Un superordinateur pour prévoir les risques d’insuffisance coronarienne

Une technologie mise au point par un laboratoire suisse1 permet de reproduire le système sanguin en 3D et en mouvement. Elle devrait permettre, d’ici deux ou trois ans, de prévoir les risques d’insuffisance coronarienne pour un patient en particulier. Il s’agit de l’un des premiers résultats obtenus grâce au supercalculateur Cadmos installé à l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne en août 2009 (illustration et encart ci-dessous).

Artères coronaires gauches montrant la ramification des vaisseaux et les globules rouges (10 microns de diamètres). A titre de comparaison, la plus longue artère représentée ne fait que quelques centimètres.

Artères coronaires gauches montrant la ramification des vaisseaux et les globules rouges (10 microns de diamètres). A titre de comparaison, la plus longue artère représentée ne fait que quelques centimètres.

L’insuffisance coronarienne, un manque d’oxygénation du muscle cardiaque lié à l’artériosclérose, est responsable de 12 % des décès dans le monde d’après les chiffres de l’Organisation mondiale de la santé. Ce qui en fait la première cause de mortalité. Dans les pays à haut revenu, ce pourcentage s’élève même à plus de 16 %. Le processus ressemble à celui du calcaire qui bouche les conduits d’un réseau de distribution d’eau. Les protéines qui transportent le cholestérol seraient responsables de la formation des plaques qui obstruent peu à peu les vaisseaux. Au fil des années, ces dépôts s’imprègnent progressivement de plaquettes, de cellules sanguines, de calcium, se solidifient et empêchent le sang de circuler normalement.

La technologie développée permet de conceptualiser en 3D l’écoulement sanguin dans ses moindres détails, jusqu’à une échelle de 10 microns (1/100e de millimètre), soit le détail du mouvement des globules rouges (illustration ci-dessus), des plaquettes, et d’autres microparticules. Les endroits propices aux dépôts délétères peuvent donc être détectés avant leur apparition. Plus largement elle va permettre une étude approfondie et inédite du système sanguin.
Sur la base d’un scanner, le superordinateur a permis aux chercheurs de visualiser un système sanguin complet avec une précision pouvant aller jusqu’à 10 microns. L’intérêt de cette recherche est motivé par le rôle crucial joué par l’hémodynamique (étude des propriétés du flux sanguin) dans l’initiation et l’évolution sur le long terme des maladies cardiovasculaires.

«L’étude du système artériel humain doit prendre en compte les interactions de nombreux phénomènes fluides à différentes échelles de temps et d’espace. Un outil en 3D est essentiel à la compréhension de cette complexité»,

explique Simone Melchionna, responsable du projet.

Cette simulation implique un milliard de variables pour représenter le fluide couplé avec le mouvement de dix millions de cellules rouges, interagissant les unes avec les autres, et avec le fluide environnant. Grâce au modèle réalisé par l’équipe, six heures sont maintenant suffisantes pour établir la carte complète du système coronarien d’une personne sur le supercalculateur.

Le laboratoire étudie des systèmes encore plus complexes sur autre supercalculateur situé au centre de calcul de Juelich en Allemagne. La technique permet de voir les éléments qui composent le flux sanguin: plasma, globules rouges, microparticules, à plusieurs échelles et aide à baliser les risques cardiovasculaires.

«On peut aller jusqu’à évaluer la déformation de tous ces éléments, comment ils tournent sur eux-mêmes, bougent, coulent, stagnent, récupèrent du matériel liquide. La précision va jusqu’à 10 microns»,

explique le chercheur.

D’autres études ont montré que la géométrie du système sanguin, variable pour chaque personne, affecte significativement les schémas de circulation locaux du sang ainsi que la pression sur la paroi des vaisseaux.

La prochaine étape sera d’établir, d’ici deux ou trois ans, un programme utilisable sur des ordinateurs moins puissants, dans un cabinet médical.2

Vue éclatée de la configuration du Blue Gene/P de CADMOS

Vue éclatée de la configuration du Blue Gene/P de CADMOS

Le projet CADMOS

Le projet lémanique CADMOS (pour Center for Advanced Modeling Science ou Centre de modélisation scientifique avancée), qui associe les Universités de Genève (UNIGE) et de Lausanne (UNIL) et l’EPFL, s’inscrit dans l’initiative HP2C (Swiss Platform for High-Performance and High Productivity Computing) qui a pour objectif de développer un programme de recherche national et un réseau d’utilisateurs pour le calcul à très hautes performances.
Au coeur de CADMOS se situe un ordinateur de haute puissance et grande capacité de stockage, l’IBM modèle Blue Gene/P qui est entré en fonction à mi-septembre. Ce superordinateur massivement parallèle est doté de 4096 noeuds de calcul quadri-coeur (soit l’équivalent de 8 000 PC) et de 16 TB (Térabytes) de mémoire, pour une puissance de calcul théorique maximale de 56 TéraFLOPS (56 x 1012 opérations à virgule flottante par seconde). Le système offre en outre 1 PB (1000 TB) d’espace disque et un débit de lecture/écriture fichier pouvant atteindre jusqu’à 10 GB/s.3

Notes et références

  1. Le Laboratoire de modélisation multi-échelles des matériaux de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suisse. []
  2. Adapté du communiqué de presse EPFL []
  3. Sources : Nouveau Blue Gene/P et Le projet CADMOS. []

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