La modélisation et la simulation cardiovasculaires

Pour comprendre les mécanismes des maladies cardiovasculaires on ne peut se contenter d’expériences réalisées sur des animaux, d'observations en imagerie, ou d'analyses post-mortem. La modélisation mathématique des phénomènes et leur simulation sur ordinateur sont aujourd'hui tout aussi primordiales.

L’amélioration des thérapeutiques des maladies cardiovasculaires passe aujourd’hui plus que jamais par des collaborations interdisciplinaires. Ainsi, comprendre l’origine des troubles du rythme cardiaque, cause majeure de mort subite dans les pays industrialisés, implique de décrypter comment le potentiel électrique qui fait battre le cœur se propage en temps réel dans le muscle cardiaque, mais aussi d’évaluer l’impact d’anomalies de canaux ioniques ou de la réduction du débit sanguin.

De telles études peuvent être réalisées en partie sur des cellules isolées et sur des animaux comme le porc, proche physiologiquement de l’homme, mais elles demandent du temps, sont très coûteuses et ne donnent que des informations partielles sur la dynamique des mécanismes en jeu. La modélisation mathématique et la simulation informatique jouent là un rôle irremplaçable. Ces méthodes consistent à représenter une situation physiologique par des équations (modélisation) puis à résoudre ces équations à l’aide d’un ordinateur (simulation numérique). Tout l’art est de produire un modèle suffisamment simple mathématiquement pour être développé sur un ordinateur puissant sans demander des semaines de calcul, tout en restant prédictif de la réalité physiologique.

Géométrie idéalisée des valves aortiques et du début des deux artères coronaires. Des particules ont été introduites dans l'écoulement afin de faciliter la visualisation du champ de vitesse dans le sang.   © INRIA REO

Le projet REO

En Ile-de-France, ces approches sont mises en œuvre principalement par l’équipe-projet REO (Simulation numérique d’écoulements biologiques), composée de membres de l’Institut national de recherche en informatique et en automatique (Inria, Centre de recherche Paris-Rocquencourt, Le Chesnay, Yvelines) et du laboratoire Jacques-Louis Lions (LJLL) à l’Université Pierre et Marie Curie (Paris). REO vise à modéliser et simuler certains aspects fonctionnels du système cardiovasculaire et du système respiratoire, en situation normale ou pathologique, le but final étant de fournir des outils informatiques qui permettront de guider les choix thérapeutiques et d’améliorer les dispositifs médicaux cardiovasculaires.

Selon Jean-Frédéric Gerbeau, directeur de recherches à l’Inria, et responsable scientifique de REO, les résultats sont encore balbutiants en ce qui concerne des mécanismes multiparamétriques comme le rôle de l’inflammation dans l’athérosclérose ou le remodelage du cœur après un infarctus du myocarde. Il est en effet très difficile d’intégrer dans des modèles des mécanismes faisant intervenir simultanément un grand nombre de variables (interactions moléculaires, flux sanguin, propriétés mécaniques de la paroi des vaisseaux, etc.). En revanche, le projet a beaucoup progressé à la fois au plan  théorique, avec de nouvelles méthodes numériques de modélisation et de simulation, et au plan des applications puisque des entreprises de bio-ingénierie commencent à utiliser les outils mis au point dans le cadre du projet, estime Jean-Frédéric Gerbeau.

Stents et anévrismes

Les chercheurs de REO se sont d’abord intéressés à l’écoulement du sang dans les vaisseaux, une thématique bien maîtrisée du point de vue mathématique grâce à la mécanique des fluides. Entre autres applications, le traitement du rétrécissement des artères coronaires dues à l’athérosclérose et celui des anévrismes, dilatations de la paroi d’une artère cérébrale ou de l’aorte qui menacent de se rompre, pourraient être améliorés par la modélisation et la simulation numériques. En effet, ces traitements utilisent des prothèses appelées stents dont la géométrie particulière interagit avec le flux sanguin et la paroi artérielle. En modélisant ces phénomènes, il est possible de simuler l’impact spécifique d’un type de stent pour chaque situation pathologique et, partant de là, d’optimiser la prothèse. Dans cet esprit, les chercheurs de REO ont entamé une collaboration avec la société Cardiatis (Isnes, Belgique) pour modéliser le traitement des anévrismes cérébraux à l’aide de stents multicouches mis au point par cette entreprise.

Maillage d’éléments finis d'un anévrisme cérébral. La géométrie  provient d'une IRM    © INRIA REO

Le projet REO s’intéresse aussi à l’activité électrique du tissu cardiaque, dans le cadre de l’« Action d’envergure nationale » CardioSense3D de l’Inria. L’onde électrique qui se propage des oreillettes aux ventricules du cœur provient de la propagation de l’excitation de chaque cellule, ou potentiel d’action, qui correspond à une entrée brutale de sodium, suivie d'une entrée de calcium et d'une sortie de potassium. Un premier projet de recherche consiste à modéliser les variations de concentration des ions dans la cellule, les potentiels d’action qui en résultent et leur propagation. Ce type de travaux a conduit récemment les chercheurs de REO à proposer une optimisation du positionnement des pacemakers multisites, des stimulateurs utilisés pour traiter des troubles du rythme tels que la bradycardie.

Les chercheurs sont également parvenus à simuler des électrocardiogrammes, mesures de l’activité électrique du cœur qui sont réalisées en posant des électrodes sur le thorax. Pour cela, ils ont d’abord modélisé la conduction du champ électrique du cœur jusqu’à la surface du thorax, à travers des tissus de conductivité électrique différente. En partenariat avec la société ELA-Medical (filiale de Sorin Group, Milan, Italie), l’idée est de confronter ce modèle avec les signaux enregistrés sur des patients via des sondes placées au sein du cœur (électrogrammes), et avec les électrocardiogrammes réalisés chez ces mêmes patients dans le but d’affiner l’interprétation de ces signaux et le diagnostic.

Ces recherches se développent dans un concert international très concurrentiel. Historiquement attaché aux universités d’Auckland (Nouvelle-Zélande) et d’Oxford (Royaume-Uni), la recherche en modélisation cardiovasculaire se déploie aussi désormais à Stanford, Boston (MIT), à Milan et à Eindhoven (Philips, Pays-Bas). Un projet européen, euHeart, coordonné par Philips, va réunir la plupart des équipes européennes durant quatre ans (juin 2008 - juin 2011). On devrait donc assister dans un proche avenir à un essor de ce domaine, avec peut-être des retombées non négligeables pour le diagnostic et le traitement de certaines pathologies cardiovasculaires.

Pour en savoir plus

REO
http://www-rocq.inria.fr/REO/
http://www.inria.fr/recherche/equipes/reo.fr.html

CardioSense3D
http://www-sop.inria.fr/CardioSense3D/
http://www.inria.fr/recherche////equipes/cardiosense3d.fr.html

Cardiatis
http://www.cardiatis.be/

ELA-Medical
http://www.sorin.com/

euHeart
http://euheart.net/ (ouverture du site : octobre 2008)