stimulateur cardiaque

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Le stimulateur cardiaque est un dispositif biomédical électronique qui peut réguler le rythme cardiaque humain lorsque ses mécanismes de régulation naturels se détériorent. Il s'agit d'une petite boîte implantée chirurgicalement dans la cavité thoracique et comportant des électrodes en contact direct avec le cœur. Développé pour la première fois dans les années 1950, le stimulateur cardiaque a subi diverses modifications de conception et a trouvé de nouvelles applications depuis son invention. Aujourd'hui, les stimulateurs cardiaques sont largement utilisés, implantés chez des dizaines de milliers de patients chaque année.

Contexte

Le cœur est composé de quatre chambres, qui forment deux pompes. La pompe droite reçoit le sang revenant du corps et le pompe vers les poumons. La pompe gauche extrait le sang des poumons et le pompe vers le reste du corps. Chaque pompe est composée de deux chambres, une oreillette et un ventricule. L'oreillette recueille le sang entrant. Lorsqu'il se contracte, il transfère le sang vers le ventricule. Lorsque le ventricule se contracte, le sang est pompé loin du cœur.

Dans un cœur fonctionnant normalement, l'action de pompage est synchronisée par la région du stimulateur cardiaque, ou nœud sino-auriculaire, qui est situé dans l'oreillette droite. Il s'agit d'un stimulateur cardiaque naturel qui a la capacité de créer de l'énergie électrique. L'impulsion électrique est créée par la diffusion d'ions calcium, d'ions sodium et d'ions potassium à travers la membrane des cellules dans la région du stimulateur cardiaque. L'impulsion créée par le mouvement de ces ions est d'abord transférée aux oreillettes, les obligeant à se contracter et à pousser le sang dans les ventricules. Après environ 150 millisecondes, l'impulsion se déplace vers les ventricules, les obligeant à se contracter et à pomper le sang hors du cœur. Au fur et à mesure que l'impulsion s'éloigne de chaque chambre du cœur, cette section se détend.

Malheureusement, le stimulateur cardiaque naturel peut mal fonctionner, entraînant des battements cardiaques anormaux. Ces arythmies peuvent être très graves, provoquant des évanouissements, des crises cardiaques et même la mort. Les stimulateurs cardiaques électroniques sont conçus pour compléter les propres contrôles naturels du cœur et pour réguler les battements cardiaques lorsque ceux-ci se détériorent. Il est capable de le faire car il est équipé de capteurs qui surveillent en permanence le cœur du patient et d'une batterie qui envoie de l'électricité, en cas de besoin, via des fils conducteurs jusqu'au cœur lui-même pour stimuler le cœur à battre.

En plus des unités externes, des stimulateurs cardiaques artificiels peuvent être implantés de façon permanente dans la poitrine d'un patient. Cela se fait en guidant d'abord le fil à travers une veine et dans une chambre du cœur, où le fil est fixé. L'imagerie fluoroscopique permet de faciliter ce processus. Le stimulateur lui-même est ensuite placé dans une poche, qui est formée par chirurgie juste au-dessus du quadrant abdominal supérieur. Le fil conducteur est ensuite connecté au stimulateur cardiaque et la poche est cousue. Il s'agit d'une grande amélioration par rapport aux premières méthodes, qui nécessitaient l'ouverture de la cavité thoracique et la fixation des sondes directement sur la surface externe du cœur.

Historique

L'idée d'utiliser un appareil électronique pour assurer une régulation cohérente du rythme cardiaque n'était pas évidente au départ pour les premiers développeurs du stimulateur cardiaque. Le premier stimulateur cardiaque, développé par Paul Zoll en 1952, était une version portable d'un réanimateur cardiaque. Il avait deux fils conducteurs qui pouvaient être attachés à une ceinture portée par le patient. Il a été branché sur la prise murale la plus proche et a délivré un choc électrique qui a stimulé le cœur d'un patient victime d'une crise. Cette stimulation serait généralement suffisante pour que le cœur reprenne sa fonction normale. Bien que modérément efficace, ce stimulateur cardiaque précoce était principalement utilisé dans les situations d'urgence.

Entre 1957 et 1960, des améliorations significatives ont été apportées à l'invention originale de Zoll. Dans une tentative de réduire la quantité de tension nécessaire pour redémarrer le cœur et d'augmenter la durée pendant laquelle la stimulation électronique pouvait être accomplie, C. Walton Lillehei a fabriqué un stimulateur cardiaque qui avait des fils directement attachés à la paroi externe du cœur. Plus tard, en 1958, une batterie a été ajoutée comme source d'alimentation, rendant le stimulateur cardiaque vraiment portable, ce qui a permis aux patients d'être mobiles. Cela a également permis aux patients d'utiliser le stimulateur cardiaque en continu au lieu de seulement pour les urgences. Le stimulateur cardiaque de Lillehei était externe. William Chardack et Wilson Greatbatch ont inventé le premier stimulateur cardiaque implantable. Il a été implanté chez un patient vivant en 1960.

La technique moderne pour mettre un stimulateur cardiaque dans le cœur d'un patient a été développée par Seymour Furman. Au lieu d'ouvrir la cavité thoracique, il a utilisé une méthode consistant à insérer les sondes dans une veine et à les enfiler dans les ventricules. Avec les fils à l'intérieur du cœur, des tensions encore plus faibles étaient nécessaires pour réguler le rythme cardiaque. Cela a augmenté la durée pendant laquelle un stimulateur cardiaque pouvait être à l'intérieur d'une personne. Bien que sa méthode n'ait pas été largement utilisée au départ, à la fin des années 1960, la plupart des cardiologues étaient passés aux stimulateurs endocardiques de Furman. Depuis lors, des améliorations ont été apportées à leur conception, notamment des stimulateurs cardiaques plus petits, des batteries plus durables et des commandes informatiques.

Matières premières

Les matériaux utilisés pour construire les stimulateurs cardiaques doivent être pharmacologiquement inertes, non toxiques, stérilisables et capables de fonctionner dans les conditions environnementales du corps. Les différentes parties du stimulateur cardiaque, y compris le boîtier, la microélectronique et les dérivations, sont toutes fabriquées avec des matériaux biocompatibles. Typiquement, le boîtier est en titane ou en alliage de titane. Le plomb est également constitué d'un alliage métallique, mais il est isolé par un polymère tel que le polyuréthane. Seule la pointe métallique du plomb est exposée. Les circuits sont généralement constitués de semi-conducteurs en silicium modifiés.

Conception

De nombreux types de stimulateurs cardiaques sont disponibles. La Société nord-américaine de stimulation et d'électrophysiologie (NASPE) les a classés selon quelle cavité cardiaque est stimulée, quelle cavité est détectée, comment le stimulateur répond à un battement détecté et s'il est programmable. Malgré cette vaste gamme de modèles, tous les stimulateurs cardiaques sont essentiellement composés d'une batterie, de fils conducteurs et de circuits.

La fonction principale d'une pile de stimulateur cardiaque est de stocker suffisamment d'énergie pour stimuler le cœur avec une décharge électrique. De plus, il alimente également les capteurs et les dispositifs de chronométrage. Étant donné que ces batteries sont implantées dans le corps, elles sont conçues pour répondre à des caractéristiques spécifiques. Premièrement, ils doivent être capables de générer environ cinq volts de puissance, un niveau légèrement supérieur à la quantité requise pour stimuler le cœur. Deuxièmement, ils doivent conserver leur pouvoir pendant de nombreuses années. Un délai minimum est de quatre ans. Troisièmement, ils doivent avoir un cycle de vie prévisible, permettant au médecin de savoir quand un remplacement est nécessaire. Enfin, ils doivent pouvoir fonctionner lorsqu'ils sont hermétiquement fermés. Les batteries ont deux métaux qui forment l'anode et la cathode. Ce sont les composants de la batterie à travers lesquels la charge est transférée. Certains exemples incluent le lithium/iodure, l'oxyde de cadmium/nickel et les batteries nucléaires.

Les fils de stimulateur cardiaque sont des fils minces et isolés conçus pour transporter l'électricité entre la batterie et le cœur. Selon le type de stimulateur cardiaque, il contiendra soit une dérivation simple, pour les stimulateurs cardiaques simple chambre, soit deux dérivations, pour les stimulateurs cardiaques double chambre. Avec les battements constants du cœur, ces fils sont fléchis de façon chronique et doivent être résistants à la rupture. Il existe de nombreux styles de fils disponibles, avec des différences de conception principales trouvées à l'extrémité exposée. La plupart des sondes ont un embout à visser, ce qui permet de les ancrer à la paroi interne du cœur.

Le circuit est le centre de contrôle du stimulateur cardiaque. Vous trouverez ici des capteurs de surveillance cardiaque, des régulateurs de tension, des circuits de synchronisation, et des commandes programmables en externe. Le circuit est composé principalement de résistances, de condensateurs, de diodes et de semi-conducteurs. Les circuits de stimulateur cardiaque modernes sont une grande amélioration par rapport aux modèles précédents. Avec l'application des semi-conducteurs, les circuits imprimés sont devenus beaucoup plus petits. Ils nécessitent également moins d'énergie, produisent moins de chaleur et sont très fiables.

Le processus de fabrication

Les stimulateurs cardiaques sont des appareils électroniques sophistiqués. Par conséquent, certains fabricants s'appuient sur des fournisseurs externes pour fournir la plupart des composants. La construction d'un stimulateur cardiaque n'est pas un processus linéaire mais intégré. Les composants tels que la batterie, les câbles et les circuits sont construits individuellement, puis assemblés pour former le produit final.

Fabrication de la batterie

• 1 Le principal type de pile utilisé dans les stimulateurs cardiaques est une pile au lithium/iode. Une méthode utilisée par les fabricants pour fabriquer ces batteries consiste d'abord à mélanger l'iode et un polymère tel que la poly2-vinylpyridine (PVP). Ils sont chauffés ensemble, formant un complexe de transfert de charge en fusion. Ce liquide est ensuite versé dans une cellule préformée en forme de demi-lune qui contient les autres composants de la batterie, dont l'anode de lithium (charge positive) et un écran collecteur cathodique. Le mélange iode/polymère se solidifie en refroidissant pour former la cathode. Une fois la cathode formée, la batterie est hermétiquement scellée pour empêcher l'humidité de pénétrer.

Faire les leads

• 2 Les fils sont généralement composés d'un alliage métallique. Le fil est fabriqué par un processus d'extrusion dans lequel le métal est chauffé jusqu'à ce qu'il soit fondu, puis poussé à travers une ouverture de taille appropriée. Il est coupé, puis groupé avec de nombreux autres fils et traité avec un isolant polymère tel que le polyuréthane. Une extrémité des fils conducteurs est façonnée avec une pointe profilée et l'autre est équipée d'un connecteur de stimulateur cardiaque.

Fabrication de la carte mère

• 3 La carte mère contient tous les circuits électriques du stimulateur cardiaque, y compris les puces semi-conductrices, résistances, condensateurs et autres dispositifs. En utilisant une méthode complexe connue sous le nom d'hybridation, ces composants sont combinés pour former un seul circuit complexe. La construction commence par une petite planche (moins de 0,32 pouce carré [2 cm²]) dont la configuration électronique est tracée. Les composants appropriés sont mis en place sur la carte. Ils sont ensuite fixés à l'aide d'un nombre minimum de soudures.

Assemblage final et conditionnement

• 4 Lorsque toutes les pièces constitutives sont disponibles, l'assemblage final a lieu. Les circuits sont connectés à la batterie et les deux sont insérés dans le boîtier métallique. Le boîtier utilisé pour un stimulateur cardiaque est généralement formé à l'aide de titane ou d'un alliage de titane. Il est construit en plusieurs pièces qui sont scellées ensemble après l'introduction des autres composants du stimulateur cardiaque. Un raccord est également fixé au boîtier, fournissant un point de connexion pour les fils.
• 5 Les appareils finis sont ensuite conditionnés dans leur emballage final avec les accessoires. Après avoir été testés de manière exhaustive, ils sont ensuite envoyés aux distributeurs et enfin aux médecins.

Contrôle qualité

La qualité de chaque stimulateur cardiaque est assurée par des inspections visuelles et électriques tout au long du processus de production. Ces tests détecteront la plupart des défauts. Étant donné que les batteries doivent être absolument fiables, elles sont spécialement fabriquées et testées de manière exhaustive, ce qui augmente considérablement les coûts associés. La fonctionnalité de chaque stimulateur cardiaque fini est également testée avant sa mise en vente. Bon nombre de ces tests sont effectués dans des conditions environnementales variables, telles qu'une humidité excessive et un stress.

Les fabricants établissent leurs propres normes de qualité pour les stimulateurs cardiaques qu'ils produisent. Cependant, des normes et des recommandations de performance sont requises par diverses organisations médicales et agences gouvernementales. Aux États-Unis, les stimulateurs cardiaques sont classés comme dispositifs biomédicaux de classe III, ce qui signifie qu'ils nécessitent une approbation préalable à la commercialisation de la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis.

Le futur

Avec le nombre croissant de personnes âgées aux États-Unis, il est prévu qu'un plus grand pourcentage de la population aura besoin de stimulateurs cardiaques. Alors que les efforts de recherche se poursuivent, les futurs appareils promettent d'être plus durables, plus fiables et plus polyvalents. Les progrès de la technologie des batteries, tels que l'utilisation d'isotopes radioactifs pour l'alimentation, amélioreront sans aucun doute la longévité des stimulateurs cardiaques implantés. Les développements de la microélectronique devraient fournir des dispositifs encore plus petits et moins sujets aux interférences environnementales. Un développement de dernière minute dans le domaine est l'application de la technologie de stimulation cardiaque au cerveau. Dans ce système, les scientifiques connectent les fils conducteurs à un site spécifique du cerveau et le stimulent au besoin pour réguler le rythme cardiaque. Cet appareil s'est avéré particulièrement efficace pour calmer les tremblements associés à la maladie de Parkinson.