Département d'électricité (Laboratoire d'actionneurs intégrés LAI)

Méthodologie de conception d'activateurs pour ventricule d'assistance cardiaque implantable

Perriard, Yves ; Jufer, Marcel (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1992 ; no 1085.

Ajouter à la liste personnelle
    Summary
    The electronic miniaturization and the computer evolution (microprocessor, transputer) have contributed to the use of electric drives in a lot of applications. Because of its flexibility, the electric drive becomes an essential element to work out new concepts of artificial prosthesis. The progress of biomaterial technology, which gave birth to several artificial organs like permeable membrane (oxygenator), biodegradable material (vascular surgery), artificial arteries, etc., now permits to envisage the realization of totally implantable cardiac prosthesis. in order to relieve the failing cardiac muscle, the use of prosthesis, such as the artificial ventricle, permits the replacement of the cardiac function as a temporary or permanent basis. During a sustained clinical assistance, the failing heart is able, in some cases, to recover its normal cardiac function. The idea of a permanent ventricular assistance appears, in some cases, as a treatment of cardiomyopathies, which allows to avoid the cardiac transplantation. The research of new totally implantable ventricle concepts must be completed by a systematic study of all possible electromechanic solutions to realize the ventricle actuator, as well as guaranteeing a long term implantation without biocompatible problems. Thus, existing variants study has been made by major research groups in the world. The obtained results show the different advantages and disadvantages of each solution principle. This allows to avoid some concepts, which would not be compatible with the fixed goals. The new solutions research is realized in studying the two motor types, linear or relative, in designing each variant and finally in comparing the different characteristics of each solution. This analysis allows to conclude that the relative brushless DC motor is the only one which permits to attain the specifications. The rotative motor solution is the purpose of the fourth chapter, which presents each step of the different motor parameters choice and the design proper. Moreover, a numerical simulation allows to verify the hypothesis quality and to present the motor characteristics. As the ventricle biocompatibility is a very important point of the specifications, thermal aspects of the prosthesis is studied with care in the last chapter of this work. A study by the finite elements method is used to visualize ventricle isotherms, where the motor is the principal heat source and when the latter is implanted in the human body. Hot points on the housing are displayed and a solution to reduce them is presented. The obtained results correspond to specifications given in the existing ventricle comparison. The designed solution, compared to the other studied variants in chapter 2, presents better characteristics in term of mass, volume, efficiency and maximum housing temperature, which gives the possibilities of a long term ventricle implantation in the human body without harming the organism.
    Résumé
    La miniaturisation de l'électronique, ainsi que l'évolution des moyens informatiques disponibles (microcontrôleur, microprocesseur, transputer), ont contribué à l'utilisation des entraînements électriques dans un grand nombre d'applications. De par sa souplesse d'utilisation, l'entraînement électrique devient un élément indispensable à l'élaboration de nouveaux concepts de prothèses artificielles. L'essor de la technologie des biomatériaux, qui est à l'origine de nombreux organes artificiels tels que les membranes sélectives perméables (oxygénateurs), les matières biodégradables (chirurgie vasculaire), les artères etc., permet à l'heure actuelle d'envisager la réalisation de prothèses cardiaques totalement implantables. Afin de soulager le muscle cardiaque défaillant, le recours à une prothèse telle que le ventricule artificiel permet de suppléer la fonction cardiaque de façon temporaire ou permanente. Lors d'une assistance clinique prolongée, le coeur malade peut, dans certains cas, recouvrer peu à peu sa fonction en étant aidé par la machine. L'idée d'une implantation prolongée ou permanente est alors apparue comme traitement de certaines cardiomyopathies, permettant ainsi d'éviter la transplantation cardiaque. La recherche de nouveaux concepts de ventricules totalement implantables doit s'accompagner d'une étude systématique de toutes les solutions électromécaniques possibles pour réaliser l'activateur du ventricule, tout en garantissant une implantation de la prothèse à long terme dans des conditions biocompatibles. Pour ce faire, une étude des variantes existantes auprès des principaux groupes de recherche dans le monde a été effectuée. Les résultats obtenus nous montrent les différents avantages et inconvénients de chaque principe de solution, permettant d'éliminer certains concepts qui ne seraient pas conformes aux buts assignés. La recherche de nouvelles solutions est réalisée en étudiant les deux types de moteur, linéaire ou rotatif, en dimensionnant chaque variante, puis en comparant objectivement les différentes caractéristiques de chaque solution. Cette analyse nous mène à la conclusion que le moteur rotatif à courant continu sans collecteur est le seul qui nous permette d'atteindre les objectifs du cahier des charges. La solution de la variante à moteur rotatif fait l'objet du quatrième chapitre, qui présente chaque étape du choix des différents paramètres du moteur et du dimensionnement proprement dit. Une simulation numérique permet en outre de vérifier la qualité des hypothèses choisies et de présenter les caractéristiques du moteur ainsi dimensionné. Comme la biocompatibilité du ventricule est un point fondamental du cahier des charges, l'aspect thermique de la prothèse est étudié avec soin dans le dernier chapitre de ce travail. Une étude par la méthode des éléments finis permet de visualiser les isothermes du ventricule, dont le moteur est la principale source de chaleur, lorsque celui-ci est implanté dans le corps humain. Les points chauds sur la coque sont mis en évidence et l'on présente une solution permettant de les atténuer. Ainsi, le résultat obtenu correspond aux attentes formulées lors de la comparaison des ventricules existants. La solution dimensionnée, comparée aux variantes étudiées au chapitre 2, présente de meilleures caractéristiques en terme de masse, volume, rendement et température maximum sur la coque, pouvant alors garantir une utilisation prolongée à l'intérieur du corps sans nuire à l'organisme.