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Introduction
La formation des futurs médecins est un enjeu clé de la société. En chirurgie, il s’agit non seulement d’une formation théorique, mais bien entendu d’une formation pratique visant à acquérir progressivement un certain nombre de compétences. Ce savoir-faire se doit d’être de plus en plus poussé au cours de la formation et avec les progrès de la science. Cet apprentissage passe par un compagnonnage avec les pairs au quotidien pendant de longues années avant d’atteindre l’autonomie. Mais cela n’est pas suffisant, et des formations pratiques sont nécessaires tout au long des études afin d’acquérir certains gestes spécifiques. Ces formations sont d’autant plus indispensables pour des gestes à haut niveau de technicité qui doivent être répétés avant leur première réalisation chez l’homme.
Par ailleurs, rappelons-nous la règle primordiale du « jamais la première fois sur un patient », qui implique nécessairement d’avoir accès à d’autres moyens de formation en amont. Il en existe pléthore, mais les possibilités ne sont pas infinies quand la question du réalisme de ces exercices entre en jeu. En effet, les exercices de simulation chirurgicale de haut niveau de réalisme passent encore aujourd’hui par l’utilisation de corps humains donnés à la science ou d’expérimentations animales. Bien que d’un intérêt majeur et encore inégalable à ce jour pour l’apprentissage des futurs chirurgiens, ces méthodes posent de plus en plus questions au XXIe siècle, notamment en terme éthique. Il existe bien entendu des dispositifs d’apprentissage chirurgicaux inertes (c’est-à-dire n’utilisant ni corps humains ni animaux). Les principaux écueils de ces dispositifs actuels sont leur faible réalisme (ils ne reproduisent que très incomplètement l’anatomie humaine en termes de forme, texture…) et leur absence de vascularisation (ils ne permettent donc pas de s’habituer à travailler sur une structure vivante qui peut saigner, élément crucial d’une véritable intervention chirurgicale). Ils permettent de s’entrainer à acquérir certains gestes, de reproduire certaines étapes d’interventions mais restent insuffisants avant d’opérer sans passer par l’étape de modèles humains ou animaux.
Ainsi, il émerge depuis quelques années des tentatives d’amélioration des systèmes de simulations inertes. L’une des pistes étudiées est l’impression 3D. En effet, l’impression 3D présente, sur le papier, de nombreux avantages, notamment en termes de réalisme anatomique, de possibilité de personnalisation et de simplicité d’utilisation.
En ce sens, nous travaillons actuellement sur deux modèles de simulation chirurgicale imprimés en 3D, en collaboration avec des ingénieurs de l’Université de Lille (UFR3S) et de l’Ecole Centrale de Lille : un modèle d’entrainement aux points de suture sur peau artificielle et un modèle d’entrainement à la chirurgie cervico-faciale.
Peau artificielle et cube d’entrainement à la suture
Actuellement, les étudiants en médecine et infirmiers disposent principalement de fausses peaux en silicone pour apprendre à suturer. Le silicone reproduit bien les propriétés mécaniques de la peau lorsqu’il s’agit de la suturer. En revanche, les possibilités d‘exercices sont limitées en termes de diversité et de complexité puisque le silicone nécessite d’être coulé dans un moule dont les choix de formes sont restreints. L’apport de l’impression 3D ici est majeur, puisque les possibilités de modélisation informatique sont infinies. Dans le cadre du projet Interreg, nous avons développé une peau artificielle en 3 couches simulant la véritable peau humaine (constituée d’un épiderme, un derme et un hypoderme). L’épaisseur de chaque couche est paramétrable afin de reproduire au mieux chaque partie du corps (par exemple, la peau des paupières est bien plus fine que la peau du dos, ce qui modifie les sensations lors de la suture). L’intérêt principal de l’impression 3D ici est de pouvoir concevoir des échantillons de peau avec une multitudes de formes différentes (plaies linéaires, en étoile, de longueur et profondeur différentes, en relief…) simulant de manière plus adéquate la diversité des situations cliniques rencontrées dans la vraie vie.
Cette peau artificielle a pu être testée par deux groupes de dix étudiants en médecine de 5e et 6e année dans le cadre d’un cours de suture organisé au CHU de Lille. Les différents types de techniques de suture ont pu ainsi être abordés de manière exhaustive offrant aux étudiants une formation complète.
Une fois cette peau artificielle développée et éprouvée, nous avons conçu un cube d’entrainement à la suture. Il est constitué d’une armature fixe et réutilisable sur laquelle il est possible de clipser jusqu’à 6 faces de cette peau artificielle, permettant d’avoir un kit complet de formation aux techniques de suture avec plusieurs exercices et différents niveaux de difficultés au sein du même cube. En effet, chaque face est constituée d’un exercice différent (suture de plaie simple, de plaie complexe, de vaisseau sanguin…) et dont la difficulté peut être adaptée au niveau de l’étudiant.
Simulateur de chirurgie cervico-faciale
Le deuxième volet de nos travaux est dédié au développement d’un simulateur de chirurgie cervico-faciale. La chirurgie de la tête et du cou est vaste, et concerne plusieurs spécialités (ORL, chirurgie maxillo-faciale, chirurgie vasculaire…) et une multitude de pathologies. Nous nous axons ici sur la formation à la chirurgie des vaisseaux du cou (artère carotide et ses branches de division, veine jugulaire).
Actuellement, il existe peu de dispositifs de formation à ce type d’interventions pour les étudiants et jeunes chirurgiens. Nous avons pour but de concevoir un mannequin d’entrainement à la chirurgie des vaisseaux du cou qui puisse être polyvalent, c’est-à-dire utilisable pour la formation à différentes interventions, utile pour plusieurs spécialités chirurgicales différentes et intégralement imprimé en 3D.
Ce mannequin est un buste avec la tête tournée sur le côté (qui correspond à la position du patient lors d’une véritable intervention chirurgicale). L’intérieur du mannequin renferme les circuits électriques ainsi qu’un réservoir de liquide et une pompe permettant de reproduire la circulation sanguine. Il dispose d’une encoche au niveau du cou dans laquelle sera insérée une cartouche imprimée en 3D qui est choisie selon l’opération que l’on souhaite simuler. Le mannequin est ensuite mis en marche et l’exercice choisi sur le menu (cela permet de faire varier le débit de la pompe en conséquence puisque le débit de sang n’est pas le même selon que l’on travaille sur une artère carotide ou sur une plus petite de ses branches de division). Le chirurgien peut ensuite réaliser en autonomie l’intervention à laquelle il veut s’entrainer, en utilisant le même matériel qu’au bloc opératoire.
Nous travaillons principalement sur deux grands groupes d’interventions. Tout d’abord, la chirurgie des artères carotides pratiquée par les chirurgiens vasculaires, qui concerne la maladie athéromateuse (c’est-à-dire des plaques de cholestérol dans les artères carotides pouvant causer des accident vasculaires cérébraux, qu’il est possible d’aller extraire manuellement par une ouverture de l’artère en prévention d’une récidive d’AVC).
Deuxièmement, la chirurgie de reconstruction cervico-faciale par lambeaux libres micro-anastomosés. Lorsqu’un patient présente une perte de substance majeure de la face ou du cou (suite à un cancer ou un grave accident par exemple), il existe des techniques de reconstruction à l’aide de lambeaux libres, qui consistent en un prélèvement de tissu (peau, muscle, os…) sur une autre partie du corps et qui est ensuite greffée sur la zone à reconstruire. Afin que ce lambeau soit viable, il est prélevé avec une artère et une veine qui le vascularise, et ces deux vaisseaux sont connectés à une artère et une veine du cou. Cela nécessite une suture vasculaire (appelée anastomose) réalisée à l’aide d’un microscope ou de loupes grossissantes du fait du faible diamètre de ces vaisseaux (quelques millimètres) et de la finesse du fil de suture utilisé. Pour réaliser ce type d’intervention, une formation à la microchirurgie est indispensable, et est actuellement principalement dispensée sur des modèles animaux, raisons pour laquelle nous travaillons sur la conception de ce simulateur qui n’utilise que des matériaux inertes.
Un point crucial dans ce type d’exercice est qu’il soit le plus réaliste possible pour que l’entrainement soit pertinent pour l’apprenant. L’impression 3D nous permet justement un haut niveau de réalisme. En effet, lors des étapes de CAO (Conception Assistée par Ordinateur) durant lesquelles la forme du mannequin et de son contenu sont conçus, nous avons la possibilité de segmenter des données à partir de scanner du corps humain (c’est-à-dire que nous pouvons extraire des images issues d’un scanner du cou pour les modéliser en 3D et ensuite les imprimer). Les vaisseaux contenus dans les cartouches du simulateur sont donc identiques en tous points aux véritables vaisseaux sanguins du corps humains, permettant de fournir un exercice très réaliste à l’étudiant. Par ailleurs, l’imprimante 3D dont nous disposons est capable d’imprimer simultanément dans le même échantillon différents types de texture (allant du plus rigide au plus souple). Nous pouvons donc imprimer dans un même volume différentes structures anatomiques (os, muscle, nerf, vaisseaux) pour reconstituer une région anatomique du corps le plus précisément possible.
Un long travail de tests a été réalisé afin de trouver, dans un premier temps, les matériaux adéquats pour les vaisseaux. En effet, il faut trouver les bons réglages d’impression pour que ces vaisseaux soient suffisamment souples pour mimer les caractéristiques du corps, mais suffisamment rigides pour être suturables sans se déchirer (puisque les matériaux plastiques utilisées sont moins élastiques que de véritables vaisseaux sanguins). Une fois les premiers essais réalisés dans l’équipe, plusieurs échantillons ont été choisis et testés par des internes de chirurgie maxillo-faciale et ORL afin de sélectionner la meilleure composition possible. Nous avons réalisé par la même occasion une première session de formation aux techniques de microchirurgie à ces mêmes internes.
L’étape suivante a consisté en la conception du simulateur à proprement parlé, c’est-à-dire la modélisation du mannequin et de son circuit interne avec pompe et réservoir de liquide. Cela a pu être réalisé en collaboration avec des étudiants en Master de l’Ecole Centrale de Lille. A l’heure actuelle, nous disposons d’une première version fonctionnelle de ce simulateur sur laquelle il est possible de connecter des vaisseaux et de réaliser un exercice de suture avec des test d’étanchéité grâce à la perfusion fournie par la pompe.
Les prochaines étapes seront consacrées à la conception des cartouches imprimées en 3D, constituées de plusieurs types d’éléments anatomiques (peau, muscles, nerfs, vaisseaux sanguins) qui fourniront un exercice complet d’entrainement à la chirurgie (incision, dissection, suture vasculaire). Une fois la conception terminée, nous pourrons organiser des sessions de formations destinées à des étudiants en chirurgie maxillo-faciale, ORL, vasculaire qui seront l’occasion de tester, éprouver et apporter des correctifs à notre travail.
