LE COEUR ARTIFICIEL
LA LONGUE ROUTE VERS LE COEUR ARTIFICIEL
UN DÉBUT
De 1969 jusqu'à aujourd'hui plus de 1450 coeurs artificiels ont été gréffés, de 13 modèles différents.
Tout a débuté avec le docteur Willem Johan Kolff qui a travaillé toute sa vie sur le remplacement des organes (pionner du rein artificiel) naturels par des organes artificiels.Il a commencé à entreprendre son projet de coeur artificiel en 1957. Il réussit à faire maintenir en vie un chien pendant une heure grâce à un coeur artificiel fonctionnant à l’air comprimé .
Il continua ensuite plusieurs expériences sur des animaux :
- En 1973, avec le veau Tony qui survécut 30 jours.
- En 1975, avec le taureau Burk qui survécut 90 jours.
- En 1976, avec le veau Abebe qui survécut 184 jours avec le coeur artificiel Jarvik 5.
- En 1981, avec le veau Alfred Lord Tennyson qui survécut 268 avec le coeur Jarvik 5.
Les coeurs nommé “Jarvik” tiennent leurs noms de Robert Jarvik, un chirurgien cardiaque qui collabora avec le Dr Kolff à partir de 1971.
Le première implantationsur l'homme fut réalisée le 2 avril 1969 par les docteurs Cooley et Domingo à Houston. Le patient qui était dans un état désespéré mourût 6 jours plus tard le 8 avril. Son coeur était accompagné d’un attirail de plus de deux cents kilos composé d’un compresseur qui faisait fonctionner le coeur à commande pneumatique.
Plusieurs tentatives furent ensuite tentées sur différents patients proches de la mort qui n’eurent qu’un succès équivalent.
JARVIK 7
Vint ensuite le temps du coeur Jarvik de s’imposer, et d'évoluer en Jarvik 7. Il fut implanté sur un patient souffrant d'insuffisance cardiaque en décembre 1982. Cet événement fut suivi par le monde entier, et l’appareil de William Kols et Robert Jarvik permit au patient de survivre pendant 112 jours. Il décéda à l’issue de complications infectieuses.
Nous ne pouvons pas parler de réussite avec cette implantation car le patient connut beaucoup d’hémorragies et de troubles, demandant même à ce qu’on le laisse mourir.
Mais au contraire le deuxième patient équipé de Jarvik 7 survécut pendant un temps record de 630 jours.
Ce coeur est composé principalement de polyuréthanne : un matériau léger, d’une grande résistance mécanique et qui est un très bon isolant durable.
Il possède deux pompes cardiaques, semblables aux ventricules du cœur, de 100mL ou 70mL en fonction de l’anatomie du patient.
Chaque ventricule comporte deux réservoirs : l’un rempli d’air et l’autre de sang. Ils sont séparés par une membrane en forme de disque qui grâce à l’air, propulse le sang à partir de la soupape d'admission vers la soupape de sortie à intervalle régulier.
L’énergie nécessaire au fonctionnement des ventricules est délivrée et contrôlée par une lourde console situé à deux mètres du patient qui le relie par les deux conduits d’air comprimé.
C’est à partir de cette console que les médecins adaptent le rythme et le débit cardiaque du patient.
Elle est composée d’un régulateur agissant sur le réglage pression et d’activation des ventricules gauche et droite.
La surveillance des débits cardiaque et systolique, des courbes de remplissage et d’éjection des ventricules, et le stockage de différentes informations sont assurés par un micro-ordinateur couplé a la console.
Toutefois, ce système incommodait considérablement le patient. En effet, la console de plus de 130kg restreignait sa mobilité en plus des tuyaux qui lui étaient reliés. De plus, les infections étaient fort probables à cause des lignes d’activation transthoraciques et les ventricules comprimaient les poumons et les oreillettes, provoquant ainsi une respiration et une circulation sanguine difficile.
C’est pourquoi ce prototype fut par la suite abandonné pour laisser place à des systèmes plus avancés.
LES COEURS EXTRA-CORPORELS
Dans la même période les médecins se sont orientés vers un tout autre type de procédé durable de coeur artificiel : les ventricules extra-corporels. En 1983, le premier patient est équipé d’un mono-ventricule pneumatique extra-corporel par les professeurs Don Hill et John Farrar.
Ensuite, en 1986, un premier malade français a bénéficié d'un bi-ventricule extra-corporel, grâce l'équipe d'Alain Carpentier, qui travaille aujourd’hui sur des coeurs artificiels ultra développés. Ce patient vit encore aujourd'hui (après avoir été transplanté ultérieurement).
Ces systèmes consistesnt à relier en dérivation des ventricules artificiels aux ventricules naturels, ce qui laisse tel quel le coeur naturel. Celui-ci laisse donc passer le sang, mais bat à vide, il est remplacé par le battement des ventricules artificiels.
Les ventricules sont reliés par des tubes au niveau des oreillettes du coeur naturel où le sang est aspiré vers le ventricule extracorporel, dans la chambre ventriculaire. Le sang va être ensuite pompé. Puis des valves situées à l'entrée et à la sortie de la chambre ventriculaire vont réguler la bonne progression du sang jusqu’à etre ré-éjecté dans l’artère pulmonaire du ventricule droit ou dans l’aorte du ventricule gauche.
Tout ce système est aussi relié à une source d’énergie extracorporelle : un compresseur pour la plupart des modèles mais il existe toutefois quelques systèmes utilisant un moteur électrique ou encore des batteries. Ce compresseur est équipé d’un système de régulation qui adapte le débit du sang aux besoins de l'organisme
Aujourd’hui la CEC (circulation extra-corporelle), est un système similaire beaucoup plus dévéloppé, utilisé en cas d’attente de transplantation, suppléant les fonctions du bloc coeur-poumons. Ce système fait intervenir principalement un oxygénateur qui assure les échanges gazeux d’O2 et de CO2, un échangeur thermique qui régule la température du sang et une pompe qui réinjecte le sang oxygéné dans le système artériel.
Mais de la même manière que pour Jarvik 7, le manque de mobilité du patient est notable, le compresseur est de 1m de haut et de 60cm de large contraignant l’autonomie du patient. De même le risque infectieux est toujours présent.
Les limites à surpasser pour créer le coeur artificiel implantable, biventriculaire et quasi définitif étaient donc à cette époque le volume contraignant des prothèses et leurs compresseurs. L'apparition de piles et de système électrique annonce un grand pas dans l’évolution du coeur artificiel.
LES COEURS INTRA-CORPORELS
Ces systèmes intracorporels généralement appelés DAV (Dispositif d’assistance ventriculaire) permettent de suppléer l’action d’un ventricule cardiaque (généralement le gauche) chez des insuffisants cardiaques. Au total, plus de 600 patients sont équipés de ce genre de système dans le monde. La moitié de ces patients ont pu être greffé par la suite avec un taux de réussite de 90%. L’autre moitié, malheureusement,est décédée généralement à cause de maladies parallèles provoquées en majeur partie par l’insuffisance cardiaque. Toutefois ces résultats sont plus que notables : de nombreux patients vivent encore aujourd’hui avec un système implanté depuis plus de deux ans. Et celui-ci ne leur fait pas défaut, contrairement à l'absence de futur auquel ils étaient confrontés.
Techniquement : un ventricule artificiel gauche est implanté avec le transformateur d’énergie, dans la paroi abdominale entre le péritoine et les muscles abdominaux.
L’assistance est branchée en dérivation entre la pointe du ventricule natif gauche et le circuit d’admission. Une valve prothétique d’origine animale située à l'extrémité empêche les retours de sang.
De l’autre coté le ventricule artificiel est relié à l'aorte ascendante par le conduit d’éjection. C’est dans celui-ci que le sang est expulsé de la pompe. Une seconde valve similaire empêche le retour de sang : le système est donc uni-directionnel.
Seuls la batterie et le système de régulation se trouvent à l’extérieur du corps, reliés par un câble électrique qui traverse la peau de la paroi abdominale.
Les modèles les plus sollicités et prometteurs sont le Heartmate II et le Novacor qui se différencient par le fonctionnement de leur pompes.
Tous deux ont été conçus aux Etats-Unis.
TURBINE
Le modèle Heartmate II est équipé d’une pompe constituée d’une turbine, alimentée par un moteur, qui atteint 7000 tours par minutes augmentant ainsi la puissance de pompage et éjectant à chaque cycle 80 millilitres de sang.
La pompe est raccordée par l'intermédiaire d’un câble d'alimentation souple à un petit ordinateur porté à la ceinture couplé à un pack de batteries externes de 10 heures, situé dans des étuis au niveau de épaules.
Le modèle Novacor plus ancien que le Heartmate a été implanté pour la première fois chez l'homme en 1994.
Il s'agit d'un système électromagnétique : la chambre ventriculaire comporte deux solénoïdes reliés à deux bras, eux-mêmes reliés par des ressorts au compartiment sanguin constitué d'un sac en polyuréthane.
Au passage d'un courant, les solénoïdes se rapprochent et s’attirent comme des aimants entraînant les deux bras , et les ressorts fixés avec, viennent comprimer le compartiment sanguin, éjectant un volume de 70 millilitres de sang.
Les solénoïdes se démagnétisent ensuite, permettant aux bras de se relâcher et la chambre ventriculaire se remplit.
Tout cet ensemble pèse 850 grammes ; il est relié à des batteries positionnées autour de la taille du patient.
Les progrès vis-à-vis des risques d’infections ont permis le développement de ces DAV mais tous les risques et défauts ne sont pas écartés en tout point. Les ventricules sont relativement bruyants et sont soumis à une usure conséquente qui limite l’utilisation à un maximum de deux ans. Et leur fonctionnement en continue : sans respecter les battements du coeur ( mode pulstatil ), engage une perte de pouls et, à terme, engage une dégradations physiologique différentes organes du coeurs qui y sont très sensibles.
Néanmoins, ces VAD permettent une assistance considérable du patient, mais non un retour à une vie sans encombre.
Plus tard encore, on verra apparaître des recherches prometteuses sur un coeur artificiel total et autonome. Particulièrement ,le coeur artificiel biventriculaire de Carmat.
FONCTIONNEMENT, COMPOSTITION ET COMPATIBILITÉ ANATOMIQUE
La création du cœur Carmat s’est faite dans le respect de la physiologie humaine. En effet Carmat a voulu respecter quatre points principaux :
- Le respect de la forme, du volume et du poids du cœur humain
- Le respect de sang
- L’hémodynamique du coeur naturel
- Le fonctionnement naturel du corps humains
Le rôle principal du coeur est de définir un débit sanguin adéquat aux performances immédiates du corps. Par exemple lors d’un effort physique le débit sanguin va augmenter et au repos il va diminuer.
Carmat n'a fait que l'imiter.
FONCTIONNEMENT
La prothèse est composée de deux cavités ventriculaires, une droite et une gauche. Chacune de ces cavités est séparée grâce à une membrane souple.
Un sac externe souple contient le liquide d’actionnement.
Celui-ci est poussé via les pompes sur la membrane, qui reproduit le mouvement de la paroi ventriculaire humaine lors de la contraction : l’éjection part de l’apex ( le bas du ventricule ) et le sang remonte pour être éjecté par les artères.
La prothèse est fonctionnellement basée sur le principe de dissymétrie du coeur humain, la partie gauche étant plus volumineuse et plus puissante car elle doit propulser le sang dans la totalité des organes, contrairement à la partie droite qui ne doit éjecter le sang que dans les seuls poumons.
Le coeur naturel est régulé selon une certaine hémodynamique : c’est la science qui étudie les lois d'écoulement (débit, pression, vitesse, etc.) du sang dans le corps, ici plus particulièrement du coeur.
Ce sont les courbes de déplacement des membranes (extrêmement sophistiqués) qui assurent cette hémodynamique. Carmat a réussi à reproduire ces courbes : la membrane se déplace telle une vague de manière à ne pas chahuter le sang, conserver les courbes de pressions physiologiques du coeur humain, et s’assurer que tout le sang à l'intérieur de la cavité ventriculaire soit éjecté.
Cette hémodynamique permet une circulation complète sans stase (immobilité aboslue).Elle évacue le sang de de telle façon qu’il soit totalement éjecté à chaque pulsation. Des calculs mathématiques extrèment complexes ont été effectués pour s’assurer qu’entre 7 et 10 battements aucune particule sanguine entrée dans le ventricule ne soit restée à l’interieur. Après ces battements tout le sang qui est rentré à un moment ou à un autre a été ejecté
Le cœur humain adapte seul son débit et sa fréquence cardiaque, le plus gros de défi de Carmat a donc été de trouver un moyen pour imiter à la perfection le débit sanguin naturel. Avant le cœur Carmat, les prototypes du même genre provoquaient des essoufflements pendant l’effort et des sensations de palpitations au repos. Aujourd'hui le coeur est en auto-régulation totale, controlé par le cerveau lui même.
La prothèse respecte le corps humain tant dans son fonctionnement que dans son processus d'action.
Le coeur naturel est régi par la loi de Frank-Starling. Celle-ci stipule que l'énergie créée par un ventricule cardiaque pour éjecter le sang est corrélée au volume télédiastolique. Ainsi, plus le volume télédiastolique s'accroît et plus la force d'éjection du sang sera importante. Donc plus le coeur reçoit du sang dans l’oreillette du retour veineux (sang qui revient appauvri en dioxène) plus le nombre de contractions par minute sera élévé pour l’évacuer.
Mais en cas d’une hémoragie interne, la pression diminue, le sang arrive moins, donc la circulation s’arrêterait
Une autre loi vient compléter celle-ci du coté du ventricule gauche : si je n’ai pas suffsament de débit alors, je fais travailler mon cerveau pour faire en sorte que le coeur s’accélère malgré tout. Le cerveau va mettre en oeuvre tout le système de vasoconstriction : il va réduire la taille des vaisseaux pour privilégier l'alimentation de deux organes : le cerveau et le coeur. Autant la fonction primaire n’est pas dirigée par le cerveau ( c’est pourquoi le coeur bat toujours lorsqu’on le retire du corps), autant lorsque la pression du retour veineux est trop faible, le cerveau intervient pour mobiliser l’oganisme et faire en sorte que le sang aille directement au cerveau et aux organes essentiels.
C’est avec ces deux lois de la nature que Carmat a reproduit les modèles mathémathiques de comportement du coeur naturel. Le prothèse possède donc les mêmes algorythmes que le coeur naturel et arrive tout aussi bien à s’autoréguler.
L’électronique d’asservissement de l’électrorégulation assure cette fonction en débitant du sang en fonction des besoins physiologiques du patient.. Elle est aidée par des capteurs de pression et de position.
Le cœur artificiel est essentiellement basé sur ces propriétés. Sans elles, le patient survivrait mais ne pourrait pas retrouver une qualité de vie, un confort.
BIOCOMPATIBILTÉ
Lors de la conceptiuon, Carmat a voulu au maximum mimer la nature. Pour ce faire, ce sont essentiellement des ingénieurs en aéronautique pourvus de moyens êxtremements sofistiqués, qui ont permis de recréer un système sanguin égal à celui du cœur biologique. En effet le cœur bionique est doté du même fonctionnement qu’un cœur biologique. Il respecte le corps humain et n'est pas agressif au contact du sang et de son environnement : il est hémocompatible et biocomatible.
Le coeur artificiel pèse 900 grammes. Sa coque est composé de trois pièces qui nécéssitent une trentaine d'heures d'usinage. C'est le PIC qui est utilisé, une résine de plastique extrèmement résistante et légère.
Les pompes sont des assemblages de matériaux robustes, il en existe en test depuis 6 ans qui ne présentent toujours pas de trace d'usure visible.
La membrane est composée de péricarde de veau et de polyuréthane, et est rattachée à la partie solide grâce au teflon.
Carmat n'a pas effectué de recherche sur les matériaux du coeur, les matériaux chosis étaient déjà éprouvés pour la plupart d'entre eux. Ils permettaient déjà la compatibilité des groupes avec l'organisame receveur ( hémocompatibilité ) et n'était pas aggresif envers lui ( biocompatibilité ). Certains ont justé nécessité d'être traités comme le péricarde de veau, afin déviter le phénomène de rejet.
La cage thoracique humaine est très restreinte, en effet la place consacrée au cœur est petite, c’est un vrai défi pour Carmat de concentrer toutes les technologies du cœur artificiel dans un espace aussi réduit.
Carmat a du miniaturiser l’ensemble des systèmes électroniques du cœur artificiel afin que l'intégration soit parfaite dans la cage thoracique.
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