Une équipe internationale de scientifiques de l’Université technologique de Nanyang, de Singapour (NTU Singapour), de l’Université Brown et du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a développé une plateforme d’intelligence artificielle (IA) qui pourrait un jour être utilisée dans un système d’évaluation des maladies vasculaires, qui sont caractérisés par l’état anormal des vaisseaux sanguins.
La plate-forme basée sur l’IA combine l’apprentissage automatique et une puce microfluidique spécialement conçue avec l’analyse d’images vidéo 2D de la circulation sanguine et l’application de lois physiques, pour déduire comment le sang circule en 3D. Dans les tests, il a prédit avec précision les caractéristiques du flux sanguin telles que la vitesse, la pression et la contrainte de cisaillement, qui est la contrainte exercée par le flux sanguin sur la paroi du vaisseau.
La capacité de déterminer ces caractéristiques avec précision pourrait être un soutien essentiel pour les cliniciens dans la détection et le suivi de la progression des maladies vasculaires, car les anomalies que la plate-forme pourrait repérer (telles qu’un changement brusque de vitesse ou une contrainte de cisaillement du flux sanguin) peuvent indiquer la présence. ou progression d’une maladie vasculaire.
La plate-forme et ses conclusions de validation de principe de l’équipe de recherche dirigée par le président de la NTU et professeur émérite d’université Subra Suresh, le professeur Brown George Em Karniadakis, et le chercheur principal du MIT et le professeur invité de la NTU, Ming Dao, sont rapportés dans les actes du National Académie des sciences des États-Unis d’Amérique, le 22 mars.
Pour valider la plateforme, les scientifiques l’ont testée sur des microanévrismes simulés de l’œil, à l’aide d’une puce microfluidique plus petite qu’une vignette. Les microanévrismes sont des renflements dans les vaisseaux sanguins à micro-échelle de l’œil d’un patient diabétique et sont les premiers signes de rétinopathie diabétique, la principale cause mondiale de perte de vision et aveugle chez les adultes diabétiques qui travaillent.
Lorsque la plate-forme d’IA a reçu des images du flux sanguin dans un appareil qui simule des microanévrismes, elle a réussi à prédire les caractéristiques de la circulation sanguine en son sein.
La plate-forme d’IA et le microanévrisme sur puce pourraient un jour aider les médecins à surveiller la progression des maladies vasculaires chez l’homme et pourraient être particulièrement utiles pour les maladies des plus petits vaisseaux sanguins du corps.
Le professeur Subra Suresh, auteur principal de l’étude, a déclaré:
Actuellement, la mesure de la mécanique du flux sanguin dans les plus petits vaisseaux sanguins nécessite un équipement sophistiqué et un personnel qualifié. Notre technologie d’intelligence artificielle intègre des images, des données expérimentales et la physique sous-jacente, ce qui permet d’analyser facilement et précisément le flux sanguin de la microcirculation pour évaluer les lésions vasculaires et l’état de la maladie. Avec cette plate-forme, nous pouvons désormais obtenir des informations mécaniques importantes et des connaissances sur les mécanismes d’évolution de la maladie qui étaient auparavant très difficiles à extraire. «
Alors que la plate-forme a été développée pour la surveillance des microanévrismes, elle pourrait être adaptée pour surveiller d’autres maladies des vaisseaux sanguins altérés, ont déclaré les scientifiques.
Le professeur George Karniadakis, co-auteur de l’étude et professeur d’ingénierie et de mathématiques appliquées à l’Université Brown, a déclaré: «Nous avons testé notre plateforme sur les microanévrismes, le premier symptôme de la rétinopathie diabétique, qui est la principale cause de perte de vision en âge de travailler. patients diabétiques dans le monde. Notre objectif ultime est d’utiliser la plate-forme dans des contextes cliniques pour le diagnostic et le pronostic de la rétinopathie diabétique ainsi que pour d’autres maladies impliquant une circulation sanguine altérée. «
L’équipe espère tester sa plateforme sur les données d’imagerie clinique des microanévrismes afin de corréler les caractéristiques du flux sanguin des microanévrismes à des facteurs tels que la gravité de la maladie et les risques potentiels.
Le défi de surveiller la progression de la maladie des vaisseaux sanguins
Malgré les progrès rapides des techniques d’imagerie telles que l’analyse de la photographie rétinienne et la tomographie par cohérence optique, il n’est pas possible d’observer en temps réel les processus biologiques en microcirculation, comme la rupture d’un microanévrisme dans les vaisseaux sanguins de l’œil et le développement de caillots sanguins.
En conséquence, pour en savoir plus sur la progression de ces maladies, les scientifiques ont utilisé des dispositifs microfluidiques traditionnels – des dispositifs qui circulent autour de minuscules quantités de fluides dans de minuscules canaux creusés dans une micropuce – pour imiter les conditions physiologiques d’une maladie vasculaire. Ces méthodes existantes, qui reposent soit sur l’analyse d’image visuelle, soit sur l’application des lois physiques sous-jacentes à la circulation sanguine, ne fournissent pas une évaluation précise des caractéristiques de la circulation sanguine, en particulier dans les vaisseaux à géométries complexes, comme un microanévrisme dans l’œil.
L’équipe de recherche a démontré les capacités de la plate-forme d’IA sur un microanévrisme sur puce, un dispositif microfluidique que l’équipe a conçu pour imiter le flux sanguin dans les microanévrismes ronds, le type le plus courant chez les patients diabétiques.
Un échantillon de sang de 20 microlitres – environ une demi-goutte de sang – a été chargé sur la puce et une caméra à grande vitesse a été utilisée pour capturer des images de sang se déplaçant à travers les microcanaux.
Les scientifiques ont découvert que leur plate-forme d’intelligence artificielle prédisait les caractéristiques du flux sanguin telles que la vitesse, la pression et le stress exercés par le flux sanguin sur la paroi des vaisseaux dans les microanévrismes petits, intermédiaires et grands de manière plus précise et efficace que les méthodes de calcul existantes.
L’équipe pense que leur technologie pourrait devenir un outil puissant dans le diagnostic et la surveillance des microanévrismes à l’aide d’images prises à partir de microanévrismes réels. Il pourrait également être potentiellement combiné avec des dispositifs microfluidiques qui simulent d’autres types de troubles impliquant des vaisseaux sanguins altérés pour prédire les caractéristiques du flux sanguin et surveiller d’autres maladies vasculaires.
La source:
Université technologique de Nanyang, Singapour
