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Les maladies cardio-vasculaires figurent actuellement parmi les plus grandes tueuses dans le monde. C'est pourquoi elles font l'objet de nombreuses recherches auxquelles plusieurs équipes de l'INRIA participent.
Le coeur, moteur musculaire commandé par des impulsions électriques, pompe le sang à travers le réseau vasculaire. La modélisation de ce fonctionnement, les réflexions sur les systèmes de contrôle et de régulation qui s'apparentent à la commande en automatique,et le développement d'images,répondent à des enjeux importants de la médecine.
Les contributions de l'INRIA dans ce domaine se concentrent sur les axes suivants :
SOSSO développe un modèle qui associe le rythme stimulation électrique (rythme cardiaque) et effort mécanique (insuffisance cardiaque).
M3N modélise les écoulements sanguins.
AIDA développe des systèmes d'intelligence artificielle pour contrôler l'activité cardiaque.
Les" actions coopératives", ICEMA, VitesV, impliquent plusieurs
équipes de l'INRIA ainsi que des partenaires extérieurs,
sur une thématique précise.
ICEMA travaille sur une cartographie en trois dimensions
de l'activité électromécanique du coeur
VitesV permet de visualiser les écoulements sanguins
en temps réel.
Pourquoi et comment le coeur se contracte-t-il pour jouer efficacement son
rôle de pompe du sang dans le corps humain ? Les recherches en modélisation
mathématique de SOSSO ont permis de proposer une loi du comportement
du muscle cardiaque, qui décrit les évolutions de variables
mécaniques clés (déformation et contrainte), en relation
avec des variables électriques (potentiel d'action). Depuis les nano-moteurs
moléculaires, agents de la contraction, jusqu'au coeur dans son ensemble,
la loi se décline à tous les niveaux. Elle est utilisée
pour établir une cartographie en trois dimensions de l'activité
de l'organe tout entier (voir ci-après l'action ICEMA). Elle est aussi
intégrée dans un modèle complet du système cardio-respiratoire,
qui rend compte des relations entre des variables obtenues de façon
non-invasive : fréquence cardiaque, pression artérielle, fréquence
respiratoire, etc.
Chacune des étapes de ce travail de recherche a permis de progresser
:
Ainsi, le modèle offre aujourd'hui la possibilité de former les étudiants, de tester des hypothèses et de simuler différentes situations.
Le projet SOSSO participe à des recherches appliquées dans
lesquelles l'apport de l'automatique est à la fois décisif et
conditionné par la résolution de problèmes de modélisation
de commande et d'informatique temps réel. Travaillant aussi sur des
applications automobiles, le projet a naturellement comparé le moteur
à combustion et le moteur cardiaque, observant entre les deux de nombreux
points communs dans la façon dont ils transforment l'énergie
chimique en énergie mécanique et dans la structure de leur centre
de contrôle/commande, en l'occurrence le Système Nerveux Autonome
(SNA) pour le système cardio-respiratoire.
Dans l'équipe, qui travaille avec des partenaires cliniciens, trois
chercheurs INRIA et trois collaborateurs extérieurs réguliers
(CNRS, Universités Paris VIII et Paris XI) se consacrent à ces
recherches auxquelles participent également plusieurs doctorants.
Dans son activité au service des sciences du vivant, SOSSO aborde,
sous l'angle de la commande, la modélisation de deux systèmes
physiologiques :
Partenariats avec l'Assistance Publique :
Service des explorations fonctionnelles de l'hôpital A. Béclère
(Clamart)
Service de pharmacologie clinique et de chirurgie vasculaire de l'Hôpital
Henri Mondor (Créteil)
Service de cardiologie de l'hôpital Sainte-Marguerite (Marseille)
Service de pneumologie et de réanimation du groupe hospitalier La Pitié-Salpétrière
(Paris)
Laboratoire de pharmacologie et service d'endocrinologie - Médecine
de la reproduction, Hôpital Necker (Paris)
Partenariats avec des organismes de recherche :
Institut de neurophysiologie du développement (Chili)
INSERM-U127 Biologie et physiopathologie du système cardiovasculaire
UMR INRA-CNRS 6073 Physiologie de la Reproduction et des Comportements
CNRS UPR 2216 Institut de Neurobiologie Alfred Fessard
CNRS UPRES-A 8071 Statistique des processus en milieu médical
University College London (Centre for Nonlinear Dynamics and its Applications)
et St Mary's Medical School (Londres)
Partenariats industriels :
Deltamed (polysomnographie)
Sorin Biomedical (pacemaker)
Michel.Sorine@inria.fr
01 39 63 56 48
Frederique.Clement@inria.fr
01 39 63 57 57
INRIA Rocquencourt
Les équipes EPIDAURE (analyse d'image), MACS et SINUS (analyse numérique de problèmes mécaniques et simulation), SOSSO (modélisation) ainsi que la société Philips Medical System sont les partenaires de cette action coopérative dont l'objectif est de fournir aux médecins des séquences d'images de l'activité électromécanique du coeur, c'est-à-dire du couplage de deux éléments clés de l'activité cardiaque : l'excitation électrique et la contraction mécanique.
La recherche veut associer des méthodes d'imagerie de l'activité
électrique du coeur (électrocardiographie) et de son activité
mécanique (échocardiographie 3D) pour visualiser en couleur
et en 3 dimensions l'évolution de ces activités ainsi que celle
d'indicateurs quantitatifs localisés de la fonction cardiaque (qui
devront être définis).
Grâce à ces images, les médecins pourront identifier précisément
les endroits du coeur où le problème est lié soit à
un déficit de contraction (insuffisance cardiaque), soit à une
mauvaise transmission de l'excitation électrique (troubles de la conduction).
L'outil développé par ICEMA devrait apporter une aide précieuse
au diagnostic comme au suivi des patients après un incident cardiaque.
Frederique.Clement@inria.fr
01 39 63 57 57
INRIA Rocquencourt
En cas d'anévrisme cérébral, c'est-à-dire en
cas de dilatation de la paroi d'un vaisseau sanguin, le risque est que le
vaisseau finisse par se rompre sous la pression. La thérapeutique endovasculaire
consiste à introduire une spire métallique pour boucher la cavité.
Ces opérations de mise en place des prothèses sont extrêmement
délicates. Le médecin introduit un cathéter à
travers un trajet artériel très sinueux, risquant à tout
moment de gratter la paroi et de provoquer une embolie. Il faut ensuite maintenir
le cathéter en place pour introduire la spire, en évitant de
rompre la paroi. Le plus souvent, il reste une cavité résiduelle
et l'anévrisme risque de se développer à nouveau. Ce
risque est d'autant plus grand que la cavité résiduelle est
plus volumineuse.
L'équipe de M3N, spécialiste des écoulements, s'est intéressée
à cette question à la demande de médecins de l'hôpital
Henri Mondor. L'objectif était de mieux comprendre comment se produit
l'écoulement sanguin dans ces cavités, avant et après
intervention, et de le modéliser pour mieux prédire l'efficacité
du traitement et en suivre le déroulement.
M3N établit des modèles d'écoulement associant la physique
des solides déformables (vaisseaux sanguins) à la mécanique
des fluides (le sang). Le modèle permet ensuite, à l'aide d'images
médicales, de prévoir les endroits où la pression est
trop forte et d'identifier les pathologies entraînées par telle
ou telle perturbation. Il aide également à simuler les thérapeutiques
et à envisager un pronostic après traitement.
M3N travaille également au développement d'un outil de planification,
en partenariat avec différents services hospitaliers, d'autres équipes
INRIA (CAIMAN, MACS GAMMA, PRISME et EPIDAURE) et le Laboratoire d'Analyse
Numérique UMR CNRS 7598 de l'Université Pierre-et-Marie-Curie.
Cet outil permettra de planifier les interventions.
Les travaux de M3N sur les écoulements ont trouvé d'autres applications médicales, notamment la modélisation de la diffusion des principes actifs par aérosols. Ces travaux, conduits en collaboration avec le Département de Mathématiques et Applications (DMA) UMR CNRS 8553 de l'École normale supérieure dans le cadre du Réseau National des Technologies pour la Santé, explorent cette technique d'administration médicamenteuse qui est moins invasive que d'autres et qui pourrait présenter un grand intérêt dans certaines pathologies comme le diabète, qui impose la prise régulière d'insuline.
Le domaine des bio-fluides ne représente qu'une partie des recherches du projet M3N mais il apporte une série de problèmes scientifiques complexes à résoudre, notamment celui des couplages entre solveurs solides et fluides, ou entre modèles 3D , 1D et 0D.
Ces travaux mobilisent plusieurs chercheurs INRIA dont un médecin, qu'entourent plusieurs doctorants. Les travaux portent sur la modélistion et les simulatioons numériques. Ils 'inscrivent dans le cadre d'un groupe Biomécanique numérique des fluides, auquel participent des équipes de l'INRIASophia Antipolis, une équipe du Laboratoire d'analyse numérique de l'Université de Pierre-et-Marie-Curie ainsi que le Département de Mathématique et Applications de l'Ecole normale supérieure.
Il s'agit non seulement de connaître le comportement des biofluides en écoulement (sang, air, urine, etc.) dans les situations normales ou pathologiques, à l'aide de modèles simples et représentatifs, mais aussi de développer des outils d'assistance médicale.
Les simulateurs médicaux sont basés sur la reconstruction de la géométrie tridimensionnelle des vaisseaux sanguins à partir de l'imagerie médicale. L'anatomie étant très variable d'un sujet à l'autre, ces outils ont pour données d'entrée l'anatomie du patient examiné.
La reconstruction 3D est associée aux simulations numériques de l'écoulement sanguin en vue de constituer un outil d'aide à la planification thérapeutique.
Académique en France :
Laboratoire d'analyse numérique, UMR CNRS 7598, Paris
Département de mathématiques et applications (DMA), UMR CNRS
8553, Paris
Service de radiologie du CHU Henri Mondor, Créteil
Service de cardiologie de l'Hôpital Saint-Antoine, Paris
Service d'angiologie de l'Institut Arthur Vernes, Paris
IRCAD / EITS, Strasbourg
CIERM, Hôpital de Bicêtre
INSERM U 492, Unité de recherche en physiopathologie et thérapeutique
respiratoires, Créteil
LGMPB, IUT Cachan
International :
Ecole polytechnique fédérale de Lausanne
Centre de recherches mathématiques de l'Université de Montréal
Département de mathématiques et de statistiques de l'Université
d'Ottawa
Département de mathématiques et de statistiques de l'Université
de Laval
VKI, Belgique
Département d'aéronautique du Collège impérial
des sciences, technologies et médecine, Londres
Laboratoire national d'informatique du Brésil
Industrie :
Air Liquide
Engineering Systems International
Jean-Frederic.Gerbeau@inria.fr
01 39 63 57 48
Marc.Thiriet@inria.fr
01 39 63 59 16
INRIA Rocquencourt
L'objectif de cette action qui associe différentes équipes de l'INRIA (CAIMAN, MACS, GAMMA, M3N, PRISME, EPIDAURE) est de développer un outil qui permette aux services médicaux de passer rapidement des images disponibles (IRM, scanner, etc.) à un calcul précis de l'écoulement.
Les images permettent d'extraire des données qui pourront être utilisées par le calcul scientifique. L'IRM permet de valider les résultats en donnant des informations sur le débit, par exemple.
Le modèle et les calculs donneront aux médecins les indicateurs (champs de vitesse et de pression lui permettant de planifier son geste et d'établir un pronostic après intervention.
Jean-Frederic.Gerbeau@inria.fr
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Marc.Thiriet@inria.fr
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INRIA Rocquencourt
Comment concevoir un outil d'assistance à la surveillance cardiaque des patients en réanimation ? Une façon classique de répondre au problème serait de développer un système expert qui s'appuie sur l'expérience des médecins et se charge d'analyser les différents signaux recueillis sur le patient, tels que son électrocardiogramme (ECG).
L'approche d'AIDA est différente :
le système développé par l'équipe apprend les
indicateurs discriminants de telle ou telle arythmie,
à partir de données issues d'un modèle cardiaque et des
bases de données d'ECG existantes.
Ces
bases de données (telles que celle du MIT), fournissent une série
de signaux ECG correspondant au cas normal et à différentes
arythmies. Le système développé par AIDA analyse ces
signaux, les étiquette et élabore des indicateurs discriminants
qui permettent d'identifier précisément chaque dysfonctionnement
cardiaque.
Basé sur la programmation logique inductive (PLI), le système
fournit des règles d'identification d'arythmie sous une forme très
lisible.
L'équipe d'AIDA travaille en partenariat avec le LTSI (laboratoire
de traitement du signal, à Rennes) qui a développé un
modèle cardiaque qualitatif qui permet d'obtenir par simulation les
signaux ECG caractéristiques des différentes arythmies.
L'avantage de ce système est qu'il lui est possible de s'adapter rapidement
à de nouveaux capteurs de signal. Comme le pilote d'un nouvel avion
apprend d'abord sur un simulateur puisque personne ne détient d'expérience
préalable à transmettre, le système d'apprentissage d'AIDA
peut analyser de nouveaux signaux avant même que les médecins
aient pu développer d'expertise pour leur analyse.
Ce projet, dont les premiers résultats intéressent déjà
les médecins, est un travail à moyen et long terme qui devrait
aboutir d'ici quelques années.
Parallèlement, l'équipe applique ses recherches à un
projet de prothèse implantable, dans le cadre du projet PISE, une ACI
(action concertée incitative) du Ministère de la Recherche,
en partenariat avec le LTSI, l'industriel ELA Médical et des cardiologues
du CHU de Rennes.
L'idée est de développer des prothèses cardiaques (pacemakers,
défibrillateurs) qui, au lieu d'être programmées une fois
pour toutes, soient capables d'adapter leur action correctrice au contexte
en analysant le signal en ligne.
L'équipe d'AIDA travaille sur la modélisation, la surveillance
et le diagnostic de différents systèmes évolutifs, dans
le domaine des réseaux de télécommunications, de l'environnement
et de la santé.
AIDA rassemble une vingtaine de personnes, dont trois chercheurs travaillent
sur l'application cardiaque en liaison avec le LTSI (un chercheur et un doctorant)
et un cardiologue du CHU de Rennes.
Guy Carrault, LTSI (Laboratoire de Traitement du Signal), Inserm, Rennes
Philippe Mabo, Service de Cardiologie du CHU, Rennes
Marcel Limousin, ELA Recherche Médicale Synthélabo, Plessis
Robinson
Rene.Quiniou@inria.fr
02 99 84 73 19
Marie-Odile.Cordier@inria.fr
02 99 84 73 14
INRIA Rennes - IRISA
