Les applications biomédicales sont souvent multiphysiques par nature, des implants de pompes cardiaques mécaniques aux dispositifs de stockage de vaccins en passant par les analyseurs d’hématologie. La simulation multiphysique peut donc contribuer à révolutionner la conception et l’analyse de dispositifs et procédés biomédicaux. Nous partageons ici 8 exemples concrets montrant comment les ingénieurs et chercheurs de l’industrie biomédicale utilisent le logiciel COMSOL Multiphysics pour faire progresser leurs conceptions innovantes capables de sauver des vies.
1. Dispositifs d’assistance ventriculaire gauche (DAVG)
Une insuffisance cardiaque, ou une insuffisance cardiaque congestive, affecte plus de 6 millions d’adultes ne serait-ce qu’aux États-Unis. Cette pathologie courante se produit lorsque le coeur ne pompe pas assez de sang et d’oxygène pour l’ensemble du corps. Une façon d’aider à soulager l’insuffisance cardiaque consiste à utiliser un dispositif d’assistance ventriculaire gauche (DAVG), une pompe mécanique fournissant un soutien circulatoire lorsqu’elle est implantée dans la poitrine. Les DAVG sont souvent vus comme des “ponts vers la transplantation”, puisqu’ils sont généralement utilisés pour traiter les patients en attente d’une transplantation cardiaque. Cependant, ils peuvent également être utilisés comme des options de traitement sur le long terme pour les patients qui ne peuvent pas recevoir une transplantation cardiaque du fait de problèmes médicaux sous-jacents.
Comme on peut l’attendre, les DAVG ont souvent une conception complexe. Ils doivent être:
- Suffisamment puissants pour fonctionner correctement (gamme d’environ 10 watts)
- Suffisamment petits pour se loger dans la poitrine d’un patient
- Fabriqués à partir de matériaux compatibles avec le corps humain
Pour concevoir un DAVG possédant l’ensemble de ces qualités, les chercheurs de Abbott Laboratories se sont appuyés sur la simulation. Par exemple, ils ont utilisé COMSOL Multiphysics comme aide à la conception de la pompe centrifuge du DAVG. Pour éviter que le sang ne coagule dans et autour de la pompe (un défi récurrent lors de la conception de DAVG), les chercheurs ont opté pour l’utilisation d’un rotor en sustentation magnétique dans la conception du DAVG. En utilisant le logiciel, les chercheurs ont pu modéliser et analyser le rotor et l’écoulement turbulent dans le DAVG.
Une simulation du rotor en sustentation magnétique (en haut à gauche), une simulation CFD de l’écoulement dans la chambre de la pompe (en bas à gauche), et une illustration de la pompe centrifuge d’un DAVG (à droite).
De plus, les chercheurs ont effectué une analyse de l’impact mécanique du contrôleur du DAVG pour étudier sa résilience. Le contrôleur aide à alimenter, contrôler et surveiller les performances du DAVG.
“J’utilise COMSOL Multiphysics tous les jours, de modèles de preuves de concept à des simulations relativement sophistiquées s’appuyant sur des géométries CAO détaillées et des physiques couplées. Je travaille des mois avec des modèles complexes avant d’en avoir extrait toutes les informations que je veux.”
– Freddy Hansen, ingénieur R&D senior chez Abbott Laboratories
2. Stockage de vaccins
Selon les Centres pour le contrôle et la prévention des maladies (CDC), le stockage des vaccins joue un rôle majeur dans la lutte contre la propagation de maladies et affections communes et évitables. Malheureusement, de nombreux vaccins se détériorent et sont jetés du fait de leurs exigences strictes en matière de température.
Dans le cadre du programme Global Good, des innovateurs d’Intellectual Ventures (IV) ont conçu un dispositif passif de stockage de vaccin (DPSV) permettant de transporter de façon sécurisée des vaccins dans n’importe quelle partie du monde. Lorsqu’il est utilisé, il est conçu pour conserver les vaccins dans une gamme de température allant de 0°C à 10°C avec un seul chargement de glace. Son boîtier fournit une isolation multicouches, composées de fines couches réflectives en aluminium, un espace faiblement conducteur, et un espace vide non conducteur. Le DPSV ne nécessite aucune alimentation externe pour fonctionner.
Une simulation thermique d’un DPSV dans COMSOL Multiphysics.
Au cours de sa phase de conception, les chercheurs ont testé la performance de plusieurs prototypes de DPSV dans une chambre d’essais climatiques avec des températures similaires à celles trouvées en Afrique subsaharienne. Pour optimiser la conception de leur système de DPSV, avant de construire des prototypes, l’équipe a utilisé COMSOL Multiphysics et une sélection de ses modules complémentaires, incluant le module Heat Transfer et le module Molecular Flow.
En s’appuyant sur l’expérimentation et la simulation, l’équipe a pu concevoir un DPSV facile à transporter, conservant les vaccins froids pour une durée pouvant aller jusqu’à un mois, permettant un transport sûr des vaccins dans l’ensemble des régions du monde — et même dans des zones ayant un accès limité, voire pas d’électricité.
3. Technologie d’ablation
En 2020, le cancer du foie était la troisième cause la plus fréquente de décès liés au cancer dans le monde, représentant plus de 800 000 vies perdues. Cette maladie est parfois traitée par ablation, un traitement peu invasif pouvant détruire des tumeurs hépatiques sans les retirer. Deux types d’ablation pour le traitement du cancer du foie incluent:
- L’ablation radio-fréquence (RF), qui utilise une sonde sous forme d’aiguille pour délivrer un courant à haute fréquence pour chauffer et tuer les cellules cancéreuses au sein d’une tumeur
- L’ablation micro-ondes (MW), qui utilise une sonde sous forme d’aiguille pour envoyer des ondes électromagnétiques pour détruire les cellules cancéreuses au sein d’une tumeur
Un défi récurrent rencontré par de nombreux professionnels administrant ce type de traitement par ablation est qu’ils n’ont pas accès à un retour en temps réel sur l’efficacité de ces procédures. Pour remédier à ce problème, une équipe de chercheurs chez Medtronic, l’un des leaders du développement de technologies d’ablation RF et MW, a utilisé la simulation pour concevoir de nouvelles sondes d’ablation avec une prédictivité et une efficacité augmentées. Dans leur travail, l’équipe a utilisé COMSOL Multiphysics et le module RF pour optimiser les propriétés d’émission et de réception des sondes.
4. Presbytie
Lorsque nous vieillissons, il devient de plus en plus difficile pour nos yeux de se focaliser sur des objets proches. Cette affection, connue sous le nom de presbytie, touche la plupart des gens dans le monde aux environs de 65 ans. La principale cause de presbytie est le changement de forme du cristallin, une structure mince dans l’oeil. Dans notre jeunesse, cette lentille est mince et flexible, mais elle devient de plus en plus épaisse et de moins en moins flexible avec le temps. Lorsqu’elle n’est pas corrigée, la presbytie est la cause la plus fréquente de déficience visuelle.
Cette affection peut être atténuée par le port de lunettes, de lentilles de contact, ou par l’utilisation d’une simple loupe. La chirurgie réfractive est une forme de traitement plus poussée. Cependant, toutes ces options ont leurs propres inconvénients et limitations.
Un modèle de l’oeil humain utilisé pour aider à étudier la presbytie.
Pour avancer dans l’étude de la presbytie et traiter les causes premières de la presbytie, les chercheurs chez Kejako, une entreprise de dispositifs médicaux basée en Suisse, ont créé un modèle mécanique 3D de l’oeil humain. En utilisant COMSOL Multiphysics, l’équipe a pu modéliser à la fois les aspects mécaniques et optiques de l’oeil humain. La version finale de leur modèle simule la progression naturelle de la presbytie avec précision.
5. IRM-Linac
Une équipe de recherche du Cross Cancer Institute au Canada a conçu un dispositif innovant pouvant visualiser et traiter les cellules cancéreuses au sein du corps humain. Le dispositif, connus sous le nom d’IRM-Linac, rassemble un accélérateur de particules linéaire (Linac) et une imagerie par résonance magnétique (IRM) dans un seul système. Il est conçu pour cibler et traiter n’importe quelle tumeur, en mouvement ou non, et éviter l’endommagement de tissus sains autour du site de la tumeur.
Pour optimiser la conception de ce dispositif hybride, les chercheurs ont eu besoin d’analyser les phénomènes physiques pouvant s’opposer à un fonctionnement optimal de l’IRM-Linac. Pour ce faire, les chercheurs se sont tournés vers la simulation multiphysique…
Configuration du système IRM-Linac.
L’une des première simulations effectuées par l’équipe devait permettre de déterminer la taille optimale d’une plaque de blindage en acier. Cette plaque serait utilisée dans l’IRM-Linac pour protéger le Linac du champ magnétique de l’IRM. En utilisant COMSOL Multiphysics, ils ont pu concevoir un blindage optimisé avec un rayon de 30 cm et une épaisseur de 6 cm — soit le tiers de la taille du design initial.
De plus, les chercheurs voulaient concevoir un IRM-Linac générant un faisceau électronique de 10 mégaélectronvolt (MeV). Cela permettrait au système de traiter une grande variété de types de cancer. A l’origine, ils ont estimé que le Linac nécessiterait un guide d’onde de 70 cm pour générer 10 MeV. En s’appuyant sur la simulation, ils ont constaté qu’un guide d’onde de 30 cm était suffisant. En réduisant la longueur du guide d’onde, les chercheurs ont pu construire une pièce plus petite pour accueillir l’IRM-Linac, économisant à la fois du temps et de l’argent.
6. Analyse hématologique
Il est de la plus haute importance que les tests en laboratoire, comme les analyses hématologiques, soient conçus avec la plus grande précision, étant donné qu’à l’heure actuelle ces tests influencent 70% des décisions médicales.
Chez HORIBA Medical, un fournisseur mondial d’équipement de diagnostic médical, d’hématologie et de chimie clinique sont conçus en gardant à l’esprit les critères suivants:
- Vitesse
- Précision
- Taille
- Ergonomie
La simulation permet à HORIBA Medical de répondre à ces critères de conception.
Une illustration du système d’ouverture dans l’ABX Pentra® Series Analyzers.
En s’appuyant sur la simulation, Horiba Medical a pu par exemple améliorer le système de micro-ouverture positionné entre les électrodes dans le Pentra® Series, l’un de leurs analyseurs hématologiques les plus avancés. En utilisant COMSOL Multiphysics, ils ont analysé une diversité de processus physiques complexes qui se produisent dans ce système, incluant la vitesse du fluide, la perte de charge à travers l’ouverture, le transfert de chaleur, et les champs électriques.
“Comme il s’agit d’un système très petit, il est très difficile d’effectuer des mesures expérimentales. La simulation nous permet d’améliorer des processus auxquels nous n’avons pas accès avec de simples prototypes physiques.”
– Damien Isèbe, ingénieur en calcul scientifique chez HORIBA Medical.
7. Trieur de cellules
Des chercheurs chez The Technology Partnership (TTP plc) ont conçu un dispositif de tri cellulaire microfluidique pouvant être utilisé dans le cadre du traitement du cancer et d’une variété d’autres maladies. Leur dispositif, le trieur de cellules actionné par vortex (VACS, pour vortex-actuated cell sorter), contient un canal d’entrée et est conçu pour trier les cellules biologiques sur deux canaux de sortie:
- Cellules à élminer
- Cellules d’intérêt
Comparé aux trieurs de cellules traditionnels, le VACS est plus rapide, plus maniable (il mesure 1 mm sur 0.25 mm), plus ergonomique et jetable. En outre, contrairement aux trieurs de cellulaires traditionnels, le VACS utilise une impulsion thermique à bulle de vapeur pour fonctionner correctement.
Composants du trieur cellulaire actionné par vortex.
Selon l’équipe TTP, la simulation multiphysique était nécessaire pour concevoir le VACS. Par exemple, en utilisant un modèle de dynamique des fluides, ils ont simulé et analysé l’effet de la technologie d’impulsion thermique à bulle de vapeur du dispositif. Grâce à cela, l’équipe a pu rapidement construire un prototype fonctionnel du VACS, l’un des trieurs cellulaires les plus compacts du monde. La simulation les a également aidés à valider leur design.
8. Stent à élution médicamenteuse
La sténose de l’artère coronaire survient lorsque les artères du coeur sont obstruées par l’accumulation de plaque. Les patients atteints de cette pathologie peuvent souffrir d’essoufflement, de douleurs thoraciques, de vertiges, etc.
Pour traiter cette pathologie, les professionnels de santé utilisent parfois un petit stent métallique pour maintenir ouverte une artère bloquée. Cependant, des tissus peuvent se développer autour du stent, entraînant à nouveau le rétrécissement de l’artère. Une façon de remédier à ce développement tissulaire excessif consiste à utiliser un stent actif, enduit d’un médicament et conçu pour réduire la prolifération de cellules dans l’artère. Pour mieux comprendre comment ces stents fonctionnent, une équipe d’ingénieurs chez Boston Scientific, un concepteur innovant de dispositifs médicaux, a utilisé la simulation multiphysique.
Une illustration d’un vaisseau sanguin obstrué par de la plaque (en haut à gauche), l’insertion et l’expansion d’un stent dans un vaisseau sanguin obstrué par une plaque (en haut à droite), et un stent en fonctionnement dans un vaisseau sanguin (en bas).
Dans ses travaux, l’équipe de Boston Scientific a modélisé et analysé le profil de libération du revêtement d’un stent à élution médicamenteuse. (Le profil de libération est le taux auquel le revêtement médicamenteux se dissout dans les tissus du vaisseau). Cette recherche a aidé l’équipe à concevoir un stent à libération de principe actif avec un profil de libération contrôlable, adaptable aux besoins propres de chaque patient.
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ABX Pentra et Pentra sont des marques déposées de HORIBA ABX SAS.
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