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Les ingénieurs de l’Université de Tel-Aviv développent un respirateur artificiel à usage unique pour sauver les patients atteints de formes graves du covid19

Une équipe de la Faculté d’ingénierie de l'Université de Tel-Aviv, avec la participation de Stav Bar-Sheshet, diplômé de BA du Département de génie mécanique et inscrit en parcours doctoral direct, a développé un respirateur mécanique alternatif à usage unique efficace et bon marché destiné à pallier la pénurie mondiale actuelle de respirateurs artificiels pour sauver la vie des patients atteints de complications respiratoires graves liées au coronavirus.

Respirateur artificielL’une des principales complications du covid19 sont les troubles de la respiration comme les pneumonies ou le syndrome de détresse respiratoire aigue (SDRA) lors duquel les poumons n’arrivent plus à fonctionner suffisamment pour approvisionner le corps en oxygène. Le patient est alors admis en réanimation et relié à un respirateur artificiel qui l’aide à respirer et protège ses poumons jusqu’à ce que ceux-ci retrouvent seuls leur fonctionnement. C’est donc le dernier outil qui permet de sauver la vie des patients atteints de graves complications respiratoires liées au coronavirus.

Projet pilote et prototype

Les hôpitaux n’ayant pas, en temps normal, à faire face simultanément à autant de cas de SDRA, l’arrivée inattendue du coronavirus a pris les fabricants au dépourvu, et le monde est partout à court de respirateurs artificiels pour équiper les lits de réanimation supplémentaires installés dans les établissements hospitaliers.

Pour pallier cette crise, les ingénieurs de l’Université de Tel-Aviv ont mis au point un dispositif révolutionnaire efficace, capable d’être rapidement mis en place, et bon marché. « Le projet lui-même porte sur le développement d'un respirateur mécanique alternatif pour les patients atteint du coronavirus, en raison de la pénurie actuelle », explique Stav Bar-Sheshet, titulaire d’un BA du Département de génie mécanique, à la suite duquel il a entrepris un doctorat en parcours direct sous la direction du Dr. Amiram Moshaiov. « L'idée était de réaliser un dispositif à usage unique bon marché à partir de pièces existantes disponibles en grandes quantités ».

Respirateur artificiel 2L'équipe, qui comprend un ingénieur système, un médecin, un ingénieur électricien, un programmateur et d'autres volontaires, s'est formée dans le cadre d’un hackathon bénévole organisé par le groupe de centres médicaux Assuta en collaboration avec d'autres sociétés. « Le coronavirus est, comme on le sait, très contagieux et sa transmission d'un malade vers un autre est susceptible d’aggraver l'état du patient qui se remet du virus », explique Stav Bar-Sheshet. « D’où l’idée d’uitiliser un respirateur à usage unique, qui sera détruit après avoir servi sur un patient, un autre dispositif étant alors utilisé pour le patient suivant ».

Le projet pilote mis au point à l’université a été approuvé ce mois-ci par le Ministère de la Santé, et à ce jour, l'équipe a réalisé un prototype en état de fonctionnement, et évolue vers des essais cliniques, et la mise en place d'une ligne de production avec le soutien du Ministère de la Santé. Le respirateur artificiel à usage unique sera commercialisé sous le nom de MANSHEMA.

 

Photos :

  1. De droite à gauche: Stav Bar-Sheshet, Ivri Shapiro, Mordechai Halfon, Ronen Zilberman, Benny Rahimi. En bas : Gil Bachar. (Crédit: The Iby and Aladar Fleischman Faculty of Engineering, Tel-Aviv University)
  2. Le microprocesseur du respirateur artificiel MANSHEMA. (Crédit: The Iby and Aladar Fleischman Faculty of Engineering, Tel-Aviv University)

Une méthode de diagnostic du Corona par scanner développée à l’Université de Tel-Aviv

Le Prof. Hayit Greenspan, directrice du laboratoire de traitement d’image du Département de génie biomédical de l'Université de Tel-Aviv, est partenaire d’une étude qui a pour but le développement d'un système d'intelligence artificielle pour le diagnostic du Covid-19 au moyen d'une scannographie pulmonaire. Selon les chercheurs, la méthode, qui inclut en outre une caractérisation quantitative de la gravité de la maladie, permettra de localiser rapidement les patients atteints, de suivre leur état de manière efficace, précise et rapide, et donc de leur fournir des soins immédiats tout en gérant efficacement les ressources hospitalières.

L’étude, réalisée en collaboration avec le Dr. Eliot Siegel de l’Université du Maryland et le Dr. Adam Bernheim de l’Ecole de médecine Mount Sinai à New York, est basée sur la plate-forme d'intelligence artificielle de la société RADLogics, qui emploie en outre de nombreux étudiants et diplômés du Département de génie biomédical de la Faculté d’ingénierie de l’UTA qui sont donc partenaires de ce nouveau développement révolutionnaire.

Une précision de 99%

Le laboratoire de traitement d'images médicales situé à la Faculté d'ingénierie de l'Université de Tel Aviv, développe des solutions d'ingénierie qui ont pour but d’aider les médecins à déchiffrer les images médicales de manière plus rapide et plus précise. Le laboratoire a par ailleurs déjà fourni des développements révolutionnaires dans le domaine de l'imagerie IRM automatisée et de l'analyse des tumeurs hépatiques par scanner.

hayitLe Prof. Greenspan travaille donc actuellement sur le diagnostic radiologique des patients atteints du corona. Avec ses partenaires, elle a développé une méthode pour diagnostiquer les effets du virus au moyen d'une scannographie pulmonaire permettant de détecter les patients atteint du Covid-19. En outre, le groupe a mis au point une méthode de caractérisation quantitative de la gravité de la maladie qui peut être utilisée comme une mesure de surveillance efficace, précise et rapide de l'état du patient. La combinaison de ces deux outils permet donc d’identifier les tendances à l'aggravation de la maladie et à les corriger dès le départ.

L’étude a été réalisée sur 157 patients en provenance de Chine et des États-Unis, et sa conclusion a été que l'analyse de l'image par l'IA peut atteindre une précision de 99% dans la détection des lésions du virus Covid-19 et sa quantification. En outre, l'analyse d'image par l’algorithme mis au point génère un «score Corona», qui mesure le pourcentage du volume pulmonaire infecté par la maladie, et permet donc une surveillance de sa charge.

Répondre à la pandémie mondiale croissante

De telles mesures permettront donc aux médecins de localiser rapidement les patients dont l'état empire de ceux en voie de guérison. Un tel diagnostic précoce permettra de libérer les lits nécessaires dans les hôpitaux en général et dans les services d’urgence en particulier, et donc d’aider les systèmes de santé à traverser cette pandémie. De plus, compte tenu de l’augmentation du nombre des cas à dépister, une détection plus précoce et plus rapide des cas positifs peut aider à améliorer à la fois le traitement des patients et la maîtrise de la propagation du virus.

A présent, le groupe continue de développer un outil qui permettra aux autorités de mener des enquêtes de dépistage du corona au sein de larges populations au moyen d’examens par scanner à faible rayonnement, similaire à celles menées aujourd'hui pour identifier les patients cancéreux. Une telle méthode permettra d’accélérer les tests et d’augmenter considérablement leur nombre, afin de localiser rapidement les patients, les isoler et leur fournir des soins immédiats tout en permettant au reste de la population de continuer de vivre normalement. Pour répondre à la pandémie mondiale croissante, RADLogics a également annoncé avoir déployé ce nouvel algorithme d'analyse d'images par scanner en Chine, en Russie et en Italie, et la société évolue rapidement vers d'autres pays en réponse à la forte demande.

Corona CT

 

Photo du bas :

Scannographie pulmonaire du virus Covid-19: à gauche: poumon d'un malade atteint du virus / au milieu: poumon d'un patient en convalescence / à droite: poumon d’une personne en bonne santé (Source: https://arxiv.org/abs/2003.05037)

Des lentilles de contact pour daltoniens mises au point à l’Université de Tel-Aviv

Le Dr. Tal Ellenbogen du Département de physique électronique de la Faculté d’ingénierie de l’Université de Tel-Aviv et la doctorante Sharon Karepov du Département d’ingénierie biomédicale, ont développé des lentilles de contact capables de corriger la vision des couleurs chez les daltoniens. Selon les chercheurs, la méthode utilisée, basée sur l’incorporation de dispositifs optiques ultra-fins dans des lentilles de contact standard, permettra de personnaliser le processus pour l'adapter à toute une gamme de déficiences visuelles, et possède en outre un potentiel pour transformer toute une variété de matériaux incurvés.

Daltonisme 2 picLa recherche a été récemment publiée dans la revue Optics Letters.

Ce que nous appelons communément le daltonisme fait référence à divers types d’anomalies qui affectent la manière dont notre système visuel identifie les différentes longueurs d'ondes lumineuses. La rétine de notre œil contient trois types de cellules coniques sensibles à la lumière, qui absorbent les ondes lumineuses et y répondent par un influx nerveux parvenant au cerveau. Ces cônes contiennent des pigments qui se décomposent lorsqu’ils sont exposés à une partie spécifique du spectre lumineux. Certains répondent mieux aux longueurs d'onde courtes (elles sont appelées S pour short), tandis que les deux autres réagissent aux plus longues : l'une est plus sensible à la lumière qui se situe autour de la partie verte à jaune du spectre (M) et l’autre à la partie allant du jaune au rouge (L).

Une correction de la vue personnalisée 

Une anomalie d’un ou plusieurs de ces types de cellules coniques peut entraîner diverses sortes de déficiences de la vision des couleurs. Le plus souvent, il s’agit d’une difficulté à distinguer les couleurs dans les longueurs d'onde rouge et verte, ce qui signifie que les problèmes proviennent des cônes M ou L. Par exemple, dans le type de daltonisme le plus courant, la deutéranomalie, les signaux provenant des cellules sensibles au spectre vert-jaune (M) sont émoussés. En conséquence, le cerveau est submergé par les réponses des cellules sensibles au spectre jaune-rouge (L).

Sharon karepov"Les problèmes de distinction entre le rouge et le vert perturbent des comportements routiniers simples, comme de décider si une banane est mûre", explique Sharon Karepov. "Des lunettes qui filtrent ces ondes lumineuses pour réduire le risque de confusion entre les deux types de cônes sont disponibles dans le commerce, mais leurs verres sont beaucoup plus volumineux que ceux des lentilles de contact״.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs se sont appuyés sur les propriétés optiques des métasurfaces, surfaces ultra-fines fabriquées artificiellement, dotées d’îlots nanométriques ayant la capacité de manipuler les ondes électromagnétiques à des longueurs d’onde submicrométriques (inférieures à un millième de millimètre) et donc de modifier la façon dont la lumière se reflète dans un matériau ou bien passe au travers.

D'un substrat plat à une surface incurvée

"Nos lentilles de contact utilisent des méta-surfaces basées sur des ellipses dorées de taille nanométrique, pour créer un accessoire personnalisé, compact et durable capable de remédier aux déficiences chromatiques", explique Sharon Karepov. L'utilisation d'une méta-surface au lieu d'un agent filtrant permet de modifier beaucoup plus facilement les propriétés du matériau en fonction des besoins individuels. Cependant, les techniques actuelles pour les produire ne permettent de les graver que sur des surfaces planes. Les chercheurs ont donc décidé de fabriquer des méta-surfaces traditionnelles, et de trouver une méthode pour transférer le film mince (40 nanomètres) sur une lentille incurvée. "Nous avons développé une technique pour transférer des métasurfaces de leur substrat plat initial vers d'autres surfaces telles que des lentilles de contact", a déclaré Karepov. Les chercheurs ont testé la réaction optique de la métasurface après chaque étape du processus de fabrication. Leurs mesures ont montré que les propriétés de manipulation de la lumière de la métasurface n’ont pas changé après le transfert sur la surface courbe, indiquant la réussite de la procédure.

Les simulations en laboratoire utilisant le test dit d’Ishihara (test chromatique pour déceler les déficiences des teintes rouges et vertes), suggèrent que les lentilles améliorent par dix la distinction des couleurs et rétablissent presque entièrement le contraste visuel perturbé par la deutéranomalie.

Bien que la lentille doive encore faire l’objet de tests cliniques avant sa commercialisation, les chercheurs pensent que les fabricants pourraient intégrer la métasurface pendant la phase de moulage de la fabrication des lentilles de contact ou les fusionner thermiquement avec une lentille de contact rigide.

Outre les lentilles de contact personnalisables offrant un moyen pratique et confortable d'aider les personnes souffrant de différentes formes de daltonisme, les chercheurs pensent également que le processus de transfert de méta-surface qu’ils ont mis au point possède un potentiel pour transformer toute une gamme de matériaux incurvés, et ils prévoient de continuer à étudier et à améliorer ce processus afin de le tester pour d'autres applications. "Ce nouveau processus de fabrication ouvre également la voie à l'intégration de méta-surfaces dans d'autres substrats non plats", explique Sharon Karepov.

 

Daltonisme 3 pic

 

Illustration : Effet d'une lentille de contact à méta-surface sur la vue d’une personne atteinte de deutéranomalie. A gauche : vue originale, au milieu : vue pour une personne atteinte de deutéranomalie, à droite : vue avec une deutéranomalie corrigée par la lentille. (Crédit: Sharon Karepov, Université de Tel Aviv)

Des chercheurs de l'Université de Tel-Aviv mettent au point un radar qui va révolutionner la technologie des véhicules autonomes

Des chercheurs de l'Université de Tel-Aviv, dirigés par le Prof. Pavel Ginsburg de l'École d'ingénierie électrique, ont mis au point un nouveau type de radar optique à haute résolution capable entre autre de détecter des objets cachés par d'autres. Intégré à un véhicule autonome, ce radar révolutionnaire pourra par exemple signaler un enfant qui fait irruption sur la route derrière une voiture garée; de plus, en raison de sa faible bande passante, son utilisation sera relativement peu coûteuse et il pourra permettre à de nombreux véhicules de ce type de se côtoyer facilement en toute sécurité.

RadarL'étude, réalisée par le doctorant Vitaly Kozlov du laboratoire du Prof. Ginsburg, a été publiée en fin de semaine dans la revue Nature Communications.

"Les voitures intelligentes et / ou autonomes, existantes ou en développement, combinent un grand nombre de moyens de détection différents, qui remplacent les sens du conducteur, voire les surpassent, et permettent au véhicule de s'orienter dans l'espace", explique le Prof. Ginzburg. "Entre autre ils comportent des radars capables d'identifier les objets situés devant le véhicule quelles que soient les conditions atmosphériques ou de luminosité (brouillard, pluie, obscurité, ensoleillement), de mesurer la distance qui les sépare des objets (personne, voiture, arbre ...), et peuvent même alerter le système de freins si nécessaire. La capacité du radar à discerner les objets proches les uns des autres est appelée résolution. Un radar à haute résolution peut également détecter des objets apparemment cachés par d'autres. Un tel radar pourrait, par exemple, déceler un enfant sur le point de faire irruption sur la route derrière un véhicule garé et envoyer un ordre de freinage immédiat au véhicule".

"Une similitude entre la complexité et le dynamisme des tissus biologiques

et le mouvement des véhicules automobiles sur la route"

"Il existe aujourd'hui des technologies radar à haute résolution, mais toutes utilisent une bande passante élevée. En d'autres termes, le radar doit émettre et recevoir des signaux dans une large gamme de fréquences, ce qui complique la tâche du véhicule autonome. Déjà aujourd'hui il existe une grande densité de fréquence d'émission dans l'air, et donc l’utilisation d’une bande passante élevée est coûteuse et peut gêner l’activité d’autres appareils à proximité, notamment les radars installés dans d’autres voitures autonomes. En fait, sans solution à ce problème, il sera difficile de faire se côtoyer un grande nombre de véhicules autonomes sur les routes. Nous avons abordé le sujet sous un angle totalement nouveau, qui n’a pas encore été expérimenté: l’application des principes du domaine de l’optique aux radars. En effet, à la fois la lumière et les signaux radar sont des ondes électromagnétiques, qui diffèrent principalement par leur longueur : en optique il s'agit d'ondes de longueur nanométrique, alors que les radars utilisent des fréquences en gigahertz, c'est-à-dire des longueurs d'onde mesurées en millimètres ou en centimètres".

Pavel ginzburgPlus précisément, les chercheurs se servent d'une technique d'imagerie médicale bien établie appelée tomographie optique cohérente (OCT), qui utilise une onde lumineuse pour capturer des images tridimensionnelle à haute résolution de tissus biologiques dynamiques. "Nous avons réalisé qu'il existe une similitude entre la complexité et le dynamisme des tissus biologiques, et le mouvement des véhicules automobiles sur la route, de sorte que la solution pour créer une image de haute qualité pourrait être similaire", explique le Prof. Ginzburg. Inspiré de la technique de l'OCT, le nouveau radar repose donc sur le principe de cohérence partielle du rayonnement électromagnétique.

Sur la base de cette conception révolutionnaire, les chercheurs ont construit un instrument radar, puis développé un modèle théorique sur sa base. Enfin, ils ont testé en laboratoire la compatibilité entre le matériel et la théorie. Pour les besoins de l'expérience, deux plaques métalliques (cibles) ont été placées à une distance d'environ 32 cm l'une de l'autre. "Un radar ordinaire a besoin d'une bande passante d'environ 500 MHz pour être capable de distinguer deux cibles de ce type", explique Vitaly Kozlov. "Notre radar s'est 'contenté' d'une bande d'une largeur inférieure à 30 MHz. De plus, selon notre théorie, qui s'est avérée compatible avec l'expérience, la bande passante peut être aussi petite que nous le voulons sans influer sur la résolution qui restera élevée. Ceci parce que la capacité de résolution de notre radar n’est pas du tout liée à la largeur de la bande passante, mais repose sur un principe physique complètement différent".

"Contrairement à toutes les technologies existantes, notre méthode permet au radar de distinguer des objets à haute résolution sans recourir à une bande passante élevée et coûteuse", conclut le Prof. Ginzburg. "Il s'agit d'une solution novatrice à un problème fondamental des technologies futures des véhicules autonomes. Les radars développés selon notre méthode seront relativement pratiques et peu coûteux à utiliser, permettant à de nombreux véhicules autonomes de se déplacer côte à côte en toute sécurité et sans interférer avec les autres radars aux alentours".

 

Photo : illustration du fonctionnement du nouveau radar (Crédit: tiré de l'article publié dans la revue Nature Communications)

 

Vous pouvez soutenir la recherche à l’Université de Tel-Aviv en vous adressant à nos bureaux à Paris : Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser. - Tél: 01 40 70 18 40, ou à Tel-Aviv : Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser. - Tél: 03 640 67 80.

 
 
 
 
 

Nouvelle technologie pour aider les aveugles à s'orienter dans l'espace développée à l'Université de Tel-Aviv

Deux études menées sous la direction du Dr. Orly Lahav du laboratoire des technologies de gestion des connaissances de l'École d'éducation de l'Université de Tel-Aviv ont permis la mise au point d'une technologie audio-tactile pour améliorer les processus d'apprentissage chez les malvoyants et les aider à s'orienter dans l'espace.

Orly Lahav AFTAULes résultats ont été récemment publiés dans la prestigieuse revue Computers & Education.

"Le point commun de toutes les études que nous réalisons est l'identification d'un besoin ou d'une lacune dans l'acquisition des connaissances parmi différentes populations et l'examen de la valeur ajoutée de la technologie pour y remédier", explique le Dr. Lahav. "Entre autre, l’orientation et la mobilité dans l’espace, fonctionnalités qui vont de soi pour les personnes qui voient normalement représentent des défis difficiles pour les aveugles ou les malvoyants. Notre laboratoire travaille sur l'orientation et la mobilité des aveugles dans de nouveaux environnements. Les personnes malvoyantes n'ont pas la possibilité de rassembler des informations cartographiques à l'avance avant de visiter un lieu. Lorsque nous prenons l'avion pour l'étranger, nous vérifions à l'avance l'emplacement de l'hôtel par rapport aux attractions ou aux transports en commun. Bien que la technologie GPS soit adaptée aux aveugles, les informations spatiales ne leur sont pas accessibles avant qu'ils atteignent le nouvel environnement".

"La collecte d'informations dans un environnement virtuel a créé un sentiment de sécurité"

"Pour faire face à ce problème, le Dr. Lahav, en collaboration avec le Prof. David Mioduser, directeur du Centre d'apprentissage des sciences et technologies à l'Ecole d'éducation de l'UTA, a mené une série d'études combinant diverses technologies avancées basées sur des environnements virtuels, comme la rétroaction vocale et tactile, permettant à des utilisateurs aveugles de construire une carte cognitive spatiale suite à une navigation dans un espace virtuel. Les utilisateurs non-voyants ont été invités à se déplacer dans un environnement virtuel pour y collecter des informations spatiales. D'après les résultats de l’étude, cette navigation dans un espace virtuel leur a permis par la suite de réussir à s'orienter dans l’espace réel correspondant.

"La collecte d'informations spatiales dans un environnement virtuel a créé un sentiment de sécurité aussi bien chez les aveugles de naissance que parmi ceux qui sont devenus aveugles au cours de leur vie", explique le Dr. Lahav. "Ils ont pu reconnaitre l'espace, bien que c'était la première fois qu'ils visitaient l'environnement réel. Les aveugles apprennent à aller d'un point A à un point B sans avoir une vision de l'espace "par en haut". Le problème est ce qui se passe lorsque la voie est barrée. La personne non voyante doit alors retourner au point A et retrouver son chemin ou bien demander de l’aide. La nouvelle méthode lui permet de collecter des informations spatiales comme s'il avait une vue "d'en haut" et de prendre ainsi des décisions concernant l’ensemble de l’espace".

La simulation vocale des démonstrations visuelles

Une deuxième étude, menée dans le laboratoire du Dr. Lahav, en collaboration avec le Dr. Sharona Levy de l'Université de Haïfa et avec le soutien de l'Israel Science Foundation, a examiné la possibilité d'intégrer les technologies audio dans l'enseignement des sciences chez des étudiants aveugles. "La plupart des livres dans le domaine de l'enseignement des sciences sont remplis de démonstrations visuelles, et l'objectif de cette étude était d'examiner si les utilisateurs malvoyants peuvent acquérir des connaissances scientifiques grâce au son", explique le Dr. Lahav. "Dans ce but, nous avons utilisé une unité d'étude intégrant des modèles informatisés basés sur le système NetLogo développé par des chercheurs de la Northwestern University. Nous avons choisi une unité traitant du comportement d’une particule de gaz. Dans une première étape, nous avons fait en sorte que chacun des comportements de la particule soit décrit vocalement: son interaction avec d'autres particules, avec les parois du container, sa vitesse, son volume, sa température, etc.

Dans une deuxième étape, nous avons comparé l'aptitude à l'apprentissage de deux groupes d'étudiants malvoyants: le premier a été formé par l'intermédiaire de l'unité d'étude uniquement avec une interface braille et une bande audio, et un deuxième groupe au moyen de la même unité complétée par les modules audio reproduisant les démonstrations visuelles mis au point au laboratoire. "Les résultats de l’étude indiquent clairement que, si les étudiants des deux groupes ont acquis de nouvelles connaissances, ceux qui ont étudié grâce aux simulations vocales ont obtenu des résultats plus élevés, à la fois pendant l'exécution de l’unité d’étude et lors du test final", conclut le Dr. Lahav.

 

Photo: AFTAU