Strateo3D en action contre le cancer : l'avancée de l'Oncopole de Toulouse

Cas d'utilisation de lautilisée par

l'IUCT-Oncopole de Toulouse pour la recherche contre le cancer.

              L'utilisation de l'impression 3D pour évaluer et optimiser un scanner TEP-TDM de General Electric Healthcare de dernière génération par l'Oncopole de Toulouse présente des avantages considérables. En créant des modèles de haute précision simulant l’anatomie des patients, cette technologie permet de maximiser la qualité des images obtenues en clinique, à partir d’expérimentations utilisant des objets-tests appelés « fantômes ». De plus, elle permet de réduire les erreurs d’étalonnage, améliorant ainsi la fiabilité des résultats quantitatifs. Grâce à la Strateo3D, l'IUCT-Oncopole de Toulouse a ainsi développé une méthode d’évaluation unique au monde basée sur l'impression 3D pour améliorer la précision de l'imagerie médicale. L'utilisation de l'impression 3D pour évaluer et optimiser un scanner TEP-TDM de General Electric Healthcare de dernière génération par l'Oncopole de Toulouse présente des avantages considérables. En créant des modèles de haute précision simulant l’anatomie des patients, cette technologie permet de maximiser la qualité des images obtenues en clinique, à partir d’expérimentations utilisant des objets-tests appelés « fantômes ». De plus, elle permet de réduire les erreurs d’étalonnage, améliorant ainsi la fiabilité des résultats quantitatifs. Grâce à la Strateo3D, Olivier Caselles et Quentin Maronnier qui font partie du département de physique médicale de l'IUCT-Oncopole de Toulouse ont ainsi développés une méthode d’évaluation unique au monde basée sur l'impression 3D pour améliorer la précision de l'imagerie médicale.

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La tomographie par émission de positons (TEP) couplée à la tomodensitométrie (scanner RX ou TDM) est une technique d’imagerie médicale dont l’importance dans la prise en charge des patients n’a cessé de se renforcer ces dernières années. Il s’agit d’un examen corps entier qui permet d’associer une imagerie de haute précision anatomique à une exploration fonctionnelle par l’injection d’une molécule radioactive traceuse ciblant un organe ou un métabolisme. La TEP-TDM est devenu en quelques années un examen de référence en cancérologie, que ce soit au moment du bilan d’extension de la maladie en début de prise en charge ou pour suivre son évolution au cours du temps et notamment pour évaluer la réponse précoce aux traitements. Le centre de lutte contre le cancer Claudius REGAUD de Toulouse a développé sur le site de l’IUCT Oncopole une méthode unique au monde couplant l'impression 3D de fantômes en utilisant les Strateo3D et la simulation numérique pour effectuer l’évaluation physique et clinique d’un nouveau TEP-TDM OMNI LEGEND de General Electric Healthcare. Ces fantômes imprimés en 3D offrent une alternative supérieure aux fantômes classiques en PMMA car permettant d’approcher la réalité anatomique des patients. Les imprimantes Strateo3D permettent d’utiliser une large gamme de matériaux pour l’impression 3D et par exemple il est possible de réaliser des équivalents de tissus biologiques. Grâce à l’impression 3D, les expérimentations sur fantômes réalisés par les physiciens médicaux permettent d’optimiser les paramètres utilisés pour la réalisation des images cliniques sur l’OMNI LEGEND et de mieux garantir la quantification de ces images. Il est notamment possible de simuler différents rapports signal (tumeur)/bruit (organe) en modulant les paramètres d’impression, et ainsi évaluer les performances du dispositif en matière de détectabilité des lésions. Ces fantômes anthropomorphiques sont par exemple très utiles pour évaluer l’apport et la performance des algorithmes d’amélioration des images basées sur l’intelligence artificielle. Le but de ces fantômes imprimés en 3D est donc de faciliter les procédures de contrôle qualité de haute précision et également de mieux simuler les modèles anatomiques de patients. Avec ce développement révolutionnaire, l'IUCT-Oncopole de Toulouse continue d'être en pointe dans la recherche contre le cancer en utilisant les dernières avancées technologiques pour améliorer la précision de l'imagerie médicale.

- Quel était l'objectif principal de ce partenariat ?

Le partenariat entre l’IUCT-Oncopole de Toulouse et la société eMotion-Tech a démarré au mois de juin 2021. L’intention première était motivée et initiée par Olivier CASELLES & Quentin MARONNIER qui nous ont d’abord sollicités pour effectuer des essais d’impressions 3D utiles à leur recherche portant sur l’optimisation des systèmes d’évaluation en imagerie médicale. Interpellés et soucieux de pouvoir contribuer à faire avancer la recherche dans le domaine de la médecine nucléaire, nous avons alors accompagné l’Institut Universitaire du Cancer de Toulouse, dans la réalisation de 7 séries de «cubes» tests.

- QUEL MATÉRIAUX & QUELS PARAMÈTRES DE FABRICATION (ÉPAISSEUR DE COUCHES,
POSITIONNEMENT, TAUX DE REMPLISSAGE, ONT ÉTÉ UTILISÉS POUR L’IMPRESSION ?

Chaque lot de 14 cubes a été imprimé à partir de polymères variés aux spécificités bien distinctes et avec divers réglages d’impression. Ainsi, le PETG, le TPU, l’ABS, le PLA, le PLA-bois, le PA6-66 (nylon) et le Nylon-carbone ont pu être caractérisés. Au départ, nous avons réalisés 4 séries de 3 cubes avec différents types de remplissages (gyroïde, concentrique, cubique, grille, vide et plein) et dotés de pourcentages différents (0 / 25 / 50 / 75 et 100 %). Les pièces ont ensuite été rassemblées sur des plaques en polyester et scannées sur le scanner Discovery-MI ™ de la marque GE healthcare.

Pour comprendre l’intérêt de l’impression 3D dans cette recherche pré-clinique, il convient d’évoquer brièvement ici le fonctionnement des scanners. En médecine nucléaire, le scans réalisé à l'aide de fluorine est un examen médical qui utilise un champ magnétique, des ondes radio et un produit de contraste contenant de la fluorine radioactive pour créer des images plus détaillées et précises de l’intérieur du corps. Cette technologie est utilisée pour diagnostiquer des conditions telles que les tumeurs, les maladies cardiovasculaires et les troubles articulaires. La fluorine permet de mieux visualiser certaines parties du corps, ce qui améliore la précision du diagnostic. «L’objectif n’est pas de reproduire quelque chose de réaliste du point de vue de l’organe humain, en terme de tissus mais on cherche à obtenir; sur l’image finale, un référentiel qui ressemble visuellement à ce que l’on peut observer chez les patients». «Dans ce procédé d’imagerie anatomique en niveau de gris, l’os est blanc, l’air est noir et les tissus mous sont en valeurs de gris, c’est entre autres pour cette raison que les cubes tests avec des pourcentages de remplissages différents nous ont permis d’instaurer une méthode de calibration précise et unique au monde».

«Traditionnellement, les fantômes de calibration pour l'imagerie médicale sont des objets de tests utilisés pour évaluer la performance des machines en situation pré-clinique et les comparer entre elles. Cela a beau être des objets de tests normalisés, ils restent «basiques» alors qu’ils sont censés être «pseudo-anthropomorphiques», ils ne reproduisent pas l’anatomie, d’où l’intérêt de l’ajout de ces pièces imprimées destinées à simuler les organes à l’intérieur de ces «fantômes de calibration» traditionnels.

- QUELS AVANTAGES AVEZ-VOUS TROUVÉ À UTILISER LA STRATEO 3D POUR IMPRIMER CES PIÈCES ?

«L’avantage des imprimantes Stateo3D est de pouvoir utiliser différents matériaux y compris sur la même impression, mais aussi leur volume utile nous permet d’imprimer l’intégralité d’un organe en une seule pièce . «Les outils de double extrusion présents sur la Strateo3D nous ont également rendu possible l’impression d'un modèle de gyroïde complexe dont le support hydrosoluble était entièrement dissous dans l’eau. Après avoir immergé ce modèle dans un fantôme classique, nous avons obtenu une texture visible à l’image et de ce fait, mettre en avant les différences entre la partie uniforme et la pièce imprimée en 3D. Ce procédé nous a permis de faire des mesures également sur les régions comprenant des parties solides et simulant visuellement les tissus et organes humains».

Ce travail préliminaire a permis de valider la démarche de créer des objets basés sur différents maillages sur lesquels nous travaillons actuellement. «Par ailleurs, nous simulons également des lésions informatiquement, ceci nous permet d’obtenir une certaine réalité de terrain mais on a en revanche besoin d’une «mesure» sur un objet physique réel pour fiabiliser nos résultats de simulation et/ou de détection». «C’est d’ailleurs là, le principal rôle des pièces imprimées en 3D car, à ce jour, c’est le seul moyen d’obtenir un fantôme qui nous permette d’avoir une vérité de terrain qui se rapproche de la réalité clinique et donc de valider avec précision nos scanners».

- LA PIÈCE DEVAIT-ELLE ÊTRE IMPRIMÉE EN PLUSIEURS PARTIES ? SI OUI, COMBIEN ? IMPRIMÉE EN UNE SEULE FOIS SUR LE MÊME PLATEAU OU EN PLUSIEURS ?

Non, du fait de leur dimensions et du volume utile de la Strateo3D, l’ensemble des pièces que nous avons eu à imprimer à ce jour parviennent à contenir sur un même plateau d’impression.

- COMBIEN DE TEMPS L’IMPRESSION A-T-ELLE DURÉ ?

Les impressions que nous avons réalisées jusqu’à lors ne sont pas si chronophages puisqu’elles se déroulent généralement en quelques heures.

- POURRIEZ-VOUS EFFECTUER UN COMPARATIF AVEC UNE AUTRE MÉTHODE DE FABRICATION

(TEMPS, COÛT, ETC…)

L’impression 3D représente à ce jour l’unique moyen de simuler avec précision des organes scannés en amont en vue de pouvoir optimiser nos méthodes d’évaluation.

- Perspectives et approfondissement des recherches:

En parallèle à ces premières recherches, nous avons également imprimé une vertèbre humaine à l’échelle 1 avec un polymère chargé en poudre métallique afin de pouvoir prendre en compte et évaluer la correction des artefacts métalliques générés par les prothèses de certains patients. Afin de pouvoir poursuivre et ainsi approfondir ces premières recherches, nous nous sommes ensuite procuré une Strateo3D IDEX420 et allons désormais scanner des organes complexes directement à partir de notre nouveau scanner (Omni Legend ™ de la marque GE Healthcare), que nous convertirons ensuite en .stl et imprimerons sur Strateo3D (en double extrusion avec supports internes solubles) en vue de pouvoir disposer de fantômes de calibrations encore plus proches de la réalité, comme initié avec la partie de vertèbre.

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