Chirurgie Cardiaque `a Coeur Battant

Universit´e Louis Pasteur – Strasbourg I
Chirurgie Cardiaque `a Coeur Battant
Conception et Commande d’un Stabilisateur
Cardiaque Actif
TH` ESE
soutenance pr´evue le 9 d´ecembre 2008
pour l’obtention du
Doctorat de l’Universit´e Louis Pasteur de Strasbourg
Discipline ´ Electronique, ´ Electrotechnique, Automatique
Sp´ecialit´e Robotique
par
Wael Bachta
Composition du jury
Directeur de Th`ese : Jacques Gangloff, Professeur, Universit´e Louis Pasteur, Strasbourg
Rapporteurs externes: Guillaume Morel, Professeur, Universit´e Pierre et Marie Curie, Paris
Fran¸cois Pierrot, Directeur de Recherche CNRS, LIRMM, Montpellier
Rapporteur interne: R´emy Willinger, Professeur, Universit´e Louis Pasteur, Strasbourg
Examinateurs : Tobias Ortmaier, Professeur, Universit´e Leibniz, Hannover
Pierre Renaud, Maˆıtre de Conf´erences, INSA, Strasbourg
Invit´e : Edouard Laroche, Professeur, Universit´e Louis Pasteur, Strasbourg
Laboratoire des Sciences de l’Image, de l’Informatique et de la T´el´ed´etection – UMR 7005

Mis en page avec la classe thloria.

Table des matières
Introduction 5
1 État de l’art et contributions 9
1.1 Anatomie, fonctionnement et pathologies du cœur . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Revascularisation des coronaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.1 Angioplastie................................... 14
1.2.2 Pontagecoronarien............................... 15
1.2.3 Angioplastie ou pontage coronarien ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3 Techniques de pontage coronarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.1 Pontage coronarien sur un cœur à l’arrêt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.2 Pontage coronarien à cœur battant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4 Compensation robotisée des mouvements physiologiques . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4.1 Compensation du tremblement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.2 Compensation des mouvements dûs à la respiration . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.3 Compensation du mouvement cardiaque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5 Contributions de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2 Analyse et prédiction du comportement cardiaque 35
2.1 Analyse des efforts cardiaques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.1 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.2 Rappel des propriétés du mouvement cardiaque . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.3 Propriétés des efforts cardiaques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2 Comportement viscoélastique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.1 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.2 Analyse des données expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3 Prédiction du mouvement cardiaque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.1 Étatdel’art ................................... 46
2.3.2 La modulation d’amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.3.3 Comparaison des résultats de prédiction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
1

Table des matières
2.3.4 Discussion.................................... 61
2.4 Conclusion ....................................... 63
3 Conception de stabilisateurs cardiaques actifs 69
3.1 Contextedeconception ................................ 70
3.2 Choixtechnologiques.................................. 71
3.2.1 Mécanismes compliants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2.2 Actionnement piézoélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3 Stabilisateur à un degré de liberté : Cardiolock 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.1 Choix de la cinématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.2 Dimensionnement ............................... 76
3.3.3 Analyse du comportement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.4 Validation expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.4 Stabilisateur à deux degrés de liberté : Cardiolock 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4.1 Cinématique .................................. 85
3.4.2 Dimensionnement ............................... 90
3.4.3 Analyse du comportement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.4.4 Validation expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.5 Conclusion .......................................101
4 Commande d’un stabilisateur cardiaque actif 105
4.1 Méthodologie de commande et d’analyse de la robustesse . . . . . . . . . . . . . 106
4.1.1 Commande H∞.................................106
4.1.2 µ–analyse....................................110
4.2 Modélisation et identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.2.1 Modélisation ..................................111
4.2.2 Identification ..................................115
4.3 Synthèse de lois de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.3.1 Correcteur sans connaissance a priori ....................121
4.3.2 Correcteur avec connaissance de la fréquence cardiaque . . . . . . . . . . 123
4.3.3 Correcteur avec utilisation d’un modèle du mouvement cardiaque . . . . . 125
4.3.4 Discussion....................................127
4.4 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.5 Expérience in vivo ...................................130
4.6 Conclusion .......................................131
Conclusion 141
2

Liste des publications 145
Bibliographie 147
3