« Sometimes, science is more art than science, Morty. A lot of people don’t get that »
Rick Sanchez
Sommaire
6.1 Contributions . . . 164 6.2 Perspectives . . . 165
6.1 Contributions
Ce manuscrit de thèse a proposé une contribution notable en direction du dévelop-pement d’un dispositif multimodal pour l’imagerie fonctionnelle de la ME. Il a abordé d’abord la problématique du milieu médical, qui se distingue par la limite des connais-sances actuelles quant à l’environnement biologique et à son fonctionnement propre. Pour cela, une étude détaillée des structures en jeu a été réalisée, dans le but de dis-tinguer les dépendances entre le système développé et l’environnement dans lequel la mesure est effectuée. Puis, en focalisant sur le front-end optoélectronique, on a ana-lysé en détail les interactions entre la lumière et la matière vivante, pour en déduire des paramètres clefs que l’on a traduit par une sélection de critères pour choisir les composants qui constituent notre dispositif. Bien que l’état de l’art ne concerne prin-cipalement que des sites typiques de mesure (doigt, langue), on a su développer une architecture système dédiée à l’acquisition des variations hémodynamiques, image de l’activité neuronale, ainsi qu’à la mesure de la saturation en oxygène. Pour cela, nous avons dû prendre en compte de nombreux aspects théoriques et pratiques parfois très changeants. Cette approche précautionneuse a nécessité la fabrication de nombreux prototypes, qui ont profité d’une caractérisation approfondie in situ. La corrélation de ces données a permis une utilisation fructueuse de ces prototypes sur le modèle porcin. Ces résultats in vivo constituent la première preuve de faisabilité de cette mesure sur le gros animal que l’on a su valoriser dans la littérature. Ces contributions nous amènent aux conclusions suivantes :
• L’anatomie de la ME, abritée au sein de la colonne vertébrale ne peut être dis-sociée de la conception. Les caractérisations optiques montrent plusieurs ordres de grandeur quant à l’atténuation que subit le flux lumineux, en comparaison avec les sites classiques d’observation.
• Le système circulatoire de la ME est différent de celui d’une extrémité, ce qui modifie grandement le motif typique du PPG. Ainsi, les méthodes de traitement du signal usuelles ne sont plus applicables. Des méthodes dédiées doivent être développées.
• En conséquence du point précédent, le calcul de la consommation en oxygène dans la ME doit dépendre des paramètres in vivo et non de facteurs d’approxi-mation prédéterminés.
• La variabilité de l’environnement biologique est un obstacle majeur quant à la théorisation complète des conditions de mesure. Pour cela, la conception d’un dispositif de monitoring par IOD ne peut se reposer entièrement sur des modèles et doit passer par une calibration in situ.
• La recherche d’un compromis entre la consommation du dispositif et la qualité de l’acquisition repose sur un choix attentif des composants et d’une architecture pertinente.
6.2 Perspectives
La perspective finale des travaux débutés à travers cette thèse est le développement d’un implant actif pour le monitorage chronique local de l’activité métabolique et électrique de la ME chez le vertébré (dispositif médical de classe III dès 2020 par le fait qu’il sera actif et s’intéressera à une partie du SNC). Différentes applications ont été identifiées et exposées dans ce manuscrit. Aussi, avant d’imaginer un marquage C et se confronter à la directive 93/42/CEE, bon nombre d’étapes sont à franchir.
Avant tout, en raison de l’aspect novateur de la démarche, les données présentées dans ces travaux ont subi l’absence d’une méthode de référence pertinente et de réelles données préliminaires, qui auraient permis de mieux mettre en perspective les apports de ce dispositif et son dimensionnement. Le cerveau est en effet fort étudié de longue date, mais il n’en est pas de même de cette autre partie du SNC qu’est la ME. Ces travaux comblent ce manque. Et, sur la base de ceux-ci, des expérimentations nouvelles sont à prévoir. Plus complexes, de par les protocoles déjà discutés avec les partenaires, nous visons notamment une meilleure compréhension du couplage neurovasculaire au niveau de la ME. Cela conduira alors à s’interroger sur les conditions d’un potentiel transfert de ce type de technologie chez l’homme. De plus, le déphasage observé sur les PPG, à priori dû au LCR, sera étudié plus en profondeur.
La comparaison de la mesure avant et après laminectomie, démontre que la vertèbre ajoute un facteur 10 à l’atténuation du flux lumineux. Bien que favorable, la suppression des lames de la vertèbre se situe dans une classe de pratiques médicales bien distincte, qui est principalement composée par les actes orthopédiques (redressement de scoliose, par exemple). Pouvant être vue comme très invasive, elle se distingue du premier cas applicatif visé, qui penche du côté des opérations thoracoabdominales. Dans ce cadre, un développement spécifique à chacune de ces deux visions est à envisager.
D’autre part, le dispositif de mesure présenté dans ces travaux a démontré la faisabi-lité de la mesure dans un environnement contrôlé. Il appartient maintenant de confirmer que le caractère embarqué, pris en compte dans le développement, permet en effet d’ef-fectuer cette mesure en tant que dispositif implanté à court, puis à moyen terme. Pour cela, l’efficacité énergétique est un facteur d’importance majeure qui nécessite l’emploi de sources lumineuses optimales, tels que des VCSEL. Comme discuté, leur utilisation permettra non seulement de réduire la consommation globale, mais aussi de se rappro-cher des modèles théoriques actuels de propagation de la lumière. L’aspect implantable pourra également profiter des avancées considérables des télécommunications sans fils et de la télé-alimentation, afin de proposer une expérimentation avec implantation, ré-veil du sujet et qui permettra de poursuivre la surré-veillance tout au long d’une période d’activités naturelles. La biocompatibilité est aussi un chantier auquel il est obligatoire de s’atteler. L’étude du rendement lumineux vis-à-vis des éventuelles fibroses en est un exemple.
souhai-table dans la mesure où les composants utilisés dans ces travaux ont été sélectionnés sur étagère et que les dispositifs de test développés se voulaient avant tout ergonomiques. La réalisation d’un système sur puce nous permettrait en effet de gagner en performances et en encombrement. Nous préconisons l’emploi des dernières technologies, permettant d’associer dans le substrat la source lumineuse, l’électronique de commande, mais aussi de photodétection. Celle-ci pourrait être réalisée à partir de capteurs optiques de type CMOS APS (Active Pixel Sensor) associant des photodiodes à multiples jonctions PN enterrées (BQJ ou autres) avec une architecture de post-traitement local pour un gain de consommation principalement.
Après ce traitement local, les données télétransmises vers l’extérieur du corps doivent être traitées plus en profondeur. Émanant des différents capteurs (optiques, mais aussi ESG, température et autres), l’analyse du flot de données pourra aller jusqu’au déve-loppement de modèles neuronaux spécifiques, tels que ceux développés au LIB pour l’IRMf ou l’emploi du deep learning, très présent au LIP6.
Une fois les précédents points acquis, la mise en place du réseau d’implants mi-niaturisés est aussi une perspective prometteuse. Elle permettrait l’acquisition d’in-formations complémentaires précieuses pour l’ensemble de la communauté médicale (rôle de la ME, son fonctionnement en interaction avec le cerveau, son autonomie dans le contrôle sensorimoteur), via une cartographie fonctionnelle de la ME du vertébré observé.
Enfin, les données originales générées par ces travaux de thèse méritent d’être mises à profit dans des modélisations multiphysiques. Une simulation d’un tel type aura pour avantage de permettre une réduction du besoin des expérimentations in vivo puisqu’elle sera à l’origine d’une virtualisation complète de l’environnement biologique. On pourra ainsi prévoir, avant expérimentation, la majeure partie des performances (prototypage virtuel) pour comprendre et anticiper certains phénomènes non attendus. Cela permettra aussi d’éprouver les méthodes de traitement qui sont à développer. Pour finir, cette modélisation multiphysique, effectuée sous forme de blocs élémentaires autorisera la modularité. De ce fait, tous les développements réalisés pourront être employés, par la suite, pour le déploiement d’autres applications.