Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Dispositifs de stimulation cardiaque implantables“

Les systèmes de brouillage contre les engins explosifs improvisés radiocommandés sont devenus en 10 ans un moyen indispensable sur les théâtres opérationnels, spécialement en Afghanistan. Leur déploiement a cependant occasionné l’émergence de nombreuses craintes relatives à de possibles effets sur la santé chez les utilisateurs. Une réponse définitive face à de telles inquiétudes n’est pas encore arrêtée, il demeure toujours une interrogation quant aux risques spécifiques de brûlure chez les personnels porteurs de matériel métallique implantable. Afin de répondre à cette question, un projet de recherche a été mis en place au sein de l’Institut de recherche biomédicale des armées. Pour cette étude, 10 dispositifs d’ostéosynthèses, ont été implantés sur 10 pièces anatomiques humaines. Chaque dispositif a été exposé aux rayonnements électromagnétiques émis par un brouilleur opérationnel de type BP 440, selon deux conditions : limite de zone rouge (soit limite d’accès autorisé), et contact de la pièce anatomique avec les éléments émetteurs. Quelles qu’aient été les conditions d’exposition, aucune élévation de température, à même d’entrainer des effets néfastes, n’a pu être observée. Les résultats ont cependant mis en évidence l’existence de courants induits suffisants pour présenter un risque potentiel de stimulation des tissus excitables en cas d’accident de surexposition.

Background: The significant increase in the use of implantable cardiac devices (ICDs) has been accompanied by biofilm formation and increase rate of infection on the devices. The purpose of our study is to describe the clinical and microbiological findings of infection of ICDs in the cardiology units of western Algeria hospitals. Methodology: All patients with clinical diagnosis of ICD infections or infective endocarditis upon removal of their ICDs from December 2012 to August 2014 in cardiology units of 4 Algerian hospitals were included in the study. Each element of the ICD pocket and lead was separately sonicated in sterile saline, inoculated onto Chapman and MacConkey agar plates and incubated aerobically at 37oC for colony count after 24 hours. Biochemical identification of the bacteria isolates was made by API 20E, API 20 NE and API Staph, and confirmed by Siemens Healthcare Diagnostics WalkAway® 96 Plus System. Antibiotic susceptibility testing on each isolate was performed by the disk diffusion method on Mueller Hinton agar. Biofilm formation was detected by Congo Red Agar (CRA) and Tissue Culture Plate (TCP) methods, and hydrophobicity of the bacterial cell was determined by the MATH protocol. Results: Over a period of twenty-one months, 17 ICDs were removed from patients with post-operative infections; 6 (35.3%) had early infection of ICD and 11 (64.7%) had late ICD infection. Fifty-four bacterial strains were isolated and identified, with coagulase-negative staphylococci being the predominant bacteria with 46.3% (25/54). There was no significant association between hydrophobicity and antimicrobial resistance in the 54 isolates but there is positive correlation between biofilm production and antimicrobial resistance, with the strongest biofilm producers resistant to more than one antibiotic. Four independent predictors of infection of resynchronization devices were reported; reoperation, multi-morbidity, long procedure, and ICD implantation. Conclusion: Our study is the first in Algeria to describe microbiological characteristics of ICD infection. The bacteria in the biofilm were protected, more resistant and tolerated high concentrations of antibiotics and thus played a major role in the development of ICD infections. Despite the improvements in ICD design and implantation techniques, ICD infection remains a serious challenge. Keywords: implantable cardiac devices, staphylococci, resistance, biofilm, hydrophobicity French title: Infections des dispositifs cardiaques implantables par des bactéries formant un biofilm dans les hôpitaux de l'ouest Algérien Contexte: L'augmentation significative de l'utilisation des dispositifs cardiaques implantables est un risque majeur d'augmentation du taux d'infection et donc du risque de formation d'un biofilm sur ce genre de dispositifs. L'objectif de notre étude est de décrire les résultats cliniques et microbiologiques de l'infection sur les dispositifs cardiaques implantables (DCI) dans les unités de cardiologie des hôpitaux de l'ouest Algérien. Méthodologie: Tous les patients cliniquement diagnostiqués avec une infection sur DCI, ou une endocardite infectieuse et ayant subit un retrait de leur dispositif cardiaque sont inclus dans cette étude et cela sur une période entre décembre 2012 et aout 2014 dans 4 unités de cardiologie. Chaque élément du DCI (boitier et sonde) est trempé séparément dans une solution saline stérile, ensemencé sur deux milieux de culture, un milieu de Chapman et un milieu MacConkey et incubé en aérobiose à 37°C pour la numération des colonies après 24 heures. L'identification biochimique des isolats de bactéries est effectuée par le API 20E, API 20 NE et API Staph, et confirmée par le système WalkAway® 96 Plus de Siemens Healthcare Diagnostics. Les tests de sensibilité aux antibiotiques de chaque isolat sont effectués par la méthode de diffusion des disques sur gélose de Mueller Hinton. La formation d'un biofilm est détectée par les méthodes de la gélose rouge du Congo (CRA) et de la plaque de culture tissulaire (TCP), et l'hydrophobicité de la cellule bactérienne est déterminée par le protocole MATH. Résultats: Sur une période de 21 mois, 17 DCI sont retirés de patients atteints d'infections postopératoires; 6 patients (35,3%) sont identifiés comme ayant une infection précoce sur leurs DCI et 11 patients (64,7%) ayant une infection tardive. Cinquante-quatre souches bactériennes sont isolées et identifiées, les staphylocoques à coagulase négative étant les bactéries prédominantes avec 46,3% (25/54). Il n'y a pas d'association significative entre l'hydrophobicité et la résistance aux antimicrobiens dans les 54 isolats, mais il existe une corrélation positive entre la production de biofilm et la résistance aux antimicrobiens, les plus puissants en biofilm sont résistant à plus d'un antibiotique. Quatre facteurs prédictifs indépendants d’infection des dispositifs cardiaques implantable sont retrouvés dans ce travail: ré-intervention, longue procédure, sujets multi-tarés, et implantation d’un DCI Conclusion: Notre étude est la première en Algérie à décrire les caractéristiques microbiologiques de l'infection des DCI. Les bactéries présentes dans le biofilm sont protégées, plus résistantes et tolèrent de fortes concentrations d'antibiotiques et jouent ainsi un rôle majeur dans le développement des infections par DCI. Malgré des améliorations dans les techniques de conception et d'implantation de DCI, l'infection des dispositifs cardiaques implantables reste un problème grave et très couteux. Mots-clés: dispositifs cardiaques implantables; staphylocoque; résistance; biofilm; hydrophobicité

La neurostimulation diaphragmatique est une technique de stimulation musculaire qui, par l’intermédiaire d’électrodes placées directement sur ou à proximité des nerfs phréniques, permet d’obtenir des contractions diaphragmatiques indépendamment de la coopération du sujet. Récemment, le développement technique de dispositifs de neurostimulation temporaire du diaphragme a ouvert la voie à une nouvelle ère dans la prise en charge des patients de réanimation. La combinaison de la ventilation mécanique en pression positive avec la neurostimulation du diaphragme permet de limiter ou éviter des effets délétères bien connus de la ventilation mécanique en pression positive. Le maintien d’une activité contractile du diaphragme pendant la ventilation pourrait limiter le risque d'atrophie et de dysfonction diaphragmatique, réduire le risque d’atélectasies, atténuer les lésions pulmonaires induites par la ventilation et limiter la baisse du débit cardiaque sous ventilation en pression positive. Enfin, des preuves expérimentales suggèrent que la neurostimulation diaphragmatique pourrait prévenir les lésions cérébrales associées à la ventilation mécanique. Dans cette revuegénérale inspirée d’une publication récente de notre groupe [1], nous nous proposons de décrire les récents développements techniques de la neurostimulation diaphragmatique et ses effets physiologiques potentiellement associés avec des bénéfices cliniques pour les patients de réanimation.

Les maladies cardiovasculaires représentent la principale cause de mortalité dans le monde, responsables d’environ 32% des décès en 2019 selon l’Organisation mondiale de la santé (OMS). Face à ces pathologies, la recherche médicale progresse continuellement pour développer des traitements et des dispositifs toujours plus performants. Parmi ces innovations, les stimulateurs cardiaques implantables jouent un rôle crucial dans le traitement des troubles du rythme cardiaque, en intervenant directement sur le cœur en cas de dysfonctionnement. Cependant, malgré leur importance, le développement de ces technologies reste lent et coûteux. Il faut souvent près d’une décennie entre la conception d’un prototype et sa mise sur le marché, ce qui retarde leur impact sur les vies humaines. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet européen collaboratif SimCardioTest (EU H2020), dont l’objectif est d’accélérer l’adoption d’outils numériques pour la certification de médicaments et de dispositifs médicaux, tels que les stimulateurs cardiaques implantables. L’un des objectifs principaux du projet est d’intégrer les simulations numériques sous la forme d’essais cliniques in silico dans le processus de certification, afin de rendre ce dernier plus rapide à l’aide d’une plateforme web standardisée. Au cours de cette thèse, plusieurs modèles mathématiques ont été développés et analysés, allant de modèles génériques tridimensionnels à des modèles simplifiés sans dimension spatiale. Tous ces modèles comprennent un circuit électrique inspiré d’un stimulateur cardiaque commercial, des modèles de contacts reproduisant les couches ioniques à la surface des électrodes sous forme de circuits électriques équivalents, ainsi que des modèles de tissu cardiaque avec ou sans propagation spatiale de potentiels d’action cardiaque. La crédibilité de ces modèles est évaluée par des comparaisons avec des expérimentations animales menées durant la thèse, dans le but de démontrer leur capacité à reproduire des stimulations cardiaques réalistes. Ces comparaisons reposent principalement sur les tensions mesurées par les stimulateurs cardiaques et sur l’étude des courbes de seuil, aussi appelées courbes de Lapicque. Ces courbes, largement utilisées en clinique pour ajuster les stimulateurs, établissent la relation entre la durée et l’amplitude de la stimulation nécessaires pour provoquer une contraction cardiaque efficace. Elles permettent en particulier d’optimiser, en personnalisant individuellement, les réglages des stimulateurs, et ainsi de minimiser la consommation d’énergie, maximiser la durée de vie du dispositif, et ainsi améliorer le confort de vie des patients. L’adoption de modèles simplifiés sans dimension constitue une étape stratégique importante de cette thèse. Contrairement aux modèles spatiaux, très coûteux à résoudre numériquement, ces modèles sont plus simples à résoudre et ils ont permis de réaliser plusieurs études paramétriques, notamment pour effectuer une calibration à partir des données expérimentales. Des études supplémentaires de sensibilité, locales et globales, ont également été menées afin d’analyser l’influence et la pertinence des paramètres dans les modèles développés
Cardiovascular diseases are the world’s leading cause of death, responsible for around 32% of all deaths in 2019, according to the World Health Organization (WHO). Faced with these pathologies, medical research is making constant progress to develop ever more effective treatments and devices. Among these innovations, implantable pacemakers play a crucial role in the treatment of cardiac rhythm disorders, intervening directly on the heart in the event of malfunction. Despite, despite their importance, the development of these technologies remains slow and costly. It often takes almost a decade from early prototyping to market launch, delaying their impact on human lives. This thesis is part of the European collaborative project SimCardioTest (EU H2020), which aims to accelerate the adoption of numerical tools for the certification of drugs and medical devices, such as implantable pacemakers. One of the main goals of the project is to integrate numerical simulations in the form of in silico clinical trials on a standardized web plateform in oirder to speed up thecertification process. During of this thesis, several mathematical models were developed and analyzed, ranging from generic three-dimensional models to simplified models with no spatial dimension. All these models include a electrical circuit inspired by a commercial pacemaker, contact models representing the ionic layers on electrode surfaces as equivalent electrical circuits, and cardiac tissue models with or without spatial propagation of cardiac action potentials. The credibility of these models is assessed through comparisons with animal experiments conducted during the thesis, with the aim of demonstrating their ability to reproduce realistic cardiac stimulations. These comparisons are based mainly on the voltages measured by pacemakers and on the study of threshold curves, also known as Lapicque curves. These curves, widely used clinically to adjust pacemakers, establish the relationship between stimulation duration and amplitude required to induce an effective cardiac contraction. In particular, they enable pacemaker settings to be optimized through individual customization, thereby minimizing energy consumption, maximizing device life, and therefore improving patient’s life quality. The adoption of simplified dimensionless models is an valuable strategic step in this thesis. Unlike spatial models, which are very costly to solve numerically, these models are simpler to solve and have enabled several parametric studies to be carried out, in particular to perform calibration using experimental data. Additional sensitivity studies, both local and global, were also carried out to analyze the influence and relevance of the parameters in the developed models

Le pontage coronarien à coeur battant est réalisé grâce à l'utilisation de stabilisateurs cardiaques qui visent à réduire le mouvement de la zone à opérer. Les performances de ces dispositifs passifs sont loin d'être suffisantes. Nous proposons dans cette thèse le principe de stabilisation active. Ce principe consiste à doter les stabilisateurs cardiaques d'actionneurs et à annuler le mouvement résiduel évalué par des mesures extéroceptives grâce à une loi de commande performante. L'interaction entre le muscle cardiaque et un stabilisateur passif est tout d'abord analysée. Ensuite, deux stabilisateurs cardiaques actifs, basés sur l'utilisation de liaisons compliantes et d'un actionnement piézoélectrique, sont proposés. Finalement, la méthodologie H_infini est adoptée afin de synthétiser des lois de commande performantes pour la stabilisation active. Nous proposons notamment une loi de commande prédictive intégrant un algorithme original de prédiction du mouvement du coeur
Beating heart artery bypass grafting is nowadays possible thanks to the use of passive mechanical stabilizers. These devices however exhibit an important residual motion, incompatible with the required surgical accuracy. In this work, the active stabilization approach is proposed: actuation is integrated in the cardiac stabilizer, and the residual motion of the area of interest is canceled using an exteroceptive measurement to feed a control loop. First the interaction between the myocardium and a passive stabilizer is analyzed. Then two active stabilizers, composed of compliant joints and piezo actuators, are proposed. Finally, The H_infinity methodology is used to design efficient control laws in order to achieve the stabilization of the area of interest. A predictive controller using a novel prediction algorithm is highlighted

L’assistance ventriculaire constitue une voie thérapeutique prometteuse de l’insuffisance cardiaque terminale. En dépit des progrès, notamment dans le développement des assistances de type shunt ventriculo-aortique, les écueils relatifs à l’encombrement, à l’alimentation et/ou aux interactions avec le sang de ces dispositifs limitent leur application clinique. Récemment, le concept de Compression Cardiaque Directe (DCC) apparaît comme une piste prometteuse en palliant les difficultés sus-citées. Dans ce travail de thèse, nous avons mis l’accent sur la conception et le test de faisabilité d’une solution de Compression Cardiaque Directe de type mécanique et entièrement implantable appelée l’Exosquelette Cardiaque. Notre travail expérimental a porté, dans un premier temps, sur la conception assistée par ordinateur et sur la modélisation numérique permettant ainsi d’optimiser et de prédire (i) les interactions tissus myocardiques/dispositifs et (ii) les pressions ventriculaires générées. Ensuite, un prototype fonctionnel a été réalisé par fabrication additive (titane, polymères) en s’appuyant sur les données issues de la modélisation et en respectant les contraintes énergétiques, mécaniques et architecturales anatomiques. Enfin, nous avons conduit une phase d’évaluation du potentiel de ce dispositif original sur un modèle de cœur ex vivo. Nous avons pu concevoir et valider un modèle numérique fondé sur le principe des éléments finis. Ce modèle à la fois simple et robuste, a permis de simuler (i) l’impact des points de fixation du dispositif sur le tissu cardiaque, (ii) l’efficacité de la compression externe sur la genèse des pressions intraventriculaires et (iii) l’influence de la compression mécanique externe sur le tissu cardiaque. Le prototype issu de ce travail de thèse a pu produire des résultats prometteurs concernant (i) la restauration physiologique de la pression intraventriculaire, (ii) la consommation énergétique suffisamment basse et (iii) le design compatible avec les contraintes anatomiques thoracique. L’ensemble de ces résultats esquissent la possibilité d’une implantation totale de l’Exosquelette Cardiaque chez le patient
Ventricular assistance is a promising therapeutic pathway for terminal chronic heart failure. Notwithstanding the progress made for the development of aorto-ventricular shunt pump among other things, the difficulties relatives to footprint, power supply and/or blood-device interactions are somehow limiting their clinical applications. Recently, direct cardiac compression (DCC) was suggested as a promising lead to overcome the difficulties mentioned above. In this work, we focused on the design and the feasibility of an implantable and mechanical Direct Cardiac Compression device called: The Cardiac Exosqueleton. Our experimental work used Computer Assisted Design (CAD) and numerical modeling to optimize and predict (i) tissue-device interactions and (ii) pressure generation inside ventricular cavities. Then, a functional prototype was realized by additive manufacturing (titanium, polymer) with the help of modeling data and with respect to the anatomical, mechanical and energetical limitations. Finally, we conducted an evaluation of the ability of our device on both in vitro setup and ex vivo heart. We were able to conceive and validate a numerical model based on finite element techniques. This simple yet robust model allowed us to study (i) the impact of suture fixation of a device at the apex of the heart, (ii) the influence of the direct cardiac compression on intracardiac pressures and (iii) overall and local tissue stress in the myocardium. Our prototype showed promising results concerning (i) the restoration of physiological intraventricular pressures, (ii) a low energy consumption and (iii) a shape that is compatible with the thoracic anatomical constraints. All of these results allow us to envision a total implantation of the cardiac exoskeleton into the patient

Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet Mivana, est consacrée à la modélisation et à la simulation numérique de dispositifs cardiaques implantables. Ce projet est mené par les start-up Kephalios et Epygon, concepteurs de solutions chirurgicales non invasives pour le traitement de la régurgitation mitrale. La conception et la simulation de tels dispositifs nécessitent des méthodes numériques efficaces et précises capables de calculer correctement l’hémodynamique cardiaque. C’est le but principal de cette thèse. Dans la première partie, nous décrivons le système cardiovasculaire et les valves cardiaques avant de présenter quelques éléments de théorie concernant la modélisation mathématique de l’hémodynamique cardiaque. En fonction du degré de complexité adopté pour la modélisation des feuillets de la valve, deux approches sont identifiées : le modèle de surfaces résistives immergées et le modèle complet d’interaction fluide-structure. Dans la deuxième partie, nous étudions la première approche qui consiste à combiner une modélisation réduite de la dynamique des valves avec un découplage cinématique de l’hémodynamique cardiaque et de l’électromécanique. Nous l’enrichissons de données physiologiques externes pour la simulation correcte des phases isovolumétriques, pierres angulaires du battement cardiaque, permettant d’obtenir un modèle relativement précis qui évite la complexité des problèmes entièrement couplés. Ensuite, une série d’essais numériques sur des géométries 3D physiologiques, impliquant la régurgitation mitrale et plusieurs configurations de valves immergées, illustre la performance du modèle proposé. Dans la troisième et dernière partie, des modèles complets d’interaction fluide-structure sont considérés. Ce type de modélisation est nécessaire pour étudier des problèmes plus complexes où la précédente approche n’est plus satisfaisante, comme par exemple le prolapsus de la valve mitrale ou la fermeture d’une valve mécanique. D’un point de vue numérique, le développement de méthodes précises et efficaces est indispensable pour pouvoir simuler de tels cas physiologiques. Nous considérons alors une étude numérique complète dans laquelle plusieurs méthodes de maillages non compatibles sont comparées. Puis, nous présentons un nouveau schéma de couplage explicite dans le cadre d’une méthode de type domaine fictif pour lequel la stabilité inconditionnelle au sens de la norme en énergie est démontrée. Plusieurs exemples numériques en 2D sont proposés afin d’illustrer les propriétés et les performances de ce schéma. Enfin, cette méthode est finalement utilisée pour la simulation numérique 2D et 3D de dispositifs cardiovasculaires implantables dans un modèle complet d’interaction fluide-structure
This thesis, taking place in the context of the Mivana project, is devoted to the modeling and to the numerical simulation of implantable cardiovascular devices. This project is led by the start-up companies Kephalios and Epygon, conceptors of minimally invasive surgical solutions for the treatment of mitral regurgitation. The design and the simulation of such devices call for efficient and accurate numerical methods able to correctly compute cardiac hemodynamics. This is the main purpose of this thesis. In the first part, we describe the cardiovascular system and the cardiac valves before presenting some standard material for the mathematical modeling of cardiac hemodynamics. Based on the degree of complexity adopted for the modeling of the valve leaflets, two approaches are identified: the resistive immersed surfaces model and the complete fluidstructure interaction model. In the second part, we investigate the first approach which consists in combining a reduced modeling of the valves dynamics with a kinematic uncoupling of cardiac hemodynamics and electromechanics. We enhance it with external physiological data for the correct simulation of isovolumetric phases, cornerstones of the heartbeat, resulting in a relatively accurate model which avoids the complexity of fully coupled problems. Then, a series of numerical tests on 3D physiological geometries, involving mitral regurgitation and several configurations of immersed valves, illustrates the performance of the proposed model. In the third and final part, complete fluid-structure interaction models are considered. This type of modeling is necessary when investigating more complex problems where the previous approach is no longer satisfactory, such as mitral valve prolapse or the closing of a mechanical valve. From the numerical point of view, the development of accurate and efficient methods is mandatory to be able to compute such physiological cases. We then consider a complete numerical study in which several unfitted meshes methods are compared. Next, we present a new explicit coupling scheme in the context of the fictitious domain method for which the unconditional stability in the energy norm is proved. Several 2D numerical examples are provided to illustrate the properties and the performance of this scheme. Last, this method is finally used for 2D and 3D numerical simulation of implantable cardiovascular devices in a complete fluid-structure interaction framework