Deux grandes familles de coeur artificiel ont été développées dans les années 80 : les coeurs pneumatiques (à diaphragme, de type Jarvik) et le coeur rotatif de Monties. D'autres systèmes d'assistance cardiaque ont été expérimentés ces dernières années.

1. Le coeur artificiel pneumatique (à diaphragme) :

      Ce type de coeur regroupe des appareils destinés aux malades dont le coeur ne pourra pas récupérer spontanément ses fonctions. Ils permettent une assistance cardiaque prolongée.

            a/ Le "Jarvik 7" :

      La première implantation d'un "Jarvik 7" a eu lieu à Salt Lake City en 1982 : cela a été une étape importante dans l'avancée de la recherche du coeur artificiel.

      Les "coeurs de Jarvik", du nom de leur premier concepteur, sont implantés en lieu et place du coeur natif. Les substituts ventriculaires sont implantés dans la cage thoracique et branchés sur les oreillettes du coeur naturel : c'est un coeur artificiel "interne". Plusieurs éléments composent le coeur artificiel Jarvik 7 : deux ventricules pneumatiques intrathoraciques, deux lignes d'activation transthoraciques (ce sont deux canules qui traversent la peau au niveau du thorax), un générateur d'air comprimé externe et une console.

      Les deux ventricules sont connectés au générateur d'air comprimé grâce aux deux lignes d'activation. Il existe deux modèles de contenance différente : l'un de 70 cm3, l'autre de 100 cm3 ; ces deux modèles permettant l'adaptation à l'anatomie du thorax du patient. Chaque ventricule comporte deux réservoirs (voir le schéma détaillé ) : l'un rempli d'air et l'autre de sang, ils sont séparés par un diaphragme en polyuréthane. Le réservoir sanguin est muni de valves antiretour. L'air déplace la membrane à intervalles réguliers, chassant ainsi le sang vers l'artère pulmonaire ou vers l'aorte selon le ventricule.
La connexion des ventricules au massif cardiaque est assurée par deux collerettes (bord rabattu d'un "tube", qui sert à le raccorder à un autre) auriculaires souples ; deux tubes en dacron (nylon inextensible diamétralement) sont utilisés pour relier le coeur artificiel aux artères.

      L'énergie nécessaire au fonctionnement des ventricules est délivrée et contrôlée par la console pneumatique, qui est alimentée par une source d'air comprimée de 3,5 à 7 bars. Munie de plusieurs systèmes de sécurité, elle est composée d'un régulateur agissant sur le réglage des pressions d'activation des prothèses gauche et droite. Une source de vide réglable est adjointe afin d'assurer un certain degré d'aide au remplissage de la prothèse ventriculaire. Le rythme des pressions et des dépressions varie grâce à un régulateur de fréquence. La surveillance des débits cardiaque et systolique, des courbes de remplissage et d'éjection des ventricules, et le stockage des différentes informations est assuré par un micro-ordinateur couplé à la console.

      Néanmoins, ce système a certains inconvénients pour le malade. En effet, le lien à la console couplée avec l'ordinateur restreint la mobilité du patient : il reste à l'hôpital pour disposer de tout le matériel décrit précédemment. De plus, les lignes d'activation transthoraciques causent un risque d'infection important. Enfin, l'encombrement important des ventricules comprime les poumons et les oreillettes, rendant la respiration et la circulation sanguine plus difficile. L'utilisation de ce type de coeur est donc aujourd'hui interdite car des patients sont morts à cause de son encombrement et des infections notamment.

            b/ Une autre approche du coeur artificiel :

      Comme on l'a vu précédemment, le coeur de Jarvik possède quelques défauts tel que son encombrement. Ainsi, après 20 ans de recherche, le chirurgien français Lapeyre dépose un brevet de coeur artificiel en 1979. Son approche technique du coeur artificiel est tout autre que celle de Jarvik puisqu'elle s'inspire largement de la forme du coeur naturel. Le design est totalement différent et tout nouveau à l'époque.

      En collaboration avec l'Aérospatiale, il a pu mettre au point un coeur occupant 40% seulement de la taille du Jarvik grâce à un design bien approprié. En effet, la participation d'un industriel à la pointe de la technique lui était indispensable dans la réalisation de ce projet : l'expérience de l'Aérospatiale dans les matériaux et la micromécanique a permis la progression de ce projet.

      Ainsi, les matériaux utilisés sont le polyuréthane, le carbone et du métal. Lapeyre a fabriqué un coeur artificiel en tenant bien compte des spécifications anatomiques, géométriques et de la régulation de l'effort. En effet, les besoins pour la circulation sanguine ne sont pas les mêmes quand l'individu est au repos que quand il exerce une activité physique. Le coeur artificiel doit être adapté à ces conditions d'utilisation.

      Ce coeur est une pompe à membranes avec des ventricules droit et gauche séparés. Ceux-ci sont imbriqués dans une coque unique qui reproduit l'anatomie fonctionnelle du coeur naturel (voir le schéma détaillé). On a ainsi une structure monobloc et une asymétrie ventriculaire. Pour réduire la taille du coeur artificiel au maximum, les formes des deux ventricules sont différentes car le ventricule gauche travaille plus que le droit. La membrane droite travaille en élongation, la membrane gauche en déformation.

      La source d'énergie de ce coeur est un système pneumatique externe qui actionne le coeur et la pompe (voir figure 8 à côté). Cela implique l'existence d'un tuyau d'air comprimé qui traverse la cage thoracique de l'individu. Un des souhaits de l'équipe qui réalise le projet est la miniaturisation cette source d'énergie et elle envisage de réduire sa taille pour pouvoir l'accrocher à la ceinture.

      Une expérimentation de ce coeur a été faite sur une génisse. Elle a vécu avec un coeur de ce type pendant 5 jours. Bien qu'elle soit morte prématurément, l'expérience a été un succès car le coeur artificiel remplissait bien son rôle de pompe.

Remarque : Les documents dont nous disposons concernant ce coeur artificiel datent de 1988 : nous pensons que son fonctionnement a évolué depuis, mais aujourd'hui, le projet a dû avorter car nous n'avons trouvé aucune source plus récente. On peut tout de même conclure que ce nouveau système a mis en évidence une nouvelle approche intéressante pour la conception du coeur artificiel.

            c/ Ventricule artificiel à flux pulsé unidirectionnel :

      Le coeur artificiel suivant a été réalisé avec la collaboration de plusieurs dans les années 80. Ce système est composé d'un boîtier étanche en matière plastique moulée à l'intérieur duquel deux tubes en U (jouant le rôle de deux ventricules) sont croisés perpendiculairement (voir le schéma détaillé). Le croisement reproduit la configuration anatomique des orifices d'entrée et sortie d'un coeur naturel.

      La jonction des quatre embouchures des tubes avec la partie supérieure du boîtier est assurée par quatre valvules serties dans les tubes, eux-mêmes solidaires de quatre orifices dont deux en forme de pavillons coniques. Les deux tubes en PVC, constituant deux soufflets, sont mus par la chambre de compression située au-dessous. Cette chambre est alimentée par un fluide de transmission introduit et évacué par l'entrée située sous le boîtier. Lorsque cette chambre se gonfle, elle comprime les tubes simultanément et permet l'éjection du sang dans les artères aorte et pulmonaire. Lors de la détente, une dépression se produit dans les tubes, aspirant ainsi le sang des veines.

      Ce système présente des avantages : un risque d'hémolyse réduit car la circulation du sang est unidirectionnelle. De plus, l'étanchéité au niveau des valvules est aussi un avantage important. Les mouvements de faible amplitude des soufflets ainsi que leur composition en PVC sont de bonne augure quant à leur longévité. Enfin, le risque d'embolie est écarté du fait de l'indépendance des soufflets avec la chambre de compression. En revanche, cet appareil est encombrant : 15 cm de diamètre dans ses plus grandes dimensions.

      Un prototype fut expérimenté en mars 1987 sur un animal de 50 kg. Malheureusement, la tentative échoua à cause d'une des aspérités externes de cette prothèse qui entraîna une plaie sur le foie puis une hémorragie. L'animal mourut 8 heures après la mise en marche du coeur artificiel. Un troisième prototype a été créé avec pour objectif la réduction l'encombrement aux dimensions d'un parallélépipède de 10 cm de haut et de 8 cm de large.

      D'autres chercheurs dirigés par le professeur Monties étudiaient en parallèle un coeur artificiel ayant un fonctionnement complètement différent : le coeur rotatif.

2. Le coeur rotatif :

            a/ Le coeur rotatif, une toute nouvelle approche de coeur artificiel

      Au début des années 80, une équipe de chercheurs de Marseille dirigée par le professeur Monties s'engage dans un autre projet de coeur artificiel, complètement différent des précédents. En effet, leur but est de remplacer ou d'assister le coeur ou l'un de ses ventricules à l'aide d'un système rotatif. Les avantages espérés de ce nouveau type de coeur sont l'absence de valve et de point mort, un rendement énergétique bon et fiable, et enfin l'adaptation à la demande circulatoire qui varie en fonction de l'activité du patient.

      En 1980, la solution géométrique utilisée dérive du moteur de Wankel : c'est une hypotrochoïde ou hypocycloïde (figure constituée par un point P d'un cercle générateur roulant sans glissement à l'intérieur d'un cercle fixe : voir figure 11, c'est une liaison engrenage). Selon le type de défaillance cardiaque, ce type de pompe peut remplacer un ventricule ou le coeur en entier.

      Ainsi, on peut fabriquer une pompe à deux corps pour aider la circulation des deux ventricules : l'hypotrochoïde comporte 3 lobes (partie arrondie et bien délimitée d'un organe) et deux points de contact permanent rotor-stator séparent les deux corps. Les différentes étapes du fonctionnement sont expliquées sur un schéma bien détaillé.

      Pour assister un des deux ventricules seulement, une pompe à un seul corps suffit : c'est une hypotrochoïde à 2 lobes. Attention, pour bien comprendre le fonctionnement de cette pompe, il faut considérer que ce schéma est une coupe de la pompe, ce n'est pas une figure en 3 dimensions. Dans ce cas, il n'y a qu'un point de contact permanent rotor-stator.

      Les premiers essais ont été réalisés avec une pompe double sur un animal. L'entraînement se fait par un moteur électrique accouplé par l'intermédiaire d'un réducteur et d'un limiteur de couple à la pompe. L'expérience est concluante du point de vue de l'hémodynamique (étude de l'écoulement du sang en fonction du débit cardiaque) mais le risque d'hémolyse (destruction des globules rouges), dû aux frictions et cisaillement, est assez élevé, ce qui est un réel danger.

            b/ Mise au point et utilisation de la pompe Cora :

      Vers 1985, l'équipe met au point la pompe Cora, qui s'inspire largement du modèle ci-dessus : c'est une pompe formée d'un rotor en forme d'ellipsoïde, d'un excentrique (pièce dont l'axe de rotation ne passe pas par le centre), de deux pignons de guidage, d'un stator et de deux flasques (chacune des deux plaques, généralement parallèles, constitutives de certaines pièces mécaniques). Le rotor est guidé par les deux pignons et entraîné par l'excentrique dans un mouvement de rotation sur lui-même. Le biomatériau est une céramique carbonée connue pour ses qualités biomécaniques et sa biocompatibilité. Le moteur est fabriqué en titane : le rotor contenant les aimants est relié à l'axe d'entraînement de la pompe, et le stator contient les bobines et les sondes de Hall (sonde qui réagit à une différence de potentiel entre les bords d'une plaquette conductrice traversée par un courant I et placée dans un champ magnétique) qui commandent le moteur. La pompe est volumétrique car son débit dépend de la fréquence cardiaque.

      Une expérience de cette pompe a été faite sur un animal en 1988 : le système a été relié aux oreillettes par l'intermédiaire de canules en PVC. Un fil électrique traverse la peau de l'animal pour alimenter la pompe à l'aide d'un boîtier de commande et régulation. De même que pour le système décrit ci-dessus, les résultats hémodynamiques sont assez satisfaisants. Cependant, on observe de faibles risques de coagulation et d'hémolyse sur l'animal, ce qui est très dangereux.

      Pour conclure sur ce coeur rotatif, on peut dire qu'il est très intéressant car il constitue une approche complètement différente des coeurs à diaphragme. Ses principales qualités sont l'absence de valve et de bruit, un encombrement réduit et bien sûr, il remplit complètement son rôle d'assistance cardiaque. Par contre, il a des défauts : les risques d'hémolyse et de coagulation. A notre connaissance, ce type de pompe n'a jamais (ou n'est plus) utilisé cliniquement ; nous savons que le professeur Monties travaille en ce moment sur un projet de coeur artificiel mais la concurrence entre les équipes de chercheurs étant rude, nous n'avons aucun renseignement sur ce projet.

3. Un autre système d'assistance cardiaque :

      Une alternative au coeur artificiel consiste en la mise en place d'une hélice de type vis sans fin au sein du ventricule gauche (voir figure 15). Conçu par R. Wampler en 1985, ce système permet d'aspirer le sang dans la cavité ventriculaire et de l'éjecter dans l'aorte. L'hélice mesure 9 mm de long et est introduite par l'artère fémorale au moyen d'un cathéter souple. Elle est entraînée à grande vitesse (25 000 tr/min) par un câble protégé par une gaine en téflon reliée à un moteur électrique extracorporel.

      Cette pompe à sang soulage considérablement le ventricule défaillant mais présente néanmoins certains inconvénients. En effet, les difficultés d'insertion, la formation de caillots dans la cavité ventriculaire et le débit sanguin insuffisant qu'elle autorise (3.5 litres de sang par minute contre 5 à 6 litres pour un coeur naturel) font que son emploi ne peut excéder quelques jours.