Le cœur naturel de l’Homme est l’un des organes les plus compliqués de l’organisme : léger, résistant, autonome, il est très difficile à imiter et encore plus à reproduire. Avec un poids et une taille minime; pourvu d’un muscle très puissant (le myocarde doit pulser du sang dans tout l’organisme); une régulation autonome du débit sanguin en situation d’effort, de repos et d’activité; le cœur humain est un véritable casse-tête pour les ingénieurs Carmat.
Vue d’ensemble
La prothèse comprend 2 cavités ventriculaires droite et gauche, chacune étant séparée par une biomembrane souple en 2 volumes, un pour le sang, un pour le liquide d’actionnement.
Un sac externe souple contient le liquide d’actionnement ( huile de silicone ) de formule ci-dessous .
et bat au rythme cardiaque.
Par actionnement hydraulique via deux groupes moto-pompes miniatures, le liquide d’actionnement déplace cette biomembrane en reproduisant le mouvement de la paroi ventriculaire du cœur humain lors de la contraction.
Pour assurer la fonction cardiaque, les éléments de la prothèse agissent de la manière suivante:
- Les deux motopompes aspirent et injectent, alternativement, un fluide dans les cavités ventriculaires déplaçant les membranes de pulsion.
- Lorsque le compartiment hydraulique se vide, le retrait de la membrane aspire le sang dans le ventricule : c’est la diastole.
- Lorsqu’il se remplit, la membrane pulse le sang dans les artères : c’est la systole.
Des valves d’admission et d’éjection assurent la progression unidirectionnelle du sang.
Circulation
Grâce à une première valve, le ventricule droit va récupérer le sang appauvri en oxygène qui arrive par l’oreillette droite du patient. Il l’éjectera ensuite dans l’artère pulmonaire grâce à une seconde valve. Par le même système, le ventricule gauche va quant à lui recueillir le sang riche en oxygène dans l’oreillette gauche du patient, et le propulser dans l’aorte. Tous ces déplacements se faisant donc grâce aux motopompes hydrauliques.
Enfin, un dispositif électronique intégré régule le fonctionnement de la prothèse en fonction des besoins des patients à partir d’informations données par des capteurs et traitées par un microprocesseur.
Le cœur humain va adapté aussi le débit sanguin en fonction des comportements (effort physique, repos, changements de position…), en cas d’hémorragie, d’hypertension artérielle pulmonaire… Pour reproduire cette autorégulation physiologique, le cœur Carmat est doté de trois capteurs de pression, de deux capteurs ultrasons… et d’un « accéléromètre ». Ce dernier est capable de détecter les mouvements du patient dans l’espace, et de calculer leur vitesse : c’est le même que sur la console Wii de Nintendo !
Fluidité
De plus, la prothèse assure une très bonne fluidité en raison des matériaux synthétiques biocompatibles utilisés : Dacron , titane et polyétheréthercétone permettent un poids assez léger tout en faisant preuve d’une résistance suffisante.
Tous les matériaux utilisés dans la fabrication de cette prothèse concourent à la réduction maximum du risque d’une formation de caillot sanguin, mais ce ne sont pas les seuls facteurs. En plus du choix des matériaux, la forme des cavités intraventriculaires est très étudiée. Leur conception évite l’apparition de zones où le sang pourrait stagner. D’après des simulations numériques, 99,5 % du sang est totalement renouvelé en 5 cycles, ce qui réduit significativement le risque de formation de caillots sanguins.
Autonomie
Le cœur artificiel est équipé de capteurs de pression sanguine afin de s’adapter aux efforts physiques. Ceci vaut environ 900g, alors que le vrai cœur prend environ 300g. Le cœur artificiel est constitué d’une pile au lithium-ion de 40 watts (4-5 heures d’autonomie pour 6 kilos), d’un microprocesseur adapté aux rythmes des pompes et des motopompes. Ces derniers sont séparés du sang grâce à une membrane souple, donc il n’y a aucun contact entre elles et le sang et les cellules sanguines ne sont pas endommagées. Les risques de formations de caillot sanguin sont alors diminués.
Alimentation
En ce qui concerne l’alimentation électrique de la prothèse, un câble introduit par l’abdomen rattache la prothèse à des batteries lithium-ion extracorporelles. Celles-ci doivent être rechargées environ toutes les 4 heures, mais bien qu’elle soit portables, leur poids tend vers 6 kilogrammes et cela représente un problème.
Pour le résoudre des piles à combustibles dont le poids est inférieur à 3 kilogrammes, qui permettent un peu plus de 12 heures d’autonomie, consomment 27 watts, et tout cela en 2 millimètres d’épaisseur. Les piles à combustibles, c’est-à-dire transformant l’énergie d’une réaction chimique en courant électrique continu, ont pour avantage par rapport aux batteries lithium-ion d’avoir un rendement énergétique bien supérieur : 12 heures d’autonomie pour les piles contre 4 heures pour les batteries.
Au final, seules les batteries ne seront pas implantées dans le corps des
malades : trop gros risque en cas de défaillance. On a donc de batteries lithium-ion reliées au coeur Carmat par un câble inséré à travers lʼabdomen.
Elles présentent donc deux inconvénients , une recharge étant nécessaire toutes les 4 heures et un poids conséquent (environ 6 kilos). Des contraintes qui peuvent aussi
sʼavérer difficiles à supporter dʼun point de vue psychologique…
Cʼest pourquoi Carmat travaille actuellement avec une société nommée
PaxiTech pour développer des piles à combustible offrant 12 heures
dʼautonomie, pour un poids inférieur à 3 kilos. Une fois au point, elles seront
reliées à la prothèse par une prise implantée dans lʼos derrière lʼoreille, une
zone réduisent le risque dʼinfection. Mais sur le long terme, cʼest au contact de
la prothèse que les infections peuvent surtout se développer. En revanche,
lorsquʼune prothèse cardiaque génère des accidents vasculaires, cʼest
généralement peu de temps après son implantation…
L’os derrière l’oreille est une zone à faible risque d’infection, c’est pourquoi la prise par laquelle les piles alimentent le cœur est implantée à cet endroit.
Le Coeur artificiel Carmat 