Il existe actuellement 3 générations de coeur artificiel :
      - 1ère génération : ce sont des coeurs d'assez grande taille alimentés avec de l'énergie pneumatique ou électrique, comme le Thoratec. Ils sont actuellement utilisés en clinique mais ne sont pas encore fiables à 100%.
      - 2e génération : coeurs artificiels dont le moteur électrique ou électromagnétique est intracorporel : ils n'ont pas une durée de vie très élevée. Ce type de coeur est encore en développement.
      - 3e génération : ce type de coeur artificiel en est au stade de recherche et de développement : il est censé avoir une durée de vie de 10 à 15 ans. Ce sont des systèmes totalement fiables.

1. Le Thoratec :

      Thoratec est un système pneumatique qui fournit une prise en charge d'un ou des deux ventricules grâce à des prothèses de type sacs reliées à une console ou à un système portable.

            a/ Historique :

      Les recherches sur ce système de type Jarvik 7 ont commencé au début des 80. Dix ans après, un premier coeur artificiel Thoratec a été greffé sur un malade. Celui-ci a vécu très longtemps (plusieurs années) mais on ne peut pas parler d'un réel succès car ce patient avait 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 devait toujours porter une valise pesant environ 40 kg contenant la console nécessaire au fonctionnement du coeur s'il voulait se déplacer, ce qui est assez contradictoire avec le fait que cet homme était cardiaque ! Aujourd'hui, ce coeur artificiel de 1ère génération a été amélioré, voyons donc comment il fonctionne.

            b/ Fonctionnement du Thoratec :

      Le système d'assistance circulatoire Thoratec est formé d'une ou deux prothèses ventriculaires assurant un débit pulsatile 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 ; il assure le contrôle du volume et fait office de chambre de sécurité. 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 complet grâce à un contacteur à effet Hall placé dans la coque rigide. 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) : voir figure 18. 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 d'activation. Chaque module peut assurer si besoin l'activation des deux ventricules ; il comprend deux compresseurs : 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. Il existe deux modules de fonctionnement : en mode asynchrone à fréquence fixe déterminée ou en mode plein vide à fréquence variable. Pour chaque ventricule, le monitoring comprend la pression d'activation, le vide, le calcul du temps de remplissage ventriculaire, le débit obtenu et les signaux d'alarme.

      D'un faible encombrement (7 kg), le système portable assure une assistance biventriculaire 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. Comme pour la console, l'utilisation en mode plein vide ou en mode asynchrone est possible.

            c/ Conclusions sur le Thoratec :

      Les critères de succès de la prise en charge sont représentés par une indication judicieuse, par la mise en place précise des canules et par quelques ajustements de la console. Celle-ci est rarement en situation d'alarme, surtout après trois à quatre jours en réanimation.

      Devant toute anomalie ou perturbation, il importe de vérifier le bon fonctionnement de chaque ventricule (remplissage et vidange) et surtout de prendre en charge la surveillance du patient et le suivi de ses principales fonctions. Tout défaut de l'assistance circulatoire doit être traité par la réanimation du patient et non en tournant seulement les boutons de la console. La principale qualité de ce système d'assistance est d'être souvent ignoré par l'entourage.

      Enfin, si l'utilisation de la console limite la liberté de mouvements du patient, elle n'empêche pas la marche ou le vélo d'appartement. Néanmoins l'apport de la console portable assure une assistance biventriculaire de qualité avec une autonomie et un confort plus important.

      Voyons maintenant comment fonctionne un autre type de système d'assistance cardiaque à énergie électromagnétique : le Novacor, qui est un coeur artificiel de 2e génération.

2. Le Novacor :

            a/ Historique :

      Conçu dès 1973 par le Docteur Peer PORTNER à l'Université de Stanford, le Novacor est un ventricule gauche d'assistance mécanique conçu pour proposer une assistance circulatoire de longue durée tout en permettant au patient un retour à une vie quasi normale.

      La première version, dépendante d'une volumineuse console de gestion, a, depuis plusieurs années, cédé la place à un modèle dit " portable " relié par un câble transcutané à un contrôleur et des batteries qui se portent soit à la ceinture, soit en bandoulière.

            b/ Description :

      Le Novacor est une pompe moteur implantable compacte, destinée à fournir un support temporaire comme traitement des dysfonctions myocardiques réversibles ou en attente d'une transplantation cardiaque. Le moteur est un animant deux plateaux dont le rapprochement écrase un réservoir à sang de type sac.

      Le ventricule implantable comprend la pompe intégrée et son moteur, les valves biologiques d'entrée et de sortie, ainsi que les tubes de dacron connectés l'un à la pointe du ventricule gauche en ce qui concerne l'admission du sang dans le ventricule artificiel, l'autre à l'aorte ascendante pour l'éjection du sang issu du ventricule artificiel. Enfin une ligne percutanée contenant l'alimentation électrique et transmettant les données informatiques de fonctionnement du moteur et de la pompe, permet le raccordement du dispositif à une unité de gestion appelée contrôleur.

      La pompe est une chambre circulaire composée d'un sac de polyuréthane de surface lisse avec une entrée et une sortie tangentielles dont la géométrie a été conçue pour obtenir des flots maximaux sans stase ni séparation des flux. Le convecteur d'énergie solénoïde transforme l'énergie électrique fournie par la console ou les batteries en une énergie mécanique nécessaire pour activer la pompe.

      Des ressorts sont interposés entre le solénoïde et la pompe, les caractéristiques de ces derniers sont optimisées, leur tension et leur déplacement sont captés en permanence, digitalisés, et transmis au système ordinateur du contrôleur ou de la console. Ceci permet de connaître en temps réel le degré et la vitesse de remplissage de la pompe, le début et la fin de l'éjection du ventricule ; ainsi par l'intermédiaire des commandes de la console, on pourra sélectionner et ajuster les différents modes opérationnels du ventricule artificiel et ainsi contrôler la décharge de celui-ci.


            c/ Fonctionnement :

      Le Novacor fonctionne en parfaite harmonie avec le coeur 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, la pression systolique qui y règne s'en trouve très réduite. Les valves aortiques habituellement ne s'ouvrent pas du fait de cette pression réduite. 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 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 coeur 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. Ces fonctions de charge et de décharge sont contrôlées par les temps de début et de fin d'éjection du Novacor. Le contrôleur joue son rôle en régulant le flux d'énergie électrique dans le convecteur d'énergie.

            d/ Résultats :

      La philosophie même du Novacor est de permettre une assistance ventriculaire gauche de longue durée en attente d'une transplantation ou dans certains cas spécifiques et pour l'instant très limités et qui restent à évaluer, en vue d'un sevrage. La technologie du Novacor permet d'envisager un support hémodynamique de plusieurs mois voire de plusieurs années. Un patient en Allemagne sera bientôt depuis 3 ans sous un tel dispositif.

      Ceci explique que l'objectif de l'implantation d'une telle machine chez un patient en insuffisance cardiaque terminale consiste non seulement à l'amener à la transplantation dans des conditions optimales alors que sa situation devient incontrôlable et que le greffon n'est pas disponible, mais également à lui fournir une réadaptation maximale permettant d'envisager la transplantation dans des conditions tout à fait électives. Un dispositif d'autocontrôle à domicile accompagne le patient qui reste bien entendu en relation permanente avec le centre implanteur. Il s'agit là incontestablement d'une approche nouvelle et prometteuse de la prise en charge de l'insuffisance cardiaque terminale.

      Aujourd'hui, un tout autre type de coeur artificiel en est au stade de la recherche : ce sont les pompes centrifuges

3. Les pompes centrifuges :

      On a vu en 2e partie que le coeur rotatif de Monties avait pour principal défaut le risque d'hémolyse, mais ce système était intéressant. Ainsi, au début des années 90, des coeurs artificiels de 3e génération sont développés par des équipes de chercheurs : ce sont les pompes centrifuges.

            a/ Le fonctionnement général d'une pompe centrifuge :

      Une pompe centrifuge est munie d'une turbine ou rotor, immergée dans le 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 ou diffuseur. Dans les pompes à faible pression, comme le coeur, le diffuseur est souvent un conduit en spirale, la volute, qui réduit efficacement la vitesse. Pour les faibles débits sous haute pression, la turbine agit par force centrifuge.

      Les pompes centrifuges présentent de nombreux avantages : couplage direct avec le moteur, absence de vibrations. Dans ce type de pompe, le liquide est évacué par une série d'impulsions et non de manière continue. Il faut donc prendre des précautions pour éviter les phénomènes de résonance dans les tuyaux d'évacuation, ce qui pourrait endommager le système.

            b/ Une nouvelle pompe centrifuge destinée à l'assistance cardiaque :

      Depuis le début des années 90, en s'inspirant largement de ce type de pompe, l'université de médecine de Virginie et la compagnie HeartQuest aux Etats-Unis développe un système rotatif d'assistance cardiaque : c'est une pompe centrifuge contenant plusieurs couronnes.

      Cette pompe comporte un disque immobile et 5 couronnes assemblées avec des broches en acier inoxydable. Le disque immobile est connecté par un fil conducteur à un moteur à courant continu monté juste à l'extérieur du boîtier contenant les 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 ou pulsatile et elle est contrôlée par un microprocesseur situé dans le système. Elle a été testée avec succès pour un débit de 5 litres par minute avec une pression artérielle valant 0.13 bar, soit à peu près un dixième de la pression atmosphérique ; mais elle est capable de produire un débit de 25 litres par minutes.

      Des études concernant l'hémolyse lors des expériences faites sur cette pompe ont montré que le sang n'était pas très endommagé, ce qui est un réel progrès par rapport au coeur rotatif de Monties.

            c/ Atouts de cette pompe :

      C'est un coeur artificiel de 3e génération totalement implantable ayant une durée de vie espérée d'au moins 10 ans : il est en cours de développement et n'est pas encore utilisé dans les hôpitaux. Ce système pourra être utilisé pour assister soit le ventricule gauche (avec une pompe), soit le coeur entier (avec deux pompes). Ces deux atouts majeurs par rapport aux systèmes précédents sont sa fiabilité et sa petite taille. Ainsi, son faible encombrement permettra de donner au patient une meilleure qualité de vie à un grand nombre de patients. De plus, les coûts post-opératoires seront certainement plus faibles car le risque de devoir le remplacer sont considérés très faibles. Les chercheurs pensent que ce type de coeur permettra aux patients de reprendre des activités physiques telles que le golf ou la randonnée.

      En plus des systèmes pneumatiques, électromagnétiques et centrifuges, d'autres projets sont actuellement en cours sur d'autres sortes de coeurs et sur d'éventuelles améliorations de certains coeurs artificiels déjà existants.

4. Vers l'avenir :

      A l'heure actuelle, de nombreuses recherches sont en cours dans le domaine du coeur artificiel : la plupart ont pour but d'améliorer les coeurs existant déjà.

            a/ Les recherches en cours :

      Tous les systèmes d'assistance cardiaques évoqués nécessitent de l'énergie électrique donc un fil traversant la peau pour relier la source d'énergie au moteur du coeur. C'est bien-sûr un handicap pour le patient : pour cette raison, une équipe de chercheurs travaille sur un projet visant à transmettre l'énergie électrique à travers la peau par induction électromagnétique. Ainsi, un courant alternatif serait transmis par l'intermédiaire de deux bobines : une externe reliée à la source d'énergie et une interne branchée sur le moteur du coeur.

      De plus, il est aussi question de supprimer le câble percutané permettant la communication de la chambre ventriculaire avec l'atmosphère extérieure pour les systèmes fonctionnant à l'énergie pneumatique. On veut ainsi créer une "chambre de compensation volumétrique" contenant du gaz qui permettrait de remplir la poche d'air du système pneumatique. Mais ce système a un inconvénient : il augmenterait l'encombrement du coeur.

      Enfin, si l'on arrive à rendre les coeurs artificiels évoqués précédemment complètement fiables, ses deux systèmes permettraient d'avoir un coeur artificiel total, à conditions de disposer de biomatériaux complètement inertes. De plus, la diminution au maximum de la taille et du poids des systèmes constitue encore un point important dans la recherche car un faible encombrement est nécessaire pour limiter les risque d'inflammation des autres organes.

            b/ Constats et projections :

      Les deux tableaux montrent clairement que les coeurs artificiels utilisés actuellement en clinique ne sont pas fiables à 100%. On voit bien que l'on utilise des coeurs artificiels surtout pour aider le ventricule gauche car celui-ci travaille plus que le droit : en effet, celui de droite doit envoyer le sang vers les poumons qui sont très proches du coeur alors que celui de gauche envoie le sang riche en oxygène à une pression 5 fois plus grande dans l'aorte pour qu'il soit distribué dans tous le corps. De plus, on remarque que l'assistance en attente de greffe est plus efficace que pour suppléer le ventricule défaillant : il y a donc encore beaucoup de progrès à faire.

      Aujourd'hui, la société a encore du mal à accepter les coeurs artificiels. De plus, le prix d'un coeur artificiel est encore très élevé aujourd'hui : "environ 1.5 millions de francs si l'on inclut l'installation et la surveillance d'une prothèse implantée en permanence" selon le professeur Monties. De plus, des problèmes d'éthique surviennent quant à l'acceptation du coeur artificiel par les patients et leur entourage. Certains chirurgiens et scientifiques pensent que l'on aura mis au point un coeur artificiel total vers 2015.