Après avoir réalisé un jumeau numérique du cœur humain il y a quelques années, le M3disim, une unité mixte de recherche conjointe de l'Institut polytechnique de Paris et de l'Inria, a également développé un jumeau numérique des poumons. Si la médecine utilise depuis longtemps des modèles simulant le fonctionnement d'organes et des données cliniques, les avancées récentes dans les domaines de la modélisation, de la simulation et de l'assimilation de données permettent désormais de fusionner modèles et données pour construire de véritables jumeaux des organes humains, reproduisant de manière très fine les phénomènes biologiques ou physico-chimiques à différentes échelles, parfois jusqu'à la cellule. La mise au point de ces doubles virtuels d'organes suppose une collaboration étroite entre les physiologistes et les spécialistes en modélisation numérique. Les premiers apportent une connaissance fine de l'organe et des pathologies associées ; les seconds, une expertise en matière de modélisations complexes, de méthodes de simulation et d'assimilation de données. Une approche qui se distingue de celles habituellement retenues en IA qui s'appuient uniquement sur les données, mais ne simulent pas (encore) les processus physiologiques. Ainsi, développer des jumeaux numériques qui fonctionnent de la même manière que les organes physiques s'avère nécessairement plus long et délicat. Mais les avantages sont au final majeurs : beaucoup moins gourmands en données, ils fournissent aussi des résultats « interprétables ». Le jumeau numérique « basé sur la physique » donne en effet accès à des grandeurs qui restent hors de portée des instruments non invasifs de mesure, mais ont un sens physique fort, ouvrant des perspectives immenses pour étudier les voies de l'évolution des pathologies, affiner leur diagnostic, évaluer l'efficacité de nouvelles thérapies, voire prévoir leur progression et mettre au point des traitements personnalisés - le tout, sans toucher à l'organe réel. La simulation des essais thérapeutiques suscite le plus d'intérêt. « Cette approche permet d’accélérer les essais précliniques et cliniques, en identifiant plus rapidement les traitements inefficaces ou nocifs, tout en évitant de mettre en danger les patients réels. L’université de Bologne a, par exemple, développé un modèle qui lui a permis d’effectuer en deux semaines 800 000 simulations de l’interaction d’un médicament dans les os sur 1 000 patients, alors qu’il lui aurait fallu attendre dix ans pour voir l’évolution du traitement en test clinique. » Les jumeaux numériques vont également s’inviter dans les blocs opératoires. « Grâce à des objets numériques reproduisant en réalité augmentée les caractéristiques biomécaniques d’un organe, il est possible d'anticiper les conséquences des actes chirurgicaux en mesurant l’impact sur la pression et le débit dans les vaisseaux, tout en visualisant les transformations anatomiques induites par les déformations des tissus provoquées par l’intervention. » Le quotidien des anesthésistes va aussi être bouleversé : l'Inria et l'AP-HP travaillent de concert sur AnaestAssist, un projet de monitorage augmenté en temps réel du système cardiovasculaire capable de déterminer avec une grande précision l’état du patient et d’orienter l’anesthésiste vers le meilleur scénario thérapeutique au cours d'une intervention. « Alimenté de manière continue par les données du patient, le jumeau numérique peut être interrogé par l’anesthésiste pour identifier les signaux non mesurés et calculer les biomarqueurs de la performance du cœur ou de l’état des vaisseaux. » En France, Dassault Systèmes a été l'un des premiers au monde à s'intéresser à ce domaine émergent, et l'entreprise a annoncé son intention de produire un jumeau numérique du corps humain entier. Mais elle n'est pas la seule qui travaille sur ce sujet. L'Institut national de recherche en sciences et technologies du numérique (Inria) est un autre pionnier du domaine. L'équipe M3DISIM a ainsi mis au point son propre modèle de cœur en collaboration avec le service d'anesthésie-réanimation de l'hôpital Lariboisière à Paris, il y a quelques années. « Nous parvenons maintenant à faire tourner un jumeau numérique en temps réel pendant une intervention, au même rythme que celui du patient sous anesthésie générale, selon Dominique Chapelle, directeur de recherche Inria. Cela élargit le spectre du monitorage : au lieu de disposer de deux ou trois signaux vitaux, comme c'est le cas habituellement pour surveiller l'état du patient, nous bénéficions du paysage complet de son état cardiovasculaire grâce au jumeau. » En outre, les équations biophysiques des jumeaux numériques permettent de décrire des tissus à toutes les échelles. « Pour notre jumeau du cœur, nous sommes descendus à l'échelle moléculaire en modélisant l'action de la myosine, une protéine qui pilote la contraction des cellules cardiaques, poursuit le chercheur. » Après plusieurs années de travail, l'équipe de M3disim est aussi parvenue à développer un jumeau numérique complet des poumons, cette fois avec l'hôpital Avicenne de Bobigny, dans l'objectif de mieux comprendre les cas de fibroses pulmonaires dits idiopathiques, dont on ignore encore les causes exactes. Ce jumeau numérique peut estimer, à partir d'images du thorax d'un patient obtenues par scanner, la rigidité du tissu pulmonaire dans diverses zones, et les contraintes mécaniques qui s'exercent en leur sein. Par ailleurs, il permet de tester différentes hypothèses, en remontant toute la chaîne de causalité menant à la progression de la maladie. Sur le plan clinique, le M3disim travaille à présent à automatiser la personnalisation du modèle, afin de faciliter son appropriation par les médecins. Il devrait en effet quitter le laboratoire et faire son entrée à l'hôpital vers 2025, pour une phase de validation et d'optimisation à partir de grandes bases de données rétrospectives. Lorsque ces tests grandeur nature auront confirmé ses performances, il pourra être utilisé en routine pour affiner la caractérisation des fibroses pulmonaires et participer à l'évaluation de nouveaux traitements, sans risque pour les patients. Sources : - lesechos.fr/idees-debats/edi… - sciencesetavenir.fr/sante/e-… - lemoniteurdespharmacies.fr/t… - youtube.com/watch?v=bOBeMKfh…