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Titre :
Le cœur numérique
Légende - Résumé :
Depuis quelques années, des chercheurs de l’INRIA dans différentes spécialités – automatique, modélisation mécanique, calcul scientifique et traitement d’images – ont lancé une ambitieuse action de recherche, baptisée CardioSense3D, en collaboration avec des cliniciens et des industriels.
Ces recherches concernent la construction de modèles mathématiques et numériques du coeur, et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient. Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause de mortalité dans les pays développés, l’objectif est d’aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques.
Ce film présente un certain nombre de résultats déjà obtenus et de travaux en cours dans CardioSense3D. Ceux-ci se déclinent en termes de modélisation électromécanique, de simulation numérique, et de ce qu'on peut qualifier de "couplage modèle-données" avec les mesures cliniques.
La présentation s'appuie sur une description des phénomènes physiologiques concernés et des modalités de mesure disponibles. Par ailleurs, les débouchés médicaux en constituent le fil conducteur, car modélisation, mesures et applications cliniques sont indissociables dans cette démarche.
Nom de fichier :
Inria-566_le_coeur_numerique-fr.mp4
Titre :
Le cœur numérique
Année :
2006
Durée (min) :
00:21:27
Publications :
https//videotheque.inria.fr/videotheque/doc/566
Autres versions :
Master VF : 566
Master VEN : 567
Autre : Lien externe :
Lien Equipe-projet :
Lien Centre de Recherche :
Mots clés :
N° master :
566
Durée :
21 min 27 sec
IsyTag :
- - (anglais) - 3d - activation - battement - cardiaque - cardiaque· - cardiaque‚ - CARDIOSENS - cela‚ - cellule - coeur - comportement - contraction - description - différent - électrique - électrique· - équation - évolution - extra - filament - gauche· - image - information - INRIA - intra - irm - l' - mécanique - mesure - mesures‚ - méthode - modèle - modélisation - patient· - phénomène - physiologique - potentiel - représenter - résultat - simulation - système - tissu - ventricule - XMR
Transcription automatiqu :
caire à l'vital par excellence peut les sentir battre tout au long de la vie la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress le caire assure la circulation du sang mais avant de découvrir cela nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions en particulier celle de contenir âme quelques années des chercheurs de l'in riga dans différentes spécialités automatiques modélisation mécanique calcul scientifique et traitement d'image ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée cardio sens 3d et en collaboration avec des cliniciens et des industriels recherches concernent la construction des modèles et numériques dicker et la personnalisation de ces modèles à partir des matières cliniques à chaque patient alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés l'objectif est d'aider au et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques le caire est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe s'agit en fait d'une pente musculaire commandée par des signaux électriques sa fonction consiste à impulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire que le cardiaque comporte quatre principal le remplissage la contraction elles avaient olymique l'éjection la relaxation isoler mic activation électrique est initiée par le noeud s'inusable un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreille droite signal électrique se propage à l'heure dans un premier temps dans les oreillette puis il atteint la partie inférieure des ventricule par un réseau de conviction rapide le faisceau de x qui aboutit au réseau de pur clignet et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque précisément au niveau des cellules individuelles au cardio mieux site la fonction contractuelle est assurée par les mieux fit brillent dans l'entité élémentaire snam cercle mère appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité varier les mesures du pot et la tension artérielle sans des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées autre méthode d'exploration plus ou moins invasives sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques l'électrocardiogramme et g un abrégé une mesure externe de l'activité électrique du caire des électrodes placées en différents points du corps enregistre les variations de potentiel électrique à la surface de la peau tracés de ces variations de potentiel en fait multiples car plusieurs dérivation sont employées constitue le cgg un tel tracé en observe trois événements principaux premier nommé onde p correspond à l'activation des deux oreillette deuxième est le complexe qui urss et reflète celle des ventricule enfin l'onde traduit la polarisation des cellules ventriculaire système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· peut les sentir battre tout au long de la vie la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress le caire assure la circulation du sang mais avant de découvrir cela nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions en particulier celle de contenir âme quelques années des chercheurs de l'in riga dans différentes spécialités automatiques modélisation mécanique calcul scientifique et traitement d'image ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée cardio sens 3d et en collaboration avec des cliniciens et des industriels recherches concernent la construction des modèles et numériques dicker et la personnalisation de ces modèles à partir des matières cliniques à chaque patient alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés l'objectif est d'aider au et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques le caire est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe s'agit en fait d'une pente musculaire commandée par des signaux électriques sa fonction consiste à impulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire que le cardiaque comporte quatre principal le remplissage la contraction elles avaient olymique l'éjection la relaxation isoler mic activation électrique est initiée par le noeud s'inusable un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreille droite signal électrique se propage à l'heure dans un premier temps dans les oreillette puis il atteint la partie inférieure des ventricule par un réseau de conviction rapide le faisceau de x qui aboutit au réseau de pur clignet et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque précisément au niveau des cellules individuelles au cardio mieux site la fonction contractuelle est assurée par les mieux fit brillent dans l'entité élémentaire snam cercle mère appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité varier les mesures du pot et la tension artérielle sans des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées autre méthode d'exploration plus ou moins invasives sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques l'électrocardiogramme et g un abrégé une mesure externe de l'activité électrique du caire des électrodes placées en différents points du corps enregistre les variations de potentiel électrique à la surface de la peau tracés de ces variations de potentiel en fait multiples car plusieurs dérivation sont employées constitue le cgg un tel tracé en observe trois événements principaux premier nommé onde p correspond à l'activation des deux oreillette deuxième est le complexe qui urss et reflète celle des ventricule enfin l'onde traduit la polarisation des cellules ventriculaire système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress le caire assure la circulation du sang mais avant de découvrir cela nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions en particulier celle de contenir âme quelques années des chercheurs de l'in riga dans différentes spécialités automatiques modélisation mécanique calcul scientifique et traitement d'image ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée cardio sens 3d et en collaboration avec des cliniciens et des industriels recherches concernent la construction des modèles et numériques dicker et la personnalisation de ces modèles à partir des matières cliniques à chaque patient alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés l'objectif est d'aider au et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques le caire est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe s'agit en fait d'une pente musculaire commandée par des signaux électriques sa fonction consiste à impulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire que le cardiaque comporte quatre principal le remplissage la contraction elles avaient olymique l'éjection la relaxation isoler mic activation électrique est initiée par le noeud s'inusable un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreille droite signal électrique se propage à l'heure dans un premier temps dans les oreillette puis il atteint la partie inférieure des ventricule par un réseau de conviction rapide le faisceau de x qui aboutit au réseau de pur clignet et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque précisément au niveau des cellules individuelles au cardio mieux site la fonction contractuelle est assurée par les mieux fit brillent dans l'entité élémentaire snam cercle mère appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité varier les mesures du pot et la tension artérielle sans des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées autre méthode d'exploration plus ou moins invasives sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques l'électrocardiogramme et g un abrégé une mesure externe de l'activité électrique du caire des électrodes placées en différents points du corps enregistre les variations de potentiel électrique à la surface de la peau tracés de ces variations de potentiel en fait multiples car plusieurs dérivation sont employées constitue le cgg un tel tracé en observe trois événements principaux premier nommé onde p correspond à l'activation des deux oreillette deuxième est le complexe qui urss et reflète celle des ventricule enfin l'onde traduit la polarisation des cellules ventriculaire système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir âme quelques années des chercheurs de l'in riga dans différentes spécialités automatiques modélisation mécanique calcul scientifique et traitement d'image ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée cardio sens 3d et en collaboration avec des cliniciens et des industriels recherches concernent la construction des modèles et numériques dicker et la personnalisation de ces modèles à partir des matières cliniques à chaque patient alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés l'objectif est d'aider au et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques le caire est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe s'agit en fait d'une pente musculaire commandée par des signaux électriques sa fonction consiste à impulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire que le cardiaque comporte quatre principal le remplissage la contraction elles avaient olymique l'éjection la relaxation isoler mic activation électrique est initiée par le noeud s'inusable un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreille droite signal électrique se propage à l'heure dans un premier temps dans les oreillette puis il atteint la partie inférieure des ventricule par un réseau de conviction rapide le faisceau de x qui aboutit au réseau de pur clignet et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque précisément au niveau des cellules individuelles au cardio mieux site la fonction contractuelle est assurée par les mieux fit brillent dans l'entité élémentaire snam cercle mère appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité varier les mesures du pot et la tension artérielle sans des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées autre méthode d'exploration plus ou moins invasives sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques l'électrocardiogramme et g un abrégé une mesure externe de l'activité électrique du caire des électrodes placées en différents points du corps enregistre les variations de potentiel électrique à la surface de la peau tracés de ces variations de potentiel en fait multiples car plusieurs dérivation sont employées constitue le cgg un tel tracé en observe trois événements principaux premier nommé onde p correspond à l'activation des deux oreillette deuxième est le complexe qui urss et reflète celle des ventricule enfin l'onde traduit la polarisation des cellules ventriculaire système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme quelques années des chercheurs de l'in riga dans différentes spécialités automatiques modélisation mécanique calcul scientifique et traitement d'image ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée cardio sens 3d et en collaboration avec des cliniciens et des industriels recherches concernent la construction des modèles et numériques dicker et la personnalisation de ces modèles à partir des matières cliniques à chaque patient alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés l'objectif est d'aider au et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques le caire est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe s'agit en fait d'une pente musculaire commandée par des signaux électriques sa fonction consiste à impulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire que le cardiaque comporte quatre principal le remplissage la contraction elles avaient olymique l'éjection la relaxation isoler mic activation électrique est initiée par le noeud s'inusable un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreille droite signal électrique se propage à l'heure dans un premier temps dans les oreillette puis il atteint la partie inférieure des ventricule par un réseau de conviction rapide le faisceau de x qui aboutit au réseau de pur clignet et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque précisément au niveau des cellules individuelles au cardio mieux site la fonction contractuelle est assurée par les mieux fit brillent dans l'entité élémentaire snam cercle mère appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité varier les mesures du pot et la tension artérielle sans des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées autre méthode d'exploration plus ou moins invasives sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques l'électrocardiogramme et g un abrégé une mesure externe de l'activité électrique du caire des électrodes placées en différents points du corps enregistre les variations de potentiel électrique à la surface de la peau tracés de ces variations de potentiel en fait multiples car plusieurs dérivation sont employées constitue le cgg un tel tracé en observe trois événements principaux premier nommé onde p correspond à l'activation des deux oreillette deuxième est le complexe qui urss et reflète celle des ventricule enfin l'onde traduit la polarisation des cellules ventriculaire système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques dicker et la personnalisation de ces modèles à partir des matières cliniques à chaque patient alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés l'objectif est d'aider au et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques le caire est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe s'agit en fait d'une pente musculaire commandée par des signaux électriques sa fonction consiste à impulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire que le cardiaque comporte quatre principal le remplissage la contraction elles avaient olymique l'éjection la relaxation isoler mic activation électrique est initiée par le noeud s'inusable un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreille droite signal électrique se propage à l'heure dans un premier temps dans les oreillette puis il atteint la partie inférieure des ventricule par un réseau de conviction rapide le faisceau de x qui aboutit au réseau de pur clignet et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque précisément au niveau des cellules individuelles au cardio mieux site la fonction contractuelle est assurée par les mieux fit brillent dans l'entité élémentaire snam cercle mère appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité varier les mesures du pot et la tension artérielle sans des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées autre méthode d'exploration plus ou moins invasives sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques l'électrocardiogramme et g un abrégé une mesure externe de l'activité électrique du caire des électrodes placées en différents points du corps enregistre les variations de potentiel électrique à la surface de la peau tracés de ces variations de potentiel en fait multiples car plusieurs dérivation sont employées constitue le cgg un tel tracé en observe trois événements principaux premier nommé onde p correspond à l'activation des deux oreillette deuxième est le complexe qui urss et reflète celle des ventricule enfin l'onde traduit la polarisation des cellules ventriculaire système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques‚ à chaque patient alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés l'objectif est d'aider au et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques le caire est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe s'agit en fait d'une pente musculaire commandée par des signaux électriques sa fonction consiste à impulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire que le cardiaque comporte quatre principal le remplissage la contraction elles avaient olymique l'éjection la relaxation isoler mic activation électrique est initiée par le noeud s'inusable un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreille droite signal électrique se propage à l'heure dans un premier temps dans les oreillette puis il atteint la partie inférieure des ventricule par un réseau de conviction rapide le faisceau de x qui aboutit au réseau de pur clignet et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque précisément au niveau des cellules individuelles au cardio mieux site la fonction contractuelle est assurée par les mieux fit brillent dans l'entité élémentaire snam cercle mère appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité varier les mesures du pot et la tension artérielle sans des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées autre méthode d'exploration plus ou moins invasives sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques l'électrocardiogramme et g un abrégé une mesure externe de l'activité électrique du caire des électrodes placées en différents points du corps enregistre les variations de potentiel électrique à la surface de la peau tracés de ces variations de potentiel en fait multiples car plusieurs dérivation sont employées constitue le cgg un tel tracé en observe trois événements principaux premier nommé onde p correspond à l'activation des deux oreillette deuxième est le complexe qui urss et reflète celle des ventricule enfin l'onde traduit la polarisation des cellules ventriculaire système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés l'objectif est d'aider au et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques le caire est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe s'agit en fait d'une pente musculaire commandée par des signaux électriques sa fonction consiste à impulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire que le cardiaque comporte quatre principal le remplissage la contraction elles avaient olymique l'éjection la relaxation isoler mic activation électrique est initiée par le noeud s'inusable un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreille droite signal électrique se propage à l'heure dans un premier temps dans les oreillette puis il atteint la partie inférieure des ventricule par un réseau de conviction rapide le faisceau de x qui aboutit au réseau de pur clignet et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque précisément au niveau des cellules individuelles au cardio mieux site la fonction contractuelle est assurée par les mieux fit brillent dans l'entité élémentaire snam cercle mère appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité varier les mesures du pot et la tension artérielle sans des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées autre méthode d'exploration plus ou moins invasives sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques l'électrocardiogramme et g un abrégé une mesure externe de l'activité électrique du caire des électrodes placées en différents points du corps enregistre les variations de potentiel électrique à la surface de la peau tracés de ces variations de potentiel en fait multiples car plusieurs dérivation sont employées constitue le cgg un tel tracé en observe trois événements principaux premier nommé onde p correspond à l'activation des deux oreillette deuxième est le complexe qui urss et reflète celle des ventricule enfin l'onde traduit la polarisation des cellules ventriculaire système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques le caire est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe s'agit en fait d'une pente musculaire commandée par des signaux électriques sa fonction consiste à impulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire que le cardiaque comporte quatre principal le remplissage la contraction elles avaient olymique l'éjection la relaxation isoler mic activation électrique est initiée par le noeud s'inusable un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreille droite signal électrique se propage à l'heure dans un premier temps dans les oreillette puis il atteint la partie inférieure des ventricule par un réseau de conviction rapide le faisceau de x qui aboutit au réseau de pur clignet et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque précisément au niveau des cellules individuelles au cardio mieux site la fonction contractuelle est assurée par les mieux fit brillent dans l'entité élémentaire snam cercle mère appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité varier les mesures du pot et la tension artérielle sans des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées autre méthode d'exploration plus ou moins invasives sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques l'électrocardiogramme et g un abrégé une mesure externe de l'activité électrique du caire des électrodes placées en différents points du corps enregistre les variations de potentiel électrique à la surface de la peau tracés de ces variations de potentiel en fait multiples car plusieurs dérivation sont employées constitue le cgg un tel tracé en observe trois événements principaux premier nommé onde p correspond à l'activation des deux oreillette deuxième est le complexe qui urss et reflète celle des ventricule enfin l'onde traduit la polarisation des cellules ventriculaire système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· le caire est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe s'agit en fait d'une pente musculaire commandée par des signaux électriques sa fonction consiste à impulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire que le cardiaque comporte quatre principal le remplissage la contraction elles avaient olymique l'éjection la relaxation isoler mic activation électrique est initiée par le noeud s'inusable un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreille droite signal électrique se propage à l'heure dans un premier temps dans les oreillette puis il atteint la partie inférieure des ventricule par un réseau de conviction rapide le faisceau de x qui aboutit au réseau de pur clignet et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque précisément au niveau des cellules individuelles au cardio mieux site la fonction contractuelle est assurée par les mieux fit brillent dans l'entité élémentaire snam cercle mère appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité varier les mesures du pot et la tension artérielle sans des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées autre méthode d'exploration plus ou moins invasives sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques l'électrocardiogramme et g un abrégé une mesure externe de l'activité électrique du caire des électrodes placées en différents points du corps enregistre les variations de potentiel électrique à la surface de la peau tracés de ces variations de potentiel en fait multiples car plusieurs dérivation sont employées constitue le cgg un tel tracé en observe trois événements principaux premier nommé onde p correspond à l'activation des deux oreillette deuxième est le complexe qui urss et reflète celle des ventricule enfin l'onde traduit la polarisation des cellules ventriculaire système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· que le cardiaque comporte quatre principal le remplissage la contraction elles avaient olymique l'éjection la relaxation isoler mic activation électrique est initiée par le noeud s'inusable un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreille droite signal électrique se propage à l'heure dans un premier temps dans les oreillette puis il atteint la partie inférieure des ventricule par un réseau de conviction rapide le faisceau de x qui aboutit au réseau de pur clignet et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque précisément au niveau des cellules individuelles au cardio mieux site la fonction contractuelle est assurée par les mieux fit brillent dans l'entité élémentaire snam cercle mère appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité varier les mesures du pot et la tension artérielle sans des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées autre méthode d'exploration plus ou moins invasives sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques l'électrocardiogramme et g un abrégé une mesure externe de l'activité électrique du caire des électrodes placées en différents points du corps enregistre les variations de potentiel électrique à la surface de la peau tracés de ces variations de potentiel en fait multiples car plusieurs dérivation sont employées constitue le cgg un tel tracé en observe trois événements principaux premier nommé onde p correspond à l'activation des deux oreillette deuxième est le complexe qui urss et reflète celle des ventricule enfin l'onde traduit la polarisation des cellules ventriculaire système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite signal électrique se propage à l'heure dans un premier temps dans les oreillette puis il atteint la partie inférieure des ventricule par un réseau de conviction rapide le faisceau de x qui aboutit au réseau de pur clignet et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque précisément au niveau des cellules individuelles au cardio mieux site la fonction contractuelle est assurée par les mieux fit brillent dans l'entité élémentaire snam cercle mère appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité varier les mesures du pot et la tension artérielle sans des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées autre méthode d'exploration plus ou moins invasives sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques l'électrocardiogramme et g un abrégé une mesure externe de l'activité électrique du caire des électrodes placées en différents points du corps enregistre les variations de potentiel électrique à la surface de la peau tracés de ces variations de potentiel en fait multiples car plusieurs dérivation sont employées constitue le cgg un tel tracé en observe trois événements principaux premier nommé onde p correspond à l'activation des deux oreillette deuxième est le complexe qui urss et reflète celle des ventricule enfin l'onde traduit la polarisation des cellules ventriculaire système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité varier les mesures du pot et la tension artérielle sans des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées autre méthode d'exploration plus ou moins invasives sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques l'électrocardiogramme et g un abrégé une mesure externe de l'activité électrique du caire des électrodes placées en différents points du corps enregistre les variations de potentiel électrique à la surface de la peau tracés de ces variations de potentiel en fait multiples car plusieurs dérivation sont employées constitue le cgg un tel tracé en observe trois événements principaux premier nommé onde p correspond à l'activation des deux oreillette deuxième est le complexe qui urss et reflète celle des ventricule enfin l'onde traduit la polarisation des cellules ventriculaire système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité varier les mesures du pot et la tension artérielle sans des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées autre méthode d'exploration plus ou moins invasives sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques l'électrocardiogramme et g un abrégé une mesure externe de l'activité électrique du caire des électrodes placées en différents points du corps enregistre les variations de potentiel électrique à la surface de la peau tracés de ces variations de potentiel en fait multiples car plusieurs dérivation sont employées constitue le cgg un tel tracé en observe trois événements principaux premier nommé onde p correspond à l'activation des deux oreillette deuxième est le complexe qui urss et reflète celle des ventricule enfin l'onde traduit la polarisation des cellules ventriculaire système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· autre méthode d'exploration plus ou moins invasives sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques l'électrocardiogramme et g un abrégé une mesure externe de l'activité électrique du caire des électrodes placées en différents points du corps enregistre les variations de potentiel électrique à la surface de la peau tracés de ces variations de potentiel en fait multiples car plusieurs dérivation sont employées constitue le cgg un tel tracé en observe trois événements principaux premier nommé onde p correspond à l'activation des deux oreillette deuxième est le complexe qui urss et reflète celle des ventricule enfin l'onde traduit la polarisation des cellules ventriculaire système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· tracés de ces variations de potentiel en fait multiples car plusieurs dérivation sont employées constitue le cgg un tel tracé en observe trois événements principaux premier nommé onde p correspond à l'activation des deux oreillette deuxième est le complexe qui urss et reflète celle des ventricule enfin l'onde traduit la polarisation des cellules ventriculaire système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· un tel tracé en observe trois événements principaux premier nommé onde p correspond à l'activation des deux oreillette deuxième est le complexe qui urss et reflète celle des ventricule enfin l'onde traduit la polarisation des cellules ventriculaire système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux premier nommé onde p correspond à l'activation des deux oreillette deuxième est le complexe qui urss et reflète celle des ventricule enfin l'onde traduit la polarisation des cellules ventriculaire système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· système électrique revient à l'heure à état initial tout comme le muscle cardiaque qui cédait contracte activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· activité mécanique caire peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit images du caire en mouvement particulier l'échographie 3d permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque pour obtenir des informations encore plus riches et puis précis dans l'optique de la planification d'intervention travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions travaux sont menés au gail hospital de londres en collaboration avec line riia et philips est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· est-ce que notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice sur la contraction technique nous avons développé une nouvelle technique appelée x hemmer qui combine irm et rayons x ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie à la forme du coeur grâce à l'irm se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM se sauve au ventre tu chenaux système x hemmer a beaucoup davantage par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter recherche ici consiste à exploiter le système x hemmer pour fusionner l'information anatomique de l'irm et des images rayons x en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel évêque black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) black states peut donner enrichie présente un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et travers notre collaboration avec leaney riia nous sommes maintenant plus à même de les exploiter en faut savoir niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· niveau de description principalement visée et microscopique c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entier néanmoins comprendre et mettre en équation les phénomènes physiques et physiologiques pertinents nous jugeons fondamental d'la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental la démarche à la source de ces phénomènes c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire cette forme de modélisation est qualifiée de multi échelle voyant tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule néanmoins certaines espèces comme les sciences diane elle n'a plus de potassium plus et calcium ca de plus franchir cette barrière à travers des canaux ionique spécifiques de fait des dispositifs comparables à des pauses et échanges air suscite activement ces passages et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaire est qu'on appelle le potentiel transmis brenner potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· potentiel se propageant de cellules en cellules formées une vague qui s'entretient par l'activation des canaux yannick en parle à l'heure de potentiel d'action modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· modéliser classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuits électriques adaptés ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· ce schéma l'élément cn traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière dix ans en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs et sur deux courants qui assurent le passage des hyun l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· l'échelle du tissu les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extra cellulaire du point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaire omega et omega e par la sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· D‚u point de vue de la modélisation on distingue dans les tissus les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· sygma l'ensemble est idéaliser sous la forme d'une structure des très petites tailles répétées périodiquement potentiel intra et extra cellulaire fi y fit eux cent régies par équations de la place les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· un procédé dit d'homogénéisation on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra extra cellulaire moyen ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connue sous le nom d'équation biden on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines on arrive à description microscopique de l'argan avec ses différents compartiments cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe c'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bides amen comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· comprendre et de la modéliser le comportement de contraction mécanique et du tissu cardiaque reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées dans les cercles maires les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types filaments épais constitué pour large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part des résine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine les filaments minces composés principalement d'actim filament épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique des tissus liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu liaisons chimiques ou ponts actim yasin et les farces associées peuvent être modéliser individuellement remonte ensuite au niveau du cercle mer considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments sz épais et mince coulisse les uns par rapport aux autres ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· comportement d'ensemble et modéliser par les équations des haessler ou un choix judicieux des fréquences des créations et destruction des ponts f eiger mène à une relation dynamique entre élongation et activation électrique il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque bien représenté le comportement moyen ou homogène du tissu au niveau local peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· peut se représenter par un schéma mécanique dirais aux logiques qui intègrent les différentes contributions dans un assemble d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle le tissu est ensuite niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires équation fondamentale de la mécanique permet de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre et dynamique tout instant dans les tissus musculaires obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· obtient alors en intégrant la modélisation du comportement contracté il exposait précédemment les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent compléter la description du modèle mécanique modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· modèle géométrique défini là encore le domaine où sans poser les de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique une fois posée ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique dicker cela en passe par une étape de discret des dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'en résument les grandes heures inconnues déplacements et potentiels électrique par leur valeur en une collection de points semés dans une subdivision de la géométrie appelée maillage cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· exploiter les modèles dans la simulation numérique il est bien sûr essentiel des disposer des directions des fibres dans le maillage puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· est en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· les ventricule sont pris en compte dans la simulation présentée ici et l'activation électrique figurait en colère est initié comme la réalité dans une zone située vers l'apec c'est à landquart qui représente les terminaisons du réseau de pier clignet résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· résultat de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaire au cours du cycle peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· peut également représenter d'autres grandes aires permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu modèle tout autant représenter des situations pathologiques ici on voit l'de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche ce trouble de séduction de la branche gauche du faisceau davis résultant généralement d'un infarctus fait que l'activation électrique visible ici en couleur n'est plus initie que dans le ventricule droit qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu Le modèle peut tout autant représenter des situations pathologiques· Ici ‚on voit l'effet de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche· Ce trouble de conduction de la branche gauche du faisceau de His‚ résultant généralement d'un infarctus‚ fait que l'activation électrique‚ visible ici en couleurs‚ n'est plus initiée que dans le ventricule droit‚ qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche· des synchronisation cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque peut-être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi synchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu Le modèle peut tout autant représenter des situations pathologiques· Ici ‚on voit l'effet de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche· Ce trouble de conduction de la branche gauche du faisceau de His‚ résultant généralement d'un infarctus‚ fait que l'activation électrique‚ visible ici en couleurs‚ n'est plus initiée que dans le ventricule droit‚ qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche· Cette désynchronisation‚ cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque‚ peut être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi resynchroniser le fonctionnement que le modèle numérique du caire puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies il est nécessaire de la justice en exploitant les mesures disponibles de et l'activité cardiaque d'un patient d'année cette personnalisation du modèle en particulier la morphologie de leur gan et les différents paramètres du modèle qui conditionne son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu Le modèle peut tout autant représenter des situations pathologiques· Ici ‚on voit l'effet de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche· Ce trouble de conduction de la branche gauche du faisceau de His‚ résultant généralement d'un infarctus‚ fait que l'activation électrique‚ visible ici en couleurs‚ n'est plus initiée que dans le ventricule droit‚ qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche· Cette désynchronisation‚ cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque‚ peut être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi resynchroniser le fonctionnement Pour que le modèle numérique du coeur puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies‚ il est nécessaire de l'ajuster en exploitant les mesures disponibles de l'activité cardiaque d'un patient donné· Cette personnalisation du modèle concerne en particulier la morphologie de l'organe et les différents paramètres du modèle qui conditionnent son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu Le modèle peut tout autant représenter des situations pathologiques· Ici ‚on voit l'effet de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche· Ce trouble de conduction de la branche gauche du faisceau de His‚ résultant généralement d'un infarctus‚ fait que l'activation électrique‚ visible ici en couleurs‚ n'est plus initiée que dans le ventricule droit‚ qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche· Cette désynchronisation‚ cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque‚ peut être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi resynchroniser le fonctionnement Pour que le modèle numérique du coeur puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies‚ il est nécessaire de l'ajuster en exploitant les mesures disponibles de l'activité cardiaque d'un patient donné· Cette personnalisation du modèle concerne en particulier la morphologie de l'organe et les différents paramètres du modèle qui conditionnent son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les simulations correspondent au mieux aux mesures cliniques catégories de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action cardio sens trois d première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu Le modèle peut tout autant représenter des situations pathologiques· Ici ‚on voit l'effet de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche· Ce trouble de conduction de la branche gauche du faisceau de His‚ résultant généralement d'un infarctus‚ fait que l'activation électrique‚ visible ici en couleurs‚ n'est plus initiée que dans le ventricule droit‚ qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche· Cette désynchronisation‚ cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque‚ peut être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi resynchroniser le fonctionnement Pour que le modèle numérique du coeur puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies‚ il est nécessaire de l'ajuster en exploitant les mesures disponibles de l'activité cardiaque d'un patient donné· Cette personnalisation du modèle concerne en particulier la morphologie de l'organe et les différents paramètres du modèle qui conditionnent son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les simulations correspondent au mieux aux mesures cliniques· Cette catégorie de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action CARDIOSENS 3D première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient pour cela on utilise des techniques de segment d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu Le modèle peut tout autant représenter des situations pathologiques· Ici ‚on voit l'effet de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche· Ce trouble de conduction de la branche gauche du faisceau de His‚ résultant généralement d'un infarctus‚ fait que l'activation électrique‚ visible ici en couleurs‚ n'est plus initiée que dans le ventricule droit‚ qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche· Cette désynchronisation‚ cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque‚ peut être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi resynchroniser le fonctionnement Pour que le modèle numérique du coeur puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies‚ il est nécessaire de l'ajuster en exploitant les mesures disponibles de l'activité cardiaque d'un patient donné· Cette personnalisation du modèle concerne en particulier la morphologie de l'organe et les différents paramètres du modèle qui conditionnent son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les simulations correspondent au mieux aux mesures cliniques· Cette catégorie de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action CARDIOSENS 3D La première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient· Pour cela‚ on utilise des techniques de segmentation d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient· processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales ce qui nécessite le développement de méthodes robustes ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu Le modèle peut tout autant représenter des situations pathologiques· Ici ‚on voit l'effet de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche· Ce trouble de conduction de la branche gauche du faisceau de His‚ résultant généralement d'un infarctus‚ fait que l'activation électrique‚ visible ici en couleurs‚ n'est plus initiée que dans le ventricule droit‚ qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche· Cette désynchronisation‚ cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque‚ peut être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi resynchroniser le fonctionnement Pour que le modèle numérique du coeur puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies‚ il est nécessaire de l'ajuster en exploitant les mesures disponibles de l'activité cardiaque d'un patient donné· Cette personnalisation du modèle concerne en particulier la morphologie de l'organe et les différents paramètres du modèle qui conditionnent son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les simulations correspondent au mieux aux mesures cliniques· Cette catégorie de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action CARDIOSENS 3D La première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient· Pour cela‚ on utilise des techniques de segmentation d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient· Ce processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales‚ ce qui nécessite le développement de méthodes robustes· ajuster les simulations aux patients au-delà l'anatomie il faut disposer de données dites fonctionnelles en particulier sur les détails des mouvements au cours du battement imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu Le modèle peut tout autant représenter des situations pathologiques· Ici ‚on voit l'effet de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche· Ce trouble de conduction de la branche gauche du faisceau de His‚ résultant généralement d'un infarctus‚ fait que l'activation électrique‚ visible ici en couleurs‚ n'est plus initiée que dans le ventricule droit‚ qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche· Cette désynchronisation‚ cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque‚ peut être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi resynchroniser le fonctionnement Pour que le modèle numérique du coeur puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies‚ il est nécessaire de l'ajuster en exploitant les mesures disponibles de l'activité cardiaque d'un patient donné· Cette personnalisation du modèle concerne en particulier la morphologie de l'organe et les différents paramètres du modèle qui conditionnent son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les simulations correspondent au mieux aux mesures cliniques· Cette catégorie de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action CARDIOSENS 3D La première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient· Pour cela‚ on utilise des techniques de segmentation d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient· Ce processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales‚ ce qui nécessite le développement de méthodes robustes· Pour ajuster les simulations aux patients‚ au-delà de l'anatomie‚ il faut disposer de données dites fonctionnelles‚ en particulier sur le détail des mouvements au cours du battement· imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu Le modèle peut tout autant représenter des situations pathologiques· Ici ‚on voit l'effet de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche· Ce trouble de conduction de la branche gauche du faisceau de His‚ résultant généralement d'un infarctus‚ fait que l'activation électrique‚ visible ici en couleurs‚ n'est plus initiée que dans le ventricule droit‚ qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche· Cette désynchronisation‚ cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque‚ peut être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi resynchroniser le fonctionnement Pour que le modèle numérique du coeur puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies‚ il est nécessaire de l'ajuster en exploitant les mesures disponibles de l'activité cardiaque d'un patient donné· Cette personnalisation du modèle concerne en particulier la morphologie de l'organe et les différents paramètres du modèle qui conditionnent son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les simulations correspondent au mieux aux mesures cliniques· Cette catégorie de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action CARDIOSENS 3D La première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient· Pour cela‚ on utilise des techniques de segmentation d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient· Ce processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales‚ ce qui nécessite le développement de méthodes robustes· Pour ajuster les simulations aux patients‚ au-delà de l'anatomie‚ il faut disposer de données dites fonctionnelles‚ en particulier sur le détail des mouvements au cours du battement· L'imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point‚ avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision· au système xmm hemmer évoqué précédemment on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique on voit ici des plans d'irm de marquage tissulaire des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures allant de cartes du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branches gauche on peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétrer manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche l'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisé le couplage entre modèles est donné voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu Le modèle peut tout autant représenter des situations pathologiques· Ici ‚on voit l'effet de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche· Ce trouble de conduction de la branche gauche du faisceau de His‚ résultant généralement d'un infarctus‚ fait que l'activation électrique‚ visible ici en couleurs‚ n'est plus initiée que dans le ventricule droit‚ qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche· Cette désynchronisation‚ cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque‚ peut être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi resynchroniser le fonctionnement Pour que le modèle numérique du coeur puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies‚ il est nécessaire de l'ajuster en exploitant les mesures disponibles de l'activité cardiaque d'un patient donné· Cette personnalisation du modèle concerne en particulier la morphologie de l'organe et les différents paramètres du modèle qui conditionnent son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les simulations correspondent au mieux aux mesures cliniques· Cette catégorie de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action CARDIOSENS 3D La première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient· Pour cela‚ on utilise des techniques de segmentation d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient· Ce processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales‚ ce qui nécessite le développement de méthodes robustes· Pour ajuster les simulations aux patients‚ au-delà de l'anatomie‚ il faut disposer de données dites fonctionnelles‚ en particulier sur le détail des mouvements au cours du battement· L'imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point‚ avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision· Grâce au système XMR évoqué précédemment‚ on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique· On voit ici des plans d'IRM de marquage tissulaire et des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures à l'endocarde du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branche gauche· On peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétré manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche· L'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisant le couplage entre modèles et données· voici un exemple préliminaire lesquels on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contracte unité réduit dans deux régions adjacentes dix tissus cardiaques obtient alors un fonctionnement altéré a travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu Le modèle peut tout autant représenter des situations pathologiques· Ici ‚on voit l'effet de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche· Ce trouble de conduction de la branche gauche du faisceau de His‚ résultant généralement d'un infarctus‚ fait que l'activation électrique‚ visible ici en couleurs‚ n'est plus initiée que dans le ventricule droit‚ qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche· Cette désynchronisation‚ cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque‚ peut être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi resynchroniser le fonctionnement Pour que le modèle numérique du coeur puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies‚ il est nécessaire de l'ajuster en exploitant les mesures disponibles de l'activité cardiaque d'un patient donné· Cette personnalisation du modèle concerne en particulier la morphologie de l'organe et les différents paramètres du modèle qui conditionnent son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les simulations correspondent au mieux aux mesures cliniques· Cette catégorie de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action CARDIOSENS 3D La première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient· Pour cela‚ on utilise des techniques de segmentation d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient· Ce processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales‚ ce qui nécessite le développement de méthodes robustes· Pour ajuster les simulations aux patients‚ au-delà de l'anatomie‚ il faut disposer de données dites fonctionnelles‚ en particulier sur le détail des mouvements au cours du battement· L'imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point‚ avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision· Grâce au système XMR évoqué précédemment‚ on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique· On voit ici des plans d'IRM de marquage tissulaire et des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures à l'endocarde du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branche gauche· On peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétré manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche· L'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisant le couplage entre modèles et données· En voici un exemple préliminaire dans lequel on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contractilité réduits dans deux régions adjacentes du tissu cardiaque· On obtient alors un fonctionnement altéré‚ vu ici à travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement· simulation de référence est ensuite utilisé pour générer en un certain nombre de points de mesures des données dans notre cas des déplacements tel qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'irm de marquage tissulaire à partir ces mesures dites synthétique problématique de l'assimilation de données a rechercher la valeur des activités utilisées dans la simulation de référence on repart ici d'une valeur nominale homogène de la contre activité et l'algorithme d'optimisation employée fait évoluer la valeur des paramètres par comparaison successives entre simulation du modèle et mesures entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu Le modèle peut tout autant représenter des situations pathologiques· Ici ‚on voit l'effet de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche· Ce trouble de conduction de la branche gauche du faisceau de His‚ résultant généralement d'un infarctus‚ fait que l'activation électrique‚ visible ici en couleurs‚ n'est plus initiée que dans le ventricule droit‚ qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche· Cette désynchronisation‚ cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque‚ peut être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi resynchroniser le fonctionnement Pour que le modèle numérique du coeur puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies‚ il est nécessaire de l'ajuster en exploitant les mesures disponibles de l'activité cardiaque d'un patient donné· Cette personnalisation du modèle concerne en particulier la morphologie de l'organe et les différents paramètres du modèle qui conditionnent son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les simulations correspondent au mieux aux mesures cliniques· Cette catégorie de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action CARDIOSENS 3D La première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient· Pour cela‚ on utilise des techniques de segmentation d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient· Ce processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales‚ ce qui nécessite le développement de méthodes robustes· Pour ajuster les simulations aux patients‚ au-delà de l'anatomie‚ il faut disposer de données dites fonctionnelles‚ en particulier sur le détail des mouvements au cours du battement· L'imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point‚ avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision· Grâce au système XMR évoqué précédemment‚ on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique· On voit ici des plans d'IRM de marquage tissulaire et des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures à l'endocarde du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branche gauche· On peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétré manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche· L'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisant le couplage entre modèles et données· En voici un exemple préliminaire dans lequel on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contractilité réduits dans deux régions adjacentes du tissu cardiaque· On obtient alors un fonctionnement altéré‚ vu ici à travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement· Cette simulation de référence est ensuite utilisé pour générer‚ en un certain nombre de points de mesure‚ des données‚ dans notre cas des déplacements‚ tels qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'IRM de marquage tissulaire· À partir de ces mesures‚ dites synthétiques‚ la problématique de l'assimilation de données consiste à rechercher la valeur des contractilités utilisées dans la simulation de référence· On repart ici d'une valeur nominale homogène de la contractilité‚ et l'algorithme d'optimisation employé fait évoluer la valeur des paramètres par comparaisons successives entre simulations du modèle et mesures· entendu cécile n'est une étape car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures mais ces résultats sont déjà prometteurs collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu Le modèle peut tout autant représenter des situations pathologiques· Ici ‚on voit l'effet de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche· Ce trouble de conduction de la branche gauche du faisceau de His‚ résultant généralement d'un infarctus‚ fait que l'activation électrique‚ visible ici en couleurs‚ n'est plus initiée que dans le ventricule droit‚ qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche· Cette désynchronisation‚ cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque‚ peut être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi resynchroniser le fonctionnement Pour que le modèle numérique du coeur puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies‚ il est nécessaire de l'ajuster en exploitant les mesures disponibles de l'activité cardiaque d'un patient donné· Cette personnalisation du modèle concerne en particulier la morphologie de l'organe et les différents paramètres du modèle qui conditionnent son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les simulations correspondent au mieux aux mesures cliniques· Cette catégorie de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action CARDIOSENS 3D La première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient· Pour cela‚ on utilise des techniques de segmentation d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient· Ce processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales‚ ce qui nécessite le développement de méthodes robustes· Pour ajuster les simulations aux patients‚ au-delà de l'anatomie‚ il faut disposer de données dites fonctionnelles‚ en particulier sur le détail des mouvements au cours du battement· L'imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point‚ avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision· Grâce au système XMR évoqué précédemment‚ on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique· On voit ici des plans d'IRM de marquage tissulaire et des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures à l'endocarde du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branche gauche· On peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétré manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche· L'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisant le couplage entre modèles et données· En voici un exemple préliminaire dans lequel on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contractilité réduits dans deux régions adjacentes du tissu cardiaque· On obtient alors un fonctionnement altéré‚ vu ici à travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement· Cette simulation de référence est ensuite utilisé pour générer‚ en un certain nombre de points de mesure‚ des données‚ dans notre cas des déplacements‚ tels qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'IRM de marquage tissulaire· À partir de ces mesures‚ dites synthétiques‚ la problématique de l'assimilation de données consiste à rechercher la valeur des contractilités utilisées dans la simulation de référence· On repart ici d'une valeur nominale homogène de la contractilité‚ et l'algorithme d'optimisation employé fait évoluer la valeur des paramètres par comparaisons successives entre simulations du modèle et mesures· Bien entendu‚ ceci n'est une étape‚ car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures‚ mais ces résultats sont déjà prometteurs· collaboration avec les chercheurs de l'india confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu Le modèle peut tout autant représenter des situations pathologiques· Ici ‚on voit l'effet de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche· Ce trouble de conduction de la branche gauche du faisceau de His‚ résultant généralement d'un infarctus‚ fait que l'activation électrique‚ visible ici en couleurs‚ n'est plus initiée que dans le ventricule droit‚ qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche· Cette désynchronisation‚ cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque‚ peut être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi resynchroniser le fonctionnement Pour que le modèle numérique du coeur puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies‚ il est nécessaire de l'ajuster en exploitant les mesures disponibles de l'activité cardiaque d'un patient donné· Cette personnalisation du modèle concerne en particulier la morphologie de l'organe et les différents paramètres du modèle qui conditionnent son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les simulations correspondent au mieux aux mesures cliniques· Cette catégorie de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action CARDIOSENS 3D La première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient· Pour cela‚ on utilise des techniques de segmentation d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient· Ce processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales‚ ce qui nécessite le développement de méthodes robustes· Pour ajuster les simulations aux patients‚ au-delà de l'anatomie‚ il faut disposer de données dites fonctionnelles‚ en particulier sur le détail des mouvements au cours du battement· L'imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point‚ avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision· Grâce au système XMR évoqué précédemment‚ on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique· On voit ici des plans d'IRM de marquage tissulaire et des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures à l'endocarde du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branche gauche· On peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétré manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche· L'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisant le couplage entre modèles et données· En voici un exemple préliminaire dans lequel on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contractilité réduits dans deux régions adjacentes du tissu cardiaque· On obtient alors un fonctionnement altéré‚ vu ici à travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement· Cette simulation de référence est ensuite utilisé pour générer‚ en un certain nombre de points de mesure‚ des données‚ dans notre cas des déplacements‚ tels qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'IRM de marquage tissulaire· À partir de ces mesures‚ dites synthétiques‚ la problématique de l'assimilation de données consiste à rechercher la valeur des contractilités utilisées dans la simulation de référence· On repart ici d'une valeur nominale homogène de la contractilité‚ et l'algorithme d'optimisation employé fait évoluer la valeur des paramètres par comparaisons successives entre simulations du modèle et mesures· Bien entendu‚ ceci n'est une étape‚ car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures‚ mais ces résultats sont déjà prometteurs· En collaboration avec les chercheurs de l'INRIA confrontant des mesures de simulation et des mesures cliniques c'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu Le modèle peut tout autant représenter des situations pathologiques· Ici ‚on voit l'effet de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche· Ce trouble de conduction de la branche gauche du faisceau de His‚ résultant généralement d'un infarctus‚ fait que l'activation électrique‚ visible ici en couleurs‚ n'est plus initiée que dans le ventricule droit‚ qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche· Cette désynchronisation‚ cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque‚ peut être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi resynchroniser le fonctionnement Pour que le modèle numérique du coeur puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies‚ il est nécessaire de l'ajuster en exploitant les mesures disponibles de l'activité cardiaque d'un patient donné· Cette personnalisation du modèle concerne en particulier la morphologie de l'organe et les différents paramètres du modèle qui conditionnent son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les simulations correspondent au mieux aux mesures cliniques· Cette catégorie de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action CARDIOSENS 3D La première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient· Pour cela‚ on utilise des techniques de segmentation d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient· Ce processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales‚ ce qui nécessite le développement de méthodes robustes· Pour ajuster les simulations aux patients‚ au-delà de l'anatomie‚ il faut disposer de données dites fonctionnelles‚ en particulier sur le détail des mouvements au cours du battement· L'imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point‚ avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision· Grâce au système XMR évoqué précédemment‚ on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique· On voit ici des plans d'IRM de marquage tissulaire et des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures à l'endocarde du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branche gauche· On peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétré manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche· L'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisant le couplage entre modèles et données· En voici un exemple préliminaire dans lequel on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contractilité réduits dans deux régions adjacentes du tissu cardiaque· On obtient alors un fonctionnement altéré‚ vu ici à travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement· Cette simulation de référence est ensuite utilisé pour générer‚ en un certain nombre de points de mesure‚ des données‚ dans notre cas des déplacements‚ tels qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'IRM de marquage tissulaire· À partir de ces mesures‚ dites synthétiques‚ la problématique de l'assimilation de données consiste à rechercher la valeur des contractilités utilisées dans la simulation de référence· On repart ici d'une valeur nominale homogène de la contractilité‚ et l'algorithme d'optimisation employé fait évoluer la valeur des paramètres par comparaisons successives entre simulations du modèle et mesures· Bien entendu‚ ceci n'est une étape‚ car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures‚ mais ces résultats sont déjà prometteurs· En collaboration avec les chercheurs de l'INRIA nous confrontons des mesures de simulation et des mesures cliniques· C'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant· effet les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie nous travaillons ensemble avec clean riaa à une validation encore plus fine euh de la modernisation à travers notamment de campagne expérimentale nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant euh les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches bien plus détaillées que les informations dont ils disposent euh en clinique le médecin pourra également exploiter les capacités près de victimes du modèle notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours des temps pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu Le modèle peut tout autant représenter des situations pathologiques· Ici ‚on voit l'effet de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche· Ce trouble de conduction de la branche gauche du faisceau de His‚ résultant généralement d'un infarctus‚ fait que l'activation électrique‚ visible ici en couleurs‚ n'est plus initiée que dans le ventricule droit‚ qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche· Cette désynchronisation‚ cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque‚ peut être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi resynchroniser le fonctionnement Pour que le modèle numérique du coeur puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies‚ il est nécessaire de l'ajuster en exploitant les mesures disponibles de l'activité cardiaque d'un patient donné· Cette personnalisation du modèle concerne en particulier la morphologie de l'organe et les différents paramètres du modèle qui conditionnent son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les simulations correspondent au mieux aux mesures cliniques· Cette catégorie de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action CARDIOSENS 3D La première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient· Pour cela‚ on utilise des techniques de segmentation d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient· Ce processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales‚ ce qui nécessite le développement de méthodes robustes· Pour ajuster les simulations aux patients‚ au-delà de l'anatomie‚ il faut disposer de données dites fonctionnelles‚ en particulier sur le détail des mouvements au cours du battement· L'imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point‚ avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision· Grâce au système XMR évoqué précédemment‚ on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique· On voit ici des plans d'IRM de marquage tissulaire et des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures à l'endocarde du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branche gauche· On peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétré manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche· L'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisant le couplage entre modèles et données· En voici un exemple préliminaire dans lequel on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contractilité réduits dans deux régions adjacentes du tissu cardiaque· On obtient alors un fonctionnement altéré‚ vu ici à travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement· Cette simulation de référence est ensuite utilisé pour générer‚ en un certain nombre de points de mesure‚ des données‚ dans notre cas des déplacements‚ tels qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'IRM de marquage tissulaire· À partir de ces mesures‚ dites synthétiques‚ la problématique de l'assimilation de données consiste à rechercher la valeur des contractilités utilisées dans la simulation de référence· On repart ici d'une valeur nominale homogène de la contractilité‚ et l'algorithme d'optimisation employé fait évoluer la valeur des paramètres par comparaisons successives entre simulations du modèle et mesures· Bien entendu‚ ceci n'est une étape‚ car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures‚ mais ces résultats sont déjà prometteurs· En collaboration avec les chercheurs de l'INRIA nous confrontons des mesures de simulation et des mesures cliniques· C'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant· En effet‚ les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie· Nous travaillons ensemble avec l'INRIA à une validation encore plus fine de la modélisation à travers notamment de campagne expérimentale· Nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants· Lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant‚ les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches‚ bien plus détaillées‚ que les informations dont ils disposent en clinique· Le médecin pourra également exploiter les capacités prédictives du modèle‚ et notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours du temps‚ pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale· je pense vraiment que en termes d'enjeux c'est considérable à la fois sur le diagnostic le pronostic et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients cette recherche lancée depuis quelques années dans l'action cardio sens trois donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu Le modèle peut tout autant représenter des situations pathologiques· Ici ‚on voit l'effet de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche· Ce trouble de conduction de la branche gauche du faisceau de His‚ résultant généralement d'un infarctus‚ fait que l'activation électrique‚ visible ici en couleurs‚ n'est plus initiée que dans le ventricule droit‚ qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche· Cette désynchronisation‚ cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque‚ peut être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi resynchroniser le fonctionnement Pour que le modèle numérique du coeur puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies‚ il est nécessaire de l'ajuster en exploitant les mesures disponibles de l'activité cardiaque d'un patient donné· Cette personnalisation du modèle concerne en particulier la morphologie de l'organe et les différents paramètres du modèle qui conditionnent son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les simulations correspondent au mieux aux mesures cliniques· Cette catégorie de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action CARDIOSENS 3D La première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient· Pour cela‚ on utilise des techniques de segmentation d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient· Ce processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales‚ ce qui nécessite le développement de méthodes robustes· Pour ajuster les simulations aux patients‚ au-delà de l'anatomie‚ il faut disposer de données dites fonctionnelles‚ en particulier sur le détail des mouvements au cours du battement· L'imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point‚ avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision· Grâce au système XMR évoqué précédemment‚ on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique· On voit ici des plans d'IRM de marquage tissulaire et des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures à l'endocarde du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branche gauche· On peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétré manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche· L'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisant le couplage entre modèles et données· En voici un exemple préliminaire dans lequel on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contractilité réduits dans deux régions adjacentes du tissu cardiaque· On obtient alors un fonctionnement altéré‚ vu ici à travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement· Cette simulation de référence est ensuite utilisé pour générer‚ en un certain nombre de points de mesure‚ des données‚ dans notre cas des déplacements‚ tels qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'IRM de marquage tissulaire· À partir de ces mesures‚ dites synthétiques‚ la problématique de l'assimilation de données consiste à rechercher la valeur des contractilités utilisées dans la simulation de référence· On repart ici d'une valeur nominale homogène de la contractilité‚ et l'algorithme d'optimisation employé fait évoluer la valeur des paramètres par comparaisons successives entre simulations du modèle et mesures· Bien entendu‚ ceci n'est une étape‚ car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures‚ mais ces résultats sont déjà prometteurs· En collaboration avec les chercheurs de l'INRIA nous confrontons des mesures de simulation et des mesures cliniques· C'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant· En effet‚ les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie· Nous travaillons ensemble avec l'INRIA à une validation encore plus fine de la modélisation à travers notamment de campagne expérimentale· Nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants· Lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant‚ les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches‚ bien plus détaillées‚ que les informations dont ils disposent en clinique· Le médecin pourra également exploiter les capacités prédictives du modèle‚ et notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours du temps‚ pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale· Donc je pense vraiment que‚ en termes d'enjeux‚ c'est considérable à la fois sur le diagnostic‚ le pronostic‚ et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients· Cette recherche‚ lancée depuis quelques années dans l'action CARDIOSENS 3D‚ donnent déjà des résultats tangibles même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme notamment diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source et des défis constamment renouvelés parmi les développements envisageables ne semblent prioritaires de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra extra cardiaque et de modéliser la perfusion et le métabolisme ainsi évolution l'que au cours temps d'un tissu endommagé objectif ainsi que les futures évolutions du projet de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales car modélisation mesures et applications cliniques sont indissociablement liées dans notre démarche
Le coeur est l'organe vital par excellence· On peut le sentir battre tout au long de la vie· Si la fréquence cardiaque s'adapte principalement à nos activités physiques‚ elle fluctue également sous l'effet des facteurs psychologiques comme le stress Le coeur assure la circulation du sang‚ mais avant de découvrir cela‚ nos ancêtres lui ont attribué d'autres fonctions‚ en particulier celle de contenir l'âme Depuis quelques années‚ des chercheurs de l'INRIA dans différentes spécialités - automatique‚ modélisation mécanique‚ calcul scientifique et traitement d'image - ont lancé une ambitieuse action de recherche baptisée CARDIOSENS 3D en collaboration avec des cliniciens et des industriels· Ces recherches concernent la construction des modèles mathématiques et numériques du coeur‚ et la personnalisation de ces modèles à partir des mesures cliniques propres à chaque patient· Alors que les pathologies cardiaques représentent la principale cause des mortalité dans les pays développés‚ l'objectif est d'aider au diagnostic et de mieux anticiper les effets de différentes stratégies thérapeutiques· Le coeur est le siège d'une activité électrique et mécanique complexe· Il s'agit en fait d'une pompe musculaire commandée par des signaux électriques· Sa fonction consiste à pulser à chaque battement une fraction du volume sanguin dans le circuit vasculaire· Un cycle cardiaque comporte quatre phases principales - le remplissage‚ la contraction isovolumique‚ l'éjection‚ et la relaxation isovolumique· L'activation électrique est initiée par le noeud sinusal‚ un pacemaker naturel situé dans le haut de l'oreillette droite Le signal électrique se propage alors dans un premier temps dans les oreillettes‚ puis il atteint la partie inférieure des ventricules par un réseau de conduction rapide‚ le faisceau de His‚ qui aboutit au réseau de Purkinjé et remonte ensuite plus lentement et de proche en proche dans les cellules cardiaques‚ pour parcourir ainsi l'ensemble du tissu musculaire en quelques dixièmes de seconde· Cette excitation entraîne la contraction des fibres musculaires qui structurent le muscle cardiaque‚ plus précisément au niveau des cellules individuelles ou cardiomyocytes‚ la fonction contractile est assurée par les myofibrilles dont l'entité élémentaire se nomme sarcomère· Pour appréhender l'état du système cardio-vasculaire on peut envisager des examens et des méthodes d'exploration de complexité variée· Les mesures du pouls et de la tension artérielle sont des examens cliniques de routine qui fournissent des informations utiles mais limitées· d'autres méthodes d'exploration‚ plus ou moins invasives‚ sont utilisables pour observer plus précisément les phénomènes électriques et mécaniques· L'électrocardiogramme - ECG en abrégé - fournit une mesure externe de l'activité électrique du coeur·
Des électrodes placées en différents points du corps enregistrent les variations de potentiel électrique à la surface de la peau· Le tracé de ces variations de potentiel‚ en fait multiples car plusieurs dérivations sont employées‚ constitue l'ECG· Sur un tel tracé‚ on observe trois événements principaux Le premier‚ nommé onde P‚ correspond à l'activation des deux oreillettes· Le deuxième est le complexe QRS et reflète celle des ventricules· Enfin l'onde T traduit la repolarisation des cellules ventriculaires· Le système électrique revient alors à état initial‚ tout comme le muscle cardiaque‚ qui se décontracte· L'activité mécanique du coeur peut elle aussi être mesurée de manière dynamique par différentes méthodes L'échographie repose sur l'utilisation d'ultrasons émis par une sonde et elle fournit des images du coeur en mouvement‚ en particulier l'échographie 3D Elle permet d'obtenir avec précision des mesures du volume des ventricule au cours du battement et de certaines déformations du tissu cardiaque· Pour obtenir des informations encore plus riches et plus précises dans l'optique de la planification d'interventions Des travaux sont menés au GUY'S HOSPITAL de Londres en collaboration avec l'INRIA et PHILIPS· Notre recherche vise à enrichir la mesure électrique par des informations sur la forme du coeur et de la cicatrice‚ et sur la contraction· Nous avons développé une nouvelle technique appelée XMR qui combine IRM et rayons X ce qui donne accès non seulement à l'information électrique venant du cathéter à l'intérieur du coeur‚ mais aussi à l'anatomie et à la forme du coeur grâce à l'IRM (anglais) Le système XMR a beaucoup d'avantages par rapport aux mesures classiques par cathéter La recherche ici consiste à exploiter le système XMR pour fusionner l'information anatomique de l'IRM et des images rayons X en temps réel (anglais) (anglais) Ces données enrichies présentent un très fort potentiel pour nous aider à mieux traiter ces patients et à travers notre collaboration avec l'INRIA‚ nous sommes maintenant plus à même de les exploiter· Le niveau de description principalement visé est macroscopique‚ c'est-à-dire celui du tissu et de l'organe tout entiers· Néanmoins‚ pour comprendre et mettre en équations les phénomènes physiques et physiologiques pertinents‚ nous jugeons fondamental d'initier la démarche à la source de ces phénomènes‚ c'est-à-dire à l'échelle cellulaire voire moléculaire· Cette forme de modélisation est qualifiée de multiéchelle· Voyons tout d'abord comment elle s'applique à l'activité électrique· La membrane cellulaire constitue une barrière pour les ions porteurs de charges électriques entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule· Néanmoins‚ certaines espèces comme les ions Sodium Na+‚ Potassium K+ et Calcium Ca++ peuvent franchir cette barrière à travers des canaux ioniques spécifiques· De fait des dispositifs comparables à des ponts et échangeurs suscitent activement ce passage et induisent ainsi une différence entre potentiel intra et extra cellulaires‚ ce qu'on appelle le potentiel transmembranaire· Le potentiel se propageant de cellules en cellules forme une vague qui s'entretient par l'activation des canaux ioniques· On parle alors de potentiel d'action· On modélise classiquement ces phénomènes par un schéma de type circuit électrique adapté· Dans ce schéma‚ l'élément Cm traduit la capacité électrique de la membrane en tant que barrière d'ions‚ en parallèle les autres voies représentent les éléments actifs‚ portes et sources de courant‚ qui assurent le passage des ions· A l'échelle du tissu‚ les cellules cardiaques forment un réseau entouré par le fluide extracellulaire· Du point de vue de la modélisation on distingue dans le tissu les milieux intra et extra cellulaires Ωi et Ωe séparés par la membrane Σ· L'ensemble est idéalisé sous la forme d'une structure de très petite taille répétée périodiquement· Les potentiels intra et extra cellulaires Φi et Φe sont régis par des équations de Laplace avec les conditions au bord prenant en compte les propriétés électriques de la membrane· Par un procédé dit d'homogénéisation‚ on peut obtenir une description électrique du tissu en termes de potentiel intra et extra cellulaires moyens· Ces quantités satisfont des équations aux dérivées partielles connues sous le nom d'équation bi-domaines Finalement‚ on arrive à la description macroscopique de l'organe avec ses différents compartiments· Cette connaissance est formalisée par un modèle mathématique qui décrit schématiquement la conformation de l'organe· C'est dans ces domaines géométriques que sont posées les équations bi-domaines· Pour comprendre‚ et de là modéliser le comportement de contraction mécanique du tissu cardiaque‚ nous reprenons notre analyse au niveau des plus petites échelles concernées· Dans les sarcomères‚ les protéines responsables de la contraction sont organisées en filaments de deux types Les filaments épais constitués pour une large part de myosine et les filaments minces composés principalement d'actine· Les filaments épais comportent des protubérances ou têtes susceptibles de créer des liaisons chimiques avec des sites spécifiques des filaments minces sous l'effet de l'activation électrique du tissu Ces liaisons chimiques‚ ou ponts actine-myosine et les forces associées peuvent être modélisées individuellement· On remonte ensuite au niveau du sarcomère en considérant le comportement d'ensemble des ponts qui fait que les filaments épais et mince coulissent les uns par rapport aux autres‚ ce qui induit contraction ou relaxation musculaire selon la direction· Ce comportement d'ensemble est modélisé par les équations de Huxley où un choix judicieux des fréquences de créations et destruction des ponts f et g mène à une relation dynamique entre élongation‚ force‚ et activation électrique· Mais il faut aussi prendre en compte les autres constituants des cellules et du tissu cardiaque pour bien représenter le comportement moyen ou homogénéisé du tissu au niveau local· Ceci peut se représenter par un schéma mécanique dit rhéologique qui intègre les différentes contributions dans un assemblage d'entités mécaniques élémentaires comme des ressorts montés en série ou en parallèle· Le tissu est ensuite le niveau d'organisation intermédiaire entre les cellules et l'organe· Sa conformation joue un rôle important dans le comportement global en particulier pour ce qui concerne la disposition spécifique des fibres musculaires· Les équations fondamentales de la mécanique permettent de décrire la façon dont les contraintes et les forces sont en équilibre dynamique à tout instant dans le tissu musculaire· On obtient alors‚ en intégrant la modélisation du comportement contractile exposé précédemment‚ les équations qui régissent les mouvements du tissu cardiaque à travers l'espace et le temps· Comme dans la modélisation électrique Il faut finalement une bonne connaissance anatomique de l'organe‚ avec ses différents compartiments et les valves qui les séparent‚ pour compléter la description du modèle mécanique· Le modèle géométrique définit là encore le domaine où sont posées les équations de la mécanique Une fois posé l'ensemble des éléments de modélisation nécessaires à la description des phénomènes physiques et physiologiques visés‚ on peut réaliser des simulations numériques du comportement électromécanique du coeur· Pour cela‚ on passe par une étape de discrétisation des modèles dans laquelle on peut dire qu'on résume les grandeurs inconnues telles que déplacements et potentiels électriques‚ par leur valeur‚ en une collection de points sommets‚ dans une subdivision de la géométrie‚ appelée maillage· Cette étape doit être menée judicieusement car elle est cruciale pour obtenir dans les simulations de bonnes approximations des solutions du modèle et des méthodes de calcul efficaces· Pour exploiter le modèle dans la simulation numérique‚ il est bien sûr essentiel de disposer des directions des fibres dans le maillage‚ puisqu'elles interviennent comme on l'a dit dans les équations issues de la physique· On est alors en mesure de réaliser une simulation électromécanique complète tout au long d'un battement cardiaque· Seuls les ventricules sont pris en compte dans la simulation présentée ici‚ et l'activation électrique‚ figurée en couleurs‚ est initiée comme dans la réalité dans une zone située vers l'apex et à l'endocarde‚ qui représentent les terminaisons du réseau de Purkinjé· Les résultats de simulations fournissent aussi des indicateurs de performances de la pompe cardiaque‚ comme l'évolution des pressions et des volumes ventriculaires au cours du cycle· On peut également représenter d'autres grandeurs permettant une analyse plus fine des phénomènes physiques‚ ici une contrainte interne dans le tissu Le modèle peut tout autant représenter des situations pathologiques· Ici ‚on voit l'effet de ce qu'on appelle un bloc de branche gauche· Ce trouble de conduction de la branche gauche du faisceau de His‚ résultant généralement d'un infarctus‚ fait que l'activation électrique‚ visible ici en couleurs‚ n'est plus initiée que dans le ventricule droit‚ qui induit un retard de contractions dans le ventricule gauche· Cette désynchronisation‚ cause d'une perte d'efficacité de la pompe cardiaque‚ peut être réduite par la pose d'un pacemaker qui va stimuler à chaque battement la zone où l'activation électrique est déficiente et ainsi resynchroniser le fonctionnement Pour que le modèle numérique du coeur puisse servir à mieux détecter et traiter les pathologies‚ il est nécessaire de l'ajuster en exploitant les mesures disponibles de l'activité cardiaque d'un patient donné· Cette personnalisation du modèle concerne en particulier la morphologie de l'organe et les différents paramètres du modèle qui conditionnent son comportement il ne s'agit donc plus seulement de réaliser des simulations directes d'un modèle générique mais d'adapter celui-ci pour que les simulations correspondent au mieux aux mesures cliniques· Cette catégorie de problèmes dits inverses est au centre des préoccupations de l'action CARDIOSENS 3D La première étape consiste à ajuster la géométrie du modèle à l'anatomie du patient· Pour cela‚ on utilise des techniques de segmentation d'images médicales qui déforment globalement puis localement le maillage pour épouser la forme du coeur du patient· Ce processus est souvent difficile en raison des faibles contrastes et résolutions dans les images médicales‚ ce qui nécessite le développement de méthodes robustes· Pour ajuster les simulations aux patients‚ au-delà de l'anatomie‚ il faut disposer de données dites fonctionnelles‚ en particulier sur le détail des mouvements au cours du battement· L'imagerie de résonance magnétique de marquage tissulaire fournit des informations particulièrement riches sur ce point‚ avec des images où le tissu apparaît marqué par une série de plans permettant de suivre sa déformation avec précision· Grâce au système XMR évoqué précédemment‚ on peut obtenir des données fonctionnelles non seulement sur les mouvements cardiaques mais aussi sur l'activation électrique· On voit ici des plans d'IRM de marquage tissulaire et des cartes d'activation électrique produites à partir de mesures à l'endocarde du ventricule gauche pour un patient atteint d'un bloc de branche gauche· On peut alors directement comparer ces mesures avec les résultats que produit le modèle personnalisé paramétré manuellement pour représenter un retard du déclenchement de l'activation dans le ventricule gauche· L'assimilation de données représente en quelque sorte l'aboutissement de cette chaîne méthodologique en automatisant le couplage entre modèles et données· En voici un exemple préliminaire dans lequel on utilise le modèle décrit précédemment pour simuler un infarctus représenté par des paramètres de contractilité réduits dans deux régions adjacentes du tissu cardiaque· On obtient alors un fonctionnement altéré‚ vu ici à travers les contraintes de contractions dans le tissu lors d'un battement· Cette simulation de référence est ensuite utilisé pour générer‚ en un certain nombre de points de mesure‚ des données‚ dans notre cas des déplacements‚ tels qu'on pourrait en obtenir dans des mesures cliniques comme l'IRM de marquage tissulaire· À partir de ces mesures‚ dites synthétiques‚ la problématique de l'assimilation de données consiste à rechercher la valeur des contractilités utilisées dans la simulation de référence· On repart ici d'une valeur nominale homogène de la contractilité‚ et l'algorithme d'optimisation employé fait évoluer la valeur des paramètres par comparaisons successives entre simulations du modèle et mesures· Bien entendu‚ ceci n'est une étape‚ car au final il faudra savoir exploiter de vraies mesures‚ mais ces résultats sont déjà prometteurs· En collaboration avec les chercheurs de l'INRIA nous confrontons des mesures de simulation et des mesures cliniques· C'est un travail qui est pour nous extrêmement important et très intéressant· En effet‚ les résultats de ces simulations sont en très bonne adéquation avec les premières données physiologiques que nous observons en cardiologie· Nous travaillons ensemble avec l'INRIA à une validation encore plus fine de la modélisation à travers notamment de campagne expérimentale· Nous pensons que les enjeux de cette collaboration sont très importants· Lorsque le la validation de la modélisation aura atteint un degré suffisant‚ les informations qui seront fournies aux médecins seront bien plus riches‚ bien plus détaillées‚ que les informations dont ils disposent en clinique· Le médecin pourra également exploiter les capacités prédictives du modèle‚ et notamment pouvoir prédire de manière beaucoup plus précise et plus fiable l'évolution de la fonction cardiaque d'un patient au cours du temps‚ pouvoir prédire les effets d'une thérapeutique ou les effets d'une intervention chirurgicale· Donc je pense vraiment que‚ en termes d'enjeux‚ c'est considérable à la fois sur le diagnostic‚ le pronostic‚ et également pour établir une stratégie thérapeutique chez nos patients· Cette recherche‚ lancée depuis quelques années dans l'action CARDIOSENS 3D‚ donne déjà des résultats tangibles‚ même s'il s'agit naturellement d'un projet à long terme· Notamment‚ la diversité et la complexité des phénomènes physiologiques représentent pour la modélisation une source de défis constamment renouvelés· Parmi tous les développements envisageables‚ il nous semble prioritaire de prendre en compte plus précisément la circulation sanguine intra et extra cardiaque‚ et de modéliser la perfusion et le métabolisme‚ ainsi que l'évolution au cours du temps d'un tissu endommagé· Ces objectifs ainsi que les futures évolutions du projet‚ vont de pair avec les progrès des procédés d'imagerie et des pratiques médicales‚ car modélisation‚ mesures‚ et applications cliniques‚ sont indissociablement liées dans notre démarche·
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