Chapitre I. La récupération d'énergie pour implants médicaux actifs
I. 5.1.1.3. Transduction piézoélectrique
I.5.1.3. Récupération du flux sanguin et variation de pression sanguine dans les
I.5.2. Etat de l’art sur les autres sources d’énergie récupérable ... 21
-I.5.2.1. La respiration ... - 21 - I.5.2.2. L’énergie solaire ... - 22 - I.5.2.3. Les piles organiques au glucose ... 22 -I.5.2.4. Le transfert de puissance : ondes radiofréquences ou ultrasons. ... - 23 - I.5.3. Conclusions relatives aux solutions existantes ... - 24 - I.6. Solutions d’optimisation de la récupération d’énergie vibratoire ... 24
-I.6.1. Problématiques des systèmes résonants ... - 24 - I.6.1.1. Un peu de théorie… ... - 24 - I.6.1.1.1. Description du résonateur mécanique ... 24 -I.6.1.1.2. Puissance maximale théorique ... - 25 - I.6.1.2. Déplacement statique dû à la gravité ... - 28 - I.6.1.3. Conclusion sur les systèmes résonants ... 28 -I.6.2. Ajustement de la fréquence de résonance ... - 29 - I.6.3. L’augmentation la bande passante ... - 29 - I.6.3.1. La conversion de fréquence « fréquenceup conversion » ... 29 -I.6.3.2. Bistabilité ... - 31 - I.7. Conclusion ... - 32 -
Chapitre I :
La récupération d'énergie pour implants médicaux actifs
I.1. Introduction
Ce chapitre s’intéresse tout d’abord aux problématiques liées à la récupération d'énergie dans le cœur humain pour l'alimentation d'un nouveau type de stimulateur cardiaque (pacemaker), sans sonde (leadless). Nous présentons ensuite l'objectif du projet européen Manpower dans lequel s'inscrit cette thèse. L'état de l'art présenté par la suite concerne la récupération d'énergie dans l’environnement du corps humain et a pour but d'identifier différentes approches permettant de lever les verrous scientifiques et techniques de l'application pacemaker sans sonde.
I.2. Le cœur humain
I.2.1. Le rythme cardiaque
I.2.1.1. La circulation sanguine
Le cœur humain est l'organe du corps qui gère la circulation de l'oxygène et des nutriments dans le sang en le collectant et le propulsant dans l'organisme (Figure I.1). Il est toujours représenté comme si l'on regardait dans un miroir c’est-à-dire que la partie droite du cœur est représentée à gauche (Figure I.2). Plus précisément, on assimile très souvent le cœur à deux pompes synchronisées en série. Chacune des pompes est composée d’un ventricule, d’une oreillette et de deux valves.
L’oreillette droite de la pompe de droite (représentée à gauche) récupère le sang pauvre en oxygène (en bleu) provenant des organes et des muscles du corps à travers les veines caves supérieures et inférieures et le renvoie, à partir du ventricule droit, vers le système circulatoire des poumons où le sang y est réapprovisionné en oxygène ;
L’oreillette gauche de la pompe de gauche (représentée à droite) récupère le sang riche en oxygène (en rouge) et nutriments provenant des poumons et le renvoie vers le système circulatoire de l’organisme à partir de l’aorte.
La circulation du sang dans le cœur se décompose en deux phases : la diastole et la systole (Figure I.3). La systole correspond à une phase de contraction des muscles alors que la diastole correspond à une phase de relaxation. Au cours de la phase de diastole, le cœur se remplit de sang ; les valves aortiques et pulmonaires se referment ; les oreillettes se contractent ; les ventricules se remplissent. Au cours de la phase de systole, les valves aortiques et pulmonaires s’ouvrent ; les ventricules se contractent et le sang est expulsé [Abdallah, 2008].
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La contraction des muscles permettant de fournir l’énergie mécanique pour expulser le sang est elle-même commandée par un réseau d’impulsions électriques.
I.1.1.1. L’activité électrique
La conduction électrique dans le cœur est directement responsable des contractions musculaires dans le cœur et est synchronisée avec celle-ci (Figure I.4). Le système de conduction cardiaque est composé d’un réseau électrique de cellules cardiaques différenciées pour la conductibilité et l’excitabilité. Le réseau débute au nœud sinusal qui fait seulement quelques millimètres de diamètre et se propage ensuite vers le nœud auriculo-ventriculaire puis vers la branche droite et gauche du faisceau de His et enfin vers les fibres de conduction de Purkinje (Figure I.5) [Fedecardio].
Figure I.1 : Schéma du système de circulation
sanguine. Image traduite [Reece, 2014]. Figure I.2 : Vue en coupe du cœur humain [Saemann].
Diastole complète
(début) Diastole complète
(fin) Systole auriculaire Systole ventriculaire Figure I.3 : Schéma de circulation du sang dans le cœur [Slideplayer].
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Diastole
(fin) Systole
auriculaire Systole
ventriculaire Diastole
(début) Figure I.4 : Cycle de conduction électrique du cœur (en jaune). Image adaptée [Pearson Education].
Figure I.5 : Système de conduction du cœur. Image traduite [Madhero88].
L’activité électrique dans le cœur est enregistrée à l’aide d’un électrocardiogramme (ECG). Sur la Figure I.6 on peut observer une courbe typique enregistrée à l’ECG qui est composée de cinq ondes caractéristiques :
l'onde P correspond à la dépolarisation lors de la contraction des oreillettes (systole auriculaire) ;
l'intervalle PR correspond au temps nécessaire à la conduction électrique du nœud sinusal des oreillettes jusqu'au réseau de Purkinje c’est-à-dire les muscles ventriculaires ;
le complexe QRS indique la dépolarisation ventriculaire (systole ventriculaire);
l'intervalle QT correspond à la repolarisation ventriculaire globale ;
l'onde T désigne la fin de la repolarisation ventriculaire.
(a) (b)
Figure I.6 : Correspondance d’un électrocardiogramme (ECG) avec l’activité cardiaque (même code couleur) (a) Schéma d’un ECG (b) schéma du réseau de conduction dans le cœur [Fedecardio].
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I.1.1.2. Le cœur sain en chiffres
La taille du cœur est à peine plus grande que le poing humain soit environ 13 centimètres de long et 8 centimètres de large pour un poids moyen d'à peine 300 grammes ce qui correspond à moins de 0,5%
de la masse totale du corps. Pourtant c'est le troisième organe le plus énergivore puisqu'il prélève 10%
de la consommation du corps en oxygène pour son fonctionnement juste après le foie (21%) et le cerveau (20%).
Le débit sanguin moyen au repos est de 5 litres par minute ce qui correspond à un peu plus de 7000 litres par jour. Par ailleurs, le rythme cardiaque diminue avec l’âge : il est de 129 battements par minute (bpm) vers 1 an, de 96 bpm à l’âge de 5 ans, de 83–78 bpm à l’adolescence puis se stabilise vers 72 bpm à l’âge adulte [Ostchega, 2011]. Un cœur normal au repos bat 115 000 fois par jour soit plus 42 millions de fois par an.
Le muscle cardiaque du ventricule gauche peut être jusqu’à 3 fois plus volumineux que le muscle cardiaque du ventricule droit puisqu’il doit pouvoir pousser le sang jusqu’aux organes périphériques.
La pression d’éjection du sang est environ 5 fois plus importante dans le ventricule gauche que dans le ventricule droit. La pression sanguine est maximale lors de la systole ventriculaire : elle est de 120 mmHg (16 kPa) pour le ventricule gauche contre 25 mmHg (3 kPa) pour le ventricule droit.
I.2.2. Les troubles du rythme cardiaque (arythmies)
Les maladies cardio-vasculaires sont nombreuses et ici on ne traitera que les troubles liés au rythme cardiaque appelées arythmies. Plus précisément, on parle d’arythmie lorsque la pulsation cardiaque n’est pas comprise entre 60 et 100 battements par minute chez un homme moyen au repos.
Il existe deux principales familles d’arythmies :
- La bradycardie se caractérise par un rythme cardiaque anormalement lent soit en dessous de 60 battements par minute pour un adulte moyen. Ce trouble apparait plus généralement chez les personnes âgées de plus de 65 ans et est principalement dû à la dégénérescence des tissus de conduction électrique.
Elle se caractérise par des fatigues chroniques, des essoufflements, des malaises et sans traitement, elle peut entrainer des infarctus. Cette arythmie est traitée très souvent par la pose d’un stimulateur cardiaque qui délivre régulièrement de très faibles impulsions électriques au cœur pour augmenter le rythme cardiaque.
- La tachycardie se caractérise par un rythme cardiaque anormalement rapide soit au-dessus de 100 battements par minute pour un homme au repos. La tachycardie est traitée le plus souvent par la prise de médicaments voire par la pose d’un défibrillateur cardiaque qui délivre de brèves mais fortes impulsions électrique afin de stopper les fibrillations induites par la tachycardie.
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Un rapport statistique [Ostchega, 2011] conduit sur la période 1999-2008 sur 7348 hommes et 6852 femmes et visant à étudier le rythme cardiaque sur la population américaine âgée de plus de 20 ans montre (Tableau I.1) que :
l’homme et la femme ont plus de risques avoir une arythmie de type bradycardie ;
l’homme a 2 fois plus de risques de souffrir de bradycardie que la femme ;
la femme a 1,5 fois plus de risques de souffrir de tachycardie que l’homme.
Tableau I.1 : Prévalence de la bradycardie sur la tachycardie, hommes et femmes Bradycardie vieillissante. En 1901, la population de plus de 75 ans représentait 2,5 % de la population française contre 9,1% en 2013 [Bellamy, 2013]. Une projection l’évalue à plus de 16% en 2060 [Blanpain, 2010].
Sachant que les problèmes cardiaques interviennent la plupart du temps avec l’âge, le vieillissement de la population se traduit par une augmentation constante du nombre d’arythmie dans le monde. Il est donc clair que l’amélioration des techniques et des dispositifs de traitement des troubles des rythmes cardiaques est un enjeu important aussi bien pour la médecine que pour le marché des implants cardiaques.
I.3. Le stimulateur cardiaque (pacemaker)
Le pacemaker est utilisé pour traiter la bradycardie et plus particulièrement pour traiter les anomalies au niveau du nœud sinusal ou au niveau de la jonction auriculo-ventriculaire (faisceau de His). Le pacemaker est un dispositif intelligent : son rôle est de détecter les arythmies et d’envoyer de très faibles impulsions électriques afin d’augmenter le rythme cardiaque du patient traité.
Il est important de remarquer que 45% des patients implantés avec un pacemaker classique survivent plus de 10 ans après leur première implantation et 21% survivent plus de 20 ans d’où l’importance d’avoir un dispositif fiable sur le très long terme [Brunner, 2004]. La compatibilité IRM est un enjeu de taille dans le domaine des pacemaker puisqu’il est estimé qu’entre 50% et 75% des personnes implantées auraient besoin d’un IRM au cours de leur vie [Kalin, 2005].
I.3.1. Les pacemakers classiques
Le stimulateur cardiaque classique est implanté sous la peau au niveau de la poitrine et est composé d’un boitier en titane contenant une batterie (en lithium) et d’un module combinant de l’électronique permettant de réaliser la stimulation cardiaque, les calculs d’impulsions, la surveillance du rythme cardiaque et du niveau de charge de la batterie. Le boitier est relié, par un bloc connecteur en
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polyuréthane, à une ou plusieurs sondes passant dans les veines et permettant de délivrer les impulsions électriques au cœur (Figure I.7).
(i) (ii)
Figure I.7 : Le pacemaker classique (mono-chambre) (i) schéma des principaux éléments le constituant.
Image traduite [Vitatron] (ii) photo d’un pacemaker avec la sonde [Fruitsmaak, 2007].
Il existe plusieurs types de pacemakers pour traiter différents types de bradycardies : les pacemakers mono-chambre, les pacemakers double-chambre et les pacemakers triple-chambre. En 2009, ils représentaient respectivement 21,4%, 75,4% et 3,2% des implantations en France [Tuppin, 2011]. Le pacemaker mono-chambre est implanté dans le ventricule droit ; le pacemaker double-chambre dans le ventricule droit et l’oreillette droite; et le pacemaker triple-chambre couramment appelé CRT-P est implanté dans le ventricule droit, l’oreillette droite et est au contact du ventricule gauche permettant la resynchronisation des contractions des ventricules gauche et droit.
Le pacemaker classique a considérablement évolué depuis les premiers prototypes des années 1960 : la miniaturisation et la fiabilité de l’électronique ont permis d’augmenter la durée de vie des dispositifs, le développement des piles en lithium a permis d’augmenter la densité d’énergie des batteries, l’amélioration de la configuration de l’électrode a permis d’augmenter l’impédance des sondes et de diminuer l’énergie minimale nécessaire à la stimulation cardiaque aussi appelée seuil de stimulation [Lau, 2010]. En conséquence, la taille du boitier du pacemaker a été divisée par 4,5 en 30 ans : il était ainsi de 36 cm3 (72 g) en 1977 et de 8 cm3 (30 g) en 2007. Ce gain en poids et en taille a permis d’améliorer considérablement le confort du patient.
Par ailleurs, il existe des pacemakers classiques compatibles avec l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) tel que le modèle EnRhythm MRI SureScan commercialisé par Medtronics en 2008 [Wollmann, 2014] ou le modèle Solia S ProMRI commercialisé par Biotronik en 2016 pour lesquelles les conditions d’examen sont consultables en ligne [Biotronik].
I.3.2. Le stimulateur cardiaque sans sonde (leadless pacemaker)
Etant donné la taille actuelle des composants électroniques et batteries, il est possible de faire tenir toute l’électronique dans une petite capsule d’environ 1 cm3 en titane dont l’implantation est réalisée directement dans le cœur via la veine fémorale au niveau de l’aine. Un tel dispositif a plusieurs avantages
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par rapports aux pacemakers classiques. Tout d’abord, aucune incision n’est nécessaire au niveau de la poitrine, donc aucune cicatrice n’en résulte. Par ailleurs, il élimine les éventuelles complications dues à l’incision de la poitrine et à la fiabilité des sondes.
Aujourd’hui il existe deux principales technologies de pacemakers sans sonde (Figure I.8): le dispositif Micra (0.8 cm3) commercialisé par Medtronics et le dispositif Nanostim (1 cm3) commercialisé par St Jude Medical. Le pacemaker Micra revendique une biocompatibilité IRM sous certaines conditions [Medtronics]. Ce dernier a d’ailleurs reçu une autorisation de commercialisation en avril 2016 de la part de l’Agence américaine des produits alimentaires et médicamenteux [FDA, 2016].
(a) (b)
Figure I.8 : Pacemakers sans sonde : (a) Nanostim [Business Wire] et (b) Micra [Sperzel, 2015].
Bien sûr, le pacemaker sans sonde étant à ses débuts, il pose d’autres problèmes : capable de stimuler une seule zone, il est limité à la fonction mono-chambre, ce qui ne permet pas de traiter la majorité des patients qui ont besoin d’un stimulateur double-chambre, ce qui pourrait le cantonner à un marché de niche [Gold, 2015];
risque de blessure due à l’ancrage du dispositif dans le muscle cardiaque ;
risque d’embolie en cas de largage du dispositif dans la circulation sanguine ;
l’extraction du dispositif est difficile, voire impossible sur le long terme à cause de la fibrose des tissus.
Les résultats d’une récente étude d’implantation du pacemaker Micra [Ritter, 2016] effectuée sur 12 mois sur 726 patients semblent cependant assez optimistes sur le court-terme :
un taux de réussite d’implantation de 99,2% réalisé dans 94 endroits différents dans le monde ;
4% de patients ont eu une complication majeure ce qui représente près de 2 fois moins de complications que pour le pacemaker classique : parmi ces complications il n’y a eu ni infection ni dislocation de l’implant. 75% de ces complications ont eu lieu dans les 30 jours après l’implantation, 19% entre 1 et 6 mois et 6% après 6 mois d’implantation, 1 décès ;
2 fois moins d’hospitalisations et 5 fois moins de révisions du dispositif par rapport aux pacemakers classiques ;
Une durée d’implantation de 28 minutes (22 minutes après 10 implantations).
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Enfin, les pacemakers sans sonde Micra et Nanostim utilisent une batterie lithium ayant une durée de vie maximale d’une dizaine d’année, ce qui pose de nombreuses questions quant à la viabilité d’un tel produit sur le long terme. Si par exemple la fibrose empêche le retrait du pacemaker, il faudra alors le désactiver complètement et en réimplanter un autre à côté. On peut alors se demander : combien de pacemakers sans sonde le cœur humain peut-il supporter ? Une alternative aux batteries consisterait à récupérer l’énergie environnante pour alimenter le pacemaker. Il existe de nombreuses sources mécaniques exploitables (vibrations, pression sanguine, respiration etc.). De cette façon on pourrait idéalement envisager un dispositif implanté, totalement autonome en énergie pour toute la durée de vie du patient.
I.4. Le projet européen Manpower
Ce travail de thèse a été mené dans le cadre du projet européen Manpower qui s’est déroulé de novembre 2013 à octobre 2016 et fait partie du 7ème programme cadre (subvention n° 604360). Le projet vise à développer un pacemaker sans fil alimenté par récupérateur d’énergie basse fréquence exploitant les mouvements du cœur. Le consortium est coordonné par Tyndall Institute et regroupe cinq autres partenaires académiques (Université Paris-Sud, KU Leuven, Cork Institute of Technology, Technische Universiteit Eindhoven et Fraunhofer EMFT) et trois partenaires industriels (LivaNova anciennement Sorin Group, 3D PLUS et Communicraft).
Le cahier des charges du projet fourni par LivaNova précise les dimensions et performances attendues pour le dispositif de récupération d’énergie :
une capsule en titane d’un diamètre de 6 mm et d’une longueur de 40 mm (soit environ 1 cm3) dans laquelle reposent tous les composants ;
une puissance moyenne fournie par le récupérateur d’énergie comprise entre 6 µW et 14 µW nécessaire au fonctionnement de l’électronique du pacemaker ;
une électronique fortement intégrée, de volume total inférieur à 0,35 cm3 ;
un super-condensateur de 20 mm3 capable d’assurer l’autonomie en énergie pour une durée de 6 à 12 mois ;
une durée de vie supérieure à 20 ans pour l’ensemble des composants du système.
Au cours du projet, deux solutions technologiques différentes ont été étudiées pour la récupération d’énergie vibratoire :
un microdispositif piézoélectrique a été développé à Tyndall Institute ;
le microdispositif électrostatique qui fait l’objet de cette thèse a été développé à l’Université Paris-Sud.
Pour mieux comprendre pourquoi deux solutions technologiques différentes ont été retenues dans ce projet, il faut regarder de plus près l’état de l’art de la récupération d’énergie basse fréquence dans le
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cœur : aucune solution n’est aujourd’hui suffisamment mature pour être industrialisée dans le contexte applicatif considéré. Tout d’abord, nous nous proposons d’étudier l’état de l’art de la récupération d’énergie spécialement appliquée à alimenter un pacemaker. Ensuite, nous présentons d’autres solutions prometteuses qui pourraient être mises en œuvre pour cette application.
I.5. La récupération d’énergie pour alimenter un pacemaker
L’alimentation d’un implant cardiaque de type pacemaker par un dispositif de récupération d’énergie semble, du moins à première vue, tout à fait envisageable aujourd’hui étant donné la puissance relativement faible qui est nécessaire. Néanmoins, parmi les solutions proposées dans l’état de l’art en vue de répondre à ce besoin, peu semblent prendre en compte les contraintes réelles permettant d’atteindre les objectifs du concept «implant and forget» qui est la clé des implants médicaux du futur.
Parmi les nombreux paramètres à prendre en compte pour proposer un produit viable obtenant les autorisations nécessaires à une mise sur le marché il y a notamment :
le moyen d’introduction du récupérateur d’énergie ;
la biocompatibilité du packaging ou des matériaux composant le récupérateur d’énergie ;
la compatibilité IRM des éléments du récupérateur d’énergie car plusieurs problèmes peuvent apparaitre lors de l’acquisition des images IRM. Nous reviendrons dessus au cours du Chapitre V (§V.2);
la fiabilité mécanique des composants et particulièrement du transducteur : pour durer 10 ans, le transducteur doit supporter 400 millions de cycles cardiaques.
I.5.1. Etat de l’art de la récupération d’énergie dans le cœur
Le cœur humain développe une puissance mécanique moyenne d’environ 0,9 Watt [Starner, 1996], ce qui correspond approximativement à 100 000 fois la puissance électrique moyenne nécessaire au fonctionnement d’un pacemaker. De ce point de vue, il semble donc tout à fait possible de récupérer une fraction de l’énergie mécanique du cœur pour alimenter un pacemaker sans perturber le fonctionnement biomécanique de cet organe. Parmi les formes d’énergies mécaniques présentes dans le cœur, on trouve principalement : la variation de pression sanguine, la variation de flux, et les mouvements et vibrations musculaires dus au battement cardiaque.
I.5.1.1. Récupération d’énergie du mouvement
La récupération d’énergie du mouvement est déjà très étudiée pour de nombreuses applications portables. Par ailleurs, un grand intérêt est porté sur les sources d’énergies provenant du corps humain.
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La plus prometteuse en termes d’énergie disponible provient des mouvements au cours de la marche à pied [Duffy, 2004; Hou, 2013; Fourie, 2010; Meier, 2014]. Pour convertir l’énergie mécanique en énergie électrique, trois principaux principes de conversion électromécanique sont utilisés : l’électromagnétisme, l’électrostatique et la piézoélectricité.
I.5.1.1.1. Transduction électromagnétique.
La transduction électromagnétique s’appuie sur le principe de l’induction magnétique : le mouvement d’un aimant vis-à-vis d’une bobine induit une variation du flux magnétique donnant naissance à une force électromotrice. Lorsque la bobine est connectée à une charge, un courant est alors créé dans la bobine. La puissance électrique convertie dépend de la longueur totale de la bobine, du champ magnétique de l’aimant, de la vitesse de l’aimant, ainsi que d’autres paramètres physiques du dispositif.
L’une des premières solutions technologiques à la récupération d’énergie dans le cœur est inspirée des montres automatiques [Goto, 1999]. Pour la première fois un transducteur électromécanique commercial extrait d’une montre automatique à quartz Seiko (Figure I.9) est testé in vivo sur des chiens anesthésiés, permettant ainsi de récupérer 13 µJ par battement cardiaque. Zurbuchen et al. [Zurbuchen, 2013] propose plus tard un récupérateur d’énergie électromagnétique similaire (Figure I.10). Les résultats des tests in vivo effectués sur des cœurs de moutons donnent des performances similaires à
L’une des premières solutions technologiques à la récupération d’énergie dans le cœur est inspirée des montres automatiques [Goto, 1999]. Pour la première fois un transducteur électromécanique commercial extrait d’une montre automatique à quartz Seiko (Figure I.9) est testé in vivo sur des chiens anesthésiés, permettant ainsi de récupérer 13 µJ par battement cardiaque. Zurbuchen et al. [Zurbuchen, 2013] propose plus tard un récupérateur d’énergie électromagnétique similaire (Figure I.10). Les résultats des tests in vivo effectués sur des cœurs de moutons donnent des performances similaires à