Les cœurs artificiels de longue durée, alternative à la greffe
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Travaux Personnels Encadrés session 2007-2008 Sciences de la Vie et de la Terre Physique­Chimie Les cœurs artificiels de longue durée, alternative à la greffe cardiaque COËZ Romain PORRET-BLANC Romain THIBAUD Jean-Baptiste VERSCHELDE Rémi sous la direction de M. CUMINATTO et M. PIPON, professeurs de 1ère S1 au lycée Édouard­Herriot. Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 1/25 Remerciements Nous tenons à remercier tout particulièrement nos professeurs MM. Cuminatto et Pipon pour nous avoir aidés et conseillés lors de nos séances, mais aussi pour avoir accepté, dans la majeure partie des cas, de nous permettre l’accès aux ordinateurs du lycée, ainsi qu’au centre de documentation et d'information (CDI) du lycée, afin de nous laisser une plus grande diversité dans toutes nos recherches. Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 2/25 Sommaire Remerciements p. 2 Introduction p. 4 I – Le cœur p. 5 A) Anatomie et physiologie cardiaque B) Quel est le fonctionnement du cœur ? C) Les différentes pathologies du cœur II – Arrow LionHeart p. 5 p. 6 p. 8 p. 10 A) Le fonctionnement B) L'évolution du projet p. 10 p. 13 III – L'Abiocor p. 14 A) La partie interne B) La partie externe p. 14 p. 18 Conclusion p. 21 Annexes p. 22 Bibliographie p. 24 Glossaire p.25 Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 3/25 Introduction Lorsqu’un individu souffre d’une maladie cardiaque, il peut se faire greffer un cœur sain. Cependant, le manque de donneurs et les problèmes de biocompatibilité laissent certains de ces individus sans alternative. Néanmoins, des équipes de chercheurs travaillent depuis quelques années à l’élaboration d’une nouvelle technologie mécanique qui permettrait de les sauver. Celle-ci demeure dans une optique de longévité, afin que ces malades puissent survivre et retrouver une vie quotidienne normale. Elle se présente sous forme d’un cœur artificiel totalement implantable, tirant son énergie de l’environnement extérieur et remplaçant intégralement ou non le cœur malade de l’individu. C’est pourquoi il convient de se demander si cette nouvelle technologie est efficace dans le cas présenté. Ainsi, nous verrons dans un premier temps les généralités du cœur naturel et ses pathologies, puis, dans un deuxième temps et troisième temps, les deux types de cœurs artificiels nommés LionHeart et Abiocor. Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 4/25 I – Le cœur A) Anatomie et physiologie cardiaque Le cœur, organe et muscle essentiel chez l’homme, est situé dans la partie médium du thorax, et plus précisément dans le médiastin, espace délimité par les deux poumons, reposant sur le diaphragme et en avant de la trachée et de l’œsophage. Sa taille varie selon la personne, mais cependant, nous pouvons dire qu’il a un diamètre compris entre douze et quatorze centimètres. Son volume peut varier du fait des contractions dues à la circulation sanguine et est compris entre 50 et 60 cm3. De manière plus visuelle, il représente environ une fois et demi le volume d’un poing fermé. De manière générale, le cœur de la femme se trouve être plus petit que celui de l’homme. Le cœur est un muscle creux, au poids avoisinant les 350 grammes chez l’adulte. Il est entouré d’une enveloppe séreuse, nommée péricarde (le terme « séreuse » définit un organe constitué de deux feuillets). Ces deux feuillets sont nommés : le feuillet viscéral, plus communément appelé épicarde, et le feuillet pariétal, qui est au contact des organes. Enfin, il est important de noter que cet organe est fortement vascularisé (vaisseaux coronaires). L’intérieur du cœur est composé de deux parties, droite et gauche, elles-mêmes subdivisées en deux cavités : le ventricule et l’oreillette. De plus, les deux oreillettes sont séparées de leurs ventricules respectifs par des valvules à sens unique (valvules tricuspide et mitrale), valvules aussi présentes entre les ventricules et l’artère pulmonaire, et l’artère aorte (valvules sigmoïdes). Enfin, cœur droit et cœur gauche sont séparés par les septa interauriculaire et interventriculaire. Chaque oreillette est pourvue d’une paroi mince. Sa base est munie d’une valvule à sens unique, qui n’autorise la circulation du sang que de l’oreillette vers le ventricule, donnant ainsi l’assurance que le sang ne reflue pas. La cavité inférieure, plus communément appelée ventricule, est pourvue, elle, d’une paroi musculaire épaisse, et plus particulièrement celle du ventricule gauche. En effet, la paroi ventriculaire droite a une épaisseur comprise entre deux et trois millimètres alors que celle du ventricule gauche peut atteindre une épaisseur de dix millimètres, afin d’exercer une puissance contractile suffisante pour propulser le sang dans l’aorte à destination des organes. L’orifice de sortie de chaque ventricule est muni d’un jeu de trois valvules dites sigmoïdes qui permet le passage vers l’artère pulmonaire et l’artère aorte mais aussi empêche le sang de refluer dans les cavités ventriculaires. Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 5/25 L’artère aorte, est directement liée au ventricule gauche du cœur. De ce même côté, les veines pulmonaires sont fixées à l’oreillette gauche. De même, du côté droit de l’organe, l’artère pulmonaire est liée au ventricule et les veines caves se fixent à l’oreillette droite. B) Quel est le fonctionnement du cœur ? Le cœur est donc une pompe divisée en deux parties, le cœur droit qui récupère le sang provenant des organes au niveau de son oreillette, via les veines caves, inférieure et supérieure, pour ensuite le propulser dans la circulation pulmonaire afin de permettre sa détoxification et son oxygénation. Le cœur gauche, quant à lui, récupère le sang dans son oreillette pour le propulser vers les organes, via l’artère aorte. Du côté gauche, le sang est riche en oxygène et du côté droit, le sang est appauvri en oxygène et riche en dioxyde de carbone. Cette circulation, qui a lieu sous forme d’un cycle, peut se décomposer en quatre étapes : ▪ Le sang pénètre dans les oreillettes droite et gauche puis se trouve stocké dans cellesci grâce à la fermeture des valvules respectivement tricuspide et mitrale. ▪ Le sang passe ensuite des oreillettes aux ventricules lors de l’ouverture des valvules précédemment citées. Nous pouvons entendre un bruit sourd, qui correspond au premier battement du cœur. De plus, les valvules sigmoïdes se ferment en vue d’éviter que le sang envahisse l’artère pulmonaire et l’artère aorte. C’est la diastole ventriculaire. ▪ Les ventricules commencent à se contracter, fermant les valvules auriculoventriculaires (ce qui produit le second bruit) et empêchant le reflux du sang dans les oreillettes. Ainsi, il y a systole ventriculaire. ▪ Les ventricules se contractent finalement complètement, et le sang force les valvules sigmoïdes à s’ouvrir et est expulsé dans les artères principales. Il faut également savoir que la diastole ventriculaire correspond au « repos » du cœur sur le plan mécanique : cette phase représente les deux tiers du temps. Le cœur droit et le cœur gauche ont un cycle quasiment synchrone et semblable, avec néanmoins un petit décalage de l’ordre du centième de seconde. Voici des schémas représentant uniquement les étapes 2 et 3 du cycle cardiaque précédemment décrites : Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 6/25 En dehors du rôle du cœur en lui-même et de sa fonction dans le corps humain, cet organe a des particularités internes. Tout d’abord, le côté gauche du cœur est nettement plus musclé que l’autre puisque c’est cette partie qui propulse le sang riche en oxygène dans tous les autres organes du corps : il a donc besoin de faire un effort supplémentaire, ce qui explique sa plus grande épaisseur. D’un point de vue anatomique, le péricarde qui enveloppe cet organe a un rôle lubrifiant et facilite donc les battements. Entre les deux feuillets qui constituent l’enveloppe du cœur, un liquide transparent circule, ce qui explique la lubrification. Afin d’expliquer les raisons pour lesquelles les ventricules se contractent, il est nécessaire d’introduire le phénomène de conduction d’un influx électrique initié dans la partie supérieure de l’oreillette droite, le nœud sinusal ou nœud de Keith et Flack. Cet influx, présent sous la forme d’une dépolarisation, se propage vers le nœud auriculo-ventriculaire ou d’Aschoff Tawara puis emprunte le tronc du faisceau de His (partie inférieure de l’oreillette droite) pour être distribué dans la paroi des ventricules grâce au réseau de Purkinje. De manière anatomique, il existe des ouvertures à l’intérieur même de ce faisceau qui permettent le passage de certains ions : ce phénomène est appelé dépolarisation. Grâce à la cadence des rythmes, l’impulsion électrique dégagée par la réaction va stimuler la partie du cœur concernée, par le biais du réseau de Purkinje. Conduction de l’influx électrique. Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 7/25 C) Les différentes pathologies du cœur Une des pathologies cardiaques les plus fréquentes est l’insuffisance cardiaque. La greffe est bien souvent le seul traitement porteur d’espoir, et donc l’implantation d’un cœur artificiel peut-être également une alternative. On parle d’insuffisance cardiaque lorsque le muscle cardiaque ne peut plus assurer sa fonction de pompe. En amont, le sang stagne, et en aval, trop peu de sang est envoyé. On distingue deux types d’insuffisance cardiaque. Lors d’une insuffisance cardiaque systolique, le cœur a des difficultés à pomper le sang à travers l’organisme. Le sang circulant des poumons vers le cœur peut refluer. Cela provoque une accumulation de sang dans les vaisseaux pulmonaires et dans d’autres parties de l’organisme. Lors d’une insuffisance cardiaque diastolique, le cœur ne parvient pas à se relâcher de façon satisfaisante. Le coeur ne peut pas non plus se remplir de sang en raison de la rigidité du myocarde. Les insuffisances cardiaques droite et gauche peuvent coexister et être secondaires à une dysfonction biventriculaire. Cependant, certaines pathologies ou certaines conditions peuvent toucher préférentiellement le ventricule gauche ou le ventricule droit, et ont alors des présentations cliniques distinctes. Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 8/25 On notera que le type d’insuffisance cardiaque dépend des caractéristiques ventriculaires. Trois grands aspects sont individualisés : dilaté, restrictif, et hypertrophique. De nombreuses maladies peuvent provoquer une insuffisance cardiaque, et entre autres : ▪ L’hypertension artérielle (HTA). C’est l’élévation permanente de la pression artérielle au dessus de 16/(9.5). La pression artérielle normale est inférieure à 14/9. Chez le patient souffrant d’hypertension, le cœur doit pomper plus fort, ce qui entraîne un épaississement de la paroi du ventricule gauche. Cette hypertension finit par durcir le cœur, qui perd alors sa capacité à se contracter et à pomper efficacement. C’est une maladie fréquente, qui augmente avec l’âge, possédant de plus une composante héréditaire. ▪ Les atteintes des valves cardiaques. Ces atteintes peuvent être un rétrécissement et une insuffisance aortique tout comme une insuffisance mitrale. L’insuffisance aortique est l’altération de la fermeture de la valve de l’aorte en diastole, autorisant ainsi un reflux anormal depuis l’aorte vers le ventricule gauche. Ce reflux génère une élévation de la pression et du volume du ventricule gauche ainsi qu’une diminution du débit sanguin en direction des tissus. La valve mitrale est insuffisante lorsqu’elle est incapable de rester correctement fermée pendant la systole. Une partie du sang qui devrait se diriger du ventricule gauche vers l’aorte reflue alors dans ce même ventricule. Ce volume retourne au ventricule gauche lors de la diastole suivante. Cela entraîne alors une surcharge volumique au niveau du ventricule gauche, qui se dilate pour éviter une élévation de la pression intracavitaire (pression présente dans les différentes cavités du cœur). ▪ Les maladies coronariennes comme l’angine de poitrine ou l’infarctus du myocarde. Le myocarde est vascularisé par les artères coronaires. Or, lorsque celles-ci se bouchent (caillots, thrombose), celui-ci ne reçoit plus de sang, et manque d’oxygène. On dit qu’il souffre d’ischémie. La diminution de l’apport en oxygène (ischémie) peut provoquer des altérations minimes de la fonction ventriculaire, qui n’apparaissent qu’à l’effort (angine), mais aussi des lésions graves et irréversibles de la paroi ventriculaire (infarctus du myocarde). L’infarctus du myocarde ou plus communément appelé crise cardiaque est la mort d’une zone plus ou moins importante du muscle cardiaque. Les cellules musculaires de cette zone ne parviennent plus à se contracter par manque d’oxygène. Cela entraînera leur mort (nécrose). ▪ Les cardiomyopathies (ou myocardiopathies) qui sont des maladies du muscle cardiaque lui-même. Une cardiomyopathie se traduit par l’augmentation du volume du cœur dont les cavités sont plus larges et les parois plus minces que celles d’un cœur normal. Lors d’une myocardiopathie avec dilatation, le volume du cœur augmente et les fibres musculaires des ventricules, étirées et affaiblies, ne peuvent plus pomper le sang avec assez de force. Ainsi, maintes maladies, malformations, ou problèmes peuvent provoquer une insuffisance cardiaque. Cette insuffisance correspond à un état pathologique dans lequel une anomalie de la fonction cardiaque est responsable de l’incapacité du myocarde à assurer un débit cardiaque suffisant pour couvrir les besoins de l’organisme. Cet état pathologique conduit le plus souvent à une greffe cardiaque. Or étant donné que la greffe est de plus en plus difficile, avec le problème du nombre de donneurs et de la compatibilité donneur receveur, l’implantation d’un cœur artificiel, comme par exemple le LionHeart ou l’Abiocor, devient une alternative intéressante génératrice d’espoir pour les malades. Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 9/25 II – Arrow LionHeart Développé par Arrow International Inc. et l'équipe du Dr. Walter Edward Pae Jr., le LionHeart est la première prothèse ventriculaire gauche totalement implantable. Elle optimise la quantité de sang pompée par le patient pour subvenir à ses besoins. Les recherches ont été menées par le centre médical de l'université de Pennsylvanie, USA (Penn State University). L'implantation totale, sans connexion directe entre l'alimentation et la pompe, permet de moindres risques d'infection. La batterie interne permet une autonomie de 20 minutes, apportant au patient une mobilité accrue. Le LionHeart est composé d'une pompe raccordée au ventricule gauche pour aider la propulsion du sang dans la grande circulation. Elle est liée à la chambre de conformité et au moteur contenant une batterie interne, lui-même relié au transmetteur d'énergie intradermique. Cette disposition est représentée sur la photographie ciaprès (voir annexe 1) : A) Le fonctionnement La partie interne à un poids total de 1,3 kg. 1) La pompe sanguine La pompe est implantée dans l'abdomen vers les côtes gauches du patient, ou plus précisément dans l'aponévrose du muscle grand-droit de la paroi abdominale. Reliée au ventricule gauche par une canule d'éjection anastomosée (l'anastomose étant par extension une connexion entre deux supports de même nature) sur l'aorte ascendante, et reliée à la grande circulation par une canule de drainage, elle est constituée d'un système à plateaux pressant une poche à sang et de deux valves circulaires permettant le flux unidirectionnel du sang. Chaque plateau est actionné par une vis sans fin mise en mouvement par un moteur électrique. L'enveloppe de la pompe est en titane rigide. Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 10/25 2) Le moteur Le contrôleur, placé sous la paroi abdominale du côté droit près des côtes, ou dans l'aponévrose du muscle grand-droit gauche, et la bobine électrique interne, placée dans le tissu sous cutané de la face antérieure droite de la cage thoracique, alimentent et contrôlent la pompe, transmettant les paramètres par télémétrie, comme pour les stimulateurs cardiaques. La bobine approvisionne le contrôleur en énergie externe, électricité induite à partir d'une bobine externe grâce à un dispositif de transmission d'énergie intradermique, appelé TET (Transcutaneous Energy Transfer). Le contrôleur possède aussi une batterie embarquée lui conférant une autonomie totale de 30 à 45 minutes. 3) La chambre de conformité La pompe étant rigide, la chambre de conformité, située entre le poumon gauche et la cage thoracique, est le dispositif permettant de pallier les variations de volume du sac de sang et les déplacements du plateau en équilibrant les variations de pression inhérentes au dispositif. Pour ce faire, la chambre de conformité injecte de l'air dans la pompe lorsque la poche à sang se remplit et que le plateau revient à sa position initiale, et récupère l'air qui en est chassé lorsque le plateau compresse la poche à sang. La chambre poreuse perd progressivement une faible quantité d'air, d'où l'utilité d'une chambre implantable et d'un canal de réapprovisionnement situés sous la peau thoracique, et qui permettent de réinjecter de l'air ambiant dans la chambre de conformité toutes les trois à quatre semaines, tout en mesurant la pression interne de la chambre. Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 11/25 4) Le TET Le transmetteur d'énergie intradermique (ou TET) est un double composé en polyuréthane, formée d'une bobine réceptrice implantée dans la poitrine du patient et d'une bobine émettrice externe reliée au bloc d'alimentation et qui peut se porter à la ceinture. La bobine émettrice induit un courant électrique dans la bobine réceptrice à travers le derme du patient. En implémentant des particules contenant du fer doux et d’autres matériaux hautement conducteurs dans le derme du patient, entre les faces polaires des deux bobines, on améliore la perméabilité magnétique. On utilise du fer doux, qui est du fer pur et non allié au carbone comme peut l'être l'acier, qui a cette particularité de ne pas conserver l'aimantation quand il n'est pas en présence de courant, d'où il résulte que lorsque l'émetteur externe ne transmet pas d'énergie électromagnétique, le derme du patient n'est pas sous tension. Ces particules sont revêtues d'un matériau biocompatible comme le Teflon™ (nom commercial du polytétrafluoroethylène) qui n'est pas dégradable à la température corporelle humaine (se dégradant à partir de 260°C), est résistant à la plupart des composés chimiques et qui ne comporte pas de toxicité. 5) Le moniteur externe Le bloc d'alimentation pèse environ 3,6 kg avec ses deux batteries, chaque batterie rechargeable ayant une autonomie de deux ou trois heures. Le moniteur du système fournit au clinicien la capacité de surveiller l'état de fonctionnement du LionHeart durant des convocations de suivi et à distance si besoin est. Il est possible de changer un élément défectueux du système sans changer celui-ci en intégralité. Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 12/25 B) L'évolution du projet 1) Premiers pas du coeur artificiel à Penn State University 1976 : le docteur en médecine William S. Pierce installa la première pompe d'assistance ventriculaire gauche sur le coeur d'un patient qui avait subi une opération à coeur ouvert au centre médical de Penn State Hershey. 1983 : des chercheurs de Penn State implantèrent un coeur électrique totalement artificiel à un veau nommé E.T. qui survécut 222 jours. L'année suivante, un veau vécut 354 jours avec ce même dispositif. 1985 : un premier patient humain se voit implanter un coeur pneumatique totalement artificiel. En 1886, un second patient survit 13 mois avec ce dispositif. 1992 : le veau Winston conduisit dans l'ère de l'alimentation sans-fil en vivant 118 jours avec le procédé de Penn State. 1998 : un nouveau dispositif approuvé par la FDA (Food and Drug Administration, qui régule entre autres la commercialisation de médicaments et dispositifs médicaux), le Vented Electric Left Ventricular Assist Device (VELVAD), ou dispositif d'assistance déchargée électriquement au ventriculaire gauche, est implanté pour la première fois dans le pays sur un patient du centre médical de Penn State par le docteur en médecine Benjamin Sun, permettant aux patients présentant des atteintes sérieuses du coeur de survivre et d'attendre chez eux en vue d'une transplantation cardiaque. Le centre médical de Penn State Hershey University a reçu de nombreuses récompenses tant financières qu'honorifiques durant ces trente années de recherche sur le coeur artificiel. 2) Essais cliniques du LionHeart La principale étude européenne d'implantation du LionHeart, dite CUBS (Clinical Utility Baseline Study), a eu lieu entre octobre 1999 et décembre 2002, sous la direction du docteur Walter Edward Pae, Jr. (photo ci-contre). Vingt-trois patients entre 49 et 74 ans, mais d'un âge moyen de 65 ans, en insuffisance cardiaque terminale ayant une contreindication à la transplantation, notamment à cause de l'âge trop élevé, furent implantés de façon définitive. Au bout d'un an d'essais, 41% des patients avaient survécu. L'année suivante, la survie était de 34%. En moyenne les patients ont survécu neuf mois avec ce dispositif, avec un patient vivant plus de trois ans. Plusieurs patients eurent des dysfonctionnements neurologiques et des hémorragies, et cinq déclenchèrent des infections secondaires. Si le système de transmission d'énergie intradermique et la chambre de conformité ont démontré leur efficacité, il n'en est pas autant de la pompe dont deux ont dû être changées au bout de deux ans environ, à cause d'une rupture de la poche à sang; un contrôleur a aussi été changé. La décision a été prise de retirer le LionHeart du marché, car la performance et la fiabilité du système ne contrebalançaient pas totalement la nécessité d'une opération chirurgicale lourde tous les deux ou trois ans pour changer la pompe. Ainsi, l’Abiocor, développé en parallèle par Abiomed, apparaît comme une solution plus performante. Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 13/25 III – L'Abiocor Le système Abiocor est constitué de plusieurs composants. Ces éléments sont localisés pour certains à l’intérieur du corps du patient, et les autres sont externes. C’est pour cela que, dans un premier temps, nous verrons quels sont ceux qui sont implantés, leur rôle et leur fonctionnement, puis, dans un second temps, les appareils externes. A) La partie interne La partie interne du système Abiocor est composée de quatre éléments, reliés entre eux. Ces quatre constituants sont l’unité thoracique, la batterie, le contrôleur et le récepteur TET (voir annexe 2). 1) L'unité thoracique L’unité thoracique est située dans le thorax du patient, c’est-à-dire à la place du cœur naturel initial. Il est visuellement entièrement composé de plastique polyuréthane et de titane sous forme d’une coque recouvrant entièrement les parties du cœur initial conservées. En effet, afin d’implanter cette unité, il est nécessaire de retirer les deux anciens ventricules : on ne garde donc que les artères et les oreillettes. L’utilisation du plastique polyuréthane est importante puisqu’il est souple et peu dégradable. Ce plastique est un polymère d’uréthane, l’uréthane étant produit par la réaction d’un isocyanate (composé organique de séquence -N = C = O, très réactif) et d’un alcool (composé organique dont l'un des carbones est lié à un groupement hydroxyle -OH) selon la réaction suivante : Le plastique polyuréthane est utilisé dans la coque du cœur artificiel et dans les tubes. De même, le titane, utilisé pour la pompe hydraulique du système et le convertisseur d’énergie, présente un intérêt car il est léger et très résistant à la corrosion dans de nombreux milieux notamment l’organisme humain. La couche d’oxyde qui se forme lors d’une érosion est très adhérente et dure, expliquant la longévité des pièces en titane vis-à-vis des chocs avec les particules d’un fluide. Unité thoracique de l'Abiocor Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 14/25 Cette unité thoracique comporte les deux oreillettes naturelles, une pompe hydraulique divisée en deux parties par un convertisseur d’énergie, deux tubes entourant l’artère pulmonaire ainsi que l’artère aorte et enfin deux autres tubes reliant les oreillettes aux veines caves et pulmonaires. La pompe hydraulique est elle-même divisée en deux parties : droite et gauche. Au centre se trouvent deux moteurs, le moteur pour la valve rotative et celui de la pompe. Dans toute la coque de l’unité est placé un liquide qui passe d’une partie à l’autre au moyen des moteurs précédemment énoncés. En effet, le premier moteur actionne la rotation d’une valvule, ce qui attire le liquide au centre de la pompe, puis l’autre moteur fait pression sur celui-ci afin qu’il pousse la membrane flexible de la partie concernée. Cela a pour effet de contracter cette partie de la pompe afin que le sang soit diffusé à travers les vaisseaux sanguins. De plus, les moteurs de cette pompe sont actionnés par le biais d’un convertisseur d’énergie qui reçoit de l’électricité provenant d’une batterie, sous forme de courant continu. 2) La batterie La batterie du système Abiocor est située dans la paroi abdominale. Elle est indépendante des autres composants du système : en effet, lorsque le patient a besoin de se déconnecter de la console externe AB5000, qui transmet l’énergie et les données essentielles au bon fonctionnement du cœur artificiel, (par exemple lorsque celui-ci a besoin de prendre une douche, ou de se déplacer en dehors de chez lui), il peut la mettre en route. Cette batterie a dans ce cas précis une autonomie minimale de 30 minutes : la durée d’autonomie dépend de l’âge, et de l’activité choisie. Par exemple, deux individus d’âges décalés et faisant les mêmes efforts, n’auront pas le même rythme cardiaque donc leurs besoins ne seront pas semblables, et alors la charge de la batterie s’épuisera plus rapidement chez l’un que chez l’autre. Elle est directement connectée au contrôleur. De plus, elle est dans un boîtier semblable à celui de ce dernier et fonctionne au lithium, métal le plus léger et réagissant bien avec l’eau. Plus précisément, la batterie est un accumulateur lithium de technologie Lithium Métal Polymère (LMP). Cette technologie est spécifique aux éléments de stockage et de diffusion électrique : chaque élément est composé de cinq couches ou films. Une anode (film fin en lithium), un Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 15/25 électrolyte (composé de polyoxyéthylène et de sels de lithium), une cathode (oxyde de vanadium et de carbone) et un film collecteur de courant en métal. Ces quatre couches sont finalement entourées d’un isolant. Cet accumulateur fonctionne de la même manière qu’une pile : les ions lithium (Li+) sont à l’origine de la création d’électrons (e‒). Ces électrons, en pénétrant dans l’électrolyte, qui est une solution aqueuse neutre, transforment celle-ci en une solution de charge négative. Enfin, ces mêmes électrons se dirigent vers la cathode au moyen du collecteur de courant (puisqu’il assure la connexion électrique), ce qui crée un courant continu à l’intérieur de l’élément, d’où la présence nécessaire de l’isolant. Ensuite, plusieurs éléments sont placés dans une cellule qui elle-même est introduite dans un module. Il est important de savoir que l’énergie et la puissance des éléments dépendent de l’épaisseur de chacun de ces films. En effet, plus les films sont épais, plus l’énergie crée par l’élément est grande, cependant, plus l’épaisseur est petite, plus la puissance concentrée dans l’élément est importante. 3) Le contrôleur implanté Le contrôleur, implanté dans la paroi abdominale du patient, permet de réguler la vitesse de battement du cœur artificiel en fonction de ses efforts. Il permet donc une activité normale : il pourra marcher convenablement, faire des gestes sans trop s’essouffler. De plus, même en cas de trop forte élévation du rythme cardiaque du patient, le contrôleur est doté d’un capteur qui déclenche une alarme, retranscrite de manière auditive par la console du système. Cependant, dans ce cas précis, le contrôleur a pour rôle de ralentir le rythme cardiaque, pour éviter l’accident. De même, si certains éléments du système Abiocor se Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 16/25 trouvent être défectueux, le contrôleur déclenche aussi une alarme, toujours visible par le biais de la console. Enfin, ce contrôleur intégré est directement relié à l’unité thoracique. Les informations stockées dans le contrôleur proviennent de la console principale externe AB5000 ; Le patient régule lui-même son rythme cardiaque en activant la console : celle-ci transmet un message électronique jusqu’à un module de communication qui va transformer ce message en ondes radiofréquences (RF). Ces ondes traversent la peau et atteignent le contrôleur, qui délivrera en dernier lieu cette information à l’unité thoracique. Le fait que la transmission se fasse par un transfert d’ondes est un avantage puisqu’il n’est plus nécessaire d’introduire des tubes contenant les liaisons électroniques reliant le module au contrôleur : il n’y a donc plus aucun risque d’infection. 4) Le récepteur TET (iTET) La batterie du système Abiocor est rechargée à distance par l’intermédiaire du TET : (Transcutaneous Energy Transmission). Ce système comporte une partie implantée dans la poitrine du patient et une partie externe. Les deux constituants de ce TET se transfèrent de l’énergie au moyen d’ondes passant à travers la peau. Le récepteur a une forme ovale et est directement lié par un câble à la batterie interne. Par principe, il convertit l’énergie arrivant par la tête du TET en courant continu (DC) pour l’amener jusqu’à la batterie, afin de la recharger continuellement. Ce récepteur a pour nom iTET (Implanted Transcutaneous Energy Transmission). Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 17/25 B) La partie externe La partie externe du système Abiocor est constituée de trois grands éléments : la console AB5000, le module de communication et le TET externe. Ces composants ont le rôle le plus important du système puisqu’ils sont à la base de la transmission d’énergie et de données. 1) La console AB5000 La console AB5000 est à la base de tout : sans elle, le patient ne pourrait pas réguler son rythme cardiaque en fonction de ses efforts et n’aurait pas non plus l’énergie pour le faire. Il ne serait pas non plus informé d’une éventuelle défaillance technique ni même de l’état de charge de la batterie interne. Elle est directement branchée au module de communication attaché à la ceinture mais également au TET externe. Cette console tire son énergie de l’électricité de la pièce dans laquelle elle est branchée. De par son poids, il est difficile de la transporter : elle est donc utilisée pour un usage domestique et clinique. Elle est le seul moyen de communication entre le patient et les composants qui lui ont été implantés, tels que l’unité thoracique et plus particulièrement le contrôleur implanté. Pour remédier au problème de l’immobilité du patient, il a été créé spécialement une console portative nommée Patient Carried Electronics (PCE) et dont le fonctionnement est conforme à la console domestique AB5000. Cette deuxième console est de la forme d’un sac en bandoulière, assez discret, et comporte tous les éléments nécessaires au bon fonctionnement du système. Elle comporte cinq batteries PCE, permettant donc au patient de se déplacer durant au maximum cinq heures. Les éléments fixés au sac sont : le conducteur TET, le convertisseur en courant alternatif et le petit moniteur portable. Le conducteur TET amène le courant électrique provenant de la console PCE jusqu’à la tête du TET, que nous décrirons plus loin. Le conducteur peut également informer le patient d’une alarme telle qu’une charge trop faible de la batterie, une trop nette hausse de la température de la console ou encore un problème dans la transmission électrique du TET. Le convertisseur de la console transmet l’électricité provenant de ses batteries internes de manière alternative en direction des câbles la reliant à la tête du TET. Enfin, le petit moniteur portatif permet au patient de continuellement rester informé de l’état du système : il expose les différents problèmes que le contrôleur et le conducteur TET ont détectés. Mais ce moniteur ne permet pas de gérer les parties internes du système : seule la console le peut. En conclusion, la console, AB5000 ou PCE, est un outil indispensable puisqu’il donne tous les diagnostics concernant l’état de service des composants de l’Abiocor, il est à l’origine des messages et des manipulations à transmettre et à faire, et enfin, il fournit toute l’énergie pour les composants externes et internes. Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 18/25 2) Le module de communication Le module de communication, comme dit précédemment, est fixé à la ceinture du patient. Il s’agit d’un boîtier, qui est directement lié à la console, que ce soit AB5000 ou le PCE. Son rôle est de transmettre une information électrique provenant de la console en une donnée pour le contrôleur implanté sous forme d’ondes. On utilise donc la technologie de la radiofréquence, ou les ondes RF. En effet, le module de communication joue à la fois le rôle d’un récepteur radio et en particulier par l’intermédiaire d’une antenne, mais aussi d’un émetteur radio. Autrement dit, le module de communication plus communément appelé RF Comm capte les signaux électriques (ou ondes électromagnétiques) de la console et en extrait une information grâce à l’antenne, puis il les envoie par transmission d’ondes jusqu’au contrôleur intégré. Mais son rôle est également important réciproquement : ainsi il peut recevoir les ondes électromagnétiques provenant du contrôleur et les renvoie jusqu’à la console sous forme de signaux électriques. La transmission est donc bi-directionnelle. En conclusion, le module de communication RF Comm est l’unique moyen de transmettre un message de la console jusqu’au système interne. 3) Le TET externe (eTET) D’après les informations développées, le TET, transmetteur d’énergie transcutanée, est composé de deux éléments dépendant chacun l’un de l’autre : une tête externe, reliée à la console par le conducteur TET, et le récepteur TET, implanté dans le patient, au niveau de la poitrine, près de l‘unité thoracique. La tête du TET a une forme circulaire et vient se fixer à une zone de la poitrine du patient dans un velcro patch. Ainsi, les ondes libérées par le eTET passent par la peau pour arriver dans le iTET, où l’énergie est transformée en courant direct, Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 19/25 nécessaire au bon fonctionnement de chacun des composants internes. Le eTET n’est au final qu’un moyen de transition entre l’énergie provenant de l’environnement externe (par le biais de la console) et l’environnement interne. Seulement, il est important de connaître les risques possibles à l’utilisation du eTET. Il est évident qu’il ne faut en aucun cas « mettre en contact » les deux parties du système près d’un objet métallique ni même de placer tout métal entre les deux éléments : en effet, celui-ci peut rapidement devenir extrêmement chaud et peut être la cause d’un incendie. De plus, il est indispensable de déconnecter le eTET de la console après utilisation car il y a un nouveau risque d’incendie interne. Enfin, il est possible que le câble reliant la console au eTET devienne plus chaud que d’habitude : il faut alors déconnecter les deux éléments, pour plus de sécurité (les éléments principaux sur le TET ont déjà été traités dans la partie dédiée au LionHeart). Ainsi, l’Abiocor est un système complexe comportant un grand nombre de connexions et d’éléments dépendants les uns des autres, ce qui lui donne une image performante et prometteuse. Mais malgré cela, il est important de souligner que la plupart des essais cliniques ont abouti à des échecs. Par exemple, entre 2001 et 2004, sur quatorze tests, aucun n’a été concluant, mis à part pour un individu qui a survécu 17 mois. Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 20/25 Conclusion Ainsi avons-nous vu qu’avec les problèmes dus à la greffe cardiaque, les chercheurs ont élaboré de nouvelles technologies pour permettre aux malades de prolonger leur espérance de vie. En effet, le LionHeart et l’Abiocor apparaissent comme des systèmes générateurs d’espoir pour les patients : le LionHeart ne faisant qu’assister le cœur et l’Abiocor remplaçant intégralement ce dernier. Si les essais cliniques restent cependant pessimistes et non concluants, ces avancées technologiques laissent espérer de gros progrès en matière de traitement pour pallier des pathologies cardiaques irréversibles. Nous ne pouvons donc donner à ces deux prototypes qu’une image d’essai, et non pas celle d’une implantation sûre, sécurisée et efficace à long terme, ce qui prouve que, de nos jours, le cœur artificiel totalement implantable n’est pas encore une alternative plus efficace que la greffe (ceci ne contredisant en aucun cas les grandes avancées occasionnées lors de l’évolution de ces deux prototypes). Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 21/25 Annexe 1 Schéma du LionHeart implanté Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 22/25 Annexe 2 Schéma de l'Abiocor implanté Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 23/25 Bibliographie Nous avons parcouru plusieurs sites Internet tels que : ▪ le site officiel de la société Abiomed Inc. : http://www.abiomed.com ▪ le site officiel de la société Arrow International Inc. : www.arrowintl.com ▪ le site officiel de Pennstate University : www.hmc.psu.edu/lionheart ▪ le site officiel de FDA (Food and Drug Administration) : www.fda.gov ▪ le site Jeune Afrique : www.jeuneafrique.com ▪ l'encyclopédie libre Wikipedia : www.wikipedia.org ▪ le site de l'association Nouveau Souffle : www.nouveausouffle.asso.fr ▪ le site officiel de l’association nationale des greffés cardiaques et pulmonaires: www.angcp.be ▪ le site Vie Artificielle : www.vieartificielle.com ▪ le réseau d'information santé Caducée : www.caducee.net ▪ les archives de Science Blog : www.scienceblog.com ▪ le site de la Whitaker Foundation : www.bmes.org/WhitakerArchives Des informations ont également été recueillies dans les livres et mémoires suivants : ▪ Mechanical Circulatory Support Therapy in Advanced Heart Failure de Mario C. Deng et Yoshifumi Naka, aux éditions Imperial College Press ▪ Cardiac Assist Devices de Daniel J. Goldstein et Mehmet C. Oz, aux éditions Blackwell Publishing. ▪ Dictionnaire d’anatomie et pathologie, aux éditions Désiris, 2007, 556 p. ▪ Cardiologie de David E. Newby et Neil R. Grubb, Campus illustré, aux éditions ELSEVIER, 2006, 170 p. Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 24/25 Glossaire Nœud de Keith et Flack, ou nœud sinusal : Cette structure épicardique de 15 mm sur 5 mm se situe à la jonction de la partie inférieure de la veine cave supérieure et de le face antérieure de l'oreillette droite. Il génère des décharges spontanées à la fréquence de 60 à 100 par minute, ce qui en fait le centre d'automatismes primaire. Il est régulé par les tonus sympathique et orthosympathique. Nœud d'Achoff Tawara : Il s'agit d'une structure de 6 mm sur 5 mm proche de la valve tricuspide, et de la cloison inter auriculaire à la base de l'oreillette droite. Il est constitué de deux voies, l'une à conduction lente (alfa), l'autre à conduction rapide (bêta). Il ralentit l'influx d'un dixième de seconde, protégeant ainsi les ventricules d'un rythme primaire trop rapide. Le réseau de Purkinje : Ce sont les ramifications terminales des branches droite et gauche du faisceau de His qui s'etendent sur toute la musculature ventriculaire pour propager l'influx. Mais c'est aussi un centre d'automatismes tertiaire, capable de décharger spontanément des impulsions à la fréquence de 20 à 40 par minute. L'aponévrose : C’est une membrane fibreuse, enveloppant les muscles et constituant une séparation entre eux. Dossier sous licence Creative Commons (cc-by-sa) 25/25
