Un simulateur virtuel du cœur humain
Le cœur est un organe essentiel du corps humain. Les maladies cardiovasculaires sont responsables de plus de 45 % des décès en Europe. Le cœur est également remarquablement complexe et propre à chaque individu. En savoir plus sur la fonction sous-jacente du cœur permettra d’élaborer des traitements plus personnalisés pour les malformations cardiaques. Dans le cadre du projet iHEART, financé par le Conseil européen de la recherche, une équipe de chercheurs dirigée par Alfio Quarteroni, professeur d’analyse numérique à l’université polytechnique de Milan, a mis au point un simulateur virtuel du cœur. Ce modèle informatique constitue un outil puissant pour améliorer notre compréhension de la fonction cardiaque, en mettant en lumière les mécanismes complexes du cœur et en facilitant la prise de décisions cliniques. «Au-delà de sa valeur éducative, ce modèle a des applications significatives dans le domaine médical, apportant un soutien essentiel aux soins de santé lorsqu’il s’agit de prendre des décisions médicales et d’élaborer des stratégies pour traiter diverses affections cardiaques», explique Alfio Quarteroni, chercheur principal du projet iHEART.
Les mathématiques au service de l’étude du cœur humain
Pour créer le cœur virtuel, l’équipe a analysé les propriétés mathématiques et physiques de plusieurs modèles cardiaques de base avant de les combiner en un seul modèle. Parmi les propriétés analysées par les chercheurs figurent l’électrophysiologie, la mécanique active et passive, la dynamique des fluides, la cinétique des valves, la circulation sanguine, la perfusion myocardique et la conduction des signaux électriques à travers le torse. «Le modèle iHEART est conçu pour décrire tous ces éléments et, en les harmonisant et en les couplant, nous avons créé un modèle unifié et biophysiquement détaillé de la fonction cardiaque», explique Alfio Quarteroni. Les résultats les plus significatifs du projet sont ancrés dans ces développements mathématiques, ainsi que dans la simulation qui s’en est suivie. L’équipe a été la première à mettre au point des techniques avancées d’approximation d’ordre élevé, qui ont permis d’améliorer la précision de la simulation. Les chercheurs ont également créé de nouveaux solveurs algébriques afin d’optimiser les performances de calcul. Ils ont aussi intégré à la recherche des concepts et des méthodologies de pointe issus de l’apprentissage automatique scientifique. «Ces contributions révolutionnaires ont abouti à un nombre important d’articles de recherche publiés dans des revues prestigieuses, couvrant les domaines des mathématiques, de la bio-ingénierie et de la médecine», ajoute Alfio Quarteroni.
Le simulateur iHEART
Le simulateur iHEART nouvellement développé est unique dans sa capacité à fusionner et à reproduire de manière transparente des processus cardiaques complexes au sein d’une plateforme unifiée. «Ce haut degré d’intégration permet une précision biophysique inégalée lors de la simulation de la fonction cardiaque et des maladies qui y sont liées», explique Alfio Quarteroni. «Il s’agit d’une avancée révolutionnaire dans le domaine de la cardiologie computationnelle, qui offre une approche unique et complète pour simuler le cœur sur un ordinateur.» Parallèlement au simulateur, l’équipe a également conçu un ensemble de bibliothèques logicielles, comprenant des fonctions cardiaques complexes, qui sont mises à la disposition d’une large communauté d’utilisateurs, y compris ceux qui ont une formation en médecine et en bio-ingénierie.
Applications médicales
Le simulateur iHEART devrait jouer un rôle essentiel dans l’amélioration de notre compréhension des maladies cardiaques, ce qui débouchera sur des thérapies innovantes. «Notre ambition visionnaire consiste à intégrer de manière transparente les simulations numériques informatisées de la fonction cardiaque dans le domaine de la bio-ingénierie et de la pratique clinique, dans le but de créer des jumeaux numériques cardiaques», note Alfio Quarteroni. iHEART contribue activement au diagnostic et au traitement de diverses pathologies cardiovasculaires grâce à des collaborations avec de nombreuses divisions cliniques, tant en Italie qu’à l’étranger. «Nous pensons que le modèle iHEART contribuera de manière significative au diagnostic et au traitement des pathologies cardiovasculaires, favorisant ainsi les progrès dans le domaine des soins cardiaques au profit des patients du monde entier.»
Mots‑clés
iHEART, cœur, cardiovasculaire, maladies, virtuel, simulateur, modèle, mathématiques, fonctions, médical
