Les bienfaits de la Station spatiale internationale pour l'humanité

L'échographie de pointe pour le programme spatial et sur Terre

(Adapté d'un article original publié dans NASA Technology Innovation, Vol. 15; 3, 2010; NP-2010-06-658-HQ)

Le lieu où se trouve un patient au moment où survient un problème de santé détermine souvent la douleur et les souffrances qu'il devra endurer et même ses chances de survie. Règle générale, la facilité d'accès aux soins médicaux diminue à mesure qu'augmente la distance par rapport à une région métropolitaine importante. Il est particulièrement difficile de fournir des soins médicaux aux personnes vivant dans des collectivités éloignées ou dans des stations de recherche reculées, comme les stations arctiques, ainsi qu'à des équipages isolés, comme celui de la Station spatiale internationale. Dans ces endroits éloignés, les soins médicaux sont généralement offerts par du personnel médical ayant une formation minimale et, parfois, les contacts avec un médecin (si toutefois ils sont possibles) ne peuvent être établis que par téléphone ou par Internet. La possibilité de diagnostiquer rapidement une maladie ou une blessure et d'amorcer un traitement améliore le résultat pour le patient et réduit les conséquences sur la suite de la mission. L'établissement d'un diagnostic précis en régions éloignées réduit les répercussions de l'incident et la probabilité de devoir procéder à une évacuation coûteuse, potentiellement dangereuse et parfois inutile.

L'imagerie ultrasonique (échographie) est l'une des méthodes diagnostiques les plus rapides, les plus sûres et les plus universelles à avoir été inventées. Elle permet d'obtenir une bonne partie de l'information fournie par des techniques plus coûteuses, comme la radiographie, la tomodensitométrie ou l'imagerie par résonance magnétique. En outre, c'est la seule méthode qui produit une image en temps réel, pouvant être interprétée et/ou transmise simultanément. Si elle est effectuée par une personne compétente, l'échographie répond instantanément à de nombreuses questions cliniques, raccourcit la durée de l'évaluation et améliore le résultat.

L'équipe de recherche sur l'échographie diagnostique de pointe en microgravité (ADUM pour Advanced Diagnostic Ultrasound in Microgravity) de la NASA, logée au Centre spatial Johnson de la NASA, met à l'essai de nouvelles utilisations de l'échographie dans de grands centres médicaux et en laboratoire, puis elle les adapte en vue de leur utilisation au cours des vols spatiaux, en prévoyant notamment des méthodes de formation et des directives à l'intention d'opérateurs qui ne sont pas issus du milieu médical. L'équipe de l'ADUM est composée de personnes ayant une expertise unique dans les domaines clinique et scientifique ainsi que dans les secteurs du génie et de l'enseignement, en plus d'avoir une expérience directe obtenue dans le cadre de nombreux projets et programmes de télémédecine.

Des essais sur Terre, pour étendre l'utilisation de l'échographie

L'échographie est couramment utilisée pour obtenir des données diagnostiques sur la grossesse et diverses affections abdominales et vasculaires, comme les maladies de la vésicule biliaire ou la formation de caillots. On a examiné l'utilisation de l'échographie pour d'autres conditions, notamment l'affaissement des alvéoles pulmonaires, les fractures osseuses, les blessures aux yeux ou à la tête et les infections des dents ou des cavités sinusales.

Les patients qui ont subi un traumatisme thoracique risquent de présenter un affaissement des alvéoles pulmonaires ou un pneumothorax, problème habituellement diagnostiqué au moyen d'une radiographie thoracique. L'équipe de l'ADUM a mis au point une technique d'échographie pulmonaire simple, qui peut être utilisée pour diagnostiquer un pneumothorax avec une exactitude supérieure à celle de la radiographie thoracique. Cette nouvelle technique est maintenant la norme dans de nombreux hôpitaux et centres de traumatologie partout dans le monde. En ayant recours au vol parabolique pour simuler la microgravité, on a validé l'équipement d'échographie, la formation des astronautes et les techniques de guidage à distance en vue d'une utilisation à bord de la station spatiale, comme outil potentiel de soutien médical pour les futures missions spatiales.

L'équipe de l'ADUM a conçu des « cartons aide-mémoire » permettant de guider rapidement les utilisateurs non-spécialiste appelés à effectuer des échographies chez des patients présentant des blessures aux membres. Elle a constaté qu'après seulement quelques minutes de formation, les utilisateurs peuvent diagnostiquer des fractures osseuses avec une exactitude de plus de 90 %. Il est également possible d'utiliser l'échographie pour reconnaître les lésions aux muscles, aux articulations ou aux tendons. Avantage important, l'échographie est un moyen commode pour observer les muscles et les articulations en mouvement, ce que ne permettent ni la radiographie ni d'autres techniques, qui ne peuvent obtenir que des photographies du corps.

Chez les astronautes, le risque de blessures aux yeux causées par les objets en suspension dans le vaisseau spatial est préoccupant; plus récemment, on s'est inquiété de l'effet de l'exposition prolongée à la microgravité sur la vision. On peut avoir recours à l'échographie pour détecter la présence de corps étrangers dans l'œil ainsi que d'autres affections qui pourraient porter atteinte à la vue au cours d'un voyage dans l'espace. L'échographie oculaire peut également fournir des renseignements importants sur l'état du cerveau chez des patients blessés à la tête. Elle permet de détecter un œdème cérébral chez un blessé en mesurant le diamètre de l'enveloppe du nerf situé à l'arrière de l'œil.

Formation rapide des opérateurs profanes

Durant une échographie, une sonde est appliquée sur le corps du patient afin de transmettre et de recevoir des ondes ultrasoniques pour produire une image en mouvement. L'obtention d'images de bonne qualité au moyen de cette technique dépend du placement et du déplacement adéquats de la sonde, technique qui requiert habituellement des heures de pratique. Les chercheurs de l'ADUM ont découvert qu'il est possible pour un opérateur n'ayant pas de formation médicale d'obtenir des données de qualité si les bonnes questions cliniques sont posées et si l'opérateur reçoit l'information pertinente en quantité suffisante ainsi que des directives d'un expert à distance.

L'équipe de l'ADUM a mis au point un outil d'apprentissage automatisé en ligne, bilingue (anglais et russe), d'amélioration des compétences à bord (OPE pour On-Board Proficiency Enhancement ). Il s'agit d'un programme d'apprentissage progressif permettant d'effectuer des examens échographiques ciblés après une courte formation avant le vol. Le programme OPE comprend des modules qui passent en revue le réglage de l'équipement, les principes élémentaires et avancés de l'échographie, l'anatomie, les principes du guidage à distance et des suggestions adaptées à chaque examen accompagnées d'une collection d'images de référence. Des cartons aide-mémoire d'accompagnement, indiquant où appliquer la sonde pour obtenir la bonne image, ont été conçus pour toutes les séries d'examens échographiques. Ce programme de formation peut se donner en deux ou trois heures et comprend des modules de mise à jour de 30 minutes à exécuter juste avant un examen.

Le concept clé mis au point par l'équipe de l'ADUM est celui du « guidage à distance par un expert » (Remote Expert Guidance) des examens échographiques qui établi la liaison, dans un environnement de travail virtuel commun, entre un expert situé à distance et l'opérateur sur place. La sortie vidéo de l'appareil d'échographie est transmise à l'expert à distance par liaison satellite ou Internet. Pour l'obtention des images échographiques, l'opérateur est guidé par des commandes vocales. Cette façon de procéder réduit considérablement les besoins en formation dont la durée n'est plus que de quelques minutes), tout en préservant la qualité des examens échographiques.

L'échographie à bord de la station spatiale

Les essais initiaux portant sur le nouveau paradigme, c'est—à-dire l'utilisation de l'échographie pour obtenir des images du cœur et de l'abdomen, ont ouvert la voie à une vaste série d'expériences de l'ADUM à bord de la station. Ces recherches ont été financées par la NASA et l'Institut national de recherche en sciences biomédicales spatialese (NSBRI pour National Space Biomedical Research Institute). Les chercheurs de l'ADUM ont souligné l'importance de donner une formation minimale avant le vol aux astronautes et cosmonautes membres de l'équipage, d'offrir un programme de mise à jour des connaissances automatisé en ligne avant les séances d'imagerie et d'avoir recours au guidage à distance par un expert pour les examens échographiques complexes.

Dans un premier temps, les membres d'équipage ont effectué des examens échographiques cardiaques, vasculaires et thoraciques de qualité à bord de la station. Ensuite, on a rapidement formé d'autres astronautes afin d'accroître la capacité d'effectuer des examens du cœur, des poumons, des vaisseaux sanguins et de l'abdomen avec une attention particulière sur l'échographie musculosquelettique. Les membres d'équipage ont effectué des examens échographiques tous les mois afin d'exercer une surveillance des modifications osseuses au cours d'une longue période sans gravité. L'équipe de l'ADUM a ensuite travaillé avec les astronautes afin de pratiquer des examens échographiques additionnels à bord de la station, notamment des dents, des sinus et des yeux. Enfin, un examen complet du cœur a été pratiqué sans liaison vidéo directe, en misant uniquement sur le guidage vocal et sur la reconnaissance des formes développée au cours de l'expérience.

Plus de 100 heures d'examens échographiques ont été effectuées auprès des membres d'équipage en mission de longue durée, ce qui a permis de réaliser une évaluation « de la tête aux pieds » des modifications de l'organisme associées au vol spatial. À la fin de 2009, les techniques et les solutions mises au point par l'équipe ont été officiellement acceptées comme mesures de soutien médical aux équipages de la station ainsi que pour la réalisation d'expériences sur la physiologie spatiale et la recherche sur la médecine clinique spatiale.

Expérience sur l'application de l'échographie

Les chercheurs de l'ADUM ont modifié les méthodes de formation et les techniques de guidage à distance conçues pour la station spatiale afin de les appliquer sur Terre. De la formation sur les techniques d'échographie de pointe a été donnée à des soigneurs d'une équipe de hockey et d'une équipe de baseball (les Red Wings de Détroit et les Tigers de Détroit, respectivement), n'ayant pas une formation de médecin, afin de les aider à soigner les athlètes blessés. On a installé un appareil d'échographie portatif dans les vestiaires des stades et conçu des cartons aide-mémoire adaptés aux sportifs portant sur les blessures sportives courantes. Des connexions de télé-échographie ont été établies entre les stades sportifs et l'Hôpital Henry Ford , à Détroit (MI.), afin de permettre le guidage à distance.

Les premières expériences avec les équipes de hockey et de baseball ont montré que les soigneurs pouvaient pratiquer des examens échographiques complexes des muscles, des os et des articulations, rapidement et avec une grande précision diagnostique, ce qui rend possible le diagnostic des blessures sportives sur le terrain. Certains chercheurs de l'ADUM ont étendu ces services d'échographie aux centres d'entraînement olympiques des États-Unis et ont appuyé les jeux de Turin, de Beijing et de Vancouver en pratiquant des centaines d'examens échographiques sur place chez des athlètes présumés blessés.

L'équipe de l'ADUM a élargi le concept pour l'appliquer à des lieux éloignés, comme le mont Everest et le cercle polaire arctique. L'équipe a conçu un système autonome comprenant un appareil d'échographie portatif alimenté par l'énergie solaire et muni d'un téléphone satellite et un ordinateur portatif contenant des programmes de formation. Grâce aux cartons aide-mémoire et au guidage à distance, un alpiniste n'ayant pas reçu de formation a réussi à effectuer une échographie pulmonaire complète au camp de base avancé du mont Everest. L'opérateur novice a réussi à envoyer des images échographiques de grande qualité à l'expert à distance, ce qui a permis de diagnostiquer un œdème pulmonaire (présence de liquide dans les poumons) dû à la haute altitude chez un alpiniste. Un système semblable d'échographie à distance a été utilisé à Resolute Bay, dans le cercle polaire arctique canadien, afin de rendre possible la réalisation d'examens ciblés de presque tous les organes.

Les programmes de formation « juste à temps » en échographie destinés à être utilisés dans l'espace et dans des régions éloignées conviennent également pour la formation des fournisseurs de soins de santé. Un programme de formation a été élaboré par l'école de médecine de l'Université d'État de Wayne et est maintenant utilisé par le Collège américain des chirurgiens pour enseigner l'échographie aux futurs chirurgiens.

Plans à long terme

L'équipe de l'ADUM rédige actuellement un manuel de formation simple portant sur l'échographie du corps entier; ce manuel permet d'enseigner à des opérateurs non-initiés la façon de diagnostiquer un vaste éventail de maladies. Un dispositif intégré de soins médicaux à distance est en cours de mise au point; il comprendra des modules d'enseignement assisté par ordinateur, de diagnostic fondé sur l'échographie et de communications avec des experts à distance, dans le but d'offrir des soins médicaux de grande qualité aux régions éloignées, rurales et mal desservies sur Terre.

En raison du caractère « en temps réel » de l'échographie et de la capacité de transmettre rapidement les images pour le guidage à distance par un expert, les applications de l'échographie sont tout particulièrement intéressantes dans des sites éloignés. Les chercheurs de l'ADUM examinent la possibilité d'avoir recours à l'échographie pour répondre efficacement aux questions de diagnostic clinique primaire dans un environnement non conventionnel, où l'échographie est la seule source d'imagerie (ou la première qui soit disponible) et où l'expertise sur place est limitée. L'équipe a mis au point et utilisé abondamment un logiciel multimédia d'apprentissage en ligne. Conjugué avec le mentorat en temps réel de l'opérateur sur place (guidage à distance par un expert), il constitue une combinaison gagnante. Ces méthodes d'échographie ciblée ont été utilisées avec succès à bord de la station et ont fait l'objet de plusieurs autres applications au sol.

L'échographie est l'une des modalités d'imagerie diagnostique les plus adaptables; elle peut être utilise pour de nombreux problèmes de santé de même qu'en chirurgie. Les progrès réalisés sur le plan de la portabilité et de l'accessibilité, couplés aux programmes de formation améliorés et à la télé-échographie, permettent d'offrir des services diagnostiques puissants partout sur Terre et dans l'espace.

De concert avec ses partenaires, l'équipe de l'ADUM s'emploie à créer des connaissances et des capacités nouvelles afin d'améliorer la santé humaine sur Terre et dans les milieux d'exploration futurs les plus audacieux.

Scott A. Dulchavsky, M.D.
Hôpital Henry Ford
Kathleen Garcia,
Douglas R. Hamilton, M.D., Ph. D.,
Shannon Melton et
Ashot E. Sargsyan, M.D.

Wyle Integrated Science and Engineering

Scott Dulchavsky, M.D., est président du département de chirurgie à l'hôpital Henry Ford à Détroit (MI.) et chercheur principal pour le projet de l'ADUM. Kathleen Garcia, Douglas Hamilton, M.D., Ph. D.., Shannon Melton et Ashot Sargsyan, M.D., sont affiliés avec Wyle Integrated Science and Engineering Group et co-chercheurs du projet de l'ADUM. La société Wyle est l'entrepreneur principal dans le cadre du contrat de bioastronautique du Centre spatial Johnson de la NASA et elle fournit des services relatifs aux activités médicales, à la recherche réalisée au sol ou en vol, au développement et à la fabrication d'équipement destiné au vol dans l'espace, à l'intégration des sciences et de la mission.