National audienceUn modèle numérique du coeur et des fonctions cardiaques, c'est presque pour demain. Médecins et informaticiens s'associent pour s'attaquer aux maladies cardiovasculaires, la première cause de mortalité dans le monde

Delingette, Hervé

Fernández, Miguel Angel

Garot, Jérôme

Ripart, Alain

Hal-Diderot

Simulation : Le coeur nume´rique par Herve´ Delingette
et Miguel Fernandez. De l’ordinateur a` la clinique,
entretien avec Je´roˆme Garot, propos recueillis par
Dominique Chouchan. Ame´liorer les performances des
implants cardiaques par Alain Ripart
Herve´ Delingette, Miguel Angel Ferna´ndez, Je´roˆme Garot, Alain Ripart
To cite this version:
Herve´ Delingette, Miguel Angel Ferna´ndez, Je´roˆme Garot, Alain Ripart. Simulation : Le coeur
nume´rique par Herve´ Delingette et Miguel Fernandez. De l’ordinateur a` la clinique, entretien
avec Je´roˆme Garot, propos recueillis par Dominique Chouchan. Ame´liorer les performances des
implants cardiaques par Alain Ripart. Les Cahiers de l’INRIA - La Recherche, INRIA, 2008,
Newton les alchimistes et la science. <inria-00547225>
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destine´e au de´poˆt et a` la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publie´s ou non,
e´manant des e´tablissements d’enseignement et de
recherche franc¸ais ou e´trangers, des laboratoires
publics ou prive´s.

ILes cahiers de L’iNria  la recherche - février 2008 - N0 416 -
En France, on dénombre quelque 150 000 morts 
par an d’origine cardiovasculaire, soit un tiers 
du nombre total de décès. Confronté à ce pro-
blème de santé publique, le secteur médical se 
tourne de plus en plus vers une médecine quan-
titative mais aussi personnalisée, en s’appuyant 
à la fois sur le formidable développement de 
l’imagerie médicale et sur les possibilités de 
modélisation offertes par l’informatique. L’en-
jeu est triple : mieux comprendre le fonction-
nement du cœur, améliorer la prévention et le 
diagnostic, assurer un suivi et une évaluation 
des thérapies. Le projet CardioSense3D, qui vise 
à réaliser un simulateur de l’activité cardiaque, 
s’inscrit dans ce contexte (voir encadré p. II). Il 
fait d’ores et déjà l’objet d’une évaluation sur 
des données animales et sur des patients victi-
mes d’arythmie.
Comme chacun sait, le cœur est un muscle 
dont la fonction est d’assurer la circulation du 
sang dans l’organisme. Il est constitué du cœur 
droit et du cœur gauche, chacun étant formé de 
deux cavités : une oreillette et un ventricule. 
Le ventricule droit envoie le sang vers les 
poumons tandis que le gauche se charge 
d’alimenter le reste du corps, cette éjec-
tion résultant de la contraction du myo-
carde (tissu cardiaque). La contraction 
est contrôlée par la propagation, des 
oreillettes aux ventricules, d’une onde 
dite de dépolarisation électrique : celle-ci 
est induite par la dépolarisation de proche en 
proche des cellules musculaires (passage d’un 
potentiel négatif à une valeur positive), qui en-
suite se repolarisent, et ainsi de suite. On sait 
que la capacité du tissu cardiaque à se contrac-
ter dépend de l’apport (perfusion) d’oxygène 
aux cellules par les artères coronaires. Mais le 
mécanisme de couplage entre des impulsions 
électriques et leur effet mécanique est encore 
mal connu. 
Comment rendre compte de la complexité de 
cette machine-cœur [fig. 1] ? Depuis quelques 
années, l’imagerie numérique (scanner, IRM…) 
permet au cardiologue de la visualiser en trois 
dimensions avec une précision croissante. L’as-
sociation de ces images aux enregistrements de 
signaux électriques (électrocardiogrammes), de 
pression…, ouvre la voie à des approches quanti-
Le cœur numérique
Un modèle numérique du cœur 
et des fonctions cardiaques, c’est 
presque pour demain. Médecins 
et informaticiens s’associent pour 
s’attaquer aux maladies cardiovascu-
laires, la première cause de mortalité 
dans le monde.
les cahiers de
l’INRIA
rendez-vous avec les sciences et technologies de l’information et de la communication
EDITORIAL
SIMULATION
Les ordinateurs sont devenus de plus en plus 
puissants et, pour certains, de plus en plus 
invisibles, se logeant dans tous les recoins 
de notre vie quotidienne : carte bancaire, té-
léphone, automobile… Demain, plus encore 
qu’aujourd’hui, nous interagirons avec eux 
de manière « naturelle », par la parole voire 
par le geste. Mais au-delà, de nouvelles disci-
plines scientifiques sont nées de l’hybridation 
entre certaines sciences séculaires et l’infor-
matique : la bioinformatique, la mécanique 
des fluides numérique… La Recherche et 
l’INRIA ont décidé de raconter, chaque mois 
et par l’exemple, cette formidable aventure 
des sciences et technologies de l’information 
et de la communication. Bonne lecture.
Jean-Michel Ghidaglia, 
Directeur scientifique de 
La Recherche
Claude Puech,  
Directeur scientifique de 
l’INRIA
Fig. 1 : Le muscle  
cardiaque est constitué 
de fibres qui s’enroulent 
autour des ventricules, 
une architecture à prendre 
en compte pour sa  
modélisation. Cette 
reconstruction  
tridimensionnelle 
représente l’architec-
ture « moyenne » de cet 
ensemble de fibres à partir 
d’images IRM de diffusion 
de 9 cœurs canins. 
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les cahiers de
l’INRIA
II - Les cahiers de L’iNria  la recherche - février 2008 - N0 416
tatives. Reste que ces données sont encore trop 
partielles pour guider avec assez de rigueur le 
geste clinique. D’où l’idée de modéliser le cœur 
sur la base d’une description mathématique 
des mécanismes biophysiques en jeu. C’est le 
premier défi qu’entend relever CardioSense3D. 
Le second consiste à personnaliser le modèle, 
autrement dit à pouvoir le paramétrer en fonc-
tion de chaque patient.
Les travaux de recherche en physiologie car-
diaque, notamment ceux menés depuis une 
trentaine d’années par des équipes des univer-
sités d’Auckland (Nouvelle-Zélande) et d’Oxford 
(Grande-Bretagne), ont permis de décrire préci-
sément les mécanismes ioniques en jeu dans 
la propagation de l’onde de dépolarisation, 
ainsi que l’influence de l’organisation 
des fibres et des feuillets cardiaques (as-
semblage de fibres) dans la contraction / 
relaxation. Mais si ces approches intè-
grent divers processus physicochimi-
ques à plusieurs échelles, elles condui-
sent à des modèles très complexes donc 
peu adaptés à des situations cliniques. 
C’est pourquoi nous avons fondé notre 
démarche sur une modélisation de moin-
dre complexité avec un nombre de varia-
bles en adéquation avec le type de données 
disponibles lors des examens cliniques (dia-
gnostic, planification des thérapies…)(1). Nous 
avons par ailleurs privilégié l’idée d’un modèle 
macroscopique (à l’échelle des tissus et non de 
la cellule). Sur la base de ces principes, nous 
avons modélisé les deux ventricules du cœur à 
l’aide d’un maillage volumique. Notre modèle 
permet de simuler la fermeture et l’ouverture 
des valves avec les quatre phases du cycle car-
diaque : remplissage, éjection, contraction et re-
laxation [fig. 2]. Il permet également de simuler 
l’effet de pathologies comme une contractilité 
réduite des tissus après infarctus. 
Pour personnaliser ce modèle, il faut identifier le 
jeu de paramètres le plus pertinent pour rendre 
compte des observations faites sur un individu 
donné (2). Un problème difficile car il est hors de 
question de tester toutes les combinaisons de 
paramètres possibles. D’où l’idée de faire appel 
à des méthodes d’assimilation de données (plus 
couramment utilisées dans d’autres secteurs 
tels que la météorologie). Elles consistent à af-
finer le modèle de manière itérative jusqu’à mi-
nimiser l’écart entre les quantités simulées et 
les quantités observées : volume de sang éjecté, 
électrocardiogramme (3), etc.
Reste l’étape de validation sur des cas réels. A 
ce jour, une bonne adéquation existe pour les 
quantités globales du mouvement (courbes de 
pression et de débit sanguin), mais au niveau lo-
cal, plusieurs aspects (déformation et potentiel 
électrique) doivent encore être étudiés. C’est 
l’objet de travaux menés en parallèle à l’hôpi-
tal Henri-Mondor (Créteil) et au Guy’s Hospital 
(Londres). Cette étape nécessite entre autres 
d’acquérir et de fusionner dans un même réfé-
rentiel des données d’origines diverses (élec-
trocardiogrammes, images scanner, rayons X, 
IRM…) sur l’anatomie, le mouvement cardiaque 
et l’électrophysiologie cardiaque. 
Une étude préliminaire sur deux patients souf-
frant d’arythmie, réalisée en collaboration avec 
le Guy’s Hospital, a déjà montré la bonne qua-
lité du modèle(4). Mais 
la validation est un 
travail de longue ha-
leine. Sa poursuite va 
bénéficier de l’enver-
gure européenne don-
née au projet de cœur 
numérique, à la faveur 
du projet européen 
EuHeart (7e PCRD) 
dont CardioSense3D est l’un des 15 partenaires 
et qui démarre en 2008. H.G. et M.F. 
Hervé Delingette, directeur de recherche 
INRIA (Sophia Antipolis), est le responsable de 
l’action CardioSense3D.
Miguel Fernandez, chercheur INRIA 
(Rocquencourt), est le responsable adjoint de 
l’action CardioSense3D.
CardioSense3D en bref
Action d’envergure nationale lancée par l’INRIA en 2005, CardioSense3D 
associe 4 équipes de l’Institut (Sophia-Antipolis, Rocquencourt), ainsi 
qu’une demi-douzaine de partenaires académiques, deux industriels 
et cinq institutions hospitalières. Pour plus d’informations, voir le site 
du projet (www-sop.inria.fr/CardioSense3D/) et le film réalisé par l’IN-
RIA (www.interstices.info/cœur-numerique). 
 (1) J. Bestel, F. Clément, 
M. Sorine, A Biome-
chanical Model of 
Muscle Contraction, 
in Proceedings of 
MICCAI’01, Springer, 
2001.
 (2) P. Moireau,  
D. Chapelle,  
P. Le Tallec, Joint state 
and parameter esti-
mation for distributed 
mechanical systems, 
Computer Methods in 
Applied Mechanics and 
Engineering, 2008.
 (3) M. Boulakia, M.A. 
Fernández, J.-F. 
Gerbeau, N. Zemzemi, 
Towards the numerical 
simulation of electro-
cardiograms, in Procee-
dings of the FIMH07, 
Springer, 2007.
 (4) M. Sermesant, H. 
Delingette, and N. 
Ayache. An Electro-
mechanical Model of 
the Heart for Image 
Analysis and Simula-
tion. IEEE Transactions 
in Medical Imaging, 
25 (5), 2006.
SIMULATION
Un modèle 
adapté à 
chaque patient
Fig. 2 : Simulation de la 
contraction (à droite) des 
deux ventricules lors de la 
phase d’éjection du sang. Le 
code couleur traduit l’état 
d’excitation électrique : les 
couleurs froides pour un 
potentiel d’action négatif 
(dépolarisation), les couleurs 
chaudes pour un potentiel 
d’action positif.
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IIILes cahiers de L’iNria  la recherche - février 2008 - N0 416 -
Qu’attendez-vous en priorité d’une modéli-
sation numérique du cœur dans le cadre de 
votre démarche clinique ? 
Jérôme Garot : Après un infarctus du myocarde, 
ou au cours d’une maladie cardiaque, nous 
sommes confrontés à la question de savoir 
comment va évoluer la mor-
phologie du cœur, en particu-
lier du ventricule gauche (la 
partie du cœur généralement 
atteinte), mais aussi à celle 
de l’évolution de la fonction 
cardiaque. On appelle cela le 
remodelage ventriculaire gauche, dont la pré-
diction à l’échelle individuelle est encore très 
hasardeuse. Ce problème est la motivation 
première de notre engagement dans Cardio-
Sense3D, qui se propose de décrire à la fois la 
mécanique et la géométrie cardiaques, mais 
aussi leur évolution sous l’effet de diverses 
contraintes, notamment de pathologies. 
Plus précisément, sur quels aspects porte 
votre collaboration avec les informati-
ciens ? 
J. G. : Pour notre part, nous offrons notre exper-
tise clinique. Nous disposons en particulier de 
modèles animaux (essentiellement des porcs) 
qui nous permettent de produire des images 
(par scanner et IRM) extrêmement fines du 
volume, de la morphologie et de la fonction du 
ventricule gauche. Ces images sont réalisées 
sur des animaux sains et sur des animaux victi-
mes d’infarctus (provoqué par voie chirurgica-
le). Les informaticiens s’en servent pour affiner 
leurs modèles mathématiques. 
Le passage du modèle animal au modèle 
humain est-il envisageable à court terme ? 
J. G. : Nous n’en sommes pas encore là. Nos tra-
vaux portent actuellement sur le cochon, de 
cœur très similaire au nôtre, que ce soit en ter-
mes de morphologie, de comportement méca-
nique, de fréquence cardiaque, etc. Mais avant 
de nous lancer dans une application à l’homme, 
nous devons encore affiner le modèle. Ce sera 
en particulier la tâche d’un jeune doctorant 
tchèque, dont la thèse est codirigée par Dominique 
Chapelle (de l’INRIA) et moi-même. Après seule-
ment, on pourra envisager une phase de valida-
tion sur la base de données et images recueillies 
sur une population de patients. A terme, et si 
le modèle est validé, nous comptons l’utiliser 
pour prédire à l’échelon individuel l’évolution 
de telle ou telle pathologie.
Comment se passe la communication entre 
médecins et informaticiens ? 
J. G. : Pour ma part, j’ai une double formation : 
je suis médecin cardiologue mais j’ai égale-
ment une formation en traitement d’images. Et 
depuis plus d’une dizaine d’années, nous avons 
de multiples collaborations avec des équipes 
d’ingénieurs informaticiens et mathématiciens 
dans le domaine biomédical, que ce soit avec 
l’Ecole centrale, l’Ecole nationale des ponts et 
chaussées, l’Ecole supérieure d’ingénieurs en 
électrotechnique et électronique (ESIEE), etc. 
Avez-vous connaissance au travers de vos 
collaborations, en France ou à l’étranger, 
de tentatives similaires ? 
J. G. : Il existe en effet d’autres recherches en 
la matière, mais le modèle CardioSense3D 
est le mieux adapté à notre problématique : 
en particulier sur le remodelage et l’évolution 
du ventricule gauche. Il va en outre nous aider 
à progresser dans la compréhension de certains 
mécanismes physiopathologiques et à étudier 
la réponse, ou l’absence de réponses, à des 
traitements.
Propos recueillis par Dominique Chouchan
D’UNe fRONTIèRe à L’AUTRe
Entretien avec Jérôme Garot
De l’ordinateur à la clinique
Les patients victimes de troubles ou 
d’accidents cardiaques devraient à 
terme pouvoir bénéficier de traite-
ments personnalisés.
Jérôme Garot,  
professeur des 
universités et 
praticien hospitalier, 
est cardiologue à 
l’hôpital Henri- 
Mondor (Créteil). Il 
y est responsable de 
l’imagerie cardiaque 
non invasive. Il dirige 
l’unité de soins des 
patients présentant 
une pathologie 
coronaire et est 
coresponsable du 
développement du 
programme clinique 
et de recherche sur 
l’IRM cardiaque.
d.
R.
IV - Les cahiers de L’iNria  la recherche - février 2008 - N0 416
« Les stimulateurs cardiaques, ou pace-makers, 
se sont énormément perfectionnés depuis le 
premier implant, il y a une cinquantaine d’an-
nées. Il en va de même des défibrillateurs im-
plantables, apparus près de trente ans plus tard, 
et maintenant largement diffusés. Les pace-ma-
kers ont pour fonction de remédier aux problè-
mes de conduction électrique (interruption ou 
ralentissement) entre oreillettes et ventricules 
(bradycardie). Les défibrillateurs ventriculaires 
servent à régulariser le rythme cardiaque lors-
que celui-ci devient trop rapide (tachycardie) et/
ou désordonné (fibrillation). Les stimulateurs 
multisites biventriculaires dont on doit l’inven-
tion à des équipes françaises à la fin des années 
1990, resynchronisent les deux ventricules au 
moyen d’électrodes positionnées en plusieurs 
sites. Ils permettent d’optimiser le flux sanguin 
et donc d’apporter une meilleure qualité de vie 
et une plus grande longévité à certains patients 
souffrant d’insuffisance cardiaque réfractaire 
aux traitements médicamenteux. 
Comment améliorer les performances des im-
plants cardiaques multisites ? C’est pour répon-
dre à cette question que nous nous sommes in-
téressés au modèle et au simulateur cardiaques 
réalisés dans le cadre de CardioSense3D. Nous 
disposons actuellement d’algorithmes et de 
divers capteurs hémodynamiques pour ajuster 
nos dispositifs à chaque patient. Le simulateur 
CardioSense3D devrait par exemple nous aider 
à mieux positionner les électrodes dans le cas 
d’une stimulation cardiaque multisites et ainsi 
à réduire le nombre de patients ne répondant 
pas à la thérapie. Grâce à la modélisation numé-
rique de l’activité électrique du cœur et de son 
comportement électromécanique, nous serons 
en mesure de simuler l’effet de la resynchroni-
sation des ventricules et ceci avant l’interven-
tion sur le patient. 
Des outils qui se complètent
Ce simulateur nous intéresse également sur le 
plan du diagnostic. Il s’appuie en effet sur un 
maillage extrêmement 
fin du cœur. En outre, 
les chercheurs ont dé-
veloppé un modèle de 
conduction de l’influx 
électrique du cœur jus-
qu’à la surface du tho-
rax. Or pour notre part, nous disposons de deux 
types de bases de données : l’une est constituée 
de signaux enregistrés sur des patients via des 
sondes placées au sein du cœur (électrogram-
mes), l’autre d’électrocardiogrammes de ces 
mêmes patients (signaux recueillis sur le tho-
rax). Nous avons mis au point, avec des équipes 
de l’Inserm, du CHU et de l’université de Ren-
nes, des outils mathématiques pour passer des 
électrogrammes aux électrocardiogrammes. 
Nous allons désormais pouvoir confronter nos 
résultats avec ceux du modèle numérique Car-
dioSense3D et ainsi améliorer l’ensemble de ces 
outils. L’objectif est d’affiner notre interpréta-
tion de ces signaux et d’établir des diagnostics 
plus précis à partir des implants. 
Le modèle de l’INRIA et nos propres outils nu-
mériques jouent ainsi des rôles parfaitement 
complémentaires. Le premier est un modèle 
raffiné mais très complexe. Il nous permet 
d’analyser de manière fine, en temps différé, 
les problèmes électromécaniques du cœur sur 
lesquels nous nous penchons. Le second, l’outil 
que nous avons développé avec les équipes de 
Rennes est lui destiné à des applications en 
temps réel. » Alain Ripart
« Améliorer les performances 
des implants cardiaques » 
Simuler le positionnement et l’efficacité d’un implant 
cardiaque avant toute intervention permettrait d’aug-
menter les chances de succès.
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TRANSfeRTl’INRIA
les cahiers de
Alain Ripart est vice-président et directeur 
scientifique de la société ELA-Médical (Sorin 
Group), un leader européen dans le domaine  
des dispositifs implantables pour le traitement 
des troubles du rythme cardiaque.
d.
R.


Simulation : Le coeur numérique par Hervé Delingette et Miguel Fernandez. De l'ordinateur à la clinique, entretien avec Jérôme Garot, propos recueillis par Dominique Chouchan. Améliorer les performances des implants cardiaques par Alain Ripart

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HAL Id: inria-00547225https://hal.inria.fr/inria-00547225Submitted on 15 Dec 2010HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestinée au dépôt et à la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publiés ou non,émanant des établissements d’enseignement et derecherche français ou étrangers, des laboratoirespublics ou privés.Simulation : Le coeur numérique par Hervé Delingetteet Miguel Fernandez. De l’ordinateur à la clinique,entretien avec Jérôme Garot, propos recueillis parDominique Chouchan. Améliorer les performances desimplants cardiaques par Alain RipartHervé Delingette, Miguel Angel Fernández, Jérôme Garot, Alain RipartTo cite this version:Hervé Delingette, Miguel Angel Fernández, Jérôme Garot, Alain Ripart. Simulation : Le coeurnumérique par Hervé Delingette et Miguel Fernandez. De l’ordinateur à la clinique, entretien avecJérôme Garot, propos recueillis par Dominique Chouchan. Améliorer les performances des implantscardiaques par Alain Ripart. Les Cahiers de l’INRIA - La Recherche, INRIA, 2008, Newton lesalchimistes et la science. ￿inria-00547225￿ILes cahiers de L’iNria  la recherche - février 2008 - N0 416 -En France, on dénombre quelque 150 000 morts par an d’origine cardiovasculaire, soit un tiers du nombre total de décès. Confronté à ce pro-blème de santé publique, le secteur médical se tourne de plus en plus vers une médecine quan-titative mais aussi personnalisée, en s’appuyant à la fois sur le formidable développement de l’imagerie médicale et sur les possibilités de modélisation offertes par l’informatique. L’en-jeu est triple : mieux comprendre le fonction-nement du cœur, améliorer la prévention et le diagnostic, assurer un suivi et une évaluation des thérapies. Le projet CardioSense3D, qui vise à réaliser un simulateur de l’activité cardiaque, s’inscrit dans ce contexte (voir encadré p. II). Il fait d’ores et déjà l’objet d’une évaluation sur des données animales et sur des patients victi-mes d’arythmie.Comme chacun sait, le cœur est un muscle dont la fonction est d’assurer la circulation du sang dans l’organisme. Il est constitué du cœur droit et du cœur gauche, chacun étant formé de deux cavités : une oreillette et un ventricule. Le ventricule droit envoie le sang vers les poumons tandis que le gauche se charge d’alimenter le reste du corps, cette éjec-tion résultant de la contraction du myo-carde (tissu cardiaque). La contraction est contrôlée par la propagation, des oreillettes aux ventricules, d’une onde dite de dépolarisation électrique : celle-ci est induite par la dépolarisation de proche en proche des cellules musculaires (passage d’un potentiel négatif à une valeur positive), qui en-suite se repolarisent, et ainsi de suite. On sait que la capacité du tissu cardiaque à se contrac-ter dépend de l’apport (perfusion) d’oxygène aux cellules par les artères coronaires. Mais le mécanisme de couplage entre des impulsions électriques et leur effet mécanique est encore mal connu. Comment rendre compte de la complexité de cette machine-cœur [fig. 1] ? Depuis quelques années, l’imagerie numérique (scanner, IRM…) permet au cardiologue de la visualiser en trois dimensions avec une précision croissante. L’as-sociation de ces images aux enregistrements de signaux électriques (électrocardiogrammes), de pression…, ouvre la voie à des approches quanti-Le cœur numériqueUn modèle numérique du cœur et des fonctions cardiaques, c’est presque pour demain. Médecins et informaticiens s’associent pour s’attaquer aux maladies cardiovascu-laires, la première cause de mortalité dans le monde.les cahiers del’INRIArendez-vous avec les sciences et technologies de l’information et de la communicationEDITORIALSIMULATIONLes ordinateurs sont devenus de plus en plus puissants et, pour certains, de plus en plus invisibles, se logeant dans tous les recoins de notre vie quotidienne : carte bancaire, té-léphone, automobile… Demain, plus encore qu’aujourd’hui, nous interagirons avec eux de manière « naturelle », par la parole voire par le geste. Mais au-delà, de nouvelles disci-plines scientifiques sont nées de l’hybridation entre certaines sciences séculaires et l’infor-matique : la bioinformatique, la mécanique des fluides numérique… La Recherche et l’INRIA ont décidé de raconter, chaque mois et par l’exemple, cette formidable aventure des sciences et technologies de l’information et de la communication. Bonne lecture.Jean-Michel Ghidaglia, Directeur scientifique de La RechercheClaude Puech,  Directeur scientifique de l’INRIAFig. 1 : Le muscle  cardiaque est constitué de fibres qui s’enroulent autour des ventricules, une architecture à prendre en compte pour sa  modélisation. Cette reconstruction  tridimensionnelle représente l’architec-ture « moyenne » de cet ensemble de fibres à partir d’images IRM de diffusion de 9 cœurs canins. © INRIA cARdIoseNse 3dles cahiers del’INRIAII - Les cahiers de L’iNria  la recherche - février 2008 - N0 416tatives. Reste que ces données sont encore trop partielles pour guider avec assez de rigueur le geste clinique. D’où l’idée de modéliser le cœur sur la base d’une description mathématique des mécanismes biophysiques en jeu. C’est le premier défi qu’entend relever CardioSense3D. Le second consiste à personnaliser le modèle, autrement dit à pouvoir le paramétrer en fonc-tion de chaque patient.Les travaux de recherche en physiologie car-diaque, notamment ceux menés depuis une trentaine d’années par des équipes des univer-sités d’Auckland (Nouvelle-Zélande) et d’Oxford (Grande-Bretagne), ont permis de décrire préci-sément les mécanismes ioniques en jeu dans la propagation de l’onde de dépolarisation, ainsi que l’influence de l’organisation des fibres et des feuillets cardiaques (as-semblage de fibres) dans la contraction / relaxation. Mais si ces approches intè-grent divers processus physicochimi-ques à plusieurs échelles, elles condui-sent à des modèles très complexes donc peu adaptés à des situations cliniques. C’est pourquoi nous avons fondé notre démarche sur une modélisation de moin-dre complexité avec un nombre de varia-bles en adéquation avec le type de données disponibles lors des examens cliniques (dia-gnostic, planification des thérapies…)(1). Nous avons par ailleurs privilégié l’idée d’un modèle macroscopique (à l’échelle des tissus et non de la cellule). Sur la base de ces principes, nous avons modélisé les deux ventricules du cœur à l’aide d’un maillage volumique. Notre modèle permet de simuler la fermeture et l’ouverture des valves avec les quatre phases du cycle car-diaque : remplissage, éjection, contraction et re-laxation [fig. 2]. Il permet également de simuler l’effet de pathologies comme une contractilité réduite des tissus après infarctus. Pour personnaliser ce modèle, il faut identifier le jeu de paramètres le plus pertinent pour rendre compte des observations faites sur un individu donné (2). Un problème difficile car il est hors de question de tester toutes les combinaisons de paramètres possibles. D’où l’idée de faire appel à des méthodes d’assimilation de données (plus couramment utilisées dans d’autres secteurs tels que la météorologie). Elles consistent à af-finer le modèle de manière itérative jusqu’à mi-nimiser l’écart entre les quantités simulées et les quantités observées : volume de sang éjecté, électrocardiogramme (3), etc.Reste l’étape de validation sur des cas réels. A ce jour, une bonne adéquation existe pour les quantités globales du mouvement (courbes de pression et de débit sanguin), mais au niveau lo-cal, plusieurs aspects (déformation et potentiel électrique) doivent encore être étudiés. C’est l’objet de travaux menés en parallèle à l’hôpi-tal Henri-Mondor (Créteil) et au Guy’s Hospital (Londres). Cette étape nécessite entre autres d’acquérir et de fusionner dans un même réfé-rentiel des données d’origines diverses (élec-trocardiogrammes, images scanner, rayons X, IRM…) sur l’anatomie, le mouvement cardiaque et l’électrophysiologie cardiaque. Une étude préliminaire sur deux patients souf-frant d’arythmie, réalisée en collaboration avec le Guy’s Hospital, a déjà montré la bonne qua-lité du modèle(4). Mais la validation est un travail de longue ha-leine. Sa poursuite va bénéficier de l’enver-gure européenne don-née au projet de cœur numérique, à la faveur du projet européen EuHeart (7e PCRD) dont CardioSense3D est l’un des 15 partenaires et qui démarre en 2008. H.G. et M.F. Hervé Delingette, directeur de recherche INRIA (Sophia Antipolis), est le responsable de l’action CardioSense3D.Miguel Fernandez, chercheur INRIA (Rocquencourt), est le responsable adjoint de l’action CardioSense3D.CardioSense3D en brefAction d’envergure nationale lancée par l’INRIA en 2005, CardioSense3D associe 4 équipes de l’Institut (Sophia-Antipolis, Rocquencourt), ainsi qu’une demi-douzaine de partenaires académiques, deux industriels et cinq institutions hospitalières. Pour plus d’informations, voir le site du projet (www-sop.inria.fr/CardioSense3D/) et le film réalisé par l’IN-RIA (www.interstices.info/cœur-numerique).  (1) J. Bestel, F. Clément, M. Sorine, A Biome-chanical Model of Muscle Contraction, in Proceedings of MICCAI’01, Springer, 2001. (2) P. Moireau,  D. Chapelle,  P. Le Tallec, Joint state and parameter esti-mation for distributed mechanical systems, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2008. (3) M. Boulakia, M.A. Fernández, J.-F. Gerbeau, N. Zemzemi, Towards the numerical simulation of electro-cardiograms, in Procee-dings of the FIMH07, Springer, 2007. (4) M. Sermesant, H. Delingette, and N. Ayache. An Electro-mechanical Model of the Heart for Image Analysis and Simula-tion. IEEE Transactions in Medical Imaging, 25 (5), 2006.SIMULATIONUn modèle adapté à chaque patientFig. 2 : Simulation de la contraction (à droite) des deux ventricules lors de la phase d’éjection du sang. Le code couleur traduit l’état d’excitation électrique : les couleurs froides pour un potentiel d’action négatif (dépolarisation), les couleurs chaudes pour un potentiel d’action positif.© INRIA cARdIoseNse 3dIIILes cahiers de L’iNria  la recherche - février 2008 - N0 416 -Qu’attendez-vous en priorité d’une modéli-sation numérique du cœur dans le cadre de votre démarche clinique ? Jérôme Garot : Après un infarctus du myocarde, ou au cours d’une maladie cardiaque, nous sommes confrontés à la question de savoir comment va évoluer la mor-phologie du cœur, en particu-lier du ventricule gauche (la partie du cœur généralement atteinte), mais aussi à celle de l’évolution de la fonction cardiaque. On appelle cela le remodelage ventriculaire gauche, dont la pré-diction à l’échelle individuelle est encore très hasardeuse. Ce problème est la motivation première de notre engagement dans Cardio-Sense3D, qui se propose de décrire à la fois la mécanique et la géométrie cardiaques, mais aussi leur évolution sous l’effet de diverses contraintes, notamment de pathologies. Plus précisément, sur quels aspects porte votre collaboration avec les informati-ciens ? J. G. : Pour notre part, nous offrons notre exper-tise clinique. Nous disposons en particulier de modèles animaux (essentiellement des porcs) qui nous permettent de produire des images (par scanner et IRM) extrêmement fines du volume, de la morphologie et de la fonction du ventricule gauche. Ces images sont réalisées sur des animaux sains et sur des animaux victi-mes d’infarctus (provoqué par voie chirurgica-le). Les informaticiens s’en servent pour affiner leurs modèles mathématiques. Le passage du modèle animal au modèle humain est-il envisageable à court terme ? J. G. : Nous n’en sommes pas encore là. Nos tra-vaux portent actuellement sur le cochon, de cœur très similaire au nôtre, que ce soit en ter-mes de morphologie, de comportement méca-nique, de fréquence cardiaque, etc. Mais avant de nous lancer dans une application à l’homme, nous devons encore affiner le modèle. Ce sera en particulier la tâche d’un jeune doctorant tchèque, dont la thèse est codirigée par Dominique Chapelle (de l’INRIA) et moi-même. Après seule-ment, on pourra envisager une phase de valida-tion sur la base de données et images recueillies sur une population de patients. A terme, et si le modèle est validé, nous comptons l’utiliser pour prédire à l’échelon individuel l’évolution de telle ou telle pathologie.Comment se passe la communication entre médecins et informaticiens ? J. G. : Pour ma part, j’ai une double formation : je suis médecin cardiologue mais j’ai égale-ment une formation en traitement d’images. Et depuis plus d’une dizaine d’années, nous avons de multiples collaborations avec des équipes d’ingénieurs informaticiens et mathématiciens dans le domaine biomédical, que ce soit avec l’Ecole centrale, l’Ecole nationale des ponts et chaussées, l’Ecole supérieure d’ingénieurs en électrotechnique et électronique (ESIEE), etc. Avez-vous connaissance au travers de vos collaborations, en France ou à l’étranger, de tentatives similaires ? J. G. : Il existe en effet d’autres recherches en la matière, mais le modèle CardioSense3D est le mieux adapté à notre problématique : en particulier sur le remodelage et l’évolution du ventricule gauche. Il va en outre nous aider à progresser dans la compréhension de certains mécanismes physiopathologiques et à étudier la réponse, ou l’absence de réponses, à des traitements.Propos recueillis par Dominique ChouchanD’UNe fRONTIèRe à L’AUTReEntretien avec Jérôme GarotDe l’ordinateur à la cliniqueLes patients victimes de troubles ou d’accidents cardiaques devraient à terme pouvoir bénéficier de traite-ments personnalisés.Jérôme Garot,  professeur des universités et praticien hospitalier, est cardiologue à l’hôpital Henri- Mondor (Créteil). Il y est responsable de l’imagerie cardiaque non invasive. Il dirige l’unité de soins des patients présentant une pathologie coronaire et est coresponsable du développement du programme clinique et de recherche sur l’IRM cardiaque.d.R.IV - Les cahiers de L’iNria  la recherche - février 2008 - N0 416« Les stimulateurs cardiaques, ou pace-makers, se sont énormément perfectionnés depuis le premier implant, il y a une cinquantaine d’an-nées. Il en va de même des défibrillateurs im-plantables, apparus près de trente ans plus tard, et maintenant largement diffusés. Les pace-ma-kers ont pour fonction de remédier aux problè-mes de conduction électrique (interruption ou ralentissement) entre oreillettes et ventricules (bradycardie). Les défibrillateurs ventriculaires servent à régulariser le rythme cardiaque lors-que celui-ci devient trop rapide (tachycardie) et/ou désordonné (fibrillation). Les stimulateurs multisites biventriculaires dont on doit l’inven-tion à des équipes françaises à la fin des années 1990, resynchronisent les deux ventricules au moyen d’électrodes positionnées en plusieurs sites. Ils permettent d’optimiser le flux sanguin et donc d’apporter une meilleure qualité de vie et une plus grande longévité à certains patients souffrant d’insuffisance cardiaque réfractaire aux traitements médicamenteux. Comment améliorer les performances des im-plants cardiaques multisites ? C’est pour répon-dre à cette question que nous nous sommes in-téressés au modèle et au simulateur cardiaques réalisés dans le cadre de CardioSense3D. Nous disposons actuellement d’algorithmes et de divers capteurs hémodynamiques pour ajuster nos dispositifs à chaque patient. Le simulateur CardioSense3D devrait par exemple nous aider à mieux positionner les électrodes dans le cas d’une stimulation cardiaque multisites et ainsi à réduire le nombre de patients ne répondant pas à la thérapie. Grâce à la modélisation numé-rique de l’activité électrique du cœur et de son comportement électromécanique, nous serons en mesure de simuler l’effet de la resynchroni-sation des ventricules et ceci avant l’interven-tion sur le patient. Des outils qui se complètentCe simulateur nous intéresse également sur le plan du diagnostic. Il s’appuie en effet sur un maillage extrêmement fin du cœur. En outre, les chercheurs ont dé-veloppé un modèle de conduction de l’influx électrique du cœur jus-qu’à la surface du tho-rax. Or pour notre part, nous disposons de deux types de bases de données : l’une est constituée de signaux enregistrés sur des patients via des sondes placées au sein du cœur (électrogram-mes), l’autre d’électrocardiogrammes de ces mêmes patients (signaux recueillis sur le tho-rax). Nous avons mis au point, avec des équipes de l’Inserm, du CHU et de l’université de Ren-nes, des outils mathématiques pour passer des électrogrammes aux électrocardiogrammes. Nous allons désormais pouvoir confronter nos résultats avec ceux du modèle numérique Car-dioSense3D et ainsi améliorer l’ensemble de ces outils. L’objectif est d’affiner notre interpréta-tion de ces signaux et d’établir des diagnostics plus précis à partir des implants. Le modèle de l’INRIA et nos propres outils nu-mériques jouent ainsi des rôles parfaitement complémentaires. Le premier est un modèle raffiné mais très complexe. Il nous permet d’analyser de manière fine, en temps différé, les problèmes électromécaniques du cœur sur lesquels nous nous penchons. Le second, l’outil que nous avons développé avec les équipes de Rennes est lui destiné à des applications en temps réel. » Alain Ripart« Améliorer les performances des implants cardiaques » Simuler le positionnement et l’efficacité d’un implant cardiaque avant toute intervention permettrait d’aug-menter les chances de succès.Coordination rédactionnelle : Dominique Chouchan - Réalisation graphique : e-GraphicsTRANSfeRTl’INRIAles cahiers deAlain Ripart est vice-président et directeur scientifique de la société ELA-Médical (Sorin Group), un leader européen dans le domaine  des dispositifs implantables pour le traitement des troubles du rythme cardiaque.d.R.

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Simulation : Le coeur numérique par Hervé Delingette et Miguel Fernandez. De l'ordinateur à la clinique, entretien avec Jérôme Garot, propos recueillis par Dominique Chouchan. Améliorer les performances des implants cardiaques par Alain Ripart

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