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WP-5 Simulation et modélisation d'images

Modélisation et simulation numériques sont des disciplines aujourd'hui incontournables pour aborder une grande variété de questions en sciences biomédicales, que celles-ci concernent la compréhension des systèmes biologiques complexes, la conception de dispositifs d'imagerie de haute technologie ou encore la planification des traitements de thérapie par irradiation. Modélisation et simulation jouent un rôle majeur dans l'exploitation et l'amélioration des modalités d'imageries existantes, ainsi que dans l'invention de nouveaux concepts d'imagerie (par exemple, conception et développement de nouvelles instrumentations; test de nouveaux algorithmes de reconstruction). Les défis principaux sont de développer et de valider expérimentalement des outils de simulation polyvalents, qui soient à la fois précis et rapides, et qui permettent ainsi d’aborder des problèmes de complexité croissante.

Plusieurs initiatives internationales, dont les projets européens EU-Heart et VPH (réseau d'excellence de Physiologique Humaine Virtuelle) développent des méthodologies pour la médecine numérique, personnalisée et prédictive. L'exactitude des modèles numériques fournis aux simulateurs est un point central de la simulation et de la modélisation. Des modèles patients-spécifiques tirés des techniques de CT ou de MRI montrent des applications croissantes de simulation dans divers domaines. Le contrôle très précis de la dose déposée au sein du patient lors d’une irradiation thérapeutique ou lors d'une imagerie est également un défi majeur de santé publique, comme cela est étudié par plusieurs consortia européens (ENVISION, ULICE, PARTNER). L’intensité du travail informatique dans la simulation exige une étape supplémentaire d'abstraction des ressources tout en respectant les applications. Des plates-formes à grande échelle basées sur la mutualisation de grands groupes (GRIDS comme EGI, Teragrid, Décrypthon), de grands centres de données (Clouds tel les Services Web d'Amazone, Rackspace) ou les collections de PC volontaires (Destktop computing platforms) sont maintenant disponibles pour les chercheurs.

De plus, certains partenaires participent activement au réseau européen d’excellence VPH et ont l'expertise de plusieurs modalités d'imagerie incluant le MRI, le CT, le PET, l’imagerie ultrasonique ainsi que les compétences pour développer des modalités futures. Comparé à d'autres plates-formes, l'originalité principale réside dans le critère de multi-modalité, comme illustré par le projet de Plate-forme d'Imagerie Virtuel (le VIP). Des modèles basés sur l’image ont été utilisés dans des simulations pour des applications diverses, afin de prendre en compte les effets de postures sur la position et sur la forme des organes abdominaux et thoraciques.
Les partenaires de ce LabEx sont aussi impliqués dans le projet collaboratif européen ENVISION, débuté en 2010, dans lequel le WP6 est consacré aux simulations en hadronthérapie.
Une attention particulière est donnée aux deux plates-formes open-source suivantes : les projets de Plate-forme d'Imagerie Virtuelle (VIP) et GATE, basés sur une boîte à outils de type GEANT4 Monte Carlo, utilisée par plus de 1500 utilisateurs dans le monde. Les chercheurs de ce WP contribuent activement à cette plate-forme et au GATE-lab, une plate-forme en ligne pour faire fonctionner GATE sur des ressources de calcul distribuées. Les partenaires ont également une expertise solide et internationalement reconnue du calcul de haute performance. Cette expertise couvre entre autrre le développement de DIET utilisé par le projet Décrypthon qui a été la base pour créer la société spin off Sysfera, la planification des flux de modèles de programmation parallèle et distribuée, des optimisations de nuage et la mise en réseau de PC volontaires, l'accès facilité aux grillages pour les simulations.
Un autre objectif de ce WP est de développer des modèles géométriques et de biomécaniques du patient afin de simuler le mouvement des organes pendant la respiration ainsi que des modèles des salles d’irradiation pour la sécurisation du traitement.

Le workpackage 5 suit l’idée que, à l'horizon 2020, les avancées réalisées dans les domaines de la modélisation et de la simulation assureront de nouveaux services médicaux, dans lequel chaque patient apportera son propre avatar numérique personnalisé construit à partir d’images récoltées in vivo et utilisable dans des traitements simulés ou lors d’imagerie en vue de planifications médicales futures. Les partenaires développeront des outils spécifiques pour l'imagerie virtuelle multimodale, pour la simulation du dépôt de dose, pour la modélisation virtuelle des tissus, des organes et des tumeurs, pour la modélisation spécifique du patient, y compris la modélisation électrique ou biomécanique. De plus, ce WP abordera l’informatique de haut niveau, ainsi que les problématiques de stockage et de traitement des données. Les avancées dans le domaine de la simulation offrent de nouvelles perspectives pour l’étude des modèles biologiques, l'évaluation quantitative des méthodes d'analyse d'image, la conception de nouveaux dispositifs d'imagerie ou encore le développement d’algorithmes de reconstruction en relation étroite avec le WP4.

Thèses PRIMES portant sur les thématiques du WP5: