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Des étudiants conçoivent une pompe cardiaque à faible coût capable de sauver des vies
L'IA, l'approche Model-Based Design et la génération de code optimisent le développement des dispositifs biomédicaux
Pour des millions de personnes souffrant d'insuffisance cardiaque congestive, cette affection peut être mortelle. Seules 10 000 personnes environ, parmi les 200 000 inscrites sur les listes d'attente, recevront une greffe. Une pompe cardiaque implantée chirurgicalement, connue sous le nom de dispositif d'assistance ventriculaire gauche (DAVG), peut prolonger l'espérance de vie des personnes en attente de transplantation et offrir un traitement à long terme à d'autres. Cependant, les coûts élevés et l'accès limité rendent souvent cette intervention vitale inabordable.
Kamuran Kadıpaşaoğlu est professeur associé de génie biomédical à l'École de génie électrique et électronique de Yildiz Technical University (YTU) à Istanbul. Après avoir dirigé pendant des décennies des laboratoires de recherche en chirurgie cardiovasculaire aux États-Unis, il dirige désormais le Physiological Control Laboratory (PCL) à YTU. Ses étudiants développent une alternative plus intelligente et moins coûteuse aux DAVG disponibles sur le marché.
« Sur le plan technologique, nous essayons d'améliorer la technologie existante dans le but ultime de créer une pompe compétitive, fiable, efficace, sûre et économique, qui comble le manque sur le marché », explique Kadıpaşaoğlu.
En Turquie, le coût d'un seul DAVG, intervention chirurgicale comprise, commence à 75 000 dollars. Kadıpaşaoğlu affirme que le système d'assistance circulatoire mécanique de ses étudiants devrait coûter moins de la moitié de ce prix. Et, contrairement aux pompes cardiaques qui obligent les patients à ajuster manuellement leur vitesse, le dispositif des étudiants promet de s’adapter dynamiquement en temps réel.
Les étudiants du laboratoire ont pleinement exploité la licence Campus-Wide de MathWorks pour développer leur système innovant de pompe cardiaque grâce à l'approche Model-Based Design avec Simulink®. MATLAB® a constitué la fondation.
« MATLAB est facile à apprendre et vous pouvez créer tout ce qui vous passe par la tête. »
Le Physiological Control Laboratory (PCL) de YTU. Kamuran Kadıpaşaoğlu et ses étudiants développent une alternative plus intelligente et moins coûteuse aux DAVG disponibles sur le marché.
(Crédit image : Campus YTU Davutpaşa, Physiological Control Laboratory)
« Nous avons essayé d'autres logiciels, mais il était plus difficile de créer des modèles et des systèmes », explique Mert Yiğit, assistant de recherche et jeune diplômé en génie biomédical spécialisé dans le design de turbines et la dynamique des fluides numérique. « MATLAB est facile à apprendre et permet de créer tout ce qui vous passe par la tête. »
Le système d'assistance circulatoire mécanique du laboratoire comprend une pompe cardiaque implantable alimentée par des batteries, un contrôleur intelligent et une unité patient portable sans fil pour la surveillance des signes vitaux. Les étudiants ont fabriqué sur place la quasi-totalité du hardware nécessaire à leurs prototypes.
Tout en réfléchissant à la voie à suivre pour les essais cliniques, la jeune équipe de YTU a mis au point une approche visant à minimiser les tests sur les animaux pour leur DAVG et autres dispositifs cardiaques. Ils ont construit un circuit hybride pneumo-hydraulique simulé sous MATLAB qui permet des tests rigoureux dans des conditions cardiovasculaires réalistes. Les étudiants ont optimisé et accéléré les calculs grâce à GPU Coder™ et à une puissante station de travail NVIDIA®.
« Les étudiants sont le moteur de tout ce projet », déclare Kadıpaşaoğlu. Leur recherche a été publié dans l'International Journal of Robust and Nonlinear Control.
Expérience pratique
La technologie des dispositifs d'assistance ventriculaire gauche (DAVG) a considérablement évolué depuis les premiers progrès en matière de cœur artificiel dans les années 1960. En 1994, un dispositif externe de grande taille, à entraînement pneumatique, avait reçu l'approbation de la FDA aux États-Unis. Les générations successives sont passées à un système de pompe rotative à flux continu et sont devenues plus petites, implantables et plus durables. Mais des limitations persistaient.
Kadıpaşaoğlu a passé près de 20 ans à travailler sur de nouvelles interventions chirurgicales pour l'insuffisance cardiaque au Texas Heart Institute de Houston. Il comprend parfaitement la technologie des pompes cardiaques et les obstacles à son accessibilité.
« Avant de songer à utiliser MATLAB, je passais mes nuits à travailler sur d'autres logiciels et à rencontrer des erreurs. Réaliser que je pouvais simplement le construire avec MATLAB a été une expérience formidable. »
« En Turquie, nous avons beaucoup de mal à financer ces dispositifs », constate Kadıpaşaoğlu. « De plus, les chirurgiens turcs n'ont pas participé à une phase de recherche avec les ingénieurs en dispositifs médicaux, ils manquent donc d'expérience. Ils implantent des pompes chez les patients après une formation d'un ou deux jours, parfois avec des résultats désastreux. »
Il a ramené ses connaissances et son expérience dans son pays d'origine pour enseigner, aux étudiants dynamiques de YTU, le développement des DAVG, favoriser les liens universitaires avec le secteur médical et poser les bases de la fabrication de pompes cardiaques abordables en Turquie. Kadıpaşaoğlu sert de mentor aux étudiants qui s'orientent vers des carrières en génie biomédical, électrique et de contrôle.
« J’essaie de les aider à obtenir des formations dans les hôpitaux et les blocs opératoires afin qu’ils puissent acquérir une expérience pratique du sang, des thorax ouverts et des cœurs qui battent », explique-t-il.
Kadıpaşaoğlu encourage la recherche autodirigée. Des mini-portraits de scientifiques influents tels que Sir Isaac Newton et Joseph-Louis Lagrange ornent les murs du laboratoire, source d'inspiration. Le groupe compte 20 élèves, dont deux qui ont obtenu leur diplôme avec la mention summa cum laude : Derya Sahin et Ahmed Alhajyounis. Les étudiants conçoivent des projets, rédigent des demandes de subventions et coécrivent des articles pour des revues scientifiques.
Yiğit a présenté le dernier prototype de DAVG de l'équipe, une turbine cylindrique rigide de 7,2 centimètres (2,8 pouces) de long que le groupe a fabriquée à partir d'un alliage de titane biocompatible.
« Nous avons essayé d’automatiser un système qui modélise le DAVG. Avant de penser à utiliser MATLAB, je passais mes nuits à travailler sur d'autres logiciels et à rencontrer des erreurs », se souvient Yiğit. « Réaliser que je pouvais simplement le construire avec MATLAB a été expérience formidable. » Le laboratoire a bénéficié du support essentiel de Marco Rossi, customer success engineer chez MathWorks ainsi que de l'équipe académique du distributeur local Figes.
Dans leur design DAVG, le sang sert de lubrifiant pour le roulement et de liquide de refroidissement pour les moteurs électriques CC à flux balais à flux. Deux moteurs permettent au dispositif de fonctionner même en cas de panne, maintenant l’assistance cardiaque du patient jusqu'à son admission à l'hôpital.
« Le flux axial à l'intérieur est une nouveauté », explique Yiğit, en montrant l’emplacement de deux moteurs à l'intérieur de la minuscule turbine. Simulink et Simscape™ ont aidé les étudiants à optimiser les performances du moteur et sa compatibilité avec la turbine. Ils ont déterminé la géométrie optimale des pièces du moteur grâce à des simulations électromagnétiques itératives.
Les parties mobiles de chaque moteur sont fabriquées à partir d'un composite magnétique doux et d'un gabarit en plastique qui se place par-dessus et qui maintient des mini-aimants. Ils ont également utilisé le composite magnétique pour le noyau fixe denté, en enroulant un fin fil de cuivre autour pour produire un champ magnétique qui interagit avec la partie mobile.
Au début, les étudiants ont attendu une année entière qu'un groupe extérieur produise un seul moteur. « Lorsque notre équipe a décidé de construire nos moteurs, nous l’avons fait en un mois », explique Yiğit.
Tests réalistes de dispositifs cardiovasculaires
Le DAVG présente des innovations supplémentaires. Souvent, les patients règlent manuellement la vitesse de la pompe cardiaque, l'augmentant pour l'exercice et la diminuant pour le sommeil. Les étudiants développent avec MATLAB un contrôleur intelligent non invasif pour leur DAVG, qui estime des paramètres critiques comme la pression artérielle à partir des données de la pompe cardiaque du patient et ajuste automatiquement la vitesse. L'équipe a utilisé Simulink Control Design™ et Simulink Real-Time™ pour affiner les paramètres.
Un prototype d'unité patient portable sans fil affiche les signes vitaux du porteur et le niveau de charge restant de la batterie. Cela permet au médecin du patient de surveiller sa santé en temps réel et de prendre des décisions basées sur les données, en ajustant à distance la vitesse de la pompe selon les besoins.
Avant que le système d'assistance circulatoire mécanique de YTU puisse passer aux essais sur les animaux et aux essais cliniques, les étudiants perfectionnent des prototypes grâce à leur propre modèle cardiovasculaire électronique avancé.
« Notre circuit hybride prototype prend cette simulation et la transpose dans le monde physique », explique Yiğit. « Le dispositif hardware reproduit les conditions physiologiques réelles à partir du modèle cardiovasculaire, ce qui nous permet de tester des dispositifs biomédicaux comme le DAVG dans un environnement très réaliste et sûr. »
« Auparavant, une seule simulation nécessitait une minute pour traiter toutes les informations. Grâce à GPU Coder avec le Jetson, cela ne prend plus que 10 secondes. »
La station de vélocimétrie par imagerie de particules (PIV). (Crédit image : Campus YTU Davutpaşa, Physiological Control Laboratory)
Le laboratoire a utilisé Simulink et MATLAB pour construire le modèle cardiovasculaire complexe de ce système artificiel, où plusieurs systèmes fonctionnent en série les uns avec les autres. « Modifier un seul paramètre dans un système influence simultanément les autres paramètres », a souligné Kadıpaşaoğlu.
« Simulink facilite la création d'un simulateur de système cardiovasculaire, mais la partie la plus difficile consiste à l'adapter aux résultats spécifiques souhaités pour chaque patient », explique-t-il.
Yiğit a dévoilé en laboratoire la toute dernière configuration de circuit hybride prototype, avec son prototype DAVG le plus récent visible à l'intérieur d'une chambre remplie d'eau et reliée à un système hydraulique. Il a expliqué que la création de régulateurs pour les débits et les pressions des pompes à l'intérieur de ces composants physiques était extrêmement difficile, car les systèmes pneumatiques sont non linéaires.
« La pression s'accumule à l'intérieur, donc si vous entrez de mauvaises données, l'eau pourrait gicler partout », prévient Yiğit.
Pour déterminer les coefficients de contrôle, ils ont créé un jumeau numérique de leur circuit hybride simulé dans MATLAB. Le groupe a utilisé l'apprentissage Q, une approche basée sur le renforcement, avec Statistics and Machine Learning Toolbox™ pour identifier les coefficients de contrôle de leur système cardiovasculaire. Les membres de PCL ont développé un algorithme de Machine Learning qui ajustait automatiquement les contrôleurs. Désormais, si quelqu'un saisit une mauvaise information, il n'y a pas d'explosion de liquide.
Le groupe s'est attaqué à d'autres défis. Les données de modélisation cardiovasculaire ressemblent à un bol de spaghettis. L'imagerie de flux, appelée vélocimétrie par imagerie de particules (PIV), permet aux chercheurs de visualiser les schémas et les vitesses du flux sanguin. L'équipe a travaillé sur le traitement et la reconstruction d'images sous MATLAB, mais a découvert que la simulation de la dynamique des fluides, du flux sanguin et des scénarios du système cardiovasculaire était gourmande en ressources de calcul.
Workflow de génération de code pour traiter une image PIV avec Image Processing Toolbox™ dans MATLAB. (Crédit image : Campus YTU Davutpaşa, Physiological Control Laboratory)
« Lorsque j'ai cherché des informations sur le calcul parallèle sur les forums MATLAB, j'ai constaté que GPU Coder accélérait le processus », explique Yiğit, ajoutant que la documentation était facile à comprendre.
Ils ont commencé avec une station de travail dotée d’une NVIDIA Quadro® P1000 puis ils sont passés à une plateforme embarquée NVIDIA Jetson™ TX2. L’utilisation de GPU Coder pour générer du code CUDA® optimisé pour l'exécution sur GPU leur a permis d'exécuter leur modèle cardiovasculaire plus efficacement sur le TX2.
« Auparavant, une seule simulation nécessitait une minute pour traiter toutes les informations. Grâce à GPU Coder avec le Jetson, cela ne prend plus que 10 secondes », explique Yiğit.
Grâce à ce dispositif, les étudiants peuvent facilement tester leur modèle cardiovasculaire dans des conditions variées tout en effectuant des ajustements fréquents des paramètres physiques. De plus, ils ont utilisé MATLAB Coder™ pour convertir leurs algorithmes MATLAB en code C et C++, en vue de leur déploiement sur un système de traitement en temps réel dSPACE®, leur permettant de faire fonctionner le circuit hybride prototype. Ils ont validé avec succès le système à double moteur de leur prototype de pompe cardiaque dans un circuit hybride simulant les conditions physiologiques d'un patient avec un seul moteur opérationnel.
Les membres du PCL ont entrepris un nouveau projet qui exploite le Machine Learning pour déterminer le débit sanguin optimal du prototype de DAVG. Toute l'équipe travaille à réduire la taille de la pompe cardiaque de 20 % tout en améliorant son efficacité. Ils cherchent également à rendre leur circuit hybride prototype plus compact et à le commercialiser.
Le groupe prévoit à terme de remplacer le système de traitement en temps réel dSPACE par la carte Jetson TX2 afin d'accroître considérablement les performances de la simulation temps réel. L'utilisation de GPU Coder par le groupe lors de la phase de simulation facilitera la migration.
« Nous nous demandons constamment si une technologie est quelque chose que nous devons acheter ou quelque chose que nous pourrions créer nous-mêmes », explique Yiğit. « Si nous pouvons le créer nous-mêmes, nous développons un projet autour de cela. »
Kadıpaşaoğlu a estimé qu'il avait largement atteint ses objectifs depuis le lancement du laboratoire à Yildiz Technical University. « Nous commençons à nous faire un nom », dit-il. « Les gens viennent nous voir pour des entretiens. Le laboratoire est devenu un lieu où d'autres universités envoient leurs étudiants de premier cycle se former. »
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