Dual-Filament 3D Printing of Patient-Specific CT Phantoms with Embedded Implants and Tunable Metal-Artifact Intensity

Imaginez que vous soyez un détective tentant de résoudre un mystère, mais chaque fois que vous regardez à travers votre loupe l'indice le plus important, la loupe elle-même macule l'image d'une énorme et confuse tache d'encre noire. Dans le monde de l'imagerie médicale, cette « loupe » est un scanner CT, et l'« encre » est un implant métallique comme une vis ou une prothèse de hanche. Lorsque les rayons X frappent le métal, ils sont perturbés, créant des traînées et des ombres sombres qui cachent les tissus délicats environnants. Cela rend extrêmement difficile pour les médecins de voir si une chirurgie a réussi ou si un patient est en voie de guérison. Pour résoudre ce problème, des ingénieurs ont inventé des programmes informatiques ingénieux appelés algorithmes de « Réduction des Artéfacts Métalliques » (MAR). Ces programmes tentent de l'essuyer numériquement, comme on effacerait les taches d'encre. Mais le problème est le suivant : comment tester si ces programmes fonctionnent réellement ? Vous ne pouvez pas simplement demander à un patient de remplacer sa vis en titane par une en plastique pour voir la différence, et vous ne pouvez pas utiliser un simple bloc de plastique car il ne ressemble pas à un véritable corps humain. Les scientifiques ont donc besoin d'un « mannequin de test » parfait qui ressemble exactement à un patient, qui possède une vis métallique à l'intérieur, et qui puisse magiquement changer la quantité d'« encre » qu'il crée afin de tester équitablement leur logiciel de nettoyage.

C'est ici qu'une équipe de chercheurs de l'Université de Pennsylvanie est intervenue avec un nouveau tour de passe-passe très astucieux. Ils ont développé une méthode spéciale pour imprimer ces mannequins de test parfaits en 3D en utilisant une méthode qu'ils appellent « PixelPrint ». Imaginez un boulanger de haute technologie qui ne se contente pas de cuire un gâteau ; il peut même cuire un gâteau où chaque miette a une saveur différente, et il peut même cacher une pépite de chocolat à l'intérieur d'une miette de fraise sans que les saveurs ne se mélangent. Habituellement, les imprimantes 3D pour les scanners médicaux sont comme des boulangers à saveur unique : elles peuvent imprimer un os ou un muscle, mais elles ne peuvent pas imprimer un os et une vis métallique dans un même objet tout en conservant la texture du corps réel. Cette équipe, cependant, a amélioré son imprimante en utilisant deux « filaments » différents (les fils de plastique utilisés par l'imprimante) en même temps. Un filament est un plastique spécial mélangé à du calcium pour ressembler à des tissus mous et à de l'os, et l'autre est un plastique mélangé à de la poussière de métal pour ressembler à une vis.

La principale découverte des chercheurs est qu'ils peuvent contrôler exactement à quel point la vis est « métallique » en changeant la quantité de plastique-métal qu'ils incorporent dans la zone de la vis. Ils ont imprimé trois copies identiques du cou d'un patient (plus précisément la colonne cervicale de C4 à C6) avec six vis spinales incrustées. La première copie ne contenait aucun plastique métallique (remplissage à 0 %), servant de référence parfaite et claire (« ground truth »). La deuxième contenait une quantité moyenne de plastique métallique (remplissage à 50 %), et la troisième était saturée de plastique métallique (remplissage à 85 %). Lorsqu'ils ont scanné ces modèles avec une machine CT, les résultats étaient exactement ceux qu'ils espéraient : la version à 0 % ressemblait à un cou propre, la version à 50 % présentait des traînées légères, et la version à 85 % présentait des traînées lourdes et spectaculaires, tout comme le font les implants métalliques réels. Crucialement, le reste du cou — les muscles, les voies respiratoires et la texture osseuse — paraissait exactement le même dans les trois cas, prouvant que l'« encre » ne provenait que des parties métalliques ajustables.

L'équipe a également testé comment différents types d'énergie de rayons X affectaient ces traînées. Ils ont scanné les fantômes à différents niveaux d'énergie, allant de 50 keV à 190 keV. Ils ont découvert qu'à des énergies plus basses (comme 50 keV), les traînées étaient énormes et les vis ressemblaient à de gigantesques blocs flous et diffus. Mais en augmentant l'énergie à 130 ou 190 keV, les traînées s'atténuaient et les vis redevenaient nettes et claires. Cela a confirmé que leur nouvelle méthode d'impression pouvait simuler de manière fiable le problème réel des artéfacts métalliques et la façon dont ils réagissent aux différents réglages de balayage.

Cependant, l'article prend soin de noter quelques limites. Bien que le plastique mélangé au calcium ait très bien imité les tissus mous et l'os spongieux, il n'a pas pu atteindre la densité extrêmement élevée de la couche externe la plus dure de l'os réel (l'os cortical). Dans le scanner du patient réel, cet os dur dépassait les 1000 unités Hounsfield (HU), tandis que la version imprimée plafonnait autour de 620 HU. Ainsi, bien que l'impression soit excellente pour la plupart des choses, elle n'était pas tout à fait assez « dure » pour copier parfaitement les parties les plus denses d'un squelette réel. De plus, le métal utilisé dans le plastique (acier inoxydable) n'est pas exactement le même que le titane ou le cobalt-chrome utilisés dans les chirurgies réelles, bien qu'il crée des traînées très similaires.

Les chercheurs ont mesuré la « désordre » des traînées à l'aide d'un outil mathématique spécifique appelé l'indice p de Gumbel. Ils ont constaté qu'en augmentant la teneur en métal de 0 % à 50 % puis à 85 %, le score de « désordre » augmentait de manière parfaitement prévisible et linéaire. Le score est passé de 46,7 HU pour la version propre à 57,1 HU pour la version moyenne, et enfin à 90,5 HU pour la version lourde. Cela prouve que leur méthode permet de régler l'intensité de l'artéfact vers le haut ou vers le bas comme un bouton de volume, sans modifier l'anatomie sous-jacente.

En résumé, cet article suggère que cette nouvelle méthode d'impression 3D à double filament est un moyen puissant et reproductible de construire des mannequins de test pour vérifier l'efficacité des programmes informatiques capables de nettoyer les artéfacts métalliques dans les scanners CT. Ce n'est pas encore un remède miracle qui règle le problème chez les patients, mais cela fournit un « terrain d'entraînement » fiable et ajustable où les ingénieurs peuvent tester leurs logiciels par rapport à une référence parfaite et connue. Les auteurs pensent que cette approche pourrait éventuellement être utilisée pour tester les scanners pour les genoux, les hanches et les implants dentaires, aidant ainsi à rendre l'imagerie médicale plus claire et plus sûre pour tout le monde.