Informatique et Institut de Physiologie

par Yves de Ribeaupierre, Institut de Physiologie, Faculté de médecine, Université de Lausanne

L'institut de Physiologie de l'Université de Lausanne n'est pas situé sur le site de Dorigny mais au 7 de la rue du Bugnon, donc proche du CHUV. Cette position décentrée par rapport au campus ne l'a pas protégé contre l'invasion du Virus informatique. Comme le montre les autres articles de ce Flash, ce virus a déjà injecté quelques nouveaux éléments dans le patrimoine génétique de la faculté de médecine! Dans ce qui suit nous décrirons quelques applications de l'informatique qui fleurissent dans notre institut, et qui concernent la recherche et l'enseignement.

Recherche

Coeur embryonnaire de poulet

Le but de cette recherche est de développer un modèle physiologique (par opposition à une simulation numérique) pour l'étude des mécanismes responsables du dysfonctionnement du coeur hypoxique. A long terme ce modèle pourrait servir en pathophysiologie cardiaque. Au temps t = 0 mettons des oeufs fécondés de poules dans un incubateur à 37° C, ce qui déclenche le développement des embryons (Il faut bien commencer par le début).

Après 96 heures d'incubation le coeur bat déjà depuis 66 heures, mais ne présente ni vascularisation ni innervation. Comme le montre la figure 1: Coeur embryon de poulet ce coeur est un tube replié d'environ 3 mm de long.

Lorsqu'il est isolé et placé dans un milieu convenablement oxygéné, ce coeur continue de battre pendant plusieurs heures. C'est un modèle idéal pour étudier l'effet de l'oxygène sur cet organe. En effet ses petites dimensions rendent les temps de diffusion négligeables par rapport à l'évolution des autres paramètres physiologiques. Pour contrôler son environnement physiologique le coeur est placé dans une chambre à 2 compartiments. Le coeur se trouve dans les 200 microlitres de liquide physiologique du premier compartiment. Dans le deuxième compartiment on peut contrôler précisément la pression partielle d'oxygène. Les deux compartiments sont séparés par une membrane de silicone très perméable aux gaz. Le tout est placé dans une enceinte thermostatée à 37° C et sous l'objectif d'un microscope. L'image agrandie du coeur est projetée sur des photodiodes positionnées précisément le long du tube cardiaque. Le courant de ces photos d'odes est ainsi modulé par les mouvements du coeur. Un microprocesseur 6809 gère l'acquisition des données et transmet les signaux digitalisés sur 8 bits par l'intermédiaire d'un port série (SR 232) à un Mac. Le Mac assure une visualisation en temps réel de l'évolution des battements cardiaques et crée des fichiers de data qui seront analysés par la suite. La figure 2: Microscope représente très schématiquement l'installation de mesure.

La figure 3: Temps réel montre les enregistrements bruts tels qu'ils apparaissent sur l'écran lors de l'expérience.

En figure 4 les : enregistrements bruts sont analysés pour en extraire des paramètres tels que la fréquence des battements, la vitesse de contraction de l'oreillette et du ventricule, dont la figure 5: Paramètres physiologiques donne un aperçu.

Enseignement

Coeur de grenouille et conduction nerveuse

A moyen terme le but est d'utiliser l'ordinateur pour permettre à l'étudiant de comparer des mesures qu'il obtient durant les travaux pratiques à des simulations ou des données de la littérature. Pour cela notre électronicien a développé des modules d'acquisition comportant des convertisseurs A/D et D/A ainsi que des préamplis et des capteurs capacitifs de mouvement. Le tout géré par un microprocesseur 6809, les données étant transférées par ligne série à un Mac .

A plus long terme les étudiants utiliseront certainement des «PowerBook» pour résumer leurs cours. Les résultats des travaux pratiques pourraient alors être intégrés dans de telles notes. Ces considérations nous ont fait choisir Hypercard comme programme de visualisation et de mise en forme des données. Les figures présentées ici sont les cartes d'acquisition d'Hypercard, dépourvues de leurs boutons de manipulations.

Les figures 6: Coeur mécanogramme et 7: Coeur ECG illustrent les premiers enregistrements informatisés réalisés lors des travaux pratiques de physiologie et destinés aux étudiants en médecine et en biologie. ils permettent de caractériser les paramètres mécaniques et électriques des coeurs de grenouilles.

La mesure de la vitesse de conduction nerveuse est d'un point de vue pédagogique intéressante car l'expérimentateur peut être son propre sujet d'expérienceŠ

La figure 8: Vitesse conduction représente schématiquement la situation. Un module de stimulation et de mesure est relié au sujet d'expérience par deux paires d'électrodes. Par la première paire d'électrodes on délivre une courte impulsion électrique au niveau du poignet (durée de 0.025 ms avec une tension variant de 40 à 90 volt, suivant la résistance cutanée). Cette impulsion provoque une stimulation du nerf cubital dont les potentiels d'actions se propagent jusqu'au muscle fléchisseur du 5ème doigt qui est stimulé. L'étudiant ressent et observe la contraction musculaire dont Il enregistre le potentiel d'action grâce à l'autre paire d'électrodes.

Les figure 9: Stimulation poignet I et figure 10: Stimulation poignet II sont les enregistrements fait lors d'une stimulation au niveau du poignet et illustrent la variabilité biologique.

La figure 11: Stimulation coude I est un enregistrement fait sur le même sujet mais avec une stimulation plus éloignée du muscle, soit au niveau du coude. Le fait que la réponse soit plus petite ne signifie pas que le signal s'atténue en se propageant, mais que le contact des électrodes aux niveau du coude est moins bon. Les flèches sur les 3 enregistrements indiquent le début de la dépolarisation du muscle. En utilisant les trois enregistrements on peut construire le graphique de la figure 12: Graphique délais/distance et en déduire la vitesse de propagation de l'influx nerveux.

Remarque pour les amateurs de statistiques: Sans être douloureuses les stimulations sont légèrement désagréables, cela explique le peu de points que les étudiants utilisent pour faire passer une droite de régression, rarement plus de trois!

En utilisant les fonctions d'Hypercard l'étudiant peut facilement commenter ses mesures et imprimer un rapport d'une page comportant, en format réduit, les 8 graphiques les plus significatifs.

Conclusion

La physiologie générale est un bon domaine d'application de la microinformatique. Car les débits d'information des canaux de mesures sont en général modestes. L'utilisation de modules communiquant par ligne série du type RS 232 est souple. Elle permet une évolution par étape. La simulation et la modélisation en physiologie n'ont pas été abordées ici bien que l'informatique y joue un rôle de plus en plus important.


article paru dans le Flash informatique spécial été 1994 du 6 septembre 1994