Endoscopie nasale par OCT microrobotisée : impact du déficit olfactif sur les maladies neurodégénératives – NEMRO

NEMRO scientific program is situated in the societal challenge 4 and challenges 7, in consequence cross-disciplinary approaches have to be considered to success the project. The project is built and structured according to a functional description of the NEMRO’s objectives:
(1) Conception of a miniature, flexible and actuated endoscopy system,
(2) Control of the endoscopy system equipped with the fiber-based OCT imaging system,
(3) Improvement of the OCT imaging system acquisition,
(4) Preclinical investigation and integration.
Therefore, NEMRO is organized in four scientific work packages:
WP0 – Management
WP1 – Mechatronics and Microrobotics Design,
WP2 – OCT Imaging System and Visual Servoing,
WP3 – Compressed Sensing using innovative visual servoing scheme,
WP4 – Preclinical Investigation and Integration,
WP5 – Dissemination and Exploitation.
Two partners are at least involved in each work package to ensure the cross-disciplinary approaches.
Also, each WP is organized in tasks which are led by the most involved and qualified person in the considered task. This organization is summarized below and detailed in the following.

Through the targeted medical objectives, NEMRO will be a project with high scientific potential, which can conduct to significant breakthroughs (better understanding of olfaction and neurodegenerative diseases, early diagnosis, non-invasive 3D optical biopsy) and open, in the future, new research paths (efficient therapy in neurodegenerative diseases). Technological innovations (high-speed OCT-based visual servoing, increased resolution for concentric tubes, lightweight flexible and miniature endonasal system) are also expected according to the multidisciplinary proposed approach. It constitutes a real opportunity to provide high-level scientific contribution in medical micro and mechatronics conception, advanced control, applied mathematics and high resolution and non-invasive 3D medical imaging techniques (fiber-based OCT), able to generate several relevant patents, and a real potential for industrial transfers. It also constitutes a real opportunity to provide high-level scientific publications (IJRR, IEEE T-RO, IEEE/ASME TMECH, IEEE Trans. Information Theory, Exp. Neurology J., J. of Neurology, IEEE ICRA, IEEE IROS, MICCAI etc.).
Another relevant aspect of NEMRO is the fact that the provided miniature endoscopic system for in-situ characterization (optical biopsy) of the olfactory mucosa allow to visualize nerve endings (nerve cells) by a non-invasive technique. Note that this is the only part of the human body where neurons are accessible without incision.
As regards to the economic impact, note that the neurodegenerative and relative diseases have affect, In France, about 860,000 persons (Alzheimer) and more than 120,000 (Parkinson). These numbers are rising steadily over the last decade creating an important societal malaise. In a recent report, the «Haute Autorité de Santé» has clearly underlined that therapy and diagnosis methods for these pathologies have received too few original scientific investigations over the last decade.

Beyond the diagnosis in the nose, the 2mm diameter endoscopy system will be suited to other microrobotized MIS methods in the brain, such as characterization and stimulation, intracranial tumors resection, or targeted drug delivery. The applications can be extended to others surgery domains (such as deep bronchioles, urethra access to the prostate, uterus, etc.) and to industrial applications (such as inspection of narrow curved spaces).

- revues internationales (avec comité de lecture) :
2 (publiées) + 7 (en cours d'évaluation)
- chapitres d'ouvrage
3
- conférences internationales
17 (publiées) + 3 (en cours d'évaluation)
- communications nationales (avec comité de lecture)
1
- articles de vulgarisation
1
- conférences de vulgarisation
3
- autres
2

Les maladies neurodégénératives et apparentées sont devenues la principale priorité des autorités de santé dans la plupart des pays développés. Par exemple, en France, environ 860 000 personnes souffrent du syndrome de la maladie d'Alzheimer auxquels s'ajoutent 220 000 nouveaux cas chaque année. Parallèlement, quelques 120 000 personnes sont touchées par la maladie de Parkinson avec 16 000 nouveaux cas déclarés chaque année. Néanmoins, dans son dernier rapport, la «Haute Autorité de Santé (HAS)», a clairement souligné le manque d'efficacité des traitements actuels, qui sont plus palliatifs que thérapeutique. Cela est particulièrement vrai lorsque le diagnostic de ces maladies arrive trop tard, c'est-à-dire à l'apparition des premiers signes de perte de mémoire et/ou de motricité. La HAS a également souligné que le dépistage et le diagnostic de ces pathologies ont connu peu travaux scientifiques et d’innovations technologiques ambitieux et originaux au cours de la dernière décennie.

Le projet NEMRO s'inscrit dans le défi «Santé et Bien-Être», dans son axe principal « Innovation Biomédicale ». Il traite de la relation entre les maladies neurodégénératives et la déficience olfactive. Plusieurs études cliniques récentes (souvent statistiques) ont démontré qu'il existe une corrélation entre la perte de l'odorat et l'apparition de ces pathologies. Le déficit olfactif est un signe précurseur fiable de la dégénérescence neuronale. Malgré cette avancée considérable dans la compréhension de certaines maladies neurodégénératives et apparentées, peu de travaux scientifiques ambitieux permettant de comprendre l’origine, l’évolution et d’éventuels moyens d’inverser la tendance de ces maladies par des thérapies ciblées. Les raisons pour lesquelles ces études sont restées au stade clinique sont multiples et variées. Il est notamment difficile d’accéder à la muqueuse olfactive située à la terminaison des fentes nasales dont le diamètre n’excède pas 3 millimètres. À cela s'ajoute’ajoute le manque de moyens de caractérisation/visualisation des cellules olfactives dont la taille individuelle est de seulement une centaine de micromètres.

NEMRO projette de développer un endoscope nasal équipé d’un système d’imagerie OCT fibré (Optical Coherence Tomography). Cet endoscope nasal consiste en un système robotique miniature (le diamètre est inférieur à 2 mm) et flexible. La conception du robot repose sur l'utilisation d'un actionnement hybride : actionnement déporté assuré par un système mécatronique spécifique et un actionnement embarqué fondé sur l'utilisation de matériaux (polymères) électro-actifs. Ce système constituera en un moyen de caractérisation dynamique in-vivo et non-invasif permettant d'effectuer des images 3D à haute résolution (biopsies optiques 3D). Ces dernières permettront d'analyser de manière très précise et en profondeur de l'aspect et de la texture des cellules olfactives comparables à des coupes histologiques. À court terme, ce système donnera un moyen inédit d’investigation expérimental fiable et à coût réduit de compréhension/diagnostic de certaines maladies neurodégénératives. Il permettra également le suivi de l’évolution, dans le temps, de la perte d’odorat et sa répercussion sur la dégénérescence neuronale.

Grâce à des objectifs médicaux, en rupture avec les pratiques actuelles sur le diagnostic des maladies neurodégénératives, NEMRO sera un projet à fort potentiel scientifique, qui peut conduire à des percées significatives (meilleure compréhension de l'olfaction, diagnostic précoce, etc.) et ouvrira de nouvelles voies en recherche (thérapie efficace). A cela s'ajoute, des contributions scientifiques de haut niveau : conception micro-mécatronique intrinsèquement sûr, commande référencée OCT, méthodes mathématiques pour l'acquisition comprimée. Il sera également de même pour les innovations technologiques (endoscopie robotisée miniature et flexible, actionnement hybride déporté/embarqué).