Brevet FR2626475A1 — publié le 19890804

: ' 1 Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine des assistan- ces artificielles à la circulation sanguine, dans le cas de défaillance grave du coeur, et plus particuliè- rement les moyens de contrôle physiologique de ce dis- positif. On prévoit des moyens d'utilisation du systè- me cardio-vasculaire pour activer le dispositif en con- jonction avec le coeur. On intègre aussi deux éléments, le coeur et le dispositif mécanique, afin de fournir une réponse aussi adaptée que possible à la demande du mécanisme de contrôle du corps au moyen de ses boucles physiologi- ques de recyclage. L'invention concerne, de plus, la conception d'un dispositif qui utilise les données physiologiques pour contrôler ses activités, afin d'obtenir un flux sanguin correct. Bases de l'invention Le système cardio-vasculaire est constitué de trois sections principales: a) le coeur organe moteur qui fournit la quantité exac- te de sang requise momentanément. Il fournit, à cha- que contraction, un débit de sang qui est chargé d' énergie, à un taux et sous une forme déterminée. b) le réseau vasculaire c'est lé système de distribu- tion du sang dans les différents organes, selon le besoin spécifique de chacun d'entre eux. Il agit é- galement comme syàtème collecteur et réservoir géné- ral pour le sang, en égard à sa redistribution vers le coeur. Le sang est distribué battement par batte- ment, selon les besoins intégrés de tout.le corps. c) le système de contrôle le système de contrôle du système cardio-vasculaire est constitué de sous-sys- tèmes qui "lisent" les besoins des différents orga- Z626475 nes par le truchement de boucles de recyclage. Tous ces "besoins" sont transmis au Système Nerveux Cen- tral (SNC) oi ils sont évalués et intégrés. Le SUC commande alors le flux vasculaire vers le-coeur; et active le coeur pour.fournir le "débit de sang" e- xact, avec une vitesse, une forme et un volume prée- détermine.s. Les ventricules du coeur sont commandés.par les paramètres suivants, qui sont régis par le système de contr8le du corps; a) Charge préliminaire la pression auriculaire précé- dant l'action du ventricule, définissant le volume du débit de-la pulsation suivante. b) Charge ultrieure la "pression amont" contre laquel- le le coeur doit agir. c) Contractilité Capacité du myocarde (le muscle car- diaque) d'exercer la force nécessaire pour attein- dre le débit requis. d) Vitesse Les battements du-coeur par minute qui, avec le volume de chaque pression, définit la production cardiaque. Les performances coordonnées de tous ces facteurs se manifestent dans la production cardiaque, qui fournit la quantité de sang par battement à la pression correc- te.. En cas de défaillance cardiaque, tout le sys- tème d'écoulement est perturbé. Ces perturbations se manifestent par une production cardiaque inadaptée et par une rétention de sang en arrière des chambres du coeur défficient. En fonction de l'espèce de défaillance car- diaque, de son taux de développement et de ra gravité, le système de contrÈle du corps active un ensemble de mécanismes de compensation destinés à redistribuer et à diriger le flux réduit vers les différents organes, an amenant l'ensemble du systeme cardio-vasculaire à un nouveau point d'équilibre. Le nouveau point d'équili- bre est commandé par un nouveau jeu de paramètres des boucles de recyclage, par l'intermédiaire du système central de contrôle. Cependant, dans le cas d'une défaillance cardiaque aigae (telle qu'infarctus grave du myocarde) il se produit une réduction brutale de la production cardiaque et une rétention importante de sang en ar- rière des ventricules affectés. Cet effet peut être trop fort et trop rapide pour être réglé par un méca- nisme de compensation, et il peut aussi être fatal. Si tous les traitements thérapeutiques con- ventionnels du coeur échouent, on a besoin d'un sup- port mécanique du coeur et de la circulation, et, par- ticulièrement, d'une assistance ventriculaire. Cette forme d'assistance vitale peut être temporaire ou permanente. On peut, par exemple, appliquer un disposi- tif d'assistance cardiaque temporaire aux patients qui ne peuvent être réanimés (par exemple à la fin d'une opération à coeur ouvert), en attendant la récupéra- tion de la fonction ventriculaire. Cependant,si cela ne se produit pas, le dispositif sert de "pont de trans- plantation" jusqu'à ce qu'on dispose du coeur d'un donneur. L'assistance ventriculaire permanente peut être appli- quéeaux patients qui souffrent d'un mal permanent, lorsqu'on n'attend pas de récupération et lorsque le patient n'est pas candidat à une transplantation du coeur, ou pour toute autre raison. Etat actuel de déveloDment des dispositifs d'assistan- ce cardiaques (DAC) Le principe de base du dispositif d'assistan- ce mécanique est le soulagement du ventricule défec- tueux (à travers l'orifice auriculaire qui le précède), et le pompage du sang dans l'aorte, en court-circuitant le coeur défectueux. Une évaluation des résultats concernant le dévelopment des différents modèles existants de DAC, montre que leur principal inconvénient est du à l'écart qui existe entre le système de contrôle du corps et ce- lui du dispositif d'assistance. Tous les dispositifs conventionnels, bien que fournissant le sang nécessaire s la perfusion du corps, fonctionnent de façon indépendante, c'est-à-dire qu'ils ne sont pas reliés au système de contrôle du corps. Ils n'ont pas la capacité de répondre aux changements conti- nuels de demande, imposés au coeur par le corps, par différents moyens, comprenant ie-Système Nerveux Central (SNC) et cela conduit-aux écarts mentionnés plus haut. Un -élément mécanique indépendant apporte la confusion dans un système de contrôle biologique en 1' obligeant continuellement à tenter de rectifier les é- carts entre les "ordresl' et les"réponses" du système. Les tentatives du SNC pour rectifier ces e- carts par diverses voies et par d'autres organes, tels 2S que le système vasculaire, les reins ou le coeur lui- même, peuvent éventuellement conduire à des lésions de ces organes. Résumé de l'invention L'invention concerne les moyens par lesquels un système d'assistance cardiaque peut tre intégré au système cardiovasculaire et activé selon les demandes du corps. Le système de l'invention échiffre en conti- nu les paramètres hémodynamiques qui définissent les demandes faites au coeur. Il évalue, sur une base de temps réel, les performances réelles du coeur défectu- eux, calculant l'écart entre là demande en sang fourni- par le coeur et la quantité réellement fournie. Le système commande, de façon continue, au DAC de soutirer le sang restant à partir du coeur, pendant la phase de diastole, et de le distribuer pendant le plan de systo- le du même battement. La somme des deux flux sanguins, celui du coeur 'déficient et celui du complément pompé par le DAC pendant la phase de systole, produit en continu des fonctions hémodynamiques aussi proches que possible de celles qui sont attendues par les boucles de contr1le de recyclage du SNC. L'invention concerne un dispositif comprenant des moyens qui contrôient en continu l'activité réelle du coeur, et applique les résultats à un dispositif d' assistance cardiaque, caractérisé en ce que ces données sont intégrées dans le systèeme de contr8le biologique. Le Système Nerveux (SNC) - (Le Controleur du système) Le coeur en bonne santé (élément actif de pompage de 1' usine) reçoit ses signaux d'activation par différentes voies du Système Nerveux Central (SNC) (le contraleur du système). L'évaluation des données de contr8le en fonction des données de référence, permet la production de signaux qui activent le coeur, de façon à parvenir à. une valeur correcte du débit sanguin, de sa forme et de sa cadence. Le dispositif de l'invention utilise la fonction Pres- sion auriculaire.- (FPA) en tant que résultat des signaux d'activation pour l'élément de pompage de l'usine, cl est à dire le coeur. La FPA est une fonction unique, lisible, qui reflète les données évaluées par le SNC. Cette fonction concerne la quantité de sang envoyée vers les orifices auriculaires par le-système vasculai- re. La tonicité prédéterminée du myocarde auriculai- re, la contraction de l'orifice auriculaire et le rythme cardiaque, sont contrôlés par le SNC. Le "contrôleur' du corps reçoit, de façon continue, des informations venant de la FPA et d'une FPA de référence. En évaluant la différence entre ces deux fonctions, on peut parvenir à des signaux d'acti- vation qui conduisent le coeur à agir (soutirer et pom- per du sang) de façon à produire la FPA convenable. Les.changements de demande en sang, selon les changements des besoins du corps, doivent entraîner des variations du flux sanguin vers le coeur et/ou de la tonicité du myocarde auriculaire, et/ou des forces de contraction-de l'orifice auriculaire et/ou du ryth- me cardiaque. Toutes ces données sont présentes dans la FPA. Le contrôleur active le ventricuepour-répondre en fonction de la FPA de référence, en provoquant ainsi le changement de la production cardiaque, au cours du cycle journalier de la vie. Comme signalé plus haut, en cas d'accident cardiaque grave, 1' "élément de pompage" est soudai- nement perturbé. Il ne peut plus répondre aux signaux du "contrBleur'" et cette perturbation se manifeste par une PPA pathologique. Par exemple, on admet généralement que, si la FPA moyenne gauche dépasse 20 Torr, le coeur défi- cient ne peut fournir suffisamment de sang pour mainte- nir une pression artérielle d'environ 70 Torr, et un dispositif d'assistance du ventricule gauche peut être le seul moyen de sauver la vie de ce patient. Conformément à l'invention, on prévoit des moyens permettant d'intégrer n dispositif d'assistan- ce au système de contr5le du corps.. Le système global comprend une pompe en liaison'avec le coeur, qui sou- tire et pompe le sang en excès, tandis que son activi- té est contr8ôlée par la mesure de la FPA et son éva- luation par rapport à une FPA de référence prédéter- minée. Le système comprend des moyens à commande sen- sible asservie, capables, selon le cas, de soutirer et de pomper le sang. Le dispositif de l'invention peut etre u- tilisé comme système d'activation pour le coeur.arti- ficiel, comme assistance ventriculaire gauche, droite ou latérale, pour des applications permanentes ou tem- poraires. L'invention est illustrée par référence aux figures jointes, dans lesquels le diagramme schémati- que par blocs (fig.l) illustre le principe d'un sys- tème utilisé pour un ventricule défaillant. Le bloc 11 (l'usine) entre les points 12 et 13 (qui définissent le patient et le dispositif de pompage) comprend -la-dynamique du patient et le systè- me hydro-électro-mécanique. Ce dernier comprend un mé- canisme asservi qui reçoit les signaux du contrôleur 14, et qui active, en conséquence, les éléments de pompage. Le bloc 14 représente les éléments de contrS- le de la boucle interne (suivant la ligne pointillée 16). Ce bloc reçoit les signaux de la fonction pres- sion auriculaire de référence FPA ref) à partir du point 17, et de la fonction-pression auriculaire (FPA) (représentée au point 13), au point 15. Comme le système contrôlé inclut le patient et sa réponse dynamique physiologique indépendante, une boucle sup- plémentaire "de suivi du modèle" 20' est incorporée. - Le contrôleur 18 de la boucle de "suivi du modèle" reçoit la différence entre les signaux de la FPA mesurée et ceux qui sont nécessités selon le modè- le, au point 20. Il produit alors un signal au point 19 qui provoque la réaction appropriée de la FPA. L'invention est-décrite au moyen des figu- res, dans son application comme dispositif d'assis- tance du ventricule-gauche (DAVG) temporaire. Le dispositif est schématiquement illus- tré dans la fig.2, dans laquelle le DAVG, (21) re- çoit la FPA gauche contr1lée et 'ECG 2? du patient 23, qui-sont introduits dans le.microprocesseur du calculateur principal PCB 24. Le microprocesseur règle également, se- lon un processus programme, le cycle de la pompe du dispositif (les périodes diastoles d'aspiration). - La FPA est mesurée par le microprocesseur en fonction d'une PPA de r4férence prédéterminée pour chaque patient spécifique. Cette fonction est intro- duite dans le calculateur PCB 24 au moyen du tableau de bord 25 du dispositif. Les programmes des calculateurs, représen- tés dans la fig.l, permettent d'évaluer en continu la différence entre la SPA mesurée et la-FPA de référen- ce, à chaque point du cycle. L'intégration des résul- tata mesurés est envoyée, sous -la forme d'un signal électrique, au servomécanisme d'activation de la pompe mécanique. (26, servo-amplificateur et 27, ser- vo-mêcanisme de la fig.2). Le servo-mécanisme d'acti- vation possède sa propre boucle de contr8le qui dé- clenche des mouvements 'contrlés du piston hydrauli- que 28, commandant la tête de pompage du sang d'assis- tance disponible 29. Cette tête de pompage soutire l'excès de sang du coeur, pendant la phase diastole du battement, et le recycle pendant la phase systole du même batte- men.t, afin de fournir, en accord avec le coeur, le dé- bit nécessaire. La boucle de "suivi du modèle" 20' du schema de contrSle de la figure 1, calcule les mouve- ments d'activation propre du.piston 28, au moyen du -35 transposeur de vitesse 30, en assurant des actions douces et précises, en évitant-des excès de pression ou des pressions négatives dans l'orifice auriculaire. Le volume 31,situé entre le piston mobile et le diaphragme de la tête de pompage du sang, est rempli d'un fluide assurant des réponses précises et appropriées. Un exemple de fonctionnement de l'application de l'invention en tant que pompe de sang multiple, in- tégrée dans une Machine Coeur-Poumon (MPC) est montré dans les figures 3 et 4. La MPC pulsante est utilisée pour des by-pass cardio-pulmonaires (BCP) pendant un acte de chirurgie cardiaque (fig.3). Dans cette operation, le sang s'écoule a par- tir du patient 31, par le conduit veineux 322 jusqu'a 1'oxygénateur 33. A partir de l'oxygénateur, le sang est soutiré par la pompe hydroélectromécanique 34 au moyen d'une "tête de pompage du sang disponible BCP" 35, détaillée dans la fig.6, et retourné par pompage vers le patient, par le conduit artériel 36. Cette application réalise une MPC susceptible de fournir à volonté un sang pompé avec une vitesse, un rapport systole/diastole, une forme de pulsation, un débit, un rapport dp/dt donnés. On parvientainsi à ob- tenir les pressions sanguines souhaitables, pendant le by-pass cardio-pulmonaire, et on fournit ainsi au chi- rurgien la possibilité de produire et de contr5ler tous ces paramètres. Pendant le by-pass partiel, ou à l'étape cri- tique de déconnexion du patient de la MCP ("sevrage"), le système de l'invention permet à volonté la synchro- nisation de la pompe de pulsation et de i'ECG du-pa- tient, en produisant, à l'aide du tableau de bord 37, une onde systolique/dia.stolique, d'une forme telle qu' elle produise l'effet thérapeutique de "contre-pulsa- tihon" (CP). Si, malgré tous ces efforts, le patient a besoin d'une aide, le système est transformé en dispositif d'assis- tance. Le patient reste.relié au circuit de by-pass, pendant que le chirurgien effectue les opérations chi- rurgicales nécessaires, pour permettre la connexion de la "tête- de pompage du sang disponible d'assistance" 41 (fig.4) et le remplissage du conduit hydraulique 44, en reliant la tête de pompage du "composant de comman- de d'écoulement" hydraulique 40 (fig.4 et 5). Ce "composant de commande d'ecoulement" il- lustré dans la fig.5, est placé au dessus du piston de pompage 48. Il comprend une "tête de pompage du sang disponible BCP" 35, montée sur un cSté, et-un cône de remplissage de fluidât une canalisation 44, de l'au- tre caté. Un disque basculant 43, dans ce composant, peut être tourné de la position (a), lorsque le dispo- sitif fonctionne comme McP et CP, à la position (b), correspondant à l'asbistance. On réalise cela en pla- gant le bouton 37, sur le tableau de bord, (fig.4)., sur la position de fonctionnement du dispositif d'as- sistance. La tête de pompage 35 est déconnectée, et le patient quitte la salle d'opération tout en étant tou- jours relie au dispositif.qui fonctionne sur une sour- ce propre d'éenergie. Lorsque le patient récupère, le processus est inversé et il est déconnecté du dispositif. La "tête de pompage du sang disponible", 35 (fig.3 et 4) 29 (fig.2), et 41 (fig.4), est montrée en détail dans la fig.6. Elle est prévue pour réduire l'hémolyse du sang, provoquée par un écoulement turbulent. Cela est réalisé au moyen d'un c6ne divergent à la zône d'en- trée (A) de la tête, avec au plus un diffuseur 61 qui est inséré dans la zone conique large (B) de l'enton- * 1l noir. Cela permet de réduire la vitesse d'écoulement sur une courte distance, en diminuant ainsi l'exces de turbulence, les tensions de cisaillement et la dissipation d'énergie. Le guidage du flux sortant,62, dans la zone sphérique (C), est assuré par la membra- ne mobile 63, afin d'effectuer une meilleure évacua- tion du sang à partir de la "tête", à chaque batte- mènt, et d'éviter la sédimentation de particules du sang. Le fonctionnement du dispositif est illus- tré en référence aux fig.3 à 5. Le dispositif est placé sur le théâtre de l'opération (O.R.) et est utilisé à la place d'une des pompes qui.comprennent la "machine coeurpoumon" (MCP). Le mode de fonctionnement est décrit ci-après. I. Etape de préparation Le perfusioniste relie la tête de pompage , comprenant des valves d'entrée et de sortie, à 1' organe de commande du flux 40. La tête de pompage est reliée à l'oxygénateur 33, tandis que le disque bas- culant 43 est maintenu dans la position droite, assu- rant la déconnexion de la commande de flux assisté.. L'espace compris dans le dispositif de commande du flux est rempli d'un fluide hydraulique. On relie le patient au dispositif conformément au protocole stan- dard d'emploi d'une machine Coeur-Poumon MCP sur un by-pass cardiovasculaire. Il. Etape de by-pass Alors que le patient est en position de by- pass, cependant que son coeur bat, le bouton de com- mande 37 est positioné sur CP et le perfusioniste commence à perfuset du sang en tournant les boutons "FLOW" et "SYM" 39 sur le tableau de bord, jusqu'à atteindre le flux et la pression désirés. A l'étape "serrage transversal" de l'opération, lorsque le coeur est arrété,-le perfusioniste tourne le bouton 37 à la position BP, permettant ainsi le contr8le du rythme (battements par minute), le flux (litres par minute) et SYM (pression artérielle) au moyen du bouton 39, selon la demande du chirurgien. A la fin de l'opération, lorsque le coeur recommence à battre, le perfusioniste replace le bouton 37 sur la position CP en sevrant le patient du by-pass et en.réduisant le flux en consequence. Le patient est ensuite décon- necté de la MCP. III. Contre-pulsation A l'étape du sevrage, le chirurgien à la possibilité d'utiliser un artifice de contre-pulsa- tion, afin de remédier à une difficulté possible pour le coeur de maintenir la circulation. Dans ca cas,' le patient reste relié au dispositif. tandis que le perfusioniste tourne le bouton 39 PHASE; qui com- mande la pression et le flux de la contre-pulsation, et cela dans le but d'améliorer les performances du coeur. IV. Methode d'assistance - Si, en dépit de-ces mesures, effectuées en accord avec le protocole standard, la condition du patient ne s'améliore pas, et s'il est impossible de le déconnecter de la MCP, le chirurgien doit placer une canule dans l'orifice auriculaire ou ventriculai- re gauche. Le perfusioniste prépare la tgt'e de pompa- ge assisté 41 en le reliant, par l'intermédiaire du conduit hydraulique 44, au dispositif de commande du flux 40. Le conduit hydraulique 44 est rempli de fluide hydraulique La tête.e pompage 41 est reliée, du côté de son entrée, à l'orifice auriculaire au ventriculaire gauche, et du côté de sa sortie à l'aorte et à 1 arriè- re au conduit 44 de propulsion. ydraulique. A ce stade, le LAP est commandé par les boutons APEX, APFY et APFM 49, selon les instructions du chirurgien. V. Etape finale Le patient quitte la salle d'opération en restant connecté au dispositif d'assistance de l'in- vention, et transféré à l'unité des soins intensifs (USI). Dès que la condition du patient s'améliore et- ne nécessite plus de dispositif d'assistance, on ramè- ne le patient à la salle d'opération, et on déconnecte le dispositif. 262647 5 Revendications 1. Dispositif d'assistance cardiaque (21) destipé à &tre relié à un patient (23) pendant un temps prolongé ou pendant une chirurgie du coeur, comprenant des moyens (27,28) de Soutirage du sang du patient et de pompage de ce sang dans son système circulatoire, ce sys- tame d'assistance comprenant des moyens (22) de contrôle en continu des paramAtres hémôdynamiques (FPA, ECG) qui définissent la demande du coeur1 caractérisé par des mo- yens (24,25) pour évaluer, sur une base de temps réel, - les performances réelles du coeur déficient, et pour cal- culer l'écart entre la demande de sang provenant du coeur et la quantité réellement fournie par le coeur, un systè- me de contrôle commandant le dispositif d'assistance car- diaque, pour soutirer et fournir le sang pendant la phase de systole du battement. 2. Dispositif conforme à-la revendication 1, comprenant des moyens pour contrôler la fonction pres- sion auriculaire (FPA). 3. Dispositif d'assistance cardiaque con- forme aux revendications 1 ou 2, comprenant des moyens pour appéhender la Fonction Pression Auriculaire (FPA) du coeur, pour évaluer les valeurs mesures par rapport à une FPA de référence, et pour ajuster en continu le flux de-sang fourni par le dispositif d'assistance en fonction de l'évaluation de ces mesures. 4. Dispositif d'assistance cardiaque con- forme à une des revendications 1 à 3, comprenant des entrées pour une assistance du ventricule gauche, du ventricule droit, des deux ventricules, pendant une pério- de de temps prolongé, ou sur une base temporaire. 5. Dispositif d'assistance cardiaque con- forme à une des revendications I 'à 4, comprenant des moyens permettant, simultanément, de contrôler la FPA du patient, de l'évaluer et de l'utiliser pour contrôler le cycle, ainsi que d'autres paramètres de la pompe du dis- positif, pendant la période de systole et selon les be- soins du coeur malade. 6. Dispositif conforme aux revendications 1 à 5, prévu pour àtre intégré dans une machine coeur- poumon, en vue de son utilisation pendant et après une chirurgie à coeur ouvert. 7. Dispositif conforme à une des revendica- tions 1 à 6 appliqué dans les modes d'opérations suivantes en tant que: a) pompe pulsante, contrôlable pour une machine coeur-poumon; b) pompe contre-pulsante pour t'étape de "sevrage" d'une opération cardiaque; c) dispositif d'assistance relié au patient pendant un temps prolonge, soit en atten- dant le rétablissement du coeur du pa- tient, soit comme trait d'union à la transplantation en attendant la disponi- bilité du coeur d'un donneur. 8. Dispositif suivant une des revendications 1 à 7, caractérisé par une tôte de distribution de flux qui permet le fonctionnement d'une "t8te de pompage d'as- sistance du sang disponible" (40).