Communication améliorée des marges tumorales grâce à la numérisation et à la cartographie 3D

Résumé

Une nouvelle méthode de numérisation 3D et de cartographie virtuelle des résections du cancer est proposée dans le but d’améliorer la communication au sein de l’équipe multidisciplinaire de soins contre le cancer.

Résumé

Après la résection oncologique des tumeurs malignes, les échantillons sont envoyés en pathologie pour traitement afin de déterminer l’état de la marge chirurgicale. Ces résultats sont communiqués sous la forme d’un rapport de pathologie écrit. Le rapport de pathologie standard actuel fournit une description écrite de l’échantillon et des sites d’échantillonnage de marge sans aucune représentation visuelle du tissu réséqué. L’échantillon lui-même est généralement détruit lors de la coupe et de l’analyse. Cela conduit souvent à une communication difficile entre les pathologistes et les chirurgiens lorsque le rapport de pathologie final est confirmé. De plus, les chirurgiens et les pathologistes sont les seuls membres de l’équipe multidisciplinaire de soins contre le cancer à visualiser l’échantillon de cancer réséqué. Nous avons développé un protocole de numérisation 3D et de cartographie des échantillons pour répondre à ce besoin non satisfait. Un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) est utilisé pour annoter l’échantillon virtuel en montrant clairement les sites d’encrage et d’échantillonnage des marges. Cette carte peut être utilisée par divers membres de l’équipe multidisciplinaire de soins contre le cancer.

Introduction

L’objectif de la résection oncologique est l’ablation complète du cancer avec des marges chirurgicales microscopiquement exemptes de cellules tumorales. Dans le cancer de la tête et du cou, l’état de la marge chirurgicale est le facteur de risque pathologique le plus important¹. Une marge chirurgicale positive augmente le risque de récidive locale à 5 ans et de mortalité toutes causes confondues de >^{90 %2}. Malgré les progrès de la technologie médicale et des techniques chirurgicales ces dernières années, les taux de marge positifs dans le cancer de la tête et du cou restent élevés³. Pour les cancers de la cavité buccale localement avancés, le taux de marge positive aux États-Unis est de 18,1 %⁴.

Pour que les chirurgiens de la tête et du cou assurent une résection oncologique complète tout en minimisant la perturbation des structures environnantes, un échantillonnage peropératoire des marges par analyse de coupe congelée (FSA) est effectué. La FSA offre une consultation de pathologie peropératoire rapide qui est largement utilisée et qui est la norme de soins 5,6,7,8,9. Les tissus frais sont congelés, tranchés finement, placés sur une lame de verre et colorés pour une interprétation immédiate pendant que le patient est encore sous anesthésie.

Les échantillons oncologiques de la tête et du cou présentent plusieurs défis distincts pour évaluer avec précision l’état des marges, notamment la complexité anatomique des échantillons de cancer de la tête et du cou, la réserve minimale dans la région de la tête et du cou pour une excision large compte tenu de la proximité de structures vitales telles que les yeux, le visage, les nerfs importants et le système vasculaire, et les multiples types de tissus souvent présents dans l’échantillon réséqué (c.-à-d. muqueuse, cartilage, muscle, os)^10,11. Ainsi, une approche de l’analyse des marges basée sur les échantillons nécessite un niveau de communication amélioré entre le chirurgien et le pathologiste¹². Une conversation en face à face est souvent justifiée pour s’assurer de l’orientation correcte des spécimens et de la discussion des marges préoccupantes. Cependant, cela n’est pas toujours sûr ou réalisable car cela oblige soit le chirurgien à quitter la salle d’opération (OR) pendant que le patient reste sous anesthésie générale, soit le pathologiste à quitter le laboratoire de pathologie macroscopique, interrompant ainsi son flux de travail. De plus, il peut y avoir un temps de déplacement important entre la salle d’opération et le laboratoire de pathologie ou, dans certains cas, le laboratoire de pathologie peut être complètement hors site.

Après l’ASF, l’échantillon oncologique est fixé dans du formol et formellement traité par encrage, coupe et échantillonnage des marges. Les lames sont créées et interprétées au microscope par le pathologiste pour créer un rapport pathologique final. Pour la résection complexe du cancer de la tête et du cou, cela peut souvent prendre 1 à 2 semaines. Malheureusement, le traitement de l’échantillon entraîne généralement la destruction de l’échantillon de cancer réséqué. Cela peut créer une confusion supplémentaire car le rapport de pathologie final, les discussions multidisciplinaires du comité des tumeurs, la planification de la radiothérapie adjuvante et la résection dans le cadre de marges positives doivent tous se dérouler sans enregistrement visuel de l’échantillon oncologique et de son traitement pathologique.

Pour répondre à ce besoin clinique non satisfait, nous avons développé un protocole de numérisation 3D et de cartographie des échantillons pour améliorer la communication entre les chirurgiens, les pathologistes et les autres membres de l’équipe multidisciplinaire de soins contre le cancer.

Protocole

Ce protocole a été réalisé au centre médical de l’Université Vanderbilt sous IRB#221597. Les patients ont donné leur consentement écrit pour la numérisation 3D ex vivo et la cartographie numérique de leur échantillon chirurgical avant l’intervention chirurgicale et l’ajout de leur numérisation à une biobanque de modèles d’échantillons 3D. Les critères d’inclusion étaient les patients de 18 ans et plus présentant une tumeur de la tête et du cou suspectée ou prouvée par biopsie subissant une résection chirurgicale. Des cartes d’échantillons 3D ont été créées en fonction des préférences des chirurgiens et des pathologistes et de la disponibilité du personnel.

Ce protocole suit les directives des comités d’éthique de la recherche humaine de l’Institutional Review Board (IRB#221597) du Vanderbilt University Medical Center. Tous les sujets ont fourni un consentement éclairé écrit avant de participer. Toutes les données des patients ont été anonymisées.

1. Configuration du scanner 3D

1. Identifiez un poste de travail plat de 3 x 2 pieds disponible pour l’installation du scanner. Assurez-vous que le poste de travail est un environnement sombre où le scanner est enfermé ou que les lumières de la pièce sont éteintes. Vous pouvez également effectuer une numérisation 3D dans une configuration de chariot mobile, comme le montre la figure 1.
2. Installez le trépied de caméra à trois pieds sur le poste de travail plat. Placez délicatement la caméra de numérisation 3D dans le trépied. Inclinez la caméra vers le poste de travail à un angle de 60°.
3. Connectez le cordon d’alimentation en deux parties à une source d’alimentation externe et à l’arrière de la caméra.
4. Placez le plateau tournant du scanner à 1 pied devant la caméra 3D et la configuration du trépied. Connectez le plateau tournant à l’appareil photo à l’aide du câble micro-USB.
5. Connectez l’appareil photo à l’ordinateur portable à l’aide du câble appareil photo vers USB. Reportez-vous à la Figure 2 pour la configuration étiquetée.
   REMARQUE : Si l’ordinateur portable ne dispose pas d’un port USB, un adaptateur USB externe peut être nécessaire. Une souris externe est recommandée.
6. Éteignez les lumières du poste de travail pour calibrer le scanner en fonction des conditions d’éclairage actuelles.
7. Appuyez sur le bouton d’alimentation situé à l’arrière de l’appareil photo et maintenez-le enfoncé jusqu’à ce qu’un voyant bleu apparaisse.
8. Ouvrez le logiciel de capture 3D sur le bureau de l’ordinateur. Centrez le plateau tournant dans la croix projetée par la caméra.
   REMARQUE : Assurez-vous que la caméra est allumée et que les lumières sont éteintes avant d’ouvrir le logiciel.

2. Manipulation des échantillons

1. Obtenez l’échantillon oncologique réséqué auprès de l’équipe chirurgicale.
2. Rincez l’échantillon pour éliminer tout sang ou caillot en excès de résection. Séchez doucement.
   REMARQUE : Cette étape est très importante pour obtenir une numérisation de haute qualité. Le scanner 3D a du mal à capter les données lorsqu’un échantillon est très brillant ou qu’il y a du sang résiduel à la surface.
3. Placez l’échantillon sur une surface plane et propre.
4. À l’aide d’un appareil photo de smartphone ou d’un appareil photo numérique, obtenez des images 2D de haute qualité de l’échantillon. Obtenez une photographie de la surface antérieure du spécimen. Retournez l’échantillon à exactement 180° et obtenez une deuxième photographie de la surface postérieure de l’échantillon.

3. 3D scan après résection en bloc d’une tumeur solide

1. Placez une fine feuille de plastique sur le plateau tournant du scanner 3D pour protéger les points cibles des tissus humains. Placez l’échantillon sur la feuille de plastique avec la surface antérieure vers le haut.
2. Cliquez sur l’application logicielle de scanner 3D sur le bureau de l’ordinateur portable.
3. Cliquez sur l’icône du scanner 3D sur le côté droit de l’écran. Cliquez sur le bouton Nouvelle œuvre .
4. Créez un nouveau dossier en utilisant une convention de nommage facile à comprendre.
   REMARQUE : Recommandation de convention de dénomination : AAAA-MM-DD_SPECIMENTYPE
5. Cliquez sur Numérisation de texture. Laissez la section ouverte du fichier de marqueurs globaux vide.
6. Réglez tous les paramètres fixes dans le menu situé à gauche de l’écran (Figure 3). Sélectionnez HDR désactivé. sélectionnez l’option ON pour Avec plateau tournant. Définir le mode d’alignement = Cibles codées du plateau tournant, pas du plateau tournant = 8, vitesse du plateau tournant = 10 et tours du plateau tournant = un tour.
7. Réglez la luminosité en faisant glisser la barre de défilement de luminosité vers la droite pour maximiser l’exposition (rougeur) sur les surfaces sombres de l’échantillon, comme illustré à la figure 3.
   REMARQUE : Essayer de maximiser l’exposition (rougeur) sur les parties de couleur foncée de l’échantillon (muscle, tissus mous) sans surexposer (trop rouge) les parties de couleur claire de l’échantillon (os, dents).
8. Cliquez sur le bouton de lecture triangulaire dans la barre d’outils de droite intitulé Démarrer l’analyse ou appuyez sur la barre d’espace pour lancer la première série d’analyse. Attendez que la plateforme termine les huit rotations (~4 min). Ne touchez pas le scanner ou le plateau tournant pendant cette étape.
9. Une fois terminé, faites pivoter le scan pour voir s’il y a des données de scan capturées en dehors des points verts affichés à l’écran ou un artefact évident. Une fois satisfait, cliquez sur la coche sur le côté droit de l’écran d’édition pour passer à la moitié suivante de l’analyse.
   1. Si un artefact est découvert, appuyez sur Maj et utilisez le curseur pour faire glisser un cercle autour de l’artefact en dehors de l’analyse prévue. Recherchez un cercle rouge qui apparaît autour de l’artefact indésirable. Cliquez sur le bouton Supprimer les données dans la barre d’outils de droite désignée par une icône de poubelle.
10. À l’aide de gants, retournez l’échantillon pour exposer la surface opposée. Ajustez la luminosité si nécessaire et gardez tous les autres paramètres identiques. Répétez les étapes 3.8-3.9.

4. Alignement et maillage

1. Le programme tentera d’aligner automatiquement l’éprouvette. Si l’alignement est précis (rare), passez à l’étape 4.4. Si l’alignement est mauvais (voir note), passez à l’étape 4.2.
   REMARQUE : L’alignement précis se caractérise par une éprouvette entièrement formée sans aucun espace ni chevauchement sur les côtés. Les parties jaunes représentent l’intérieur du balayage et l’alignement optimal montre le moins de jaune possible.
2. Pour l’alignement manuel, appuyez sur le bouton d’alignement indiqué par une pièce de puzzle dans la barre d’outils de droite.
3. Effectuez un recalage croisé en trois points pour aligner géométriquement les deux scans 3D.
   1. Cliquez et faites glisser un ensemble de données de numérisation (groupe 1 et groupe 2) dans chacune des images d’alignement. Placez le groupe 1 dans la zone Fixe et le groupe 2 dans la zone Flottant.
   2. Utilisez la fonction de clic droit pour faire pivoter et positionner les deux moitiés de sorte qu’un côté montre l’extérieur de l’échantillon (surface numérisée en 3D) et l’autre moitié l’intérieur de l’échantillon (jaune). Orientez les deux moitiés de manière à ce que les silhouettes créent la même forme si elles sont superposées. Utilisez le bouton de défilement central de la souris pour effectuer un zoom avant et arrière sur l’échantillon.
   3. Identifiez trois points de repère clairs sur chaque ensemble de données numérisées à choisir comme points d’alignement présents sur les deux ensembles de données.
      REMARQUE : Choisissez trois points à peu près équidistants les uns des autres sur les bords de l’éprouvette. Utilisez la topographie unique des scans pour choisir ces points.
   4. Appuyez sur Maj et cliquez avec le bouton gauche pour sélectionner le premier des trois points d’alignement correspondants sur chaque groupe de données, comme décrit ci-dessus. Après avoir sélectionné en cliquant sur les deux points correspondants, recherchez un point rouge qui apparaît aux positions correspondantes choisies. Répétez ce processus 2x et recherchez des points verts pour le deuxième ensemble de points d’alignement choisis et des points orange pour le troisième ensemble.
   5. Recherchez le résultat de l’alignement pour qu’il apparaisse dans le grand volet sous les deux moitiés. Si le balayage est bien aligné (voir REMARQUE à la section 4.1 pour les recommandations d’alignement optimal), passez à l’étape 4.4. Pour répéter le processus d’alignement, passez à l’étape 4.3.6.
   6. Pour resélectionner les points d’alignement, appuyez simplement sur la touche Ctrl + touche Z pour annuler le travail précédent ou cliquez sur la case X dans le coin supérieur droit de chaque volet et revenez à l’étape 4.3.1.
   7. Effectuez ces étapes jusqu’à ce que l’aperçu du résultat de l’alignement soit exact.
4. Sélectionnez le bouton carré Optimisation globale dans la barre d’outils en bas à droite. Parcourez les écrans d’optimisation, en cliquant sur le bouton Confirmer chaque fois que vous y êtes invité.
5. Une fois l’optimisation terminée, sélectionnez le bouton Modèle de maillage triangulaire en bas à droite de l’écran.
6. Choisissez l’option de modèle étanche lorsque vous y êtes invité. Cliquez sur l’option Détail moyen.
   REMARQUE : Les détails élevés prennent beaucoup plus de temps à rendre et ne sont pas visuellement meilleurs que les détails moyens.
7. Utilisez les barres de défilement qui apparaissent sur le côté gauche de l’écran pour régler la luminosité à 50 et le contraste à 0 lorsque vous y êtes invité.
8. Cliquez sur le bouton Enregistrer votre numérisation dans la barre d’outils en bas à droite. Maintenez le rapport d’échelle à 100 % pour préserver toutes les dimensions d’origine de l’éprouvette.
9. Exportez le modèle aux formats de fichier 3MF et OBJ et enregistrez-le dans le dossier créé au début de la numérisation. Utilisez la convention de nommage comme indiqué à l’étape 2.3.

5. Nettoyage

1. À l’aide de gants, retirez l’échantillon du plateau tournant. Retournez l’échantillon en toute sécurité à l’équipe de pathologie.
2. Retirez la feuille de plastique et désinfectez-la avec une lingette. Remettez-le dans son sac.
3. Remettez le plateau tournant du scanner et l’appareil photo dans leurs emplacements respectifs dans la boîte. Assurez-vous que l’appareil photo est protégé avec un sac en plastique ou une boîte.
4. Débranchez tous les cordons et replacez-les dans la boîte.
5. Nettoyez la zone de numérisation avec une lingette désinfectante.

6. Cartographie virtuelle des échantillons en 3D

1. Lorsque l’échantillon est prêt à être traité, configurez le poste de travail pour travailler aux côtés du membre de l’équipe de pathologie qui grossira l’échantillon.
   REMARQUE : Il est utile d’utiliser un support d’ordinateur roulant pour permettre la mobilité et faciliter la communication avec l’équipe de pathologie.
2. Installez l’ordinateur portable et la souris externe sur le poste de travail. Ouvrez le logiciel de conception assistée par ordinateur à partir de l’ordinateur portable pour annoter virtuellement le modèle 3D.
3. Cliquez sur le bouton Importer indiqué par l’icône du signe plus et importez le fichier 3mf précédemment enregistré de la numérisation brute à partir de l’étape 4.9.
   REMARQUE : Ce logiciel n’a pas de fonction d’effacement ; il permet uniquement à l’utilisateur d’annuler le travail antérieur en appuyant sur Ctrl Z. Méfiez-vous du fait que l’utilisateur ne peut pas revenir en arrière et modifier ou effacer les marques sur le spécimen une fois la carte enregistrée.
4. Encrage virtuel
   1. Sélectionnez l’outil pinceau sur le réglage de taille 15-30 pour délimiter les bordures de chaque zone encrée. Utilisez la palette de couleurs pour représenter graphiquement chaque surface encrée à l’aide de couleurs de peinture logicielles simultanées avec les couleurs d’encre réelles.
   2. Utilisez l’outil pinceau sur le réglage de taille 35-45 pour remplir chaque section encrée avec sa couleur correspondante.
   3. Confirmez avec le prosecteur que tous les côtés encrés sont corrects et notez l’orientation anatomique (antérieure, postérieure, médiale, latérale, profonde) de chaque côté encré pour la clé.
5. Échantillonnage des marges
   1. Utilisez l’outil pinceau sur le réglage de taille 20-25 pour schématiser les marges perpendiculaires et rasées (en face), distinguées à l’aide d’un code couleur.
      REMARQUE : Par exemple, utilisez du blanc pour indiquer des marges perpendiculaires et du fuschia pour indiquer des marges de rasage.
   2. Étiquetez chaque section échantillonnée avec le numéro ou la lettre qui correspond à la cassette dans laquelle chaque section est placée.
6. Coupes planes
   1. Pour toutes les coupes planes (c’est-à-dire les coupes en pain à travers complètement l’échantillon), sélectionnez l’outil Coupe plane dans la barre d’outils de gauche. Sélectionnez Conserver les deux dans la barre d’outils supérieure gauche.
   2. Dessinez les coupes planes à travers l’éprouvette exactement comme le prosecteur l’a fait. Assurez-vous que les coupes sont correctes, puis cliquez sur accepter.
7. Complétion et exportation de cartes d’échantillons 3D
   1. Confirmez auprès du prosecteur pour vérifier l’exactitude de la carte 3D complétée. Réviser les écarts et finaliser la carte.
      REMARQUE : Un exemple de carte d’échantillon complétée est présenté à la figure 4.
   2. Dans la barre d’outils supérieure, cliquez sur Fichier | Enregistrer pour enregistrer la carte du spécimen. Cliquez sur Fichier | Exporter | choisir. 3mf pour exporter le fichier au format .3mf.

7. Création d’une vidéo distribuable

1. Ouvrez le logiciel de présentation à partir du bureau de l’ordinateur portable.
2. Donnez au fichier de diapositives le nom correspondant du spécimen qui a été cartographié.
3. Insérez les images 2D prises de l’échantillon et disposez-les sur un côté de la lame.
4. Sélectionnez Insérer dans la barre d’outils supérieure. Cliquez sur l’icône en forme de canard en caoutchouc et sélectionnez Insérer un modèle 3D.
5. Importez le fichier .3mf du scan brut généré à l’étape 4.9 et le fichier .3mf de l’échantillon mappé généré à l’étape 6.7.2.
6. Organisez les modèles 3D avec le scan brut et le scan mappé côte à côte. Disposez les deux modèles de manière à ce qu’ils soient dans la même orientation/alignement et qu’ils soient de la même taille.
7. Cliquez sur Animations dans la barre d’outils supérieure | sélectionnez le modèle #1 | sélectionnez Ajouter une animation | Platine vinyle | Changer la durée à 10 s | sélectionnez Au clic.
8. Sélectionnez le modèle #2 et répétez l’étape 6.8 pour le balayage mappé, mais à la dernière étape, sélectionnez Avec précédent au lieu de Clic.
9. Sélectionnez le modèle #1 et répétez l’étape 6.8, mais sélectionnez Options d’effet, changez la direction de la platine en Haut et sélectionnez Après le précédent.
10. Sélectionnez le modèle #2 et répétez l’étape 7.9, mais à la dernière étape, sélectionnez Avec précédent.
11. Sélectionnez le volet Animation et cliquez sur Tout lire pour vérifier que les numérisations tournent en même temps dans le même sens.
12. Pour créer une vidéo partageable, cliquez sur Fichier | Exporter | Créer une vidéo | Sélectionnez Fichier de taille moyenne pour exporter une vidéo .mp4 à partager par e-mail ou à intégrer dans une présentation.
    REMARQUE : Un exemple de la vidéo finale est présenté à la figure 5.

Résultats

D’octobre 2021 à avril 2023, 28 échantillons oncologiques de la tête et du cou ont été scannés en 3D et cartographiés virtuellement selon ce protocole. Ces résultats ont été publiés précédemment¹³. La majorité des échantillons chirurgicaux étaient des carcinomes épidermoïdes (CSC) (86 %, n = 24), les sous-sites anatomiques les plus courants étant la cavité buccale (54 %, n = 15) et le larynx (29 %, n = 8).

Dans tous les cas, des cartes d’échanti...

Discussion

Traditionnellement, il n’y a pas de représentation visuelle d’un échantillon de cancer réséqué. Le traitement pathologique détruit souvent l’échantillon. Des travaux antérieurs ont démontré la faisabilité et l’utilité de la numérisation 3D d’échantillons oncologiques suivie d’une annotation virtuelle des modèles pour créer des cartes d’échantillons 3D représentatives du traitement pathologique 13,14,15.^...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Computer Aided Design Software	MeshMixer		Virtual annotation software for 3D models
Digital Camera or Cameraphone	iPhone		May use iPhone camera or any digital camera available
EinScan SP V2 Platinum Desktop 3D Scanner	Shining 3D		3D scanner hardware
ExScan Software; Solid Edge SHINING 3D Edition	Shining 3D		3D capture software included with purchase of 3D Scanner
External Mouse	Microsoft
Laptop Computer	Dell XP5	00355-60734-40310-AAOEM	Laptop Requirements: USB: 1 ×USB 2.0 or 3.0; OS: Win 7, 8 or 10 (64 bit); Graphic Card: Nvidia series; Graphic memory: >1 G; CPU: Dual-core i5 or higher; Memory: >8 G
Microsoft Office Suite	Microsoft
Mobile Presentation Cart	Oklahoma Sound	PRC450
PowerPoint Software	Microsoft Office		Presentation software
Sit-Stand Mobile Desk Cart	Seville Classics
USB-c Device Converter	TRIPP-LITE	U442-DOCK3-B	Necessary only if laptop does not have USB