Poumon numérique pour la kinésithérapie respiratoire – VirtualChest

Le mucus pulmonaire capte les polluants extérieurs et le mouvement naturel du mucus vers la partie haute de l'arbre bronchique les expulse hors des poumons. Le mouvement du mucus provient de deux mécanismes principaux : le battement de cils sur des cellules de l'épithélium et la toux. Ces mécanismes ne sont cependant pas matures chez l'enfant et peuvent être altérés par l'âge ou par des pathologies courantes (mucoviscidose, bronchiolite, asthme, BPCO, etc). La stagnation du mucus dans les poumons augmente les risques d'infection et d'obstruction des bronches et la kinésithérapie respiratoire (KR) est alors indiquée comme traitement afin d’aider à l’expectoration. La KR agit grâce à des pressions appliquées sur le thorax. Suite à des études controversées, l'efficacité de la KR est aujourd'hui critiquée et ses risques potentiels mis en avant. La discipline étant empirique, le débat ne peut avoir lieu sereinement. Ces remises en question pourraient avoir de graves répercussions en terme de santé publique ou économique à une période où les sécurités sociales tendent à réduire leurs dépenses. L'objectif de ce projet pluridisciplinaire est d'abord de caractériser scientifiquement l’efficacité et le confort des techniques de KR en définissant deux index dans le but d'accompagner le débat actuel, puis de proposer des optimisations de ces techniques. Nous nous appuierons sur un modèle numérique intégré et patient-dépendant de la biomécanique de la KR. Notre projet se focalise sur la mucoviscidose chez l'enfant, dont le traitement, qui fait fortement intervenir la KR, est bien organisé en France autour des CRCM qui centralisent à la fois les patients et les données d'une zone géographique.

Ce projet se décompose en deux volets complémentaires.

Un premier volet vise à mettre en place le modèle in silico intégré de la KR. Nous développerons les modèles mathématiques et numériques des différents aspects et échelles biomécaniques de la KR et chercherons à optimiser les effets de la KR pour chacun d'entre eux afin de mieux comprendre comment optimiser une technique dans son ensemble. Certains phénomènes physiques complexes s'appuieront sur des expériences pour être mieux décrits. Pour chaque patient, nous reporterons les déplacements du thorax induits par la KR et mesurés dans le second volet de ce projet sur une reconstruction 3D du thorax du patient obtenue par scanner. Ainsi, nous obtiendrons les déplacements des parois de son poumon. Un modèle biomécanique multi-échelle du poumon du patient permettra alors de calculer les mouvements du mucus dans les bronches et les contraintes mécaniques internes, données sur lesquels s'appuieront les définitions des deux index.

Le second volet vise à acquérir des données pour les entrées et la validation du modèle, avec une approche patient-dépendente. Pour la première fois, des jeux complets de données de KR concomitantes entre les aspects biomécaniques et médicaux seront obtenus. Nous utiliserons un protocole spécifique et des systèmes de mesure originaux spécifiquement développés dans le cadre de ce projet. Nous allons construire une base de données sur un jeu initial de patients issu du CRCM de l’hôpital R. Debré qui nous permettra de valider notre protocole, nos instruments et le modèle, avant d'étendre à des patients d'autres CRCM avec lesquels nous sommes en contact. Les données acquises dans ce deuxième volet formeront une base solide sur laquelle viendront s'appuyer la validation du modèle numérique. Le modèle numérique permettra alors à son tour d'interpréter des mesures de ce second volet, de valider les index proposés et de proposer des améliorations des techniques. En perspectives, le modèle et le protocole développés permettront d'étendre notre étude à une plus large gamme de patients et à d'autres pathologies pulmonaires. Nous valoriserons nos travaux avec plusieurs partenaires industriels qui s'intéressent déjà à cet outil pour évaluer et optimiser leurs procédés médicaux en KR.