Un avatar numérique des poumons

La méde­cine n’est pas qu’une his­toire de médi­ca­ments et la per­son­na­li­sa­tion n’est pas seule­ment de nature géné­tique. Dans l’équipe MΞDISIM (Inria/Institut Poly­tech­nique), c’est la bio­mé­ca­nique des tis­sus malades que les cher­cheurs ana­lysent. L’objectif ? Créer des modèles numé­riques des organes des patients pour mieux orien­ter leur traitement.

« Le pou­mon se déforme quand on res­pire, il double même de volume, rap­pelle en intro­duc­tion Cécile Patte, qui vient de sou­te­nir sa thèse au sein du MΞDISIM. Cette défor­ma­tion dépend de pro­prié­tés méca­niques comme l’élasticité. » La jeune cher­cheuse a ain­si déve­lop­pé un modèle numé­rique du pou­mon afin d’aider les méde­cins de l’Hôpital Avi­cenne, à Bobi­gny, à mieux carac­té­ri­ser les pro­prié­tés indi­vi­duelles des patients souf­frant de fibrose pul­mo­naire idiopathique.

Cette mala­die est carac­té­ri­sée par la for­ma­tion de cica­trices dans les pou­mons, ce qui rigi­di­fie l’organe. Cette dégra­da­tion tis­su­laire entrave le pas­sage de l’oxygène dans le sang, entraî­nant une insuf­fi­sance res­pi­ra­toire mor­telle, seule­ment 2 à 5 ans après l’apparition de la mala­die. Or la forme, la poro­si­té ini­tiale et les pro­prié­tés méca­niques de l’organe ne sont pas les mêmes chez tout le monde.

« Pour répondre à une ques­tion géné­rale, il suf­fit d’avoir un modèle moyen de l’organe, qui reprend les valeurs moyennes de ses pro­prié­tés méca­niques. Mais pour pro­po­ser une approche per­son­na­li­sée, il faut créer un ava­tar de l’organe du patient », pré­cise Cécile Patte. Et pour cela, il faut des données.

« La dif­fi­cul­té, c’est que nous vou­lons tra­vailler à par­tir de don­nées déjà dis­po­nibles. Nous n’al­lons pas impo­ser des gestes inva­sifs sup­plé­men­taires aux patients pour créer un ava­tar » explique la cher­cheuse, lau­réate 2020 du prix Pour les femmes et la science de la Fon­da­tion L’Oréal et de l’UNESCO. Il s’agit donc de construire des modèles en s’appuyant sur les infor­ma­tions pro­duites habi­tuel­le­ment par le par­cours de soin du patient. Et les exa­mens varient selon le type de patho­lo­gie et l’organe. Pour le cœur, ce sont des mesures de pres­sion ou d’électrophysiologie. Pour le pou­mon, il s’agit sur­tout de don­nées d’imagerie, de radio­gra­phies ou de scan­ners. « Si on avait accès à la pres­sion pleu­rale, par exemple, ce serait un gain de pré­ci­sion. Mais c’est une mesure trop inva­sive », admet Cécile Patte.

Les infor­ma­tions spé­ci­fiques d’un patient vont venir nour­rir l’avatar numé­rique. Il per­met alors de pous­ser le diag­nos­tic un cran plus loin : pour quan­ti­fier les para­mètres méca­niques, pour tes­ter des hypo­thèses thé­ra­peu­tiques ou encore pré­dire le pro­nos­tic. « On peut ima­gi­ner que ces infor­ma­tions aide­ront les méde­cins à mieux diag­nos­ti­quer la mala­die et à orien­ter le patient vers une stra­té­gie médi­ca­men­teuse ou une trans­plan­ta­tion », ana­lyse-t-elle.

Pour l’instant, ce logi­ciel de simu­la­tion per­son­na­li­sée n’est qu’un objet de recherche, une preuve de concept. Beau­coup de tra­vail doit encore être réa­li­sé afin de le trans­for­mer en « dis­po­si­tif médi­cal », un sys­tème d’aide à la déci­sion médi­cale sou­mis, à un envi­ron­ne­ment régle­men­taire exi­geant via le mar­quage de fabri­ca­tion tech­nique euro­péen (CE), par exemple. Or, le logi­ciel de simu­la­tion du pou­mon de Cécile Patte n’a été appli­qué qu’à quatre patients lorsque nous écri­vons cet article. « Pour trai­ter les don­nées d’un patient, en pui­sant sa puis­sance de cal­cul sur un clus­ter de labo­ra­toire, notre logi­ciel exige aujourd’hui deux voire trois jours à temps plein… », admet la cher­cheuse. Pour être com­pa­tible avec la pra­tique cli­nique, ce temps devra être raccourci.

Le pou­mon n’est pas le seul organe modé­li­sé au sein de l’équipe. Le cœur fait éga­le­ment l’objet de nom­breux tra­vaux, avec des appli­ca­tions cli­niques mul­tiples en col­la­bo­ra­tion étroite avec dif­fé­rents hôpi­taux. Il s’agit de repré­sen­ter le cœur dans ses dif­fé­rentes dimen­sions phy­siques, contrac­tile et élec­trique. De tels modèles car­diaques per­son­na­li­sés per­met­tront par exemple, de tes­ter un trai­te­ment sur un ordi­na­teur, notam­ment en cas d’insuffisance car­diaque, et de pré­dire ain­si si le patient répon­dra ou non.

MΞDISIM a éga­le­ment conçu un outil pour le sui­vi en temps réel du sys­tème car­dio­vas­cu­laire pen­dant l’anesthésie, Anaes­tAs­sist. Le logi­ciel repré­sente en temps réel la phy­sio­lo­gie car­dio­vas­cu­laire du patient afin d’anticiper les effets de l’anesthésie et d’accompagner le méde­cin dans cette procédure.

D’autres labo­ra­toires à tra­vers le monde pré­parent, eux, des modèles de la cir­cu­la­tion san­guine, des os, des reins, etc. « Avec cette pers­pec­tive, tous les organes peuvent être étu­diés », estime Cécile Patte.

Il n’est pas impos­sible qu’à terme nous puis­sions com­bi­ner tous ces modèles afin de repré­sen­ter les effets sys­té­miques, de créer un véri­table double numé­rique qui nous accom­pa­gne­ra et par­ti­ci­pe­ra à la prise en charge per­son­na­li­sée de nos trai­te­ments. L’idée séduit même des indus­triels. Das­sault Sys­tèmes, par exemple, a com­men­cé à inves­tir. Il pro­pose sa pla­te­forme 3DEXPERIENCE aux fabri­cants de dis­po­si­tifs médi­caux pour les aider à opti­mi­ser leur déve­lop­pe­ment. Une pre­mière étape, sans doute.