Projet ANR-12-TECS-0003 – DIALYDOM : Dialyse à domicile
Programme : Technologies pour la santé et l’autonomie (TecSan)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Eric MCADAMS (Institut National des Sciences Appliquées de Lyon - Institut des Nanotechnologies de Lyon )
Partenaires : Association Utilisation Rein Artificiel Lyon; TPE; Laboratoire d'Électronique et de Technologie de l'Information; Institut des Nanotechnologies de Lyon
Montant : 798587.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : DIALYDOM : DIALYse à DOMicileL'échec rénal chronique est une cause majeure de décès dans le monde. Son coût élevé de traitement (dialyse, greffe) en fait une priorité de haut-niveau pour les soins de santé. L'auto-surveillance des dialysés à domicile a été identifiée comme un facteur clé pour relever les défis auxquels font face les professionnels de la santé. Le projet vise à développer un dispositif portable de monitoring de l’hydratation basé sur une mesure d’impédance effectuée par le patient en dialyse sur sa jambe.
Développer un dispositif validé, robuste, intégré et simple d’utilisation, portable, de monitoring de l’hydratation basé sur une mesure d’impédance effectuée sur la jambe par le patient en dialyseActuellement, il existe un besoin réel de disposer d'une technique non-invasive pratique et robuste pour l’évaluation précise de l'état d’hydratation utilisable à domicile par le patient souffrant d'insuffisance rénale. Des techniques sont utilisées en milieu clinique pour aider à détecter et interpréter les variations de composition corporelle liées à des changements métaboliques. Ces techniques ne sont pas utilisables à domicile en raison de leur complexité, leur coût et l'encombrement de l'équipement. Pour répondre à ces besoins, la mesure d’impédance localisée (BIA segmentaire) a été proposée. Toutefois, le placement des électrodes reste difficile à standardiser. De légères différences dans le placement des électrodes peuvent modifier la zone de tissu examinée et affecter les valeurs des paramètres dérivés.Il est nécessaire de conduire des études et standardiser la conception des électrodes. Une hypothèse fondamentale dans les mesures de BIA est que les impédances de chacune des quatre interfaces peau-électrode n'ont aucun effet sur les impédances de tissu mesurées et sur les paramètres dérivés, ce qui est généralement incorrect. Les travaux publiés et les systèmes commercialisés reposent des rapports réalisés à l'aide d'électrodes ECG de relativement haute impédance, ce qui affecte les résultats. Le projet consiste à améliorer la conception de l'électrode et son positionnement, et développer une technique de mesure compacte à 4 électrodes localisées sur la jambe, en particulier pour la dialyse à domicile. La conception des électrodes, leur taille, forme et orientation sera étudiée afin de créer les meilleures combinaisons pour une mesure de BIA précise, répétable et robuste. Deux produits seront développés et évalués : l'un sera destiné à l'environnement clinique et l'autre (simplifié, miniaturisé-version intégrée de l'appareil clinique) sera plus adapté pour une utilisation par les patients dans leurs maisons.
Programme de travail : étapes clés identifiées par les partenaires :WP1 : établir les exigences pour les dispositifs et scénarii pour la surveillance de la dialyse en clinique et à domicile. Les facteurs clés de comorbidité de dialyse doivent être étudiés pour identifier les moyens appropriés d'évaluer ces facteurs additionnels, spécialement pour le scénario à domicile. Un protocole clair, simple doit être établi pour aider les patients et assurer la conformité et le bon fonctionnement du système en l'absence du personnel médicalWP2 : étudier la conception optimale, surface, forme, orientation, nombre et arrangement d’électrodes pour mieux cibler les tissus où la variation de l'hydratation du patient est électriquement visible et permettre ainsi une mesure localisée d'hydratation, précise et répétable, sur les patients dialysés. On établira les densités de courant nécessaires, les fréquences à appliquer (plage et nombre), les circuits ou modèles équivalents, les paramètres impédimétriques à extraire, etcUne étape importante dans le développement d'un dispositif pour le domicile est son développement pour l'usage clinique (WP3). Ce dispositif sera une version modifiée du dispositif de monitoring de dialyse de BioparHom basé sur le logiciel existant. Il sera utilisé avec un nouveau système d'électrodes impédimétriques, une version jetable de celui développé dans WP2 permettant une mesure localisée plus pratique. La matrice d’électrodes sera appliquée par le personnel de la cliniqueWP5 : validation clinique finale des deux dispositifs développés dans WP3 et 4La validation clinique finale des dispositifs impliquera leur comparaison avec la méthode « gold standard » d'évaluation de l'eau corporelle, dilution isotopique avec oxygène-18 et deutérium. WP0 abordera les questions liées à la gestion du projet. Il abordera également les aspects impliqués dans le développement d'un « dispositif médical » – les normes concernées, l'analyse des risques, l’approbation éthique, l’organisation et le déroulement des essais cliniques
Résumé de la soumission : L’objectif du projet est le développement et la possible commercialisation d'un dispositif portable de monitoring de l’hydratation pour les patients en dialyse et particulièrement à domicile. Le dispositif devra être  validé, robuste, intégré et simple d’utilisation. La mesure d’impédance sera effectuée sur la jambe de l'individu.L'échec rénal chronique (CRF) est l'une des principales causes du décès dans le monde. Environ 1 citoyen sur 10 souffre d'une certaine forme de maladie rénale (nombre en augmentation) et, étant donné le coût élevé du traitement, sous forme de dialyse ou de greffe rénale, l'échec rénal chronique est une priorité de haut-niveau en ce qui concerne les soins de santé. L'auto-surveillance  des dialysés à domicile a été identifiée comme étant un facteur clé pour relever les défis (améliorer la qualité de traitement en diminuant leurs coûts) auxquels font face actuellement les professionnels de la santé, comme le préconise le schéma régional d'orientation sanitaire de la santé en France (4ème version). Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire d’identifier une technique non-invasive, pratique et robuste capable d'évaluer à distance l’état hydrique des patients (restants dans leur domicile) souffrant d'insuffisance rénale. Cette technique doit permettre de détecter et/ou éviter des complications liées à la sous ou sur-hydratation. Au cours des dernières décennies, l'analyse d'impédance bioélectrique (BIA) s'est révélée être une méthode prometteuse, non-invasive pour la détection et l'évaluation des modifications de l’état hydrique et nutritionnel des patients souffrant de maladies rénales, méthode maintenant acceptée dans les protocoles clinique. Des efforts sont actuellement menés pour améliorer cette technique, qui utilise des fils fixés aux membres des patients. Malheureusement les électrodes utilisées sont simplement des électrodes standard d'ECG, placées individuellement sur le patient. Non seulement cela n’est pas facile à utiliser pour un patient dialysé, mais en plus, on a constaté que de très légères différences dans le placement des électrodes ou dans les propriétés des électrodes elles-mêmes, peuvent induire des effets négatifs importants sur la mesure. Le consortium actuel rassemble des spécialistes dans le domaine de l'analyse d'impédance bioélectrique (BIA), dans le traitement et la surveillance des dialysés, dans l'étude et la modélisation des propriétés électriques des tissus vivants et des interfaces peau-électrodes, dans la micro-fabrication des capteurs et des circuits associés et dans la conception et le développement de matrice d'électrodes, en particulier celles dédiées aux mesures d'impédance électrique sur le corps humain. Les partenaires incluent des laboratoires de recherche (INSA et CEA-Léti), une PME (BioparHom) qui produit un dispositif de BIA spécifique au monitoring pendant la dialyse (l'un des deux produit dans le monde) et un spécialiste clinique de la surveillance des dialysés. Le consortium travaillera à améliorer la conception des électrodes, la conception des techniques de mesure, et le harnais d'électrodes pour assurer leur positionnement précis. L'électronique associée sera miniaturisée et intégrée dans le corps du harnais  pour éviter la présence encombrante des fils et le danger associé. L'électronique inclura un accéléromètre pour surveiller la position et la stabilité de la jambe pendant la mesure, et une connexion BlueTooth pour permettre l'interfaçage avec un dispositif externe (comme un smart-phone). Le projet Dialydom est en parfaite  adéquation avec le premier thème de l'appel de TECSAN : développement des technologies pour la santé.
Résultats : Les dispositifs commerciaux se sont révélés sensibles à l'impédance de contact électrode-peau dans le cas de nos mesures localisées, provoquant une importante distorsion des impédances mesurées et donc affectant la précision des calculs – d’où la nécessité d’améliorer les électrodes et/ou circuits
Nous avons évalué des électrodes commerciales et assemblé notre propre prototype d’électrodes et les avons confrontés à ceux commercialisés par les fournisseurs de BIA. Résultat : notre prototype d’électrodes a surpassé les produits fournis avec/pour les équipements de BIA, permettant de minimiser ces problèmes de distorsion.
-Étude sur les effets du placement des électrodes sur la sensibilité de la surveillance de l'état d’hydratation du patient. Discussion avec les cliniciens concernant les tissus à cibler par le champ électrique appliqué, ce qui a influencé la conception de notre dispositif de mesure. La nature anisotrope des muscles a été considérée – ce qui peut aider à cibler les tissus en canalisant le courant électrique ou en l’empêchant de pénétrer dans les tissus concernés.
Plusieurs nouvelles configurations d'électrodes ont été évaluées. Le travail a consisté en des simulations numériques de mollets (logiciel d’éléments finis Comsol Multiphysics ™) dont les géométries ont été déduites de segmentation de données IRM ; fabrication et tests d'une gamme de modèles physiques spécifiques de la jambe et mesures in-vivo sur les mollets de sujets sains. Résultat : l’arrangement des électrodes influence significativement les zones de tissus ciblés et donc la sensibilité de la technique de suivi de l'état d’hydratation du sujet. Identification d’arrangements plus prometteurs que la configuration de Zhu « traditionnelle »
Perspectives : En évaluant systématiquement tous les aspects de la technologie, nous avons amélioré les performances de l'électrode, son positionnement et donc amélioré la précision de mesure du système de BIA localisée. Cela a déjà conduit à la publication de plusieurs articles dans des conférences internationales et des articles de revues et des brevets sont envisagés, basé sur les travaux de recherche et les nouvelles découvertes. 
L'amélioration des électrodes, logicielle et matérielle sera non seulement bénéfique à l'appareil de BIA développé pour le domicile, mais devrait en outre améliorer la précision des systèmes existants « corps entier » utilisé en clinique.
Les trois dispositions d'électrodes les plus prometteuses seront évaluées prochainement cliniquement sur des patients dialysés, en utilisant un système standard de BIA et des groupes d'électrodes hydrogel standard seront regroupées pour constituer des électrodes composites de forme et taille souhaitées. Basé sur les résultats de ces essais préliminaires, un harnais d'électrodes finalisé sera conçu et fabriqué pour les essais cliniques de BIA localisée sur l’hydratation des patients dialysés.
Publications et brevets : Invited Conference Presentation : 
1 - “Bio-impedance spectroscopy: Problems to avoid”  E. McAdams, Special Session on Special Sessions on Bio-electronic Interfaces, 9th Conference on Design and Technology of Integrated Systems in Nanoscale Era (DTIS), Santorini, Greece. 6-8 May 2014.
2 - “The Biomedical Electrode-Tissue Interface: A Simple Explanation of a Complex Subject” E. McAdams. Seminar on Biomedical and Sensor Interface Circuits, ISSCC 2014 San Francisco, USA 9-13 Feb. 2014   
International Conference Publications
1 - “Effect of electrode contact impedance mismatch on 4-electrode measurements of small body segments using commercial BIA devices” P. Bogónez-Franco, P. Pham, C. Gehin, B. Massot, G. Delhomme, R. Guillemaud, E. McAdams., 20th IMEKO TC4 International Symposium and 18th International Workshop on ADC Modelling and Testing Research on Electric and Electronic Measurement for the Economic Upturn, Benevento, Italy. September 15-17, 2014. 
2 - “Problems encountered during inappropriate use of commercial bioimpedance devices in novel applications” P. Bogónez -Franco, P. Pham, C. Gehin, B. Massot, G. Delhomme, R. Guillemaud, E.McAdams. 7th International Workshop on Impedance Spectroscopy. Chemnitz, Germany. September 24-26 2014.
3 - “Design Of Bioimpedance Sensors: Unique Study Tool Composed Of Saline Phantoms, Numerical Modeling And Impedance Spectroscopy” Pascale Pham, Paco Bogonez-Franco, Eric McAdams. 7th International Workshop on Impedance Spectroscopy. Chemnitz, Germany. September 24-26 2014.