La modélisation 3D pour mieux maîtriser l'asthme

Bien que l’asthme ne cesse de toucher de plus en plus de monde, en particulier les enfants, il reste mal maîtrisé. Afin d’améliorer les soins face à cette pathologie, Catalin Fetita, chercheur à Télécom SudParis, développe une plateforme logicielle permettant la modélisation 3D de l’arbre bronchique des patients : Airways. Présentée aux journées françaises de radiologie, celle-ci est utilisée dans un projet européen, Airprom, arrivant à échéance début 2016 et qui cherche à établir une description complète et multi-échelle de l’asthme.

Airways, une plateforme logicielle pour la modélisation 3D du réseau respiratoire.

3,5 millions de personnes sont asthmatiques en France ; 17 millions au niveau continental. En Europe, le coût des recherches associées à l’asthme et aux allergies s’élève à 18 milliards d’euros. Pourtant, malgré ces dépenses, « la maladie reste mal maîtrisée, car les traitements actuels sont conçus pour le grand nombre et non adaptés à chaque patient » constate Catalin Fetita, chercheur au département des techniques et recherches avancées pour les systèmes d’imagerie multidimensionnels (Artemis) de Télécom SudParis. Or l’asthme se manifeste différemment pour chaque individu. Selon les cas, la maladie n’aura pas la même virulence, la même évolution ou les mêmes facteurs déclencheurs. Difficile alors d’espérer qu’une réponse globale puisse s’avérer optimale à chaque fois. En revanche, un traitement personnalisé permettrait de prendre en compte l’ensemble des paramètres qui font l’unicité des cas. Pour atteindre cet objectif, Catalin Fetita travaille depuis 2001 sur un logiciel, appelé Airways, visant à modéliser en 3D le système bronchique d’une personne. Cette plateforme s’appuie sur des images obtenues à partir d’un scanner à rayons X. En effet, cet examen permet de capturer autour de 400 clichés de coupe du thorax du patient, chacune représentant une « tranche » perpendiculaire à l’axe vertébral. Les photons constituant les rayons X traversant plus facilement l’air contenu dans les poumons que les parois du réseau bronchique, un fort contraste est obtenu entre les zones de circulation de l’air et les tissus. Le scanner donne ainsi une succession de photographies sur lesquelles il est possible de déterminer le diamètre des voies respiratoires ou l’épaisseur de la paroi. En « empilant » ces images 2D, Airways recrée l’arbre bronchique tranche par tranche en 3D (voir images ci-dessous).

Modélisation 3D d’un arbre bronchique. À gauche : image de coupe d’une voie aérienne prise au scanner à rayons X. Le cercle vert délimite la zone de circulation de l’air. Le cercle rouge indique la limite extérieure de la paroi. À droite : Reconstitution 3D à partir des plans de coupe. Le différentiel d’épaisseur est représenté par un gradient de couleur (rouge pour une voie large, bleu pour une voie étroite).

Airways ne s’arrête pas à la modélisation 3D : le logiciel offre en effet bon nombre d’outils d’analyse pour les maladies pulmonaires chroniques. « Notre objectif est d’extraire le plus d’informations possible et de leur donner une nature quantitative, explique Catalin Fetita. Nous voulons donner le maximum de chiffres aux cliniciens ». La plateforme peut donc analyser automatiquement la modélisation 3D générée, et détecter des constrictions — ou sténoses — sur l’arbre bronchique, mais aussi des dilatations anormales. Cette fonctionnalité est importante pour le diagnostic, puisqu’elle offre la possibilité d’identifier les zones sensibles à un épaississement de la paroi en cas de crise d’asthme par exemple. Mais elle est également très intéressante lorsqu’il s’agit d’évaluer le traitement apporté : l’effet d’un bronchodilatateur ou d’un bronchoconstricteur est alors visible et quantifiable. En outre, Airways peut servir de support à la création d’un maillage du réseau respiratoire. À partir de ce maillage, les chercheurs effectuent des simulations de circulation d’air, et étudient différents scénarios possibles. « Cela nous permet non seulement de diagnostiquer, mais aussi d’effectuer une caractérisation fonctionnelle sur une morphologie donnée » déclare Catalin Fetita. Au-delà de l’asthme et des maladies chroniques, le logiciel peut également servir de support à une action chirurgicale, en étudiant les zones sensibles et en aidant les spécialistes à mieux planifier une intervention.

Airways réalise également des maillages 3D des arbres bronchiques, qui peuvent servir de support à la simulation.

Airprom, un projet d’envergure européenne

Actuellement la plateforme Airways n’est utilisée que dans le cadre d’une recherche clinique. Elle est testée dans quelques hôpitaux, notamment à Paris avec la Pitié Salpêtrière, Bichat ou Avicenne. « Nous avons des retours très positifs, surtout sur la partie analyse du réseau bronchique » affirme le chercheur de Télécom SudParis. Mais l’équipe d’Artemis est également engagée depuis 2011 dans un projet du 7^e PCRDT baptisé Airprom, qui a pour thème la modélisation du réseau respiratoire. Celui-ci rassemble 34 partenaires tant académiques avec l’Imperial College de Londres ou l’université d’Oxford qu’industriels avec Ansys ou Biomax. Dans ce cadre, le logiciel Airways est utilisé pour l’extraction de modèles 3D. Airprom a pour objectif l’étude multi-échelle de l’asthme, du niveau moléculaire aux tissus, afin de réaliser une description complète de la pathologie. L’enjeu est de taille, puisque l’urbanisation croissante des territoires contribue à faire de l’asthme l’une des grandes pathologies du XXI^e siècle.

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Airways aux Journées françaises de radiologie 2015

Du 16 au 19 octobre 2015 se sont tenues les journées françaises de radiologie. À cette occasion, le consortium de valorisation thématique du numérique (CVSTENE) présentait différents projets sur son stand mêlant numérique et imagerie médicale. Parmi ceux-ci, six impliquant des écoles de l’institut Mines-Télécom :

Airways, une plateforme de modélisation 3D des voies respiratoires développée par l’équipe Artemis à Télécom SudParis
Midway, un logiciel de traitement d’images IRM du cerveau pour la détection de croissance de pathologies mis au point par le département TSI de Télécom ParisTech
Le living lab Prometee de Télécom Nancy travaillant sur les problématiques de compatibilité des images médicales avec leurs usages
Scikit-learn, un outil de collecte et d’analyse de données en open-source
Nilearn : une librairie pour appliquer les outils de Scikit-learn à l’imagerie médicale
France Life Imaging, une infrastructure nationale cherchant à coordonner les réseaux des ressources en imagerie in-vivo en France