untravaildifficilede reconstructionmentale. Lacapacité dereconstructionmentaleenuneseulereprésentationtridi- mensionnelleestparailleurslimitéeparlacomplexitéetle nombredesinformationsàintégrer(nombresdephasesdela tomodensitométrie,niveauxdeprécision desarborisations artériellesetveineuses,anatomiedescavitéscollectrices, caractéristiquestumoralesetduparenchymesain...).

Lechirurgiendoitdoncêtreenmesured’assimilercette reconstructionanatomiquementaleaubénéficedesapla- nificationopératoire.Ildoittransmettrecesinformationsà son patientlorsqu’il lui propose une prise en charge thé- rapeutique par néphrectomie partielle. Il doit également communiqueravecson équipesurla complexitéattendue del’interventionpourunepréparationoptimale.

Lamodélisation en3D puisl’impression3D,à partirdu scanner,permettentdereprésenteràtraversunseulobjet, lacomplexitédesrapportsanatomiquesentrelatumeurdu patientetlesstructuresrénalessaines.

L’objectifdecetterevueétaitdoncd’analyserlesdiffé- rentespublicationsrapportantl’utilisationdel’impression 3Davantnéphrectomiepartielle.

Information patient

Lorsqu’on doit proposer une prise en charge chirurgicale pourunetumeurrénaleàunpatient,ilfauttoutd’abordlui présenterdesnotionsdephysiologieetd’anatomierénale.

Ilfautensuiteluilivrerl’interprétationanatomiquetumo- ralepropreàsasituationtiréedelalecturedesonimagerie encoupes.Pourcela,lechirurgienpeuts’aiderdeschémas, etdecoupestiréesduscannermaisdontlacompréhension parlepatientrestesouventdifficile.

Bernhardetal.[1]ontanalysé l’apportdel’utilisation d’unmodèleimprimé en3D spécifiqueaupatient,issude son scanner, sur la qualité de l’information délivrée au patient.Ilsontdoncpumontrer,sur7patients,uneamé- liorationsignificativedeleursconnaissancessurl’anatomie, leurtumeur,etlesenjeuxdelachirurgieproposéeavecle modèle3D quileur étaitprésenté (Fig.1). Cette impres- sion3Dpermetdepasserd’unecommunicationagrémentée decoupesdescanneroudeschémasàunecommunication complète,réalisteetinteractive(Fig.2).

Wakeetal.[2]ontconduitune étudesimilaire,surun plus grand nombre de patients mais en mélangeant des patientspris encharge parnéphrectomie partielleetdes patientsprisenchargeparprostatectomietotale.Cesder- niersbénéficiaientévidemmentd’unmodèleimpriméen3D deleurprostateavecleurlésioncancéreuse,ainsiqueles bandelettesneurovasculaires. Les200patients (cancerdu reinetcancerdeprostate confondus) bénéficiaientd’une consultation préopératoire avec explications et imagerie seule,puisunenouvelleconsultation,maiscettefois-ciavec lemodèleimpriméen3D.Ilsremplissaientunquestionnaire après la première et après la deuxième consultation. Le modèleimpriméen3Dleurpermettaitdemieuxcompren- dreleurpathologie,latailleetlalocalisationdeleurlésion cancéreuseainsiquelapriseenchargechirurgicalepropo- sée.Ilsprésentaientunemeilleureadhésionauplandesoins grâceaumodèleimpriméen3D.

Figure1. Exempledecasdelésionrénaletumorale:3coupesdeTDMaveclemodèleimpriméen3Dcorrespondant,visualiséaveclemême axedecoupequel’imagedescannerau-dessus.Tiréede«BernhardJ-C,IsotaniS,MatsugasumiT,etal.(2016).Personalized3Dprintedmodel ofkidneyandtumoranatomy:ausefultoolforpatienteducation.WorldJUrol34:337—345.https://doi.org/10.1007/s00345-015-1632-2».

Figure2. Évolutiondesoutilsdelacommunicationsoignant-soignéavantnéphrectomiepartielle.

Cetteéquipeaégalementcomparé,àl’aided’unques- tionnaire, le bénéfice relatif pour le patient du modèle impriméen3D,d’unemodélisation3Dvisualiséesurécran d’ordinateuretd’unemodélisation3Dvisualiséeenréalité virtuelle.Lemodèleimpriméen3Dpermettaitd’obtenirla meilleureadhésionauplandesoins.

Planification opératoire

Lanéphrectomiepartielleestuneinterventionchirurgicale complexequinécessiteunegrandetechnicité.Laplanifica- tionopératoireestcrucialepourcetteintervention.Ellese faitjusqu’àprésent àtraversuntravail dereconstruction mentaleen3Dàpartird’uneimagerieencoupesdequalité avecdes temps d’injection différents etavec des coupes visualiséesdansdifférentsplansdel’espace.C’estcetravail devisualisationetdereconstructionmentalequipermetau

chirurgien d’appréhenderla complexité desrapportsana- tomiquesspécifiquesducasenquestion,entrelepédicule artériel rénal, les voies urinaires,le parenchyme sain,et latumeur.Unmodèleimpriméen3Dquireprésentetoutes cesstructurespermetdoncau chirurgienquipeut letenir enmainavantetpendantl’interventiond’apprécierenun seulcoupd’œilcesstructuresetcesrapportsanatomiques.

Ils’affranchitainsidutravaildereconstructionmentaleet ilaàsadispositiontouteslesinformationsnécessairesàsa planificationopératoire[3].

Certainsauteursparlentainsidenavigationchirurgicale permiseparcemodèleimpriméen3D[3].Wakeetal.ont montréquedeschirurgiens,mêmeexpérimentés,pouvaient avoir du mal à localiser précisément une tumeur sur un rein àpartir d’une imagerieencoupe du reintumoral et ont évalué l’apportd’un modèle modélisé etimprimé en 3D comparativement à la reconstruction mentale [4]. Le modèle imprimé en 3D permettait d’adopter la stratégie

chirurgicale la mieux adaptée à la situation tumorale du patient.Lesmêmesauteursavaientdéjàmontréquelastra- tégieopératoirevariaitdans30à50%descasenfonction dumodedeplanificationopératoireutilisée :visualisation duscanner oudel’IRMencoupes versusune planification opératoireréaliséeàl’aided’unmodèleimpriméen3D[5].

Ces modèles imprimés en 3D qui améliorent l’appréhension des rapports anatomiques rénaux et tumorauxsont unvecteurd’informationphysique.Utilisés comme on l’a vu pour l’éducation pré-thérapeutique du patient,ilsontégalementdesvertuspédagogiquesrappor- téesparKnoedleretal.pourlatransmissiondelastratégie opératoireentrechirurgienssénioretjunior[6].

Simulation chirurgicale

L’utilisationdematériauxsouplesbiomimétiques(mélanges desilicone,parexemple)pourl’impressiondumodèlerénal tumoral 3D ouvre le champ de la simulation procédurale physique. Il s’agit de simuler l’intervention chirurgicale du patient avant la réalisation de la procédure réelle.

Cela permet aussi d’enseigner la technique chirurgicale denéphrectomie partielle aux jeunes chirurgiens sur des modèlesdesimulationnon«patient-spécifiques»[7].Pour arriveràunmatériaudontlespropriétésbiomécaniquessont prochesdecellesdurein, ondoitenfait jusqu’àprésent imprimeren3Dunmouledureintumoraletoncoulealors

Figure3. a:segmentationdureinàpartirduscannerdupatient;b:modélisation3Ddel’anatomierénaledupatient;c:moules d’injection;d:inclusiondesstructureshilairesdanslemouled’injection;e:simulateurdenéphrectomiepartielle;f:simulationgrandeur naturedelanéphrectomiepartielle,aublocopératoireaveclerobotchirurgicalDaVinci^®(IntuitiveSurgical).TiréedeMelnykR,EzzatB, BelfastE,etal.(2019).Mechanicalandfunctionalvalidationofaperfused,robot-assistedpartialnephrectomysimulationplatformusinga combinationof3Dprintingandhydrogelcasting.WorldJUrol.https://doi.org/10.1007/s00345-019-02989-z.

danscemouleunhydrogelougelbalistiquepourfabriquer la réplique du rein tumoral en 3D (Fig. 3). C’est ce que Melnyket al. ont fait envalidant que les propriétés bio- mécaniquesdeleurreinétaientprochesdecellesd’unrein porcin[8]. Ilsontainsicrééetvalidé cemodèledesimu- lationdenéphrectomiepartiellepourl’enseignementetla répétitiondel’acteavantlavraiechirurgie.

Troisétudes ontétudié l’impactde lasimulationdela néphrectomiepartiellesur un modèleimprimé en 3D (ou réaliséà l’aided’un mouleimprimé en3D) avantde réa- liserlachirurgiepourle patient[7,9,10].Cestroisétudes montraientunefacilitationdelachirurgie,moinsdetemps declampage,etmoinsdesaignement,mêmes’ils’agissait d’étudesdefaisabilité,avecpeudepatientsetnond’études comparativesrandomisées.

Fidélité anatomique

Leprérequisindispensablepourpouvoirutiliserl’impression 3Denpratique cliniqueetenparticulierpourlaplanifica- tionopératoire, estdes’assurerdelafidélitéanatomique desmodèlesimprimésen3D.Iln’existeàl’heureactuelle aucunerecommandationounormeconcernantlavaliditéet l’utilisation cliniquedeces modèles. Passerde l’imagerie préopératoiredupatientaumodèleimpriméen3Dnécessite une chaine de plusieurs étapes complexes (segmentation de l’imagerie, modélisation virtuelle, transfert en fichier imprimable, adaptation technique des volumes à impri- mer,impression,retraitdumatériausupportetpolissage).

Contrôlerets’assurerdelafidélitéanatomiquedesmodèles réalisésinfineestindispensable.C’estlecasdansl’étudede vonRundstedtetal.[10]etdeWakeetal.[5]quimontrent une bonne fidélité anatomique des modèles utilisés. Von Rundstedtetal. ontévaluéunebonneconcordance entre lescontoursde latumeurréséquée etceux dela tumeur modéliséeen3D.Wakeetal.ontcomparélesmesurestumo- ralesréalisées sur le scanner aveccelles effectuées avec unpied à coulissesur le modèleimprimé en3D. Michiels etal.ontégalementmontréunebonnefidélitéanatomique desmodèlesimprimésen3Dutiliséspourplanificationopé- ratoireavant néphrectomiepartielle[11]. Ilsl’ontfait en repassant les modèles imprimés en 3D au scanner et en choisissant 3 mesures par modèle à comparer en plus du volumetumoral. Lacomparaisons’est donc faitecoupeà coupe,entrecellesduscanner initialdu patientetcelles duscanner dumodèleimpriméen3D.Cependant,chaque équipesusceptibledeproduiredesmodèlesimprimésen3D ontleurpropreprocédédemodélisationetd’impressionou fabricationsansstandardisation.

Coûts

Tousces procédés defabricationdemodèles imprimés en 3Dsontplusoumoinscomplexes,maisilsonttousuncoût certain.Lescoûtsrapportésparlespublicationsprécitées variententre150et1000$,sanscompterl’investissement d’achat de l’imprimante 3D. La fabrication de moules permet de produire autant de modèles moulés qu’on le souhaite(et nonplus imprimés) pour un coûtnégligeable (3,90$)sionnecomptepaslafabricationdumoule[12].Il

s’agit-làdemodèlesutiliséspourl’enseignementdelatech- niquechirurgicaleparsimulation.

Conclusion

Lanéphrectomiepartielleestl’interventionurologiquepour laquelle il y a le plus de publications en rapport avec l’impression 3D [13]. C’est sans doute pour cette procé- dure, dufait deses caractéristiques,desacomplexitéet desavariabilité, quel’impression3D ale plusàapporter enurologie. L’utilisationdemodèles imprimés en3D per- met donc d’apporter au patient une information la plus complète et la plus accessible possible sur sa pathologie et la prise en charge thérapeutique proposée. Elle per- met ensuite d’enseigner aux jeunes chirurgiens ou aux étudiantsenmédecinel’anatomieetlaplanificationopéra- toire.Ellepermetauchirurgienderéaliseruneplanification opératoireplusfiableetplusrapide.Enfin,lorsquelepro- cédé d’impression 3D est adapté, à travers notamment l’utilisationdemoulesetded’hydrogel,lechirurgienpeut simulerlanéphrectomiepartielled’unpatientlaveillede l’intervention sur unmodèle imprimé en3D dont la fidé- litéanatomiqueetbiomécaniqueaétévérifiée.Desessais cliniques prospectifs randomisés sont nécessaires afin de mesurer le réel bénéfice de l’utilisation de ces modèles imprimésen3Detdelerapporteraucoûtquecelagénère.

Remerciements

ProjetsoutenufinancièrementparlaRégionNouvelleAqui- taine, le Fonds Européen de Développement Economique Régional(FEDER).

Déclaration de liens d’intérêts

Lesauteursdéclarentnepasavoirdeliensd’intérêts.

Références

[1]BernhardJ-C,IsotaniS,MatsugasumiT,DuddalwarV,HungAJ, Suer E,et al.Personalized 3Dprinted modelof kidneyand tumoranatomy:ausefultoolforpatienteducation.WorldJ Urol2016;34(3):337—45.

[2]WakeN,RosenkrantzAB,HuangR,ParkKU,WysockJS,Taneja SS,etal.Patient-specific3Dprintedandaugmentedrealitykid- neyandprostatecancermodels:impactonpatienteducation.

3DPrintMed2019;5(1):4.

[3]KomaiY,SugimotoM,GotohdaN,MatsubaraN,KobayashiT, SakaiY, et al.Patient-specific 3-dimensionalprinted kidney designedfor‘4D’surgicalnavigation:anovelaidtofacilitate minimallyinvasiveoff-clamppartialnephrectomyincomplex tumorcases.Urology2016;91:226—33.

[4]WakeN,WysockJS,BjurlinMA,ChandaranaH,HuangWC.‘Pin theTumorontheKidney:’anevaluationofhowsurgeonstrans- lateCTandMRIdatato3Dmodels.Urology2019;131:255—61.

[5]Wake N, Rude T, Kang SK, Stifelman MD, Borin JF, Sodick- sonDK,et al.3Dprintedrenal cancermodelsderivedfrom MRIdata:applicationinpre-surgical planning.AbdomRadiol 2017;42(5):1501—9.

[6]Knoedler M, Feibus AH, Lange A, Maddox MM, Ledet E, Thomas R, et al. Individualized physical 3-dimensional kid- ney tumor models constructed from 3-dimensional printers resultinimproved traineeanatomic understanding. Urology 2015;85(6):1257—62.

[7]MaddoxMM,FeibusA,LiuJ,WangJ,ThomasR,SilbersteinJL.

3D-printedsoft-tissuephysicalmodelsofrenalmalignanciesfor individualizedsurgicalsimulation:afeasibilitystudy.JRobot Surg2018;12(1):27—33.

[8]Melnyk R, Ezzat B, Belfast E, Saba P, Farooq S, Campbell T,etal.Mechanicalandfunctional validationofaperfused, robot-assistedpartialnephrectomysimulationplatformusing acombinationof3Dprintingandhydrogelcasting.WorldJUrol 2020;38(7):1631—41.

[9]GolabA, SmektalaT, Kaczmarek K,Stamirowski R, Hrab M, SlojewskiM.Laparoscopicpartialnephrectomy supportedby traininginvolvingpersonalizedsiliconereplicapouredinthree- dimensionalprinted casting mold.J LaparoendoscAdv Surg TechA2017;27(4):420—2.

[10]von Rundstedt F-C, Scovell JM, Agrawal S, Zaneveld J, Link RE.Utility ofpatient-specific siliconerenal models for planning and rehearsal of complex tumour resections prior to robot-assisted laparoscopic partialnephrectomy. BJU Int 2017;119(4):598—604.

[11]Michiels C, Jambon E, Bernhard JC. Measurement of the accuracy of 3D-printed medical models to be used for robot-assisted partial nephrectomy. AJR Am J Roentgenol 2019;213(3):626—31.

[12]MondaSM,WeeseJR,AndersonBG,VetterJM,VenkateshR, Du K, et al. Development and validity of a silicone renal tumormodelforroboticpartialnephrectomytraining.Urology 2018;114:114—20.

[13]CacciamaniGE, OkhunovZ,Meneses AD,Rodriguez-Socarras ME,RivasJG,PorpigliaF,etal.Impactofthree-dimensional printing in urology: state of the art and future perspec- tives. a systematic review by ESUT-YAUWP group. Eur Urol 2019;76(2):209—21.