2.3 L’évolution au fil du temps

 

Les premières observations sur les phénomènes électriques du corps datent de 1781. Le pacemaker est arrivé beaucoup plus tard dans le courant du 20ème siècle. A la base ce n’était qu’une idée, puis une grosse machine, et de nos jours le pacemaker est un objet minuscule qui ne cesse d’évoluer que ce soit au niveau de la taille, de la durée de vie ou du confort. Le pacemaker est en constante progression.

 

2.3.1 Historique

 

Si Luigi Galvani est le premier à faire des expériences sur la stimulation électrique, le premier pacemaker apparait en 1931. Les principaux évènements qui nous ont fait progresser pour aboutir au pacemaker d’aujourd’hui sont cités ci-après.

 

• 1781 : Luigi Galvani, célèbre médecin et physicien de l’époque constate que la stimulation électrique d’un nerf provoque la contraction d’un muscle. Il répètera cette expérience sur un autre muscle (le cœur) avec succès.

• 1931 : Invention même du concept de pacemaker par Albert Hyman qui pose un brevet pour un objet délivrant des impulsions électriques à l’aide de tiges enfoncées dans le cœur.

• 1950 : Apparition des premiers modèles de pacemaker alimentés via le secteur avec lesquels les patients ne pouvaient pas se déplacer.

• 1957 : Premier modèle de pacemaker avec pile et par conséquent premier modèle de pacemaker portable.

• 1963 : Apparition des pacemakers à double chambre stimulant le ventricule et l’oreillette à la fois.

• 1970 : Apparition des stimulateurs cardiaques programmables par radiofréquences.

• 1985 : Premier défibrillateur intégré à un stimulateur cardiaque permettant le réveil immédiat du patient lors d’un arrêt cardiaque.

• 1990 à aujourd’hui : apogée du pacemaker avec l'arrivée du Wi-Fi, de l'IRM compatible et lancement des recherches actuellement encore en cours notamment celles menées par Jorge Reynolds un des précurseurs de la pensée actuelle.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ce tableau présente les étapes clés qui ont marqué la médecine et l’univers de la cardiologie, mais bien d’autres innovations ont été très pratiques notamment les nombreuses diminutions successives de taille du pacemaker. En effet, aujourd’hui, la grande majorité des pacemakers implantés ne font pas plus de 10 cm3, ce qui diminue la gêne que peut ressentir un patient.

 

Le pacemaker qui est donc en constante diminution de volume, alimente les recherches en cours qui confirment notamment la course à sa miniaturisation pour le bien des patients.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Evolution du volume des pacemakers au fil du temps

 

 

2.3.2 Les recherches en cours

 

Le pacemaker est un des plus grands domaines médicaux au niveau des avancées scientifiques et technologiques. En effet, beaucoup de recherches sont menées afin d’améliorer la condition de vie des patients et le fonctionnement de leur cœur.

 

Les évolutions passées présentées précédemment ont déjà apporté des changements énormes pour le confort du patient qui est passé de l’immobilité complète avec les premières versions à une vie quasiment normale. Il reste encore des améliorations à apporter pour que le patient puisse réellement oublier dans son quotidien qu’il porte un pacemaker.

 

Quelques-unes des innovations les plus enrichissantes dans ce domaine sont détaillées ci-dessous.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ce tableau présente les grands projets d’évolution du pacemaker actuellement en cours classées par ordre de démarrage de projet.

 

 

2.3.2.1 Pacemaker de Reynolds

 

Jorge Reynolds est un cardiologue âgé de 82 ans, vivant en Colombie, spécialisé dans la faune animale qui est également chercheur biologique. Il a fait des études d’ingénierie médicale et s’est spécialisé dans le pacemaker. Il a contribué au projet du premier pacemaker en 1958. Il est aujourd’hui un des piliers du renouveau du pacemaker et un pionnier de l’observation de la faune en terme de cardiologie.  Il a notamment passé une grande partie de sa vie à étudier le fonctionnement du cœur de la baleine à bosses. Ce sont ces études-là qui l’ont inspiré pour les recherches en cours.

 

Nous avons réussi à le contacter pour lui faire part de notre étude et de nos questions, et avons eu un bref échange avec lui à l’occasion de la fin d’année 2015.

 

           a)  Principes de base 

 

Pour comprendre sa démarche et l'avancement de ses recherches, nous avons non seulement exploité les informations des différents sites internet concernés, mais aussi travaillé à partir de plusieurs enregistrements de conférences.

 

Reynolds a eu deux grandes réflexions :

 

• Pourquoi la baleine n’a-t-elle jamais de problèmes cardiaques ? : parce qu’elle dispose pour stimuler son cœur, d’un système très développé de production de courant électrique à partir des nutriments (combinaison de molécules de potassium, de calcium et de sodium) et des graisses présentes aux alentours du cœur et d’une excellente conductivité de cette électricité à travers les nano-fibrilles de son corps.

• Quelle solution pourrait-on trouver pour que l’homme puisse mieux bénéficier des capacités de son corps pour mettre en place des pacemakers mieux intégrés à son organisme ? 

  • Possibilité de supprimer la pile en générant de l’électricité ?

  • Amélioration de la circulation de l’électricité produite ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Baleine à bosses

 

http://www.consostatic.com/wp-content/uploads/2013/03/baleine-rorqual.jpg

 

 

Jorge Reynolds a notamment mené des études en environnement sous-marin pour réaliser des électrocardiogrammes de baleines afin de les analyser.

 

Vous pouvez voir ci-après un exemple de représentation que nous ne commentons pas, mais qui nous a impressionné.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Electrocardiogramme de baleine à bosses étudié par Reynolds

 

Extrait d’une note intitulée : « Modèles électrocardiographiques de la baleine à bosse par le biais du signal » rédigée par un groupe de chercheur dont Jorge Reynolds en septembre 2005

 

 

            b)  Description du pacemaker

 

Le pacemaker actuellement en cours de test par Reynolds exploite la technologie du nano câblage en carbone à partir de nanotubes de carbone. Il s’agit pour Reynolds d’imiter le système de nano fibrilles que possède les baleines au niveau de leur muscle cardiaque. Les mini-tubes de carbone ont pour mission de mieux conduire aux tissus abimés du cœur, le courant des tissus fonctionnant correctement. On se sert de la puissance disponible pour mieux la répartir. Il s’agit donc d’un nano-stimulateur cardiaque, un appareil de 700 nm (nanomètres) de long piloté par des micro-processeurs avec trois principaux composants :

 

• le système électronique

• les nanotubes de carbones

• les crochets d'amarrage pour que l'appareil se fixe parmi les fibres musculaires du coeur.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Maquette du pacemaker de Reynolds

 

http://www.groupecomase.com/comase/getfile.php?id=341

 

 

 

Le pacemaker conçu par Reynolds aura les fonctionnalités suivantes :

 

• Auto-alimentation en électricité à partir des mouvements du cœur ou d’autres parties du corps donc pas besoin de pile. Autrement dit, ce pacemaker utilisera les battements du cœur pour en générer d’autres et ainsi de suite. Cela est rendu possible compte tenu que le besoin en énergie est faible (environ 1 à 5 µW par stimulation),

• Communication pour fournir des données sur le fonctionnement électro-cardiaque du pacemaker tant auriculaire que ventriculaire,

•  Modification des paramètres de fonctionnement depuis n’importe quel téléphone portable ou système internet.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Maquette du pacemaker de Reynolds

 

http://www.groupecomase.com/comase/getfile.php?id=341

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pacemaker de Reynolds implanté sur une fibre cardiaque

 

https://www.dukemedicine.org/treatments/heart/arrhythmia

 

 

 

 

            c)  Matériaux

 

Un nanotube de carbone est exclusivement composé d’atomes de carbone reliés les uns aux autres selon un schéma hexagonal, sous la forme d'un tube, refermé de chaque côté par 2 demi-sphères de même composition que le reste du tube.

 

La conductivité électrique d’un nanotube de carbone a répondu au besoin de J. Reynolds pour faire circuler le courant électrique dans le cœur.

 

Les nanotubes de carbone ont les caractéristiques suivantes :

 

• Extrêmement petits : environ 0.6 nm de diamètre pour 100 nm de long (taille d’une molécule d’ADN).

• Un enroulement sous la forme d'un cylindre creux d'un feuillet graphène comparable à celui d’une feuille de graphite sous forme de graphène.

• Une solidité 100 fois supérieure à celle de l’acier,

• Une matière très flexible et déformable notamment sous l’effet de charges électriques ce qui va permettre la transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique pour agir sur le muscle du coeur.

 

Leurs caractéristiques incroyables font des nanotubes une des plus importantes avancées scientifiques du 21ème siècles, et elle servira certainement à beaucoup d’autres améliorations dans de nombreux domaines scientifiques et industriels.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Structure d'un nanotube à partir d'une feuille de graphène

 

http://www.nanotechnologies.qc.ca/fr/projects/nanotubes/nanotube_production

http://tpenanoworld.e-monsite.com/album/categorie-par-defaut/nanotube-de-carbone.html

 

 

Précision sur le graphène

 

Le graphène est un nouveau type de carbone. Le graphène est un plan d’atomes de carbone disposés selon un réseau hexagonal qui ressemble à du grillage et c’est une brique élémentaire de tous les matériaux graphitiques, tel le graphite composant les mines de crayon. Quand le graphène est enroulé il peut former un nanotube de carbone en cylindre.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Structure de type nid d’abeille du graphène

 

http://www.nanotechnologies.qc.ca/fr/projects/nanotubes/nanotube_production

 

 

            d)  Organisation du projet

 

C’est toute une équipe de scientifiques qui travaille sur ce projet : experts en communication, physiciens, ingénieurs en électronique, …, de plusieurs nationalités (colombienne et autres).

 

Les expérimentations déjà réalisée ont eu lieu à partir d’un cœur virtuel.

 

Jorge Reynolds n’a pas encore obtenu les autorisations de la Food and Drug Administration et doit encore réaliser des études complémentaires particulièrement coûteuses.

 

Ce pacemaker a un coût très bas comparé à ceux d’aujourd’hui (près de 12 000 € aujourd’hui contre 350 € avec ce pacemaker).

 

            e)  Implantation du pacemaker dans le cœur du patient

 

Pour implanter ce type de pacemaker, plus besoin d’opération chirurgicale, en effet sa petite taille permettra de l’implanter directement dans le cœur. Nous pouvons faire l'hypothèse que J. Reynolds prévoit d'utiliser la méthode de la thoracoscopie.

 

Ce pacemaker serait implanté dans le septum (partie centrale du cœur).

 

De plus, ce pacemaker fonctionnant sans pile est valable durant la quasi-totalité de la vie du patient.

 

Il n’y aurait donc presque plus besoin de prendre de rendez-vous semestriel ou annuel comme c’est le cas aujourd’hui puisque qu’il n’y a plus de pile à surveiller.

 

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Ces travaux s’inscrivent à la fois dans les domaines du biomimétisme et des nanotechnologies :

 

• Biomimétisme : Science consistant à imiter et recopier la nature à partir d’un système biologique complexe que ce soit entièrement ou partiellement, afin de le reproduire et de l’industrialiser.

• Nanotechnologie : fabrication et manipulation de structures, de dispositifs et de systèmes concrets à l'échelle de moins d'une quarantaine de nanomètres.

 

2.3.2.2 Pacemaker à remontage mécanique

 

Il existe aujourd’hui des montres ayant la capacité de fonctionner à partir d’une énergie produite par le mouvement du bras, lorsqu’on marche (par exemple), et qui n’ont donc pas besoin de pile.

 

Des chercheurs se sont inspirés de cette capacité pour l’appliquer au pacemaker.

 

Ils ont imaginé un pacemaker quis serait composé :

 

• de la fonction stimulateur

• du système de remontage

• du système de stockage temporaire de l'énergie

 

A chaque battement de coeur, l’énergie produite par ce mouvement permettrait au pacemaker de se recharger et ainsi de donner une nouvelle impulsion entrainant un battement du cœur et ainsi de suite.

 

Cette amélioration n’est pas encore au point puisque après les premiers tests réalisés avec un prototype, il va falloir travailler à la miniaturisation.

 

Le système de remontage mécanique, permettant au pacemaker de se recharger grâce aux battements du cœur, est en effet bien plus gros que la pile actuelle.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prototype testé sur le port avec son système de remontage mécanique et son système de stockage de l'énergie

 

http://www.newelly.com/un-pacemaker-sans-batterie-alimente-seulement-par-le-mouvement-du-coeur/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Système de remontage mécanique implanté sur la paroi du coeur

 

http://www.medgadget.com/2014/09/a-pacemaker-without-batteries.html

 

 

2.3.2.3 Micra : pacemaker implanté sur la paroi interne du cœur

 

Le Micra est une autre évolution du pacemaker traditionnel conçue au Michigan.

 

Elle consiste en une grande diminution de taille du pacemaker et de sa pile, ce qui va engendrer une forte diminution de la gêne physique causée par le pacemaker :

 

 

            a)  Description technique du pacemaker

 

Le pacemaker se décompose en plusieurs éléments : 

 

• Il n’y a plus de sondes avec ce pacemaker,

• 26 mm de long pour 8 mm de diamètre,

• Forme cylindrique,

• Accroché à la paroi interne du cœur au niveau du ventricule droit, à l’aide de quatre crochets en forme d’« hameçons » en nitinol.

 

Le nitinol est un alliage de titane et de nickel biocompatible avec des caractéristiques parfaitement adaptées au besoin :

 

• Superélasticité

• Mémoire de forme

• Léger

 

C’est pour cette propriété que le nitinol a été choisi pour s'accrocher dans l’épicarde.

 

Le pacemaker n’est plus en surface et tous les mouvements redeviennent possibles pour le patient.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pacemaker Micra à côté d’une pièce de monnaie

 

http://news.yahoo.com/promise-seen-wireless-pacemakers-placed-204736043.html

 

 

            b)  Implantation du pacemaker

 

L'implantation du Micra ne nécessite pas la création d’une poche chirurgicale sous la peau, ce qui élimine une source de complications potentielles et supprime tout signe visible de l’appareil.

 

Pour l’introduire dans le cœur, on utilise un cathéter qui passe dans l’artère fémorale puis la veine cave inférieure avant de rejoindre l’oreillette droite pour passer dans les valvules avant d’accrocher le pacemaker au niveau de nœud ventriculaire.

 

Elle peut se découper en trois grandes étapes illustrées ci-après : 

 

• Introduction par la veine fémorale et remontée par la veine cave inférieure

• Passage à l'intérieur du coeur

• Accrochage au niveau du noeud ventriculaire

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Remontage du pacemaker Micra le long de la veine cave inférieure

 

http://louvainmedical.be/article/le-leadless-pacemaker-ou-pacemaker-sans-sonde

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Phase finale de l’implantation du pacemaker Micra

 

http://www.sciencesetavenir.fr/sante/20140623.OBS1370/france-implantation-du-plus-petit-pacemaker-au-monde.html

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le pacemaker implanté

 

http://news.emory.edu/stories/2015/11/jjm_nejm_aha_micra_pacemaker_study_results/campus.html

 

 

Comme pour les pacemakers actuels il faut changer la pile tous les 10 ans.

 

Lors du changement de pile, on répète la même opération en sens inverse pour récupérer le pacemaker.

 

 

Avancée des travaux

 

Le Micra est actuellement implanté dans plus de 750 personnes, dans près de 19 pays, pour la phase de test qui semble prometteuse (99.2 % de réussite).

 

Il n’est pas encore commercialisé parce qu’il n’a pas encore été approuvé aux Etats-Unis par la Food and Drug Administration. Il a pourtant déjà obtenu en avril 2015 le marquage CE (européen).

 

 

2.3.2.4 Nanostim : pacemaker implanté sur la paroi interne du cœur

 

Les innovations apportées par le Nanostim, également conçu au Michigan, sont très proches de celles du Micra. Ce pacemaker est lui aussi en phase de test chez plus de 500 patients.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Comparaison pacemakers « Micra » et « Nanostim »

 

https://www.dukemedicine.org/blog/leadless-pacemakers-size-of-vitamin-showing-promise

 

 

            a)  Description technique du pacemaker

 

La capsule est composée de 4 composants :

 

• La pile

• Le système électronique

• Le bouton d'amarrage

• La vis et son système de fixation

 

Le Nanostim est de forme cylindrique. D'autre part la sonde a été supprimée au vu de l'implantation intracardiaque.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Explication détaillées du pacemaker Nanostim

 

http://www.radcliffecardiology.com/articles/promise-leadless-pacing

 

 

            b)  Implantation du pacemaker

 

La grande différence entre le Nanostim et le Micra est son principe d’accrochage à la paroi interne du cœur avec une vis au lieu d’un crochet, ce qui change légèrement la dernière étape de l’implantation qui se déroule néanmoins elle aussi par cathéter.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                       Cathéter                         Gros plan sur le bouton d’amarrage du pacemaker Nanostim

 

http://www.courseyenterprises.com/medical-supplies/urological-products/catheters

https://www.vidal.fr/actualites/16209/mini_stimulateurs_cardiaques_sans_sonde_indications_limitees_mais_efficacite_et_tolerance_prometteuses/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Schéma de l’implantation du pacemaker Nanostim

 

http://www.medgadget.com/2015/09/new-wireless-pacemaker-implanted-without-surgery-found-safe-in-clinical-study.html

 

 

 

2.3.2.5 HBS (Heart Beat Scavenger) : pacemaker implanté sur la paroi interne du cœur

 

Des chercheurs grenoblois associés au groupe italien Sorin sont en train de mettre au point un pacemaker miniaturisé à 1 cm3, 8 fois plus petit que le pacemaker actuel. Il fonctionnera par ailleurs sans pile et sans sonde.

 

            a)  Description technique du pacemaker

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Représentation du pacemaker HBS

 

file:///C:/Users/ronan/Downloads/5_Micro%20pacemaker%20autonome%20en%20%C3%A9nergie%20(1).pdf

 

 

Comme le pacemaker de Reynolds il produit son électricité à partir de source mécanique fourni par le corps humain. Le plus gros défi du projet est en effet de développer un microgénérateur d’un volume de 0.5 cm3 qui fournisse quelques microwatts à partir de l’énergie mécanique de la contraction cardiaque stimulée ou spontanée, ou encore du glissement du cœur sur les tissus environnants.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Schéma de la récupération d’énergie en fonction de la fréquence

 

file:///C:/Users/ronan/Downloads/5_Micro%20pacemaker%20autonome%20en%20%C3%A9nergie%20(1).pdf

 

 

Le système de stockage de l’énergie utilise la technologie de l’électret pouvant être assimilé à un condensateur amélioré au niveau de sa résistance et de se longévité. Le dispositif utilisé par le pacemaker HBS utilise plusieurs matériaux dont le silicium qui est le matériau le plus abondant dans la croute terrestre après l’oxygène. C’est un semi-conducteur à la conductivité électrique nettement inférieure à celles des métaux. C’est un des éléments essentiels pour l’électronique et notamment pour les circuits imprimés.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Description de l’électret du pacemaker

 

file:///C:/Users/ronan/Downloads/5_Micro%20pacemaker%20autonome%20en%20%C3%A9nergie%20(1).pdf

 

 

            b)  Implantation du pacemaker

 

Ce pacemaker sera fixé directement sur l’épicarde en thoracoscopie évitant ainsi l’utilisation de sondes par voies veineuses qui sont sources d’infection, de défaillance. L’électrode de stimulation sera directement positionnée sur le ventricule gauche.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Implantation du pacemaker par thoracoscopie

 

http://www.heelmeester.nl/heelmeestercms/voorlichtingfolders/borstholte/127-thoracoscopie

 

 

Ce pacemaker est toujours au stade de l’étude.

 

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Nous venons de voir les différents pacemakers qui font encore aujourd’hui l’objet soit de recherches, soit de tests complémentaires.

Le pacemaker d’aujourd’hui a déjà fait l’objet d’une forte miniaturisation par rapport à ceux du passé.

 

Les pacemakers à l'étude qui vont très prochainement arriver sur le marché sont très innovants et d’une miniaturisation extraordinaire. Les formes ont énormément changé. Ils se sont allongés et sont parfaitement adaptés à leur futur emplacement dans le cœur et à leur mode d’implantation par cathéter ou par thoracoscopie.

 

Ces pacemakers ne seront plus perceptibles par le patient. Ils auront des possibilités de programmation à distance rendant leur usage beaucoup optimisé qu’aujourd’hui et donc un fonctionnement du cœur encore meilleur.