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TPE : Le coeur artificiel

20 février 2011

Bibliographie et référence

- Science & Vie Junior N°235. Avril 2009 p. 34-35 "Et sin on créait un être vivant"

- Le premier coeur artificiel compact et totalement implantable en présentation par Alain Carpentier. Site internet : http://futura-sciences.com/fr/news/t/medecin/d/le-premier-coeur-artificiel-compact-et-totalement-implantable_17166/

- Espoir d'un coeur  artificiel immédiat et autonome site internet : http://futura-sciences.com/news/t/vie-1/d/le-coeur-artificiel-pret-pour-une-plus-large-utilisation_3447/

- Le Monde N°19830, mardi 28 octobre p.3 La société française face au coeur artificiel + Hubert Beuve-Méry, La bataille du coeur artificiel

- Dufourbin. Le coeur, Fonctionnement du coeur [en ligne] 12 mai 1999 [13 octobre 2010] site internet : http://www.corpsdufourbin.com/coeur/coeur.htm

- Didier Pol, Bilogie amusante, Le coeur : une pompe infatigable [en ligne] 19998-2001 [13 octobre 2010] site internet : http://www.didier-pol.net/1coeur.htm

- Le magazine de la santé [en ligne] France 5 [1er décembre 2010] site internet : http://www.france5.fr/sante/traitements/W00514/14

- Canal Académie première radio académique francophone sur internet. site internet : http://canalacacademie.com/spip.php?article3877

- Ariel Cohen, Cardiologie & pathologie vasculaire. éditions ESTEM 1997. Livre de chirurgie

- Pr. Lekieffre, Impact internat, mensuel N°14 cardiologie et phatologie vasculaire. manuel d'interne en médecine avec problème cardiaque et maladie

Avis d'un spécialiste du centre hospitalier de Coutances :

Nos remerciements au Dr. Bruaire J-P, cardiologue

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12 février 2011

Glossaire

Aorte :

Artère principale de l'organisme par laquelle le sang chargé d'oxygène, expulsé du ventricule gauche, gagne les artères viscérales et celles des membres, par des collatérales et des branches de division. (Son trajet, chez l'homme, passe par le thorax en décrivant une crosse et descend verticalement dans la partie postérieure et médiane de l'abdomen ; elle se divise en deux artères iliaques au niveau du petit bassin.)

Artère :

Vaisseau sanguin conduisant le sang du cœur vers les différents organes et tissus.

Canule :
                                                                                                                                                                                          Petit tube rigide que l'on introduit dans une cavité du corps, par voie naturelle ou artificielle, de façon à assurer une communication facile entre l'extérieur et cette cavité.

Capillaire = Vaisseaux capillaires :

Vaisseaux sanguins très fins, organisés en réseaux complexes dans tous les tissus. C'est au niveau des vaisseaux capillaires que s'effectuent les échanges gazeux et nutritifs, et l'élimination des déchets.

La coagulation :

Un phénomène de coagulation existe lorsque certains constituants d'une masse liquide (lait, sang, etc.) s'agglutinent pour former une masse plus compacte (fromage, caillot).

Le coeur :

Le cœur est un organe creux et musculaire qui assure la circulation du sang en pompant le sang par des contractions rythmiques vers les vaisseaux sanguins et les cavités du corps.
Le cœur est le « moteur », la pompe du système circulatoire.

Le cycle cardique :

Chaque cycle comporte une phase de contraction, la systole, et une phase de relâchement, la diastole.
L'onde de contraction part des oreillettes et se propage aux ventricules.
L'onde de relaxation qui la suit chemine dans le même sens.
Le cœur bat dans les conditions basales à une fréquence moyenne de 65 battements par minute.
La durée d'un cycle complet dure 0.92 seconde, 0.27 seconde pour la systole ventriculaire et 0.65 seconde pour la diastole ventriculaire.

Le dacron :

Le Dacron est un textile artificiel du groupe des polyesters.

Le diaphragme :

Le diaphragme est une vaste nappe musculaire qui ferme le thorax en bas et la cavité abdominale en haut.

Diastole :

Période de repos du cœur, pendant laquelle les ventricules se remplissent et se dilatent sous l'effet de l'afflux sanguin. La diastole succède à la systole.

Embolie :

Formation d'un caillot dans une artère résultant à une coagulation inhabituel.

Hémodynamique :

Etude de l'écoulement du sang en fonction du débit cardiaque

Hémolyse :

Destruction des globules rouges

L'hépatite :

L'hépatite désigne toute inflammation aiguë ou chronique du foie. L'hépatite est dite aiguë lors du contact de l'organisme avec le virus et chronique lorsqu'elle persiste au-delà de 6 mois après le début de l'infection.
L'hépatite grave peut mener à la destruction du foie et, sauf transplantation hépatique, à la mort.

Une hypocicloïde :

Une hypocycloïde est une courbe plane transcendante, trajectoire d'un point fixé à un cercle qui roule sans glisser sur un autre cercle dit directeur et à l'intérieur de celui-ci.

Une hypotrochoïde :

Les hypotrochoïdes sont des courbes planes décrites par un point lié à un cercle mobile (C) roulant sans glisser sur et intérieurement à un cercle de base (C0), le cercle roulant étant plus petit que le fixe.

Le médiastin :

Le médiastin est la région de la cage thoracique située entre les deux poumons contenant le cœur, l'œsophage, la trachée et les deux bronches souches. Passent aussi de gros vaisseaux sanguins et lymphatiques, ainsi que des nerfs. En raccourci, il s'agit du contenu de la cage thoracique lorsqu'on enlève les poumons.

Myocarde :

Tunique du cœur, constituée de fibres musculaires striées.

Oreillette :

Chacune des deux cavités supérieures du cœur, où arrive le sang. L'oreillette droite reçoit le sang des veines caves, l'oreillette gauche, celui des veines pulmonaires.

Pneumatique :

Relatif à l'air ou aux corps gazeux. Qui fonctionne à l'air comprimé.

Polyuréthane :

Un polyuréthane est un polymère d'uréthane, une molécule organique

Le poumon :

Le poumon est un organe invaginé permettant d'échanger des gaz vitaux, notamment l'oxygène et le dioxyde de carbone.

Un rotor et un Stator :

Un rotor est une partie rotative d'une machine (moteur). A contrario, la partie fixe (statique) est appelée le stator.

Un solénoïde :

Un solénoïde est un dispositif constitué d'un fil électrique enroulé régulièrement en hélice de façon à former une bobine longue. Parcouru par un courant, il produit un champ magnétique dans son voisinage, et plus particulièrement à l'intérieur de l'hélice où ce champ est quasiment uniforme.

Stase :

Ralentissement important ou arrêt de la circulation du sang dans l'organisme.

Systole :

Phase de contraction du cœur. Systole auriculaire, des oreillettes. Systole ventriculaire, des ventricules.

Thorax :

Partie supérieure du tronc, limitée par les côtes et le diaphragme. Le thorax contient l'œsophage, la trachée, le cœur et les poumons.

Transthoracique :

Au travers du thorax

Les valves cardiaques :

Les valves cardiaques sont des structures du cœur, séparant les différentes cavités et empêchant le sang de refluer dans le mauvais sens.

Les valves mitrales :

La valve mitrale entre l'oreillette gauche et le ventricule gauche.

La valve tricuspide :

La valve tricuspide entre l'oreillette droite et le ventricule droit.

Valvule :

Repli de la paroi du cœur ou d'un vaisseau, empêchant leur contenu de refluer.

Veine :

Vaisseau qui ramène le sang des capillaires aux oreillettes.

Les veines caves :

Les veines cave supérieure et inférieure sont les veines qui ramènent le sang du corps au cœur. Elles se vident toutes deux dans l'oreillette droite.

La veine cave inférieure est à droite de l'aorte abdominale.
La veine cave supérieure se situe au-dessus du cœur.

Ventricule :

Chacune des deux cavités aplaties et allongées, de forme conique, de la partie inférieure du cœur.

12 février 2011

Conclusion

    Ces cent dernières années ont permis une réelle révolution de la technologie cardiaque. Ce qui semblait hier encore impossible est aujourd'hui réalisable grâce à un travail en partenariat avec les chercheurs (issus de la filière médecine), les ingénieurs, les techniciens et les biologistes.

    Ceux-ci ont mis au point différents systèmes de coeur artificiel plus ou moins fiable au début dont le coeur pneumatique, le coeur rotatif et l'assistance cardiaque. Donc après plusieurs essais les checheurs on continuaient de perfectionner ces modèles pour que les patients puissent vivre comme un individu normal, sans être gêné par une valise de batterie ou de devoir rester enfermé à l'hopital. C'est pourquoi, on a voulu créer un coeur quasiment autonome.

  A ce jour, la formidable avancée technique permettra la mise en place d'un coeur fiable et autonome si les essais du coeur Carmat s'avèrent concluant. Ainsi, l'objectif d'allonger l'espérance de vie des patients souffrant de pathologies cardiaques sera atteint et pourrait ouvrir la recherche vers le remplacement d'autres organes défectueux actuellement remplacés par des greffons humains peu nombreux.

  De plus, les patients ne devraient plus souffrir ou ne devraient plus avoir de complications tel que devoir prendre des médicaments. Bien sûr le coeur Carmat est aussi beaucoup plus simple à transporter car il est totalement implantable et sans soucis de fils transthoracique.

12 février 2011

D) Aujourd'hui ... une approche vers un coeur quasiment autonome

    Depuis 20 ans, le professeur Carpentier effectue, en partenariat avec à la société EADS, des recherches au sujet d'un nouveau type de cœur artificiel, qui présenterait à l'identique toutes les caractéristiques d'un cœur naturel tant dans sa géométrie que dans son autonomie. Afin de mener à bien son projet, son groupe de recherche ( Carmat ) reçoit des millions d'euros pour le financement du prototype.

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    1) Présentation


    Ce nouveau cœur artificiel a pour objectif de sauver des patients en insuffisance cardiaque dont la transplantation est impossible.
Les cas de figure auquel une transplantation est impossible sont :

- Une hyper tension artérielle,

- Du diabète,

- Une hépatite...

    2) Structure

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    Les matériaux utilisés pour ce cœur artificiel sont des matériaux biosynthétique. Il pèse 1.200 grammes soit quatre fois plus qu'un cœur humain. Pour remédier à cet unique défaut technique, un deuxième modèle est en cours d'élaboration et ne pèsera que 900 grammes.
Avec son architecture à l'identique de celle d'un cœur naturel, le prototype de Carmat possède deux ventricules dont le débit est géré par des capteurs de pression. Ses concepteurs précisent que la prothèse utilisée s'adapte en fonction du patient.


    3) Atouts 

- Il ne peut pas provoquer de rejet

- Il ne nécessite pas la prise de traitements

- Il offre au patient une liberté totale comme si celui-ci possédait un cœur naturel

- Son énergie est concentrée dans des batteries rechargeables

- Les matériaux utilisés sont biosynthétique et donc limitent la formation de caillot sanguin
.

    4) Vers l'avenir

    Ce cœur ,étant quasiment autonome puisqu'il na pas besoin de machine pour fonctionner, est aujourd'hui vu comme une invention révolutionnaire dans le domaine médical. Afin de réaliser des essais techniques sur des patients entre la vie et la mort, Carmat va soumettre son prototype à l'agence française de sécurité sanitaire des produits de santé (Afssaps).

  Aujourd'hui c'est une entreprise californienne qui fabrique les pièces du prototype de Carmat cependant le professeur Carpentier aimerait qu'à l'avenir son cœur artificiel soit fabriqué en France.

12 février 2011

C) Les progrès techniques au niveau des pompes centrifuges

    Le système rotatif de cœur artificiel est dans la 2ème grande partie, intéressant et efficace. Cependant il comporte des inconvénients fatals au patient. C'est pourquoi des chercheurs dans les années 90 on décidés d'élaborer un cœur artificiel rotatif en remédiant aux défauts de ce système.
Ce troisième type d'appareil est un système mécanique de pompe centrifuge pour un cœur artificiel. Il appartient à la troisième génération de cœur artificiel.

    1) Le fonctionnement général d'une pompe centrifuge

    Le composant principal constituant la pompe centrifuge est une turbine immergée dans un liquide. Le liquide pénètre dans la pompe par un orifice situé à proximité de l'axe du rotor. Ce dernier chasse le liquide sous haute pression vers les extrémités des aubes fixes. Le rotor donne une vitesse relativement importante au liquide. Cette énergie cinétique est convertie en force de pression dans la partie fixe de la pompe. Dans les pompes à faible pression, comme le cœur, la pompe est souvent un conduit en spirale, qui réduit efficacement la vitesse. Pour les faibles débits sous haute pression, la turbine agit par force centrifuge.


        Atouts
 

-Elles sont couplées directement avec le moteur

-Une absence de vibration

-Le liquide est évacué par des impulsions

    2) La nouvelle pompe centrifuge...
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  C'est donc à partir de ces années 90 que la compagnie HeartQuest des États-Unis va créer une nouvelle pompe centrifuge destinée elle aussi à assister le cœur naturel défectueux d'un patient.


       
Composition

5 couronnes

- Des broches en acier inoxydable

- Un fil conducteur

- Un moteur à courant continu

- Un boitier contenant des disques.

  Le boîtier est en forme de spirale : il mesure 7.6 cm de diamètre et 2.5 cm d'épaisseur, son faible encombrement le rend facilement implantable dans le corps humain. La pompe peut fonctionner en circulation régulière. Elle a été testée avec succès pour un débit de 5 litres par minute mais elle est capable de produire un débit de 25 litres par minutes.


   
3) ... et ses avantages

    Suite à la réalisation de ces nouvelles pompes centrifuges, des tests ont été effectués. Contrairement au système rotatif, ces nouvelles pompes centrifuges ne comportent aucuns risques d'hémolyse (destruction de globule ).
On peut donc conclure que la recherche et le perfectionnement des pompes centrifuges par la compagnie HeartQuest est un succès et là aussi un réel progrès pour la médecine de plus c'est un cœur artificiel totalement implantable et e beaucoup d'avantages dont :

- Une espérance de vie d'au moins 10 ans.

- Il peut être utilisé pour remplacer intégralement un cœur naturel ou même pour lui porter assistance.

- Sa petite taille offre au malade une meilleure qualité de vie.

- Il permet au patient de pratiquer des activités physiques.

- Sa fiabilité assure une qualité technique performante et permet donc des coûts post-opératoires beaucoup plus faibles.

    Ces trois nouveaux modèles à systèmes mécaniques différents marquent un important progrès médical dans les implantations et les transplantations cardiaques. On peut affirmer que c'est en effet à partir de ces années 90 que l'idée et l'approche vers un cœur artificiel totalement implantable et autonome va naître.

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12 février 2011

B) Le Novacor

    1) Origine

    Le novacor est un ventricule gauche qui permet une assistance mécanique au cœur du patient afin qu'il retrouve une circulation sanguine approprier et donc une vie normal. Ce modèle conçu par le docteur Peer Portner puise son énergie dans une batterie encombrante. De nos jours, ce modèle a été amélioré puisqu'il bénéficie d'un apport en énergie contenu dans des batteries portables pouvant s'accrocher à la ceinture.

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    2) Fonctionnement

    Le Novacor fonctionne en parfaite harmonie avec le cœur natif. Il se remplit de façon passive par le flux sanguin provenant du ventricule gauche pendant la systole et l'éjection se fait dans l'aorte ascendante pendant la diastole du ventricule natif. Le ventricule gauche est ainsi déchargé et fonctionne désormais comme une seconde oreillette. Le débit de la pompe Novacor peut atteindre 5 à 7 litres par minute ; il est dépendant de la fréquence cardiaque et du volume d'éjection du ventricule gauche. Le volume d'éjection maximum de la pompe est de 70 ml.

  Un solénoïde ( fil électrique ) réagit comme un aimant quand l'énergie électrique lui est impliquée. Dans le Novacor, les deux solénoïdes sont rapidement mis sous tension par une impulsion électrique, ce qui les rapproche dans un premier temps et comprime le sac dans un second temps par le biais des bras sur le sac. Quand le solénoïde est démagnétisé, les bras se relâchent, permettant le remplissage du sac du Novacor.

  Afin de décomprimer efficacement le ventricule gauche, le Novacor doit opérer en synchronisation avec le cœur naturel : ainsi le Novacor doit être prêt à se remplir durant la systole du ventricule gauche et doit éjecter durant la diastole de ce ventricule.


    3) Résumé

Les résultats du novacor sur un humain sont concluants puisqu'un patient Allemand en bénéficie depuis 3 ans.

Le but majeur d'un tel appareil est bien sur de porter assistance au cœur naturel défectueux mais surtout de redonner au patient des conditions favorable pour une transplantation à venir .

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10 février 2011

A) Le Thoratec

    1) Origine

    Les recherches sur ce système ont commencés au début des années 80. On peut dire que le thoratec est le fils du jarvick 7, puisqu'il possède le même système et apparaît 10 ans après, donc en 1990. En effet, les chercheurs ont repris pour modèles le jarvick 7 et l'ont perfectionné. Le problème est que les patients avaient une très mauvaise qualité de vie à cause de l'encombrement du coeur dans le thorax et du bruit que faisaient les valves. De plus, il fallait constamment porter une valise de 40kg environ ce qui était forcément très génant.

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  2) Fonctionnement

    Le système d'assistance circulatoire Thoratec est formé d'une ou deux prothèses ventriculaires assurant un débit continu grâce à un système pneumatique. Chaque ventricule est de type sac, constitué d'une chambre souple en polyuréthane insérée dans une coque rigide. Deux valves mécaniques assurent un débit unidirectionnel. Un diaphragme en polyuréthane sépare le compartiment pneumatique du ventricule. De l'huile de silicone lubrifie les surfaces des sacs et évite toute abrasion (usure par frottement) entre le diaphragme et le ventricule.

  Un aimant est adapté sur un diaphragme situé sur le sac pneumatique au regard du ventricule. Il permet de détecter son remplissage grâce à un effet Hall. Dès que le contact s'effectue, il y a activation électrique du système pneumatique, entraînant une vidange du ventricule grâce aux valvules.

  Les ventricules sont reliés au patient par deux jeux de canules. Elles sont spécifiques au système Thoratec ; selon le site d'insertion au niveau du patient, on peut définir une canule droite ou gauche dans l'oreillette, une canule artérielle (dans la racine de l'aorte ou le tronc de l'artère pulmonaire) et une canule apicale (dans la pointe du ventricule gauche). Il existe une taille unique pour deux longueurs différentes pour la canule de l'oreillette et trois configurations pour la canule ventriculaire.

  La console présente deux modules qui assurent l'activation des deux ventricules ; Le premier permet de vider périodiquement le ventricule dès qu'il est totalement rempli ; le second assure un vide qui améliore la qualité du remplissage ventriculaire. Le système électrique fonctionne sur le secteur ou grâce à des batteries qui fournissent une autonomie de quarante minutes. 

  D'un faible encombrement (7 kg), le système portable assure une assistance bi ventriculaire et se substitue totalement à la console. Le patient acquiert ainsi une autonomie beaucoup plus importante. Ce système est contrôlé par un microprocesseur interne ; il peut fonctionner avec deux batteries au lithium, une batterie ordinaire ou l'électricité murale. Chaque batterie assure une autonomie d'une heure. Une seule pompe fournit la pression d'activation et le vide ; elle peut prendre en charge le fonctionnement des deux ventricules.

    3) Résumé

  Le thoratec est donc un système portable permettant une autonomie assez grande et en attente pour une greffe. Le problème majeur est que le coeur est très encombrant car il n'est pas implantable entièrement donc il faut être pris en charge par des médecins avec rendez-vous fixe. La console de plus limite la liberté de mouvement du patient, même si elle n'empêhe pas la marche ou le vélo d'appartement. Deuxièmement, sachant que le dispositif du coeur artificiel est transthoracique cela peut engendrer des risque très important d'infections.

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10 février 2011

III- Les différents modéles réalisés

    Après la recherche de systèmes de cœurs artificiels à systèmes pneumatiques et rotatifs, les chercheurs et les médecins se concentrent sur la réalisation de 3 nouveaux types de modèles :

- Les modèles à systèmes pneumatiques

- Les modèles à moteur électriques

- Les modèles à pompes centrifuges

8 février 2011

C) dernière solution : Un autre système d'assistance cardiaque

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    Ce dernier appareil n'a pas pour objectif de remplacer le cœur naturel défectueux mais au contraire de lui porter assistance : c'est une alternative au cœur artificiel. Elle consiste en la mise en place d'une hélice de type « vis » sans fin au sain du ventricule gauche.

    Fonctionnement

  Le mécanisme de ce système permet d'aspirer le sang dans la cavité ventriculaire et de l'éjecter dans l'aorte. L'hélice mesure 9mm de long et est introduite par l'artère fémorale. Elle est entrainé à grande vitesse (25000 tours/min) par un câble protégé par une graine en téflon relié a un moteur électrique extracorporel. Cette pompe à sang soulage considérablement le ventricule défaillant mais présente néanmoins certains inconvénients.

    Inconvénients

- Difficulté d'insertion
- Formation de caillots dans la cavitéventriculaire
- Débits sanguin insuffisant ( 3,5 litres de sang par minute contre 5 à 6 litres pour un cœur naturel )

Du fait de ses nombreux inconvénients, ce système d'assistance cardiaque ne peut permettre à un patient d'excéder quelques jours.

8 février 2011

B) Deuxième solution : un coeur rotatif

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Un nouveau système qui s'approche de plus en plus d'un cœur artificiel


    Une équipe de chercheur de Marseille dirigé par le professeur Monties s'engage dans un autre projet de cœur artificiel, qui consisterait à réaliser un appareil dont le système serait rotatif.
  Les avantages espérer d'un tel système seraient l'absence de valves, un rendement énergétiques bon et fiable, et enfin l'adaptation a la demande respiratoire qui varie en fonction de l'activité du patient.
  Les chercheurs trouvent une structure géométrique qui dérive du moteur de wankel. Selon le type de défaillance cardiaque, ce type de pompe peut remplacer un ventricule ou le cœur entier.

  Des essais ont effectué avec une pompe double sur un animal, les résultats sont concluants du point de vue de l'hémodynamique (dynamique du sang ). Cependant ce test à permis de détecter des risque d'hémolyses donc destruction de globules rouges, assez élevé comportant donc un réel danger pour le patient.

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TPE : Le coeur artificiel
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