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La nécessité de mesures plus nombreuses

Face à la multiplication des pics de pollution ces derniers mois, la nécessité d'évaluer en temps réel la qualité de l'air, mesurée à partir de la concentration en différents éléments parmi les plus ...

Réparer les vaisseaux grâce aux algues

Des polysaccharides marins pour traiter les maladies cardiovasculaires

Les vaisseaux sanguins assurent la circulation du sang dans l’organisme. Des dépôts accumulés de lipides sur leur paroi interne peuvent former des lésions responsables de maladies cardiovasculaires. C’est l’une des premières causes de mortalité en France et dans le monde. Certes, des médicaments permettent de prévenir ces maladies, mais pas de les guérir. Entre la médecine réparatrice et les recherches en thérapie cellulaire, la médecine régénérative travaille à reconstituer les vaisseaux endommagés.

Les chercheurs s’intéressent à des prothèses hybrides, autrement dit composées de matériaux synthétiques qui vont être colonisés par les cellules du patient. C’est là qu’intervient le biomimétisme, avec les polysaccharides issus des algues. Ces longues chaînes de polymères sont flexibles et malléables, tout en étant compactes et solides. Surtout, elles ne provoquent pas de réactions de rejet, donc peuvent servir de matériaux de substitution pour le corps humain.

La recette d’un bon vaisseau de substitution

Les polymères, que les laboratoires achètent sous forme de poudres, sont d’abord solubilisés et transformés en hydrogel. Après quoi, des moules leur donnent la forme désirée, ce qui permet d’étudier leurs caractéristiques. L’objectif est de produire des vaisseaux biocompatibles, capables de s’étirer en résistant aux variations de pression, qui assurent une bonne circulation du sang, ne fuient pas et se connectent correctement aux vaisseaux existants. Le biomatériau étant poreux, les cellules du patient peuvent alors coloniser la prothèse. Un mois après sa pose, celle-ci se dégrade, ne laissant sur place que le vaisseau régénéré, dont les propriétés se rapprochent au mieux des vaisseaux naturels.

Les techniques utilisées aujourd’hui ne produisent pas de vaisseaux d’un diamètre interne inférieur à six millimètres. Grâce aux polysaccharides issus des algues, les chercheurs sont parvenus à produire des tubes d’un diamètre aussi petit que deux millimètres. Implantées chez le rat, ces prothèses hybrides sont pour le moment compatibles pendant trois mois. Les travaux des physico-chimistes et des biologistes visent à augmenter la longévité de ces vaisseaux afin de pouvoir faire profiter les humains de cette avancée fondamentale sur le plan médical.

En savoir plus :

La nature comme exemple, deux exemples de biomimétisme

Le dossier de l’INSERM sur la réparation des vaisseaux sanguins

Le dossier sur l’athérosclérose de l’INSERM sur les lésions des vaisseaux par les plaques lipidiques

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Mesure participative de la qualité de l'air
Un projet vise à collecter des données sur la qualité de l'air grâce à des capteurs individuels et des smartphones.

La nécessité de mesures plus nombreuses

Face à la multiplication des pics de pollution ces derniers mois, la nécessité d'évaluer en temps réel la qualité de l'air, mesurée à partir de la concentration en différents éléments parmi les plus nocifs, s'impose toujours davantage. De plus, les informations recueillies par des organismes régionaux, comme AIRPARIF en Île-de-France, ou ATMO dans les Hauts-de-France, proviennent de sources trop éloignées, spatialement ou temporellement, les unes des autres. À cause de cela, les prévisions sur les évolutions des concentrations en polluants se révèlent généralement imprécises. Dans la région des Hauts-de-France, un consortium de laboratoires de recherche, d'associations et d'organismes régionaux a décidé de s'attaquer à ce problème. De là est né le projet OSCAR.Son principe est de faire participer la population à l'évaluation de la qualité de l'air.

Des boîtiers connectés pour l'acquisition des données

L'idée de cette initiative est d'équiper des volontaires de boîtiers d'acquisition constitués de capteurs mesurant la concentration en différents polluants de l'atmosphère environnante et de smartphones.

Les capteurs légers et peu encombrants se connectent par exemple via Bluetooth, à un smartphone ou à une tablette numérique. Cette solution économique permet de faire appel aux étudiants des lycées techniques et IUT de la région pour fabriquer les capteurs et assembler les boîtiers selon un modèle fourni par un laboratoire de la région, le LISIC.

Grâce à eux, la diffusion d'une masse critique de boîtiers fonctionnels est assurée. Les données obtenues viales équipements connectés des particuliers serviront à établir une carte extrêmement précise de la qualité de l'air. Mais, avant d'en arriver là, de nombreux obstacles doivent être surmontés.

Étalonnage et géolocalisation

Pour tracer une carte de pollution, il faut disposer simultanément de données sur la qualité de l'air suffisamment précises et d'un positionnement exact du lieu où a été prise chaque mesure. On voit là l'intérêt d'utiliser des appareils mobiles comme les smartphones : ils sont équipés de GPS, ce qui permet de transmettre en même temps les données sur la qualité de l'air et la localisation du mobile.

Mais plusieurs problèmes se posent alors. Comment garantir que les informations de géolocalisation sont suffisamment précises pour certifier l'exactitude du rendu final ? Et cette étape de positionnement des différents appareils est loin d'être la contrainte principale. Rien ne permet en effet d'affirmer a priori que deux appareils, situés au même endroit, enregistreront les mêmes valeurs. On appelle étalonnage des capteurs la phase de réglages permettant d'assurer ce dernier point. Or, il est impossible de r éaliser cette calibration au cours de la fabrication des composants, en raison du mode de fabrication retenu. On doit donc l'effectuer a posteriori, à distance et sans avoir un contrôle total sur l'environnement d'utilisation du capteur, c'est pourquoi on parle d'étalonnage aveugle.

Focus sur le problème de Netflix

La réalisation de cette étape est analogue, d'un point de vue mathématique, à ce qui est connu comme le problème de Netflix, du nom du fameux site internet répertoriant des films et des séries. L'idée est de trouver un moyen de proposer les meilleures recommandations de film à un utilisateur donné. Pour cela, Netflix disposait initialement d'évaluations de 17 770 films par 480 189 internautes, chaque évaluation correspondant à l'attribution d'un nombre de 1 à 5. Or, chaque utilisateur n'a noté qu'un tout petit nombre de films : au départ, on ne connaissait que 100 480 507 évaluations parmi plus de 8 milliards possibles. Le problème consistait donc à compléter une matrice de taille 480 189 × 17 770 dont on connaissait seulement moins de 1% des valeurs, qui correspondent aux évaluations connues. Pour en revenir à notre problème, les internautes sont les analogues des endroits précis où ont été effectuées les mesures et les évaluations correspondent aux données étalonnées. On veut donc construire une matrice C, ou plutôt une de ses approximations ?, dont chaque ligne correspond à une localisation et chaque colonne à un polluant étudié. La valeur indiquée dans une case de la matrice représentera donc la quantité exacte d'un élément toxique en un point parfaitement repéré.

Pour calculer ces dernières quantités, on a recours à une technique appelée factorisation de matrices. Le principe est de déterminer deux matrices, notées U et F respectivement. F sera la matrice d'étalonnage : chacune de ses lignes représentera le capteur, et ses colonnes correspondront aux différents polluants. La valeur dans une case sera la fonction à appliquer à la mesure inexacte, effectuée par un capteur donné sur un polluant lui aussi donné, pour obtenir la valeur exacte. Quant à U, elle donne les capteurs présents en un point donné. Grâce à la formule ? = U . F, on peut compléter en même temps les trois matrices.

Ce problème de complétion de matrices a été programmé informatiquement grâce à des algorithmes de plus en plus rapides : une implémentation de 2013 permettait de compléter en 3 secondes une matrice de taille 100 x 1000 avec une précision relative de 10-5.

Des mesures à l'exploitation

Les informations obtenues par les smartphones sont transmises à une plateforme par Internet. Les données sont d'ailleurs anonymisées grâce à la plateforme APISENSE, de l'INRIA, pour respecter la vie privée des volontaires. Les techniques de traitement mathématiques exposées précédemment permettent d'étalonner les capteurs au fur et à mesure que les données sont collectées.

Après ce traitement, la collection d'informations mobiles issues du crowd-sensing est intégrée avec les mesures réalisées par des stations atmosphériques du réseau ATMO au sein d'une base de données.

Ce nouveau traitement permet de construire des modèles, comme des cartes géographiques, où l'on peut repérer les concentrations anormales de polluants, et découvrir presque en temps réel leurs déplacements.

Cette approche ouvre de nombreuses perspectives en matière de suivi des flux de polluants et de prévision des risques environnementaux. Une initiatie qui n'aurait jamais été réalisable sans les plus récentes avancées mathématiques et informatiques...

En savoir plus

Sur les acteurs du projet

Sur la complétion de matrices (en anglais) ou avec cet article

Aurore Sallard
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