Avantageux pour développer et certifier des dispositifs médicaux, les jumeaux numériques peuvent servir d'autres objectifs en matière de santé, comme celui d'évaluer la dégradation osseuse en apesanteur. C'est l'objet d'une étude menée par l'entreprise Philomec en partenariat avec le CNES et le MEDES.

Les vols spatiaux humains mettent la santé des astronautes à l'épreuve par une exposition prolongée à la microgravité, de longues périodes d'isolement et de confinement, dans un environnement hostile. On a pu observer de nombreux changements physiologiques, dont certains s'avèrent préoccupants comme des modifications musculo-squelettiques, avec une altération de la qualité des muscles (densité de l'os trabéculaire, épaisseur de l'os cortical, etc.). Ces changements de densité osseuse sont néanmoins réversibles au retour sur Terre (ou une autre planète).

Les astronautes subissent également une perte de masse musculaire en microgravité, en raison de l'absence de contraintes mécaniques nécessaires aux mouvements physiologiques et à la manipulation d'objets lourds. Bien que cette perte ne soit pas linéairement liée au temps, elle est systématique et peut atteindre 15 % après 6 mois de microgravité. Quant à la perte osseuse, elle progresse avec la durée de l'exposition à la microgravité sans se stabiliser lors des missions d'une durée maximale de 7 mois.

Suivre la santé des astronautes et tester les contre-mesures

Des études ont montré que l'augmentation du volume d'entrainement à la résistance pendant le vol (par rapport à celui effectué préalablement) était  susceptible de préserver la résistance mécanique osseuse et la densité d’os trabéculaire au niveau du tibia. A contrario, la littérature suggère que les régimes actuels d'exercice en vol pourraient être insuffisants pour maintenir la structure et la résistance osseuse au niveau du tibia chez les membres d'équipage ayant suivi un programme d'exercice intensif avant le vol.

Pour prévenir les fractures et assurer le succès des missions, il est crucial de suivre la santé des astronautes et de tester des contre-mesures destinées à la préserver de façon préventive. C'est ce que permettent de faire les jumeaux numériques, qui offrent une perspective sans précédent aux chercheurs et aux médecins sur la compréhension des pathologies, les traitements et les interventions, grâce à leur capacité à simuler et à prédire le comportement du corps humain. En modélisant de manière précise les réponses biologiques individuelles, ces répliques numériques permettent de personnaliser les soins de santé, d'accélérer les découvertes et de réduire les coûts.

Préparer de futurs voyages interplanétaires

Spécialisée en modélisation biomécanique, l'entreprise Philomec Inc. a étudié l’utilisation d’un jumeau numérique dans la prévention de la perte osseuse en microgravité, dans le but de préparer les missions de retour sur la lune et l'exploration de la planète rouge. Cette étude a été menée en partenariat avec le CNES (Centre national d'études spatiales) et le MEDES (Institut de Médecine et Physiologie Spatiales) dans le cadre du projet Spaceship FR. Celui-ci a pour but de préparer de futurs voyages interplanétaires en fournissant des informations précieuses sur les défis biomécaniques auxquels les astronautes pourraient être confrontés lors de missions spatiales à longue durée. Les résultats de cette étude ont été présentés lors de l'ICES (International Conference on Environmental Systems), un congrès de renom qui s'est tenu à Calgary en juillet 2023.

Cinématique du cycle de marche simulé mettant en évidence, en couleur, la contrainte de l'os trabéculaire du fémur -crédit photo Philomec).

Philomec Inc. a développé un jumeau numérique destiné à suivre et diagnostiquer la santé ostéo-articulaire des astronautes. Pour ce faire, la société a adapté et utilisé son modèle musculo-squelettique par éléments finis (FE) d’un membre inférieur pour simuler la charge fémorale lors de la marche et de la course, dans des conditions de gravité similaires à celles du système T2/COLBERT (Combined Operational Load Bearing External Resistance Treadmill, ou tapis de course à résistance externe combiné à une charge opérationnelle). Il s'agit d'un appareil d'exercice conçu par la NASA pour permettre des séances d'entraînement en apesanteur. Un certain nombre de facteurs physiologiques et biomécaniques ont été mesurés pendant les cycles de sollicitations afin de comparer les différentes conditions de gravité terrestre ou artificielle.

Une première en matière de simulation biomécanique

Cette étude a notamment permis d'évaluer la faisabilité de l'utilisation d'un jumeau numérique générique pour quantifier la dégradation osseuse résultant d'une gravité artificielle inférieure à 1g. Il s'agit des premières simulations biomécaniques d'exercices sur tapis roulant en microgravité réalisées par jumeau numérique.

Les résultats ont montré une corrélation entre les contraintes mécaniques mesurées et la perte de densité osseuse observée. Cette approche se révèle donc intéressante pour tester et recommander des programmes de contre-mesures personnalisés afin de maintenir la santé musculo-squelettique des astronautes lors de vols de longue durée. En développant ces outils numériques, les scientifiques espèrent limiter le risque de fracture et évaluer en temps réel l'état des os des astronautes. Cela doit permettre de contribuer à maintenir la santé et les performances des astronautes, et à assurer le succès des missions spatiales à venir.

En conclusion, les jumeaux numériques sont précieux dans divers secteurs de la santé, que ce soit dans la recherche sur les maladies, l'amélioration des traitements personnalisés, le développement et la certification de dispositifs médicaux, ou même le soutien aux astronautes comme Thomas Pesquet lors de ses missions spatiales.

Leur utilisation croissante témoigne de leur pertinence et de leur capacité à améliorer les soins, à accélérer les découvertes et à transformer notre approche de la santé.

Ainsi, nous progressons vers de nouveaux horizons médicaux en explorant les possibilités offertes par nos précieux jumeaux numériques.

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