Le jumeau virtuel et la science cardio-vasculaire

Selon les chiffres de l’OMS, près de 18 millions de personnes sont décédées de maladies cardio-vasculaires dans le monde en 2015, soit 31% de la mortalité mondiale. Depuis quelques années, des approches scientifiques dites « translationnelles », notamment grâce à l’utilisation de jumeaux virtuels, contribuent grandement à faire avancer la recherche cardio-vasculaire. En quoi la modélisation du cœur humain accélère le développement du traitement de ces pathologies ?

Comprendre le fonctionnement du cœur humain

Le cœur, organe vital assurant la circulation du sang dans le corps humain, est complexe. Il a pendant longtemps été mystérieux et soumis à des interprétations mystiques, telles que la manifestation de l’âme dans l’Antiquité. C’est au XIIIè siècle que la circulation sanguine est clairement identifiée (du moins pour la circulation pulmonaire) par Ibn Al-Nafis, médecin syrien. William Harvey, médecin anglais, complète en 1628 les recherches cardio-vasculaires de son homologue du Moyen-Orient, en décrivant précisément les étapes de la grande circulation sanguine. Ces avancées médicales sont le fruit d’intuition et d’observation de médecins. La transformation digitale va totalement accélérer la recherche grâce à une représentation et une visualisation fiable du réel. Autrement dit : révéler le monde dans lequel nous vivons.

Les récentes avancées technologiques, autant en science cardio-vasculaire qu’en informatique, offrent de pouvoir simuler virtuellement le fonctionnement de cet organe vital, permettant finalement la rencontre entre le virtuel et le réel. Il est désormais possible de modéliser en 3D le cœur humain, non seulement sa forme, jusqu’au comportement électrique et mécanique de cet organe. Le projet « Living Heart », dans une approche translationnelle, réunit plusieurs grands spécialistes de la modélisation et de la simulation cardio-vasculaires. Grâce aux applications SIMULIA, disponibles dans la plate-forme 3DEXPERIENCE, les professionnels du secteur peuvent modéliser certains des  comportements complexes du cœur.

« Avec la contribution de chercheurs de renom, de médecins et d’organismes de réglementation, ce projet montre une nouvelle fois comment notre plate-forme 3DEXPERIENCE peut contribuer à améliorer les produits, la nature et la vie. » déclare Scott Berkey, (ancien) directeur général de la marque SIMULIA chez Dassault Systèmes.

Le cœur humain virtuel , vers une expérience patient personnalisée

Mais au-delà de la compréhension du fonctionnement du cœur humain, la modélisation 3D permet de rendre l’expérience patient sur-mesure. Grâce au jumeau virtuel, il est possible de prendre en compte l’ensemble des caractéristiques du patient tout comme ses comorbidités. Les médecins peuvent dans un premier temps simuler la réaction du cœur du patient avec différents traitements avant de le prescrire et le tester sur le malade. La phase de diagnostic, souvent invasive et éprouvante pour le patient, est totalement réduite.

« Nous vivons une époque passionnante où il est possible de simuler la façon dont le cœur d’un patient peut réagir à un large éventail d’interventions, lui évitant ainsi qu’à de nombreux autres patients, les incertitudes liées au résultat des procédures », déclare le Dr James C. Perry, Professeur en pédiatrie à l’Université de Californie de San Diego et directeur du service Electrophysiology & Adult CHD à l’Hôpital pour enfants Rady, à San Diego.

Par ailleurs, la simulation virtuelle du cœur humain accélère le développement de traitement. Grâce à l’utilisation de patients virtuels, la puissance de calcul améliore la conception de nouveaux dispositifs. Cela inclut un essai clinique in silico visant à réduire l’expérimentation animale ou le nombre de patients requis tout en garantissant que la sécurité et l’efficacité du dispositif soient démontrées. Le nouveau procédé numérique se veut plus efficace et moins coûteux que les procédés actuels. Mais évidemment, sans que ces essais perdent de leur rigueur ou de leur confiance dans la sécurité et l’efficacité d’un dispositif. Les retards et les coûts peuvent en effet entraver l’accès des patients aux nouveaux traitements.

L’impression 3D au service de la formation médicale

La start-up de santé numérique BIOMODEX améliore la qualité des soins grâce à son logiciel de modélisation avancée et sa technologie d’impression 3D. Elle s’attaque à un problème majeur aux États-Unis : les erreurs médicales, responsables de 400 000 décès par an. Le laboratoire 3DEXPERIENCE l’accompagne depuis longtemps dans son développement. Afin de parfaire leurs connaissances, les personnels médicaux peuvent désormais s’entraîner sur des empreintes d’organes en 3D ultra réalistes. Pour ce faire, BIOMODEX utilise des données provenant d’IRM ou de scanner, intégrées dans un processus automatisé de création d’un modèle virtuel en 3D d’un organe ou d’une anatomie choisis. À l’aide d’une imprimante 3D, le jumeau virtuel de l’anatomie humaine devient réalité, avec le même toucher et la même sensation.

BIOMODEX vise à soutenir l’innovation et la transformation numérique dans ces trois domaines :

1. La formation : Grâce à son catalogue de modèles 3D et d’organes imprimés, BIOMODEX permet aux étudiants en médecine de s’entraîner et de gagner en précision dans l’acte chirurgical sur des organes aux propriétés similaires à celles de la vie réelle.
2. Préparation préopératoire : en réalisant à l’avance des interventions sur le jumeau virtuel exact grâce à un scanner complet du patient, les médecins peuvent mieux se préparer aux interventions réelles en tenant compte de l’épaisseur et de la texture précises des organes du patient.
3. Adoption de dispositifs médicaux : la finesse de leur modèle 3D et leurs capacités d’impression favorisent une plus grande utilisation des dispositifs médicaux nouvellement développés et aident les médecins à décider quels dispositifs seront les plus efficaces pour un patient donné.

Vers une démocratisation des cœurs artificiels ?

La recherche cardio-vasculaire est véritablement en train de s’accélérer grâce aux outils de la transformation numérique. Les jumeaux virtuels permettent une connaissance fine et dynamique du fonctionnement du cœur humain. Les chirurgiens ou les étudiants sont dès lors mieux formés grâce à la possibilité de s’entrainer, en reproduisant les conditions du réel. Quant à l’expérience patient, elle est totalement personnalisée : du diagnostic jusqu’au traitement en passant par l’implantation de dispositifs médicaux adaptés à leur organisme. Les jumeaux virtuels du cœur humain nourrissent un espoir immense pour l’ensemble des patients atteints de maladies cardio-vasculaires.

C’est dans ce contexte proche, que la startup Carmat, concepteur et développeur, non pas d’un modèle numérique de cœur, mais d’un cœur artificiel total et implantable, a d’ailleurs obtenu l’autorisation européenne pour sa commercialisation. La commission estime les résultats de ce dispositif suffisamment efficaces pour les patients en attente d’une transplantation cardiaque. Cette autorisation propulse Carmat dans une phase d’industrialisation, qui s’avère délicate. Cette prouesse technologique présage une étape majeure dans la généralisation de transplantation de cœur artificiel total, et plus largement dans la science cardio-vasculaire.

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