Dans le domaine de la santé, il devient de plus en plus fréquent d’entendre parler d’une nouvelle technologie : le jumeau numérique. Longtemps limitée à la recherche, ce nouvel outil commence à apparaitre dans la planification chirurgicale, la médecine de précision et l’organisation hospitalière et est testé lors d’essais cliniques ou dans le cadre de la formation des médecins : il y est souvent fait référence lors d’exposés émanant du corps médical du Service de Santé des Armées laissant l’auditeur ébahi par tant d’innovation mais dubitatif du fait de son ignorance en la matière !

Le recours au jumeau numérique existe depuis longtemps dans l’industrie pour simuler et prévoir des systèmes physiques : dès 1960, lors du vol spatial d’Apollo 13, la NASA y a eu recours pour simuler les dommages causés par l’explosion du réservoir d’oxygène. Il est devenu usuel dans divers secteurs industriels pour optimiser le fonctionnement et la maintenance des systèmes et des processus de fabrication : par exemple, dans l’industrie automobile, on utilise plus de mannequins pour étudier les conséquences des crash-tests, tout se faisant de façon virtuelle à partir de ces jumeaux numériques. On rejoint ici ce que l’on appelle l’internet des objets (c’est à dire l’interconnexion entre des objets physiques tels que véhicules, appareils, montres et l’internet) qui est maintenant très répandu où ces jumeaux numériques permettent d’interagir virtuellement avec d’autres machines ou des personnes : on leur donne le nom de « cyberobjets » ou d’« avatars digitaux ».

De quoi s’agit-il ?

Un jumeau numérique est un modèle numérique qui reproduit fidèlement un objet ou un système plus complexe (organisme, organisation, opération) : il en est le clone virtuel. Mais il n’est pas seulement une réplique à un moment précis de l’objet ou du système en question car il comprend l’ensemble du processus par lequel cet objet ou ce système sont passés depuis leur conception jusqu’à leur état actuel : il reflète ainsi l’histoire de sa fabrication ou de sa conception et le déroulé de son développement. Ce jumeau fournit donc à la fois les détails constitutifs de l’objet ou du système mais aussi leur dynamique opérationnelle tout au long de leur existence. Pour parvenir à ce résultat, ces jumeaux numériques intègrent l’intelligence artificielle (IA) qui leur permet d’acquérir et d’analyser des données à très grande vitesse et d’assurer un apprentissage automatique : il apprend et se met à jour en permanence en utilisant de multiples sources provenant de capteurs, d’experts humains ou d’autres machines similaires en tenant compte de son environnement ; il intègre des données historiques sur l’utilisation de l’objet ou du système. Comme on le voit, il s’agit d’un outil de simulation extrêmement sophistiqué qui se nourrit d’une quantité importante de données numériques qui seront, via l’IA, traitées et analysées pour aboutir à des acquisitions et à des applications pratiques.

Comment cela fonctionne dans le champ de la santé ?

Le jumeau numérique en santé est une réplique virtuelle dynamique d’un patient, d’un organe ou d’un processus physiologique, construit à partir de plusieurs sources de données médicales telles que des images, des dossiers médicaux électroniques, des dispositifs médicaux portés sur soi. Le jumeau utilise ces données grâce à l’IA et peut ainsi simuler des scénarios de santé tels que l’évolution d’une pathologie, prédire des résultats ou personnaliser des traitements : il évolue donc en continu, se met à jour en permanence sur la base des données spécifiques du patient qui sont traitées en temps réel par l’IA. Par exemple, le cardiologue peut prédire l’effet qu’aura la pose d’un pace maker, l’oncologue peut essayer diverses combinaisons de chimiothérapie pour trouver celle qui sera la plus efficace.
A un degré de plus, certains jumeaux peuvent intégrer des données environnementales ou comportementales, c’est-à-dire les influences du mode de vie ou de l’environnement sur la santé du patient. Certains ne se contentent pas de traiter des données qui leur sont fournies mais sont capables de renvoyer des informations en temps réel : un médecin anesthésiste peut utiliser ce jumelage pour guider le dosage de son traitement en cours d’intervention, le chirurgien se voir recommander une voie d’abord plus sûre.

Quelles applications concrètes ?

Le recours à ces jumeaux est encore pour l’essentiel cantonné dans les domaines de la recherche, (études sur cœur virtuel à Boston ou sur cerveau virtuel à Marseille, projet de recherche français MEDITWIN qui concerne la cardiologie, la neurologie et l’oncologie). Par ailleurs, en recherche clinique, certaines études se servent de ces jumeaux pour remplacer l’échantillon témoin par une version virtuelle issue d’études plus anciennes. Mais, les choses vont très vite, les essais se multiplient et plusieurs applications cliniques concrètes voient le jour qui ont en commun de relever d’une médecine de précision et personnalisée :
• Optimiser la réponse aux traitements en simulant les dosages ou les médicaments ou combinaisons de médicaments utilisés ce qui permet de prendre des décisions cliniques plus éclairées et de soutenir des parcours de soins optimisés et individualisés, en particulier pour les patients souffrant de maladies complexes ou chroniques (exemple : l’insuline chez le diabétique).
• Assurer une planification chirurgicale ou simuler des procédures ce qui pourraient aider les chirurgiens à mieux se préparer aux interventions, à réduire la durée des opérations (et donc la fatigue des chirurgiens), à identifier des voies chirurgicales sûres et à améliorer la sécurité des patients.
• Modéliser la progression des maladies chroniques en observant comment une maladie évolue en l’absence de traitement et en comparant les résultats de différentes options thérapeutiques (exemple : maladies cardiovasculaires, maladies neurodégénératives, oncologie).

Dans toutes ces situations, l’erreur lors d’essai tend à disparaitre et l’on rejoint une notion de prévention d’effets délétères.

Ces applications ne s’arrêtent pas aux domaines cliniques : les organisations sanitaires et la formation médicale sont aussi potentiellement concernées par cette technologie au même titre que cela se fait couramment en milieu industriel.
• Les jumeaux numériques permettent de simuler le fonctionnement de services hospitaliers pour optimiser leur gestion et leur pilotage en termes de logistique, de flux et de maintenance : par exemple d’anticiper les flux de patients aux urgences (exemple : CHU de St Etienne), ou de recommander l’affectation de ressources (personnel, lits…) en fonction des flux. Lors de la crise de la COVID, ils ont permis de modéliser la propagation du virus ou l’organisation des services de réanimation.
• Ils peuvent représenter un support aux étudiants en médecine pour expérimenter l’impact des médicaments et de la posologie sur les résultats des patients ; les chirurgiens peuvent s’exercer avant de mettre en œuvre une nouvelle technique opératoire.

Un exemple : le jumeau numérique du choc hémorragique développé au sein de l’Institut de Recherche Biomédicale des Armées (IRBA).

L’IRBA intègre désormais la technologie des jumeaux numériques dans ses projets de recherche médicale de défense, en particulier pour modéliser les conséquences des traumatismes sévères subis sur le champ de bataille. Présenté lors du Forum Innovation Défense, l’utilisation de ce jumeau permet de simuler en temps réel les réactions de l’organisme face à une perte massive de sang aboutissant à un état de choc pour mieux comprendre la physiopathologie précise du choc hémorragique chez le blessé grave. À terme, ce double virtuel doit aider les équipes médicales projetées sur le terrain à choisir la prise en charge la plus adaptée pour stabiliser un blessé de guerre.

Quelles limites pour leur déploiement dans le champ de la santé ?

Les difficultés restent encore nombreuses pour que cette technologie investisse le soin. Elles sont multiples du fait de la complexité scientifique de ces modèles mais aussi de questions éthiques.
• La sélection des sources de données doit être transparente et la fiabilité des données est cruciale pour être certain que les résultats des simulations obtenus, traités par l’IA, soient exempts de biais.
• La confidentialité des données pose question : le jumeau numérique n’appartient-il pas au patient, comment celui-ci peut-il contrôler ces informations, ces données peuvent-elles être utilisées à son insu, autant de questions qui ne sont pas résolues mais qui devront l’être. La protection des données contre les accès non autorisés devient une responsabilité partagée, car les médecins créent des jumeaux à partir des données personnelles des patients et les plateformes peuvent donc accéder à de multiples sources de données comparatives.
• En l’absence de validation en situation réelle, comment le médecin peut-il être certain que la technologie fonctionne : que faut-il mettre en place en termes de normes et de protocoles pour s’en assurer ? Il convient de pouvoir apporter les preuves d’un impact positif sur l’état de santé du patient, et d’une balance bénéfice / risque favorable.
• À cela s’ajoutent des enjeux économiques, car même si ces outils ne sont pas toujours coûteux, leur modèle de financement reste à construire. Leur intégration dans les systèmes informatiques hospitaliers et la formation des professionnels constituent également des éléments clés pour imaginer leur déploiement.

Quels enjeux éthiques ?

A l’instar de ce qui fait actuellement débat pour l’IA, cette technologie soulève des questions essentielles qui ont fait l’objet d’un important travail d’un groupe d’experts et dont les conclusions sont reprises ci-dessous.
• Le risque de réduction de la personne à des données et le risque de confondre le modèle avec la réalité humaine qu’il représente sont réels entretenu par le terme de « jumeau » qui peut laisser croire à une équivalence, alors qu’il s’agit d’une construction issue de choix techniques et de données sélectionnées.
• La transformation de la relation de soin fondée sur la rencontre entre patient et médecin se mue avec le numérique en une relation quadrangulaire, où s’ajoutent le jumeau numérique et ses concepteurs ; cette nouvelle configuration redistribue la confiance et les responsabilités : que se passe-t-il si une erreur de jumeau numérique entraîne un mauvais résultat, quelle est la responsabilité du patient dans la fourniture d’informations exactes et complètes, quel accès, le cas échéant, les assureurs devraient-ils avoir au jumeau numérique d’un patient ?
• Le danger de voir les prédictions produites par ces modèles qui sont des probabilités statistiques se transformer en certitudes est réel, limitant la capacité d’agir des patients et des soignants.
• La puissance du jumeau numérique repose sur des infrastructures lourdes, coûteuses et très énergivores. Leur généralisation pose ainsi un double défi : réduire l’impact écologique du numérique en santé, et éviter que ces technologies, en raison de leur coût environnemental élevé, ne restent réservées à certains, creusant ainsi les inégalités d’accès aux soins.

En conclusion,

La technologie des jumeaux numériques est très prometteuse pour la transformation des soins de santé. Outil puissant qui permet d’envisager une médecine plus précise et plus personnalisée, le jumeau numérique n’est pas un double du patient, mais bien un outil au service de la réflexion et de la décision clinique. Actuellement largement utilisé dans la recherche médicale, son adoption clinique à grande échelle dépendra d’une gouvernance transparente, responsable, équitable et éthique.