Pour de nombreuses personnes, les troubles gastro-intestinaux (GI) sont des conditions chroniques et qui changent la vie. Pourtant, malgré leur prévalence, les médecins sont souvent mis au défi par les patients présentant des symptômes persistants sans aucune façon d'identifier et de diagnostiquer avec précision les maladies.
Lei Shi Shi, professeur adjoint de génie mécanique de l'Université d'État de Kennesaw, au Southern Polytechnic College of Engineering and Engineering Technology (SPCEET), s'efforce de changer cela. Soutenu par une récente subvention de la National Science Foundation (NSF), SHI dirige un projet de recherche qui pourrait modifier la façon dont les troubles gastro-intestinaux sont diagnostiqués et traités à l'aide de répliques virtuelles d'un estomac humain.
Cette recherche est personnelle pour moi. J'ai moi-même des problèmes d'estomac et je sais à quel point ils peuvent être perturbateurs. Beaucoup de gens ressentent de l'inconfort, des nausées ou des problèmes digestifs, mais après une endoscopie ou une imagerie, on leur dit que tout semble normal. Nous voulons comprendre ce qui se passe à un niveau plus profond. «
Lei Shi, professeur adjoint de génie mécanique, Southern Polytechnic College of Engineering and Engineering Technology, Kennesaw State University
L'approche de Shi est basée sur deux hypothèses clés. Premièrement, des changements microscopiques dans les propriétés mécaniques de l'estomac peuvent exister même lorsque l'organe semble normal. Deuxièmement, que les perturbations des modèles de signalisation électrique naturelle de l'estomac peuvent modifier la façon dont il se contracte et déplace les aliments. En combinant l'imagerie médicale avancée, les tests de biomécanique et la modélisation informatique, son équipe développe des «jumeaux numériques» spécifiques au patient. Ces jumeaux sont des modèles virtuels de l'estomac d'une personne qui simulent à la fois sa structure physique et son activité électrique.
La recherche implique une collaboration avec deux médecins à l'Université Emory, qui fournissent des données SHI, notamment des tomodensitométrie, des images d'endoscopie et une mesure spécialisée appelée manométrie, qui enregistre les changements de pression et la déformation dans l'estomac et l'œsophage. Dans son laboratoire de biomécanique intelligent sur le campus Marietta de KSU, SHI et son équipe intègrent ces données dans des modèles 3D, puis effectuent des tests biomécaniques tels que les tests de traction et biaxiaux pour déterminer la rigidité et l'élasticité du tissu.
« Deux estomacs peuvent se ressembler, mais l'un peut être raide tandis que l'autre est doux. Cette différence affecte la façon dont elle bouge », a déclaré Shi. « En combinant les propriétés mécaniques avec les modèles d'activité électrique, nous pouvons créer un modèle qui se comporte comme le vrai organe. »
Ces jumeaux numériques pourraient avoir des implications de grande envergure. Non seulement ils pourraient aider à détecter des changements subtils dans l'estomac que les outils actuels manquent, mais ils pourraient également servir de banc d'essai pour la planification du traitement.
« La recherche innovante du Dr Shi démontre le pouvoir de la collaboration pour créer une vie meilleure pour tous. » Spceet Dean Lawrence Whitman a déclaré. « En fusionnant l'ingénierie, l'informatique et la médecine, son travail a le potentiel de transformer à la fois la compréhension scientifique et les soins aux patients. »
La vision de Shi ne s'arrête pas à l'estomac. Ses objectifs incluent l'élargissement de la modélisation à l'ensemble du tractus gastro-intestinal de l'œsophage aux intestins et étudient son interaction avec d'autres systèmes, tels que l'axe du cerveau. Il prévoit également d'incorporer l'apprentissage automatique pour accélérer l'analyse et la prédiction. En appliquant les leçons apprises de son travail précédent modélisant le cœur, l'utérus et le col, Shi espère accélérer les progrès et développer une plate-forme virtuelle pour étudier la fonction digestive.
Les étudiants jouent également un rôle important dans cet effort. Shi a actuellement un doctorat. Étudiant travaillant sur le projet et recrute un chercheur doctoral supplémentaire pour rejoindre l'équipe. Avec une portée aussi importante et un accès à un équipement de laboratoire avancé, le projet offre une expérience pratique précieuse aux futurs ingénieurs et chercheurs.
« Ce qui m'excite le plus, c'est que le travail va au-delà du codage et des simulations », a déclaré Yue Li, un doctorat. Étudiant travaillant avec SHI. « J'ai l'occasion d'apprendre des expériences mécaniques de première main et de contribuer des données qui aident à valider nos modèles, ce qui rend la recherche vraiment significative. »
