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Modélisation et Simulation en médecine : vers un patient numérique

Sofa © Inria / Photo C. Morel

L’imagerie médicale a transformé la médecine en permettant de visualiser l’intérieur du corps du patient. La simulation numérique en médecine permet d’aller au-delà. En modélisant le comportement des organes et les interactions avec les outils thérapeutiques, elle permet de créer un clone numérique du patient, changeant radicalement la manière dont les médecins se forment, planifient des opérations complexes ou encore réalisent des interventions. 

Il existe aujourd’hui près de 50 centres de simulation en France où les personnels soignants s’exercent sur des simulateurs de plus en plus réalistes, sans mettre de patient en danger. Mais l’impact de la modélisation et simulation en médecine s’étend à bien d’autres domaines. En fusionnant un modèle 3D d’un patient, créé avant l’opération avec les images obtenues au moment même de l’intervention, le chirurgien a la possibilité de visualiser des structures normalement invisibles. Cette réalité augmentée illustre l’apport indéniable de la modélisation numérique à l’imagerie médicale. À l’avenir, le diagnostic, les interventions chirurgicales et la planification du traitement de nombreuses maladies bénéficieront des apports de la simulation numérique. 

Plusieurs équipes du centre Inria Nancy - Grand Est travaillent sur différents aspects de ce vaste domaine pluridisciplinaire. Grâce à ces travaux, différents organes ont déjà été modélisés : cœur, foie, cerveau. Ces simulations reposent souvent sur des approches multiphysiques (capables d’intégrer des paramètres physiologiques ou biomécaniques), adaptant les caractéristiques du modèle aux spécificités du patient (anatomie, élasticité, diffusion électrique, pression, ...). Pour cela, les chercheurs travaillent sur des modèles et des méthodes numériques capables de fournir le résultat de calculs très complexes en quelques centièmes de secondes. Le clinicien peut ainsi visualiser instantanément l’impact potentiel de chacun de ses actes. Ces travaux se font en collaboration avec les hôpitaux et cliniciens de la région, et cherchent à dépasser les frontières de la recherche académique pour être transférés dans le monde clinique. 

Ses applications

Les applications de ces travaux de recherche concernent la chirurgie hépatique, la neurochirurgie, la chirurgie de la rétine, la chirurgie vasculaire ou encore la radiologie interventionnelle. Les outils de simulation peuvent intervenir à différentes étapes, depuis la formation jusqu’à l’assistance en salle d’opération.

En voici quelques exemples :

  • Réalité augmentée pour les organes déformables.
  • Aide à la navigation en chirurgie vasculaire via la modélisation et simulation 3D temps réel des instruments.
  • Assistance peropératoire en chirurgie mini-invasive par superposition d’informations additionnelles.
  • Planification d’interventions en neurochirurgie pour la stimulation cérébrale profonde

Sofa Framework, pour la simulation temps réel ciblant les applications médicales

Sofa permet de reproduire par le calcul la physique (mécanique, thermique ou électrique) et les interactions entre organes du corps humain. Ainsi, il devient possible de mieux former les médecins et les aider lors de la planification d’opérations. 

Sofa est codéveloppé entre plusieurs centres Inria et s’appuie sur une communauté internationale. Un consortium logiciel rassemblant des partenaires académiques et industriels a été mis en place. Autour de Sofa, les équipes du centre Inria Nancy - Grand Est s’intéressent plus particulièrement à deux thématiques de recherche : développer des modèles dits "patient-spécifiques" reproduisant les caractéristiques d’un patient particulier et améliorer la gestion de changements topologiques intelligents, c’est- à-dire des modifications de la représentation géométrique d’un objet au cours du calcul.
 De plus, une version du logiciel (Sofa-OR) vise à assister le chirurgien au cours d’opérations sur un patient humain dans une salle d’opération réelle, en utilisant la réalité augmentée.

La plate-forme Sofa est née de l’idée de créer une infrastructure open source pour
 la simulation de phénomènes physiques complexes tels que la déformation de matériaux mous. Aujourd’hui, Sofa vise à la simulation d’autres phénomènes physiques tels que la thermodynamique ou encore la mécanique des fluides. De nombreuses fonctionnalités ont été introduites avec entre autres de nombreux solveurs, des modèles physiques (comme des modèles d’élasticité non-linéaire), des algorithmes de détection et réponses à la collision. De par son haut niveau de flexibilité, Sofa est un outil idéal pour prototyper rapidement une simulation physique. Des modèles de nature différente peuvent être combinés de façon à produire des simulations complexes quasiment en 
temps réel. 

Ses applications

  • Simulateur pour l’apprentissage du geste chirurgical en électrocardiologie interventionnelle et en chirurgie rétinienne.
  • Simulation interactive d’insertion d’aiguille et de cryothérapie pour la planification préopératoire.
  • Simulation de déformation et de découpe de tissus humains.
  • Simulation de chirurgie percutanée du foie avec retour haptique. 

Mots-clés : Plate-forme technologique Inria Nancy - Grand Est Médecine numérique SOFA

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