Le fonctionnement de la prothèse CARMAT

    Le coeur artificiel fonctionne tout comme le coeur naturel. Il sera intéressant de comparer précisément leurs structures pour comprendre comment le coeur artificiel peut remplacer un coeur naturel, en assurant ses fonctions, et notamment lors de l'effort.

LE COEUR NATUREL

Le coeur est un grand muscle creux aux fibres musculaires striées dont la fonction est de maintenir le sang en circulation dans le corps grâce à des contractions rythmées. Le coeur est divisé par une paroi interne en un "coeur droit" et un "coeur gauche" qui ne communiquent pas. Il fait la jonction entre le système vasculaire pulmonaire et général en faisant circuler le sang dans un sens unique.

Le schéma ci-dessous présente l'aspect purement anatomique du coeur.

Schéma explicatif du fonctionnement et de l'anatomie du coeur naturel 

Cette structure anatomique est observable lors de la dissection d'un coeur, ici de porc, qui est le même que le coeur humain mais d'une taille plus petite.

          Photo légendée d'un dissection d'un coeur de porc :

LE COEUR ARTIFICIEL CARMAT

Le coeur artificiel est une reproduction plus ou moins exacte du coeur naturel, ayant vocation à remplir les mêmes fonctions. Le schéma explicatif ci-dessous reprend de façon simplifiée son fonctionnement.

                                           Modélisation 3D de la prothèse cardiaque CARMAT :

            Schéma explicatif du fonctionnement et de l'anatomie du coeur artificiel 

 

Les cavités du coeur artificiel sont différentes du coeur naturel : on ne distingue pas d'oreillettes* et de ventricules* mais bien une seule cavité. Le fonctionnement reste toutefois exactement le même, il est juste simplifié avec la fusion des cavités. Comme dans le coeur naturel, les valves* permettent le sens unique de circulation. On retrouve les valves pulmonaire et aortique, tandis que les valves mitrale et tricuspide (ou auriculo-ventriculaire) sont situées juste à l'entrée du ventricule. Les deux parties du coeur ne communiquent pas. Seul le myocarde* a été remplacé par un système de fluide déplacé grâce à des monopompes. Celles-ci sont capables de déplacer le fluide plus ou moins lentement, permettant d'augmenter la fréquence cardiaque*. Au repos, la totalité du fluide ne passe pas du coeur droit au coeur gauche, tandis que lors d'un effort, ce fluide passe dans sa totalité du coeur droit au gauche, ce qui augmente alors le volume d'éjection systolique*. 

Le débit cardiaque est obtenu par la formule suivante : DC = VES x FC 

  • DC : débit cardiaque (L/min)
  • VES : volume d'éjection systolique (L/battements)
  • FC : fréquence cardiaque (battements/min)

Le coeur artificiel est donc capable de modifier son débit cardiaque* tout comme le coeur naturel, assurant le rôle du coeur naturel en toutes circonstances. Lors de l'effort, les besoins en dioxygène et nutriments augmentent. Pour répondre à ces besoins, le coeur augmente son débit cardiaque par l'augmentation de la fréquence ou du volume d'éjection systolique. 

Nous nous intéressons à la modification de la fréquence cardique durant l'effort. L'évolution de la fréquence cardiaque en fonction de l'intensité de l'effort est exprimé par la fonction trinôme suivante : 
 
f(x) = 0,00125x² + 0,025x + 60
 
  • x étant l'intensité de l'effort en Watt, définit sur [0;+∞[
  • f(x) étant la fréquence cardiaque en battements par minutes. Cette fréquence ne peut dépasser la valeure de 220 moins l'âge.
On a : Δ = b²-4ac = 0,025² - 4*0,00125*60 = -29,9375 < 0
Donc le trinôme est du signe de a soit positif pour tout réel x. 
 
Voici le tableau de variation de la fonction pour tout x réel : 
 
Cette fonction admet un minimum (comme a>0) en x = -b/2a = -0,025/2*0,00125 = -10 et ce minimum est f(-10) = 59,875
Donc f(x) est croissante sur [0;+∞[ : plus l'effort augmente, plus la fréquence cardiaque augmente.
 

Pour un effort soutenu : un effort soutenu correspond à une intensité de 300 watts. Donc x = 300. Calculons :  f(300) = 180. La fréquence cardiaque d'un individu fournissant un effort moyen d'intensité 300 watts a une fréquence cardiaque de 180 battements par minutes. 

Pour un effort minimal :  un effort nul correspond à une intensité nule. Donc x = 0. Calculons :  f(0) = 60. La fréquence cardiaque ne va pas en dessous de 60 battements par minutes, au repos 

Pour un effort moyen : un effort moyen correspond à une intensité de 200 watts. Donc x = 200. Calculons :  f(200) = 115. La fréquence cardiaque d'un individu fournissant un effort moyen d'intensité 200 watts a une fréquence cardiaque de 115 battements par minutes. 

Pour un effort maximal : la fréquence maximale est de 220 moins l'âge. Prenons par exemple un individu de 20 ans. Sa fréquence cardiaque maximale est de 220-20=200 battements par minutes. Calculons : f(x) = 200 pour trouver l'intensité de l'effort maximal que cet individu est théoriquement capable de produire (en effet, c'est une possibilité, car cette valeur sera atteinte avec de l'entraînement). 

On a donc : f(x)=200 
ssi f(x)-200=0 
ssi 0,00125x²+0,025x+60-200 = 0 
ssi  0,00125x²+0,025x-140 = 0 
 
Δ = b²-4ac = 0,700625 donc 
x₁ = (-b-√Δ) / 2a = - 344,813381  
x₂ = (-b+√Δ) / 2a = 324,813381
et x₁ n'appartient pas à l'intervalle [0;+∞[ donc x = x₂ = 324,813381
 
La puissance de l'effort maximal possible est d'environ 324,8 watts. 
 
 
Voici la représentation graphique de la fréquence cardiaque en fonction de l'intensité de l'effort :
On retrouve graphiquement les résulats trouvés précédemment avec l'abcisse des points d'intersection des droites d'équations x=0, x=200, x=300 et y=200. 
                          
Sportif réalisant un test d'effort durant lequel on mesure sa fréquence cardiaque en fonction de l'intensité de l'effort
 
On observe donc qu'au cours d'un effort, la fréquence cardiaque s'adapte afin de remplir la fonction éssentielle du coeur qui est de faire circuler le sang dans le corps afin d'approvisionner les organes en dioxygène et nutriments. Plus l'effort augmente, plus les besoins des organes participant à l'effort (notamment les muscles) augmentent, c'est pourquoi la fréquence cardiaque augmente également. 
Ainsi, avec la modification de la fréquence cardiaque mais également du volume d'éjection systolique, la prothèse CARMAT remplie tout à fait la fonction de la base du coeur. 
                                      
                Modélisation 3D d'un coeur naturel des dimensions du coeur CARMAT
 

LE SYSTEME CIRCULATOIRE

Les coeurs naturel et artificiel peuvent ainsi être reliés à la double circulation du corps, schématisée ci-dessous, grâce à un fonctionnement identique. 

                        Schéma explicatif de la double circulation 

 

Mis en mouvement dans un circuit clos grâce au coeur, le sang circule dans tout le corps pour fournir aux organes le dioxygène et les nutriments nécéssaires à l'activité des cellules. Il circule dans deux trajets possibles et distincts, appelé double circulation : 

  • circulation pulmonaire : le sang pauvre en dioxygène quitte le coeur droit par les artères* pulmonaires puis est acheminé dans les poumons par les capillaires* pulmonaires. Le sang se décharge du dioxyde de carbone et se charge de dioxygène au niveau des alvéoles pulmonaires, puis revient au coeur par 4 veines* pulmonaires, riche en dioxygène.
  • circulation générale : le sang riche en dioxygène quitte le coeur gauche par l'artère* aorte puis est acheminé dans les capillaires* sanguins de tous les organes où les échanges de dioxygène et de dioxyde de carbone ont lieu, puis revient au coeur par la veine* cave, pauvre en dioxygène.

BILAN

L'étude de la double circulation montre à quel point le coeur est un acteur central dans la circulation sanguine et donc dans le fonctionnement du corps : il permet aux cellules des organes d'être en toutes circonstances approvisionnés en dioxygène et en nutriments. La comparaison des coeurs articiel et naturel a permis de mettre en évidence un fonctionnement identique. Le coeur artificiel doit donc permettre la double circulation en remplissant les mêmes fonctions que le coeur naturel. Nous allons ensuite nous interresser aux moyens utilisés par les chercheurs et comment ils ont été mis en oeuvre pour remplir ces fonctions.