Institut de génie biomédical


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Thèmes de recherche

Thème A: Électrophysiologie cardiaque

1. Modélisation de l'activité électrique cellulaire cardiaque

Un modèle de la cellule cardiaque tient compte de la structure de la cellule, de l'environnement ionique interne et externe et des propriétés dynamiques de la membrane. Ce modèle cellulaire (ou membranaire) sert à étudier différents phénomènes à caractère local portant sur les courants ioniques et sur le transport actif (incluant l'accumulation ionique). Les principales questions d'intérêt sont l'excitabilité (seuil), l'automaticité et la modification des propriétés membranaires par des agents chimiques (catécholamines, acétylcholine, drogues anti-arythmiques, etc.).

Les cellules cardiaques sont couplées par des résistances de jonction relativement basses (disques intercalaires) dans le sens de la longueur. On représente alors une cha"ne de cellules par un câble uniforme. On s'approche donc des conditions rencontrées lors de la propagation de l'impulsion électrique dans le coeur. Les principales questions d'intérêt sont alors reliées aux facteurs qui affectent la vitesse de propagation, l'excitabilité (déclenchement d'un potentiel d'action), la période réfractaire (retour du système à son état original) et les modalités de conduction. La modification des propriétés membranaires par des agents chimiques (hormones, substances pharmacologiques, etc.) produit des effets importants sur la propagation.

Un ensemble de câbles (continus ou discontinus) peuvent être reliés entre eux (dans le sens transverse) pour constituer un feuillet bidimensionnel, ou encore une structure tridimensionnelle. La disponibilité d'un modèle bi- ou tridimensionnel permet de simuler de façon beaucoup plus réaliste la propagation de l'impulsion électrique dans le tissu cardiaque. On s'intéresse aux divers mécanismes sous-jacents aux arythmies cardiaques, notamment la propagation réentrante associée à la tachycardie et à la fibrillation. La modélisation précise des aspects fonctionnels et structuraux du tissu cardiaque et la simulation des diverses arythmies et troubles de conduction constituent l'objectif ultime de ce volet de recherche.

2. Modélisation de l'activité électrique du coeur

a) Champs électriques cardiaques

L'objectif est de mettre au point de nouvelles techniques pour l'acquisition et l'analyse des distributions de potentiel générées par l'activité électrique du coeur. Ces techniques sont basées sur des modèles biophysiques, sur l'analyse numérique des signaux ainsi que sur l'enregistrement simultané des potentiels en plusieurs dizaines de sites à la surface du torse ou du coeur. Ces techniques sont appliquées au cours d'études cliniques pour la détection et la localisation de régions arythmogènes ainsi qu'au cours d'études expérimentales sur les mécanismes de tachyarythmie.

Dans le cas des potentiels mesurés à la surface du torse, le problème consiste à déterminer la nature des sources cardiaques à partir d'une analyse mathématique de ces potentiels. Des travaux théoriques cliniques et expérimentaux se poursuivent afin d'étudier la précision des sources cardiaques. En outre, des études cliniques ont pour objectif de localiser des régions arythmogènes, ce qui contribuerait à guider plus adéquatement la chirurgie des arythmies ou l'ablation par cathéter des sites responsables de ces perturbations.

Les distributions de potentiels épicardiaques et endocardiaques permettent la caractérisation de l'état électrophysiologique des différentes structures cardiaques. L'analyse détaillée de ces distributions de potentiel trouve son champ d'application dans l'étude des tachycardies ventriculaires. Elle permet de révéler certains mécanismes de ces troubles électriques. La cartographie isochrone est un outil courant dans ces travaux. Cette technique s'est avérée efficace pour l'analyse des mécanismes de tachycardie ventriculaire et des effets des médicaments antiarythmiques. Elle permet d'identifier les régions de propagation altérée et de localiser les foyers dans différentes préparations expérimentales.

b) Modélisation numérique du coeur

Ce projet utilise un modèle numérique qui comprend environ 250 000 points pour reproduire la structure anatomique du coeur. Le modèle actuel inclut les oreillettes, les ventricules et le réseau de conduction. Un potentiel d'action est associé à chaque point et représente donc une cellule cardiaque. L'activation du modèle est réalisée en utilisant les règles de propagation appliquées à plusieurs sites d'initiation sur la surface endocardique du modèle. Ce modèle est implanté à l'intérieur d'un modèle numérique du torse afin de simuler les ECG. Le contrôle dans le modèle au niveau des cellules cardiaques permet de créer des zones ischémiques ou nécrosées ou encore d'ajouter des voies accessoires pour simuler la pré-excitation. Ce travail de modélisation/simulation sert à vérifier certaines hypothèses, quitte à les appuyer par des procédures expérimentales appropriées.

3. Diagnostic électrocardiologique: trois exemples

a) Analyse des arythmies cardiaques

À partir d'enregistrements électrocardiographiques obtenus dans différents contextes (expérimental chez le chien, ambulatoire chez l'homme, en surveillance intensive dans l'infarctus aigu du myocarde), des méthodes de traitement de signaux sont développées, évaluées et utilisées pour caractériser et identifier les troubles du rythme et quantifier les changements du segment ST. Ces développements impliquent la mise au point de méthodes de filtrage numérique, de détection d'ondes à haute fiabilité, de reconnaissance de forme, de logique de décision, pour finalement identifier les arythmies. Certains contextes, tel l'ECG continu sur plusieurs heures, nécessitent des approches particulières à cause du grand nombre d'événements cardiaques à examiner et de la complexité inhérente à certains troubles du rythme.

b) La Micro-électrocardiographie

Une étude multi-centre regroupant huit hôpitaux canadiens répartis de St-Jean, Terre-Neuve, à Calgary, Alberta a été subventionnée (1990-95) par le Conseil de recherches médicales du Canada. Cette étude porte sur le rôle de la micro-électrocardiographie dans la stratification du risque après l'infarctus du myocarde.
Plusieurs études suggèrent que la technique de microélectrocardiographie pourrait permettre de diagnostiquer une susceptibilité accrue aux troubles du rythme. Il s'agit d'une technique simple et atraumatique permettant de détecter des signaux de très faible niveau nommés « potentiels tardifs ». Les potentiels tardifs ne peuvent pas être détectés sur l'ECG standard, car ils ont une amplitude de quelques microvolts seulement, ce qui nécessite une instrumentation spéciale et un traitement de signal particulier.
L'objectif de ce projet de recherche est de mieux situer le rôle des potentiels tardifs dans la stratification du risque. L'étude porte sur une population de quelque 4 000 patients qui subiront un infarctus du myocarde. Ces patients sont suivis pendant une durée de 3 ans afin de déterminer lesquels d'entre eux présentent des complications. Des techniques d'analyse de signaux sont mises au point et testées afin d'obtenir une définition du potentiel tardif qui permette de prédire avec le maximum de précision l'apparition de complications telles les arythmies sévères et la mort subite.

c) Système nerveux autonome

L'étude de la variabilité des paramètres cardiovasculaires (i.e. rythme cardiaque, pressions systoliques et diastoliques) sous l'influence de la respiration est utilisée comme moyen non-invasif pour évaluer l'état des deux composantes du système nerveux autonome. Rattaché à ce travail d'analyse de signaux, il y a un projet de modélisation des mécanismes de base centré surtout sur le contrôle de la fréquence cardiaque. Des travaux expérimentaux nécessaires à la documentation des hypothèses présentées par les observations non-invasives et la modélisation sont en cours. L'avancement des travaux dans ce domaine vise à donner des outils cliniques applicables à l'évaluation de pathologies qui impliquent le système nerveux autonome; par exemple, les syncopes, l'hypertension, le diabète, etc...

Thème B: Systèmes, signaux et images biomédicaux

1. Instrumentation

Le Laboratoire d'instrumentation s'intéresse particulièrement à des réalisations originales de matériel et logiciel ainsi qu'à l'intégration de systèmes informatisés dédiés à l'acquisition et au traitement de signaux et d'images biomédicales. La plupart des projets d'instrumentation visent à répondre à des besoins spécifiques rencontrés dans l'exécution des programmes de recherche de l'Institut, i.e. l'électrophysiologie cardiaque, le captage et le traitement de signaux physiologiques, l'analyse d'images médicales, etc. Cependant, le laboratoire collabore régulièrement avec des chercheurs rattachés à divers hôpitaux et instituts de la région métropolitaine. Cette formule permet d'assurer aux projets un haut degré de pertinence, puisqu'ils découlent de besoins précis formulés par les usagers. Il faut noter que d'autres développements, en général plus modestes, prennent aussi place dans les divers milieux de recherche où les professeurs sont impliqués.

La liste suivante donne un aperçu de quelques réalisations ainsi que des projets en cours ou en émergence au laboratoire.

  • systèmes d'acquisition de signaux à 256 canaux programmables pour la production de cartographie cardiaque isochrone, isopotentielle thoracique, épicardique, endocardique et même transmurale;
  • système de cartographie thoracique et ablation radio-fréquence;
  • développement d'un système d'imagerie d'impédances;
  • calcul de traitement d'images à haute vitesse pour l'étude du mouvement des tissus;
  • système de surveillance électrocardiographique du segment ST;
  • système de surveillance des arythmies cardiaques.

2. Imagerie biomédicale

Les projets de recherche en analyse d'images échographiques ont comme objectif d'étudier la caractérisation des tissus en relation avec la texture de l'image. Les études portent sur la relation entre le mouvement des tissus ou des fluides échogènes et le mouvement de la texture. Ceci permet, entre autres, d'évaluer la contraction d'un muscle (cardiaque ou squelettique) ou même l'écoulement sanguin d'après l'analyse d'une séquence d'images échographiques. Il est aussi possible de déterminer la rigidité d'une masse tissulaire (tumeur, kyste) en étudiant la déformation induite par une force externe. On analyse également des séquences d'images échocardiographiques dans le but d'étudier la dynamique cardiaque au niveau d'un certain nombre de structures anatomiques: paroi de l'endocarde, de l'épicarde, texture du myocarde en fonction de la pathologie, etc.

Un autre projet comprend l'étude des séquences d'images radiologiques dans le but de caractériser les mouvements. Par exemple, on tente de déterminer le mouvement d'un agent de contraste dans les coronaires afin d'obtenir le champ de vitesse de l'écoulement sanguin. Ceci permet, entre autres, d'évaluer l'effet hémodynamique d'une sténose ou d'un pontage coronarien, ce qui est important pour le diagnostic, le suivi de la maladie ou le suivi postopératoire.

D'autres projets en traitement d'images radiographiques sont en cours. Ces projets visent à effectuer du rehaussement ou de la restauration d'images afin de mieux visualiser certaines structures anatomiques. Citons un projet pour la détermination automatique de parois ventriculaires à partir d'angiogrammes et un projet pour la mesure d'une sténose coronarienne. Enfin, un projet porte sur l'étude des divers problèmes associés à l'archivage, à la transmission et à la manipulation d'images biomédicales: problèmes de compression des données, étude de structure d'images, de protocole de transmission, etc.

Un autre projet a pour objet le développement d'une « caméra d'impédance », c'est-à-dire d'un instrument permettant de construire une coupe tomographique de la distribution de conductivité électrique du torse. Un tel système pourrait être utile, entre autres, pour faciliter l'étude de l'activité électrique à la surface du coeur à partir de mesures prises à la surface du thorax. Ce projet comprend des aspects instrumentation et imagerie.

Les images biomédicales sont aussi analysées dans le but d'en extraire des données géométriques utilisées pour modéliser des structures anatomiques diverses; ces données sont ensuite utilisées pour appuyer des travaux en modélisation ou même en conception de prothèses personnalisées. Ceci s'applique aux images radiologiques, échographiques et de résonance magnétique nucléaire (réf. Thème C).

Thème C: Biomécanique et biomatériaux/réadaptation

1. Modélisation et simulation des articulations

Les principales activités de recherche du secteur Biomécanique/Biomatériaux/Réadaptation sont effectuées au sein du Groupe de Recherche en Sciences et Technologies Biomédicales (GRSTB) et de l'Axe B du Centre FCAR. La programmation scientifique de ces activités sont décrites d'une façon plus détaillée dans les rapports annuels du GRSTB et du GRMB.

2. Biomécanique

Les recherches menées dans ce secteur concernent principalement le système musculo-squelettique et le contrôle moteur, et plus spécifiquement les articulations du genou, de la colonne vertébrale et le membre supérieur. Ces recherches menées conjointement avec des orthopédistes (Hôpital Ste-Justine et Hôtel-Dieu de Montréal) et des neurophysiologistes (Institut de Réadaptation de Montréal) visent l'étiologie, le traitement et la réadaptation des maladies articulaires (maux de dos, hernie discale, scoliose idiopathique...), des blessures ligamentaires et des maladies neuromusculaires.

Les projets de recherche en biomécanique sont de nature fondamentale et visent la compréhension du fonctionnement normal des articulations. L'approche utilisée consiste à développer des modèles théoriques en utilisant la méthode des éléments finis. Cette méthode, très puissante en mécanique, requiert des données géométriques et mécaniques des structures biologiques (ligaments, disques, fascia, cartilage, os...). Des techniques de reconstruction 3-D des structures osseuses de la colonne vertébrale et du genou sont actuellement en développement. De même, des méthodes de caractérisation des tissus biologiques ont été développées pour obtenir les propriétés mécaniques.

Toutefois, cette approche mécanique des structures biologiques présente une limite importante; elle ne tient pas compte des éléments vivants: les cellules et les muscles. Les travaux en cours visent donc en priorité la compréhension de la réponse cellulaire (remodelage, adaptation, régénération des tissus) à l'environnement mécanique (gravité, exercice physique, implants...) afin de développer des modèles prédictifs. Il en est de même de l'activité des muscles. À l'heure actuelle, on ne sait pas mesurer in vivo les forces musculaires, et donc comment en tenir compte dans les modèles mathématiques. Nos projets sur la coordination musculaire et le contrôle moteur visent à élucider la question de redondance des muscles et à développer une nouvelle génération de modèle intégrant les muscles.

3. Biomatériaux et réadaptation

En ce qui concerne les biomatériaux et la réadaptation, notre programmation consiste à développer des techniques de traitement des troubles neuromusculaires et articulaires (scoliose idiopathique, blessures ligamentaires, hémiplégies...). Parmi les réalisations technologiques importantes dans ce domaine, on peut citer la prothèse ligamentaire, le pied prothétique « Space-foot », le corset 3-D et la prothèse multifonctionnelle de la main. Cette technologie en orthopédie et  réadaptation est basée sur les recherches biomécaniques effectuées en amont. Les projets en cours dans ce domaine concernent l'ingénierie tissulaire qui vise à régénérer les tissus/organes en utilisant des matériaux biodégradables et la stimulation cellulaire. Les matériaux à mémoire de forme sont également à l'étude pour leur introduction en orthopédie et réadaptation. La chirurgie assistée par le virtuel, notamment l'implantation de prothèses ligamentaires et l'insertion de vis pédiculaires est en cours de développement.

Thème D: Modélisation/simulation biomédicale

Les activités de modélisation biomédicale sont concentrées principalement en électrocardiologie et en biomécanique. Elles recoupent des activités déjà décrites sous les deux thèmes Électrophysiologie Cardiaque (Thème A) et Biomécanique/Biomatériaux/Réadaptation (Thème C).

1. Électrophysiologie cardiaque

Les travaux consistent à intégrer les connaissances sur la propagation de l'activité électrique dans le tissu cardiaque avec la géométrie du coeur et du thorax pour produire des outils spécifiques pour le diagnostic cardiologique, l'évaluation de l'action de drogues et médicaments et l'enseignement des concepts de cardiologie. L'activité de recherche gravite actuellement autour des modèles suivants:

  • Modèles de phénomènes membranaires pour différents types de cellules cardiaques: noeud AV, fibres de Purkinje, tissus auriculaire et ventriculaire. Ils servent à expliciter l'importance respective de chaque composante ionique et le rôle de différentes pompes dans le maintien du potentiel de repos et dans le processus actif du potentiel d'action.
  • Modèles de propagation bi-dimensionnelle dans le tissu cardiaque pour comprendre les phénomènes de propagation, les mécanismes de bloc ainsi que l'action d'agents chimiques (médicaments, ions, substances toxiques, etc...).  
  • Modèles pour l'interprétation des potentiels extracellulaires en relation avec les potentiels membranaires dans le tissu sous-jacent au point d'enregistrement.
  • Modèles du coeur et du torse pour étudier le problème direct de l'électrocardiographie et ce dans les conditions normales et pathologiques comme l'ischémie et l'infarctus.
  • Modèles du torse et signaux électrocardiographiques pour étudier le problème inverse de l'électrocardiographie par la solution de la course du dipole mobile. Relations avec la vectocardiographie, l'électrocardiographie conventionnelle et la cartographie thoracique.
  • Ces activités ont permis de mettre au point des logiciels de simulation généraux capables de supporter de façon conviviale des usagers non spécialisés en modélisation. Ces outils permettent au plus grand nombre possible d'investigateurs biomédicaux d'utiliser des moyens puissants pour vérifier des hypothèses et effectuer des simulations.

2. Biomécanique

Les travaux intègrent le comportement biomécanique des articulations et les données géométriques afin d'évaluer l'état de sollicitation mécanique des articulations. Par exemple, les modèles suivants sont en développement:

  • Modèle du genou pour illustrer les forces en présence et les différents points d'appui dans la structure tri-dimensionelle complexe du genou. Ce modèle peut guider les plans de traitement et l'installation optimale de prothèses.
  • Modèle de la colonne vertébrale pour examiner sur une base tri-dimensionnelle les contraintes sur la colonne dans différentes postures et situations de travail.
  • Modèle de propagation électromyographique et interprétation des électromyogrammes.

3. Laboratoire de modélisation biomédicale

L'augmentation des besoins et la concentration des moyens technologiques nécessaires pour mener à bien une activité de modélisation et de simulation biomédicale à la fine pointe ont justifié de rendre disponible une ressource importante aux chercheurs de l'Institut: le Laboratoire de Modélisation Biomédicale (LMB). Le but de ce Laboratoire est de soutenir techniquement des recherches qui se situent à la frontière des connaissances biomédicales. Les modèles développés prennent la forme de logiciels sophistiqués auxquels s'ajoutent des représentations graphiques et des modalités d'interaction adaptées aux besoins des utilisateurs biomédicaux. Ils aident à mieux faire comprendre les mécanismes biologiques impliqués et servent à examiner de nouvelles hypothèses. La poursuite du développement de modèles dynamiques et leur transposition aux applications cliniques en médecine et à l'enseignement médical assisté par ordinateur constituent l'objectif principal du Laboratoire.

Les activités prévues devraient permettre de:

  1. répondre aux besoins de l'enseignement médical en fournissant des outils pédagogiques puissants et versatiles, permettant dans plusieurs cas l'apprentissage autodidacte;
  2. réduire l'utilisation d'animaux de laboratoire en enseignement et en recherche;
  3. améliorer plusieurs aspects des soins médicaux (diagnostic, tests médicaux, prescriptions de médicaments etc..);
  4. rendre disponible la connaissance de fine pointe grâce à des modèles capables de soutenir ces connaissances.

Au point de vue des ressources, le LMB a accès aux ressources informatiques de recherche affectées à la Faculté de médecine par les Services Informatiques de l'Université. L'accès à ces ressources est un apport important pour la productivité des chercheurs et des étudiants gradués. Il permet d'attaquer des problèmes d'une envergure nouvelle. En outre, le lien Ethernet entre le LMB, le réseau de l'Université, celui de l'École Polytechnique et ceux de certains centres de recherche hospitaliers offre une grande souplesse de fonctionnement. Finalement, les chercheurs ont accès au superordinateur Cray de l'Université de Pittsburgh pour effectuer leurs travaux.


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