Conception et développement dune turbine intracardiaque pour suppléer les insuffisances cardiaques

Design and development dune turbine to supplement intracardiac heart failure

• Auteur / Autrice : Mohammad Haddadi
• Direction : Salah Naili
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 08/12/2015
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Modélisation et simulation multi échelle (Marne-la-Vallée)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Boiron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Salah Naili, Laurent Barandon, Stéphane Garrigue
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Thiriet, Pierre Dos Santos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thrombose

Stimulateurs cardiaques

Insuffisance cardiaque gauche

Hémolyse

Mots clés libres

Hémolyse

Turbine

Insuffisance cardiaque

Débit sanguin

Thrombose

Dispositif d’assistance ventriculaire

Hemolysis

Turbine

Heart failure

Blood flow rate

Thrombosis

Ventricular assist device

Résumé

Objectifs: Malgré beaucoup de progrès dans la gestion médico-électrique, certains problèmes demeurent et plusieurs patients souffrant d'insuffisance cardiaque sont encore dans l'impasse. Ainsi, les dispositifs d'assistance ventriculaire gauche (LVAD) ont été développés pour réduire les conséquences de l'insuffisance cardiaque et améliorer la qualité de vie. Malgré les avantages évidents, plusieurs complications : thrombo-embolie, infection dû au câble d'alimentation externe, dépendance aux batteries demeurent. L'ICOMS est un nouveau concept de LVAD mélangeant une pompe entièrement intraventriculaire, synchronisé avec le cœur et relié à une batterie interne. Méthodes et résultats : L'intervalle de fonctionnement prévu est un débit de 0.8 to 6.7 10-5 m3/s à une vitesse de rotation de 733 to 942 rad/s, avec des pressions physiologiques. Le point de fonctionnement choisi pour la conception est un débit de 3.3 10-5 m3/s et 10.6 103 Pa . Dans cette étude, Une simulation numérique est réalisée avec des profils de lames différents pour chaque région de fluide étudié. Les performances telles que l'efficacité, la contrainte de cisaillement sont analysée pour vérifier l'efficacité pour les patients atteints d'insuffisance cardiaque. Afin d'obtenir le meilleur résultat avec le logiciel ANSYS, le modèle k-ε turbulent a été appliquée pour obtenir des caractéristiques d'écoulement entre l'entrée et à la sortie de l'évacuateur du redresseur de la pompe. Les résultats numériques montrent une performance acceptable pour les adultes pour délivrer des pressions physiologiques avec une efficacité hydraulique de 10 à 37% ainsi qu'un niveau acceptable de stress de cisaillement maximale le long de la surface de la partie mobile de la pompe. La deuxième partie de l'étude est une étude expérimentale où un prototype a été testé sur banc d'essai. Les résultats ont montré que la pompe pourrait fonctionner et améliorer le débit cardiaque de 1.7 à 6.7 10-5 m3/s. Les résultats in vitro convergent vers les résultats numériques. Pour les tests in vivo, 6 moutons ont été opérés pour l'implantation du LVAD. L'ICOMS a été implanté dans l'apex du ventricule gauche. Plusieurs paramètres hémodynamiques et échocardiographiques ont été stockés dans des conditions normales ou pathologiques. Conclusion: Nous avons montré que l'ICOMS pourrait présenter un effet potentiel pour réduire les conséquences de l'insuffisance cardiaque. De nouvelles expérimentations sont nécessaires pour confirmer notre résultat et optimiser ce nouveau LVAD

Objectives: Despite much progress in medical-electrical management, some problems remain and several heart failure patients are still in a no option solution. In this way, artificial hearts as Left Ventricular Assist Device (LVAD) have been developed. Despite evident benefits, several complications as thromboembolism, driveline infection, batteries dependency remain. ICOMS is a new LVAD concept mixing a fully intraventricular pump, heat rate-synchronized and connected with intracorporeal batteries. Methods and Results : It is expected to deliver 0.8 to 6.7 10-5 m3/s at rotational speeds of 733 to 942 rad/s over physiologic pressures and has a selected design point of 3.3 10-5 m3/s and 10.6 103 Pa . In this study, the axial blood pump with motor connected to impeller has been selected to numerical simulation. This selection is based on axial flow pump with different blade profile for each fluid region and studied on its performance such as efficiency, wall shear stress and considering effective operation for cardiac failure patients. In order to achieve the best result with the ANSYS software, k-ε turbulent model has been applied to obtain the flow characteristics from inducer inlet to straightener outlet of the pump. Numerical results show acceptable performance to deliver physiologic pressures with hydraulic efficiency of 10 to 37 % as well as acceptable maximum shear stress level along the blade tip surface of the impeller. The second part of the study is an experimental investigation where a prototype device was tested in a test bench circulation loop have shown that the pump could operate and improve the cardiac output of 1.7 to 6.7 10-5 m3/s. In vitro results converge to numerical results. For test vivo 6 sheep were operated for the LVAD implantation with the support of cardiopulmonary by-pass. The ICOMS was implanted into the LV apex. Several hemodynamic and echocardiographic parameters were stored as well as in normal or pathological conditions and analyzed. Conclusion: We showed that the ICOMS could present a potential effect in the LV support reducing the heart failure criteria. As evidence, further experimentations are necessary to confirm our result and to optimize this new LVAD