Abbott Laboratories utilise la simulation numérique tout au long du processus de conception de ses dispositifs d'assistance ventriculaire gauche (LVAD). Le fabricant fait confiance aux outils de Comsol pour caractériser différents aspects du fonctionnement de ses DM : des effets thermiques et des écoulements jusqu'au transfert de puissance.

Par Sarah Fields, ingénieur marketing chez Comsol

L’insuffisance cardiaque commence généralement au niveau du ventricule gauche car il est chargé de pomper le sang riche en oxygène dans tout le corps sur une plus grande distance que le ventricule droit, lequel pompe le sang dans les poumons. Souvent, chez les patients dont le ventricule gauche fonctionne mal, un LVAD (Figure 1) peut apporter une assistance circulatoire mécanique.

Ce type de dispositif est un implant des plus complexes. Il doit faire circuler l'ensemble du flux sanguin et maintenir le patient en vie, tout en étant compatible avec l'environnement interne du corps humain. Thoratec, une société faisant partie du groupe Abbott, a largement démocratisé les LVAD en 2010, après des années d'essais cliniques.

Des défis de taille en matière de simulation

La conception d'un LVAD doit tenir compte de nombreux facteurs. Le dispositif doit déjà être suffisamment petit pour pouvoir être raccordé au cœur. Il faut aussi que sa géométrie et le matériau dont il est composé lui permettent d’être logé dans le corps sans être rejeté. Les écoulements des fluides, l'alimentation électrique et la gestion thermique doivent également être prises en compte. Comme de nombreux effets physiques interagissent à chaque étape du développement, la simulation multiphysique est essentielle au processus de conception.

Freddy Hansen, chercheur-physicien chez Abbott, utilise son expertise en physique et en modélisation mathématique pour caractériser les dispositifs médicaux implantables complexes comme les LVAD avant les études expérimentales. Il fait appel au logiciel Comsol Multiphysics depuis 2011, avec lequel il a créé plus de 230 modèles qui répondent à un large éventail de défis de conception relatifs à la physique spécifique aux dispositifs de pompage artificiel. « J'utilise Comsol Multiphysics tous les jours, qu'il s'agisse de travailler sur des modèles de validation de concept ou sur des simulations très sophistiquées comportant des géométries CAO détaillées et des couplages physiques », explique-t-il. « J’explore certains modèles complexes pendant des mois avant d'en tirer toutes les informations souhaitées. »

Figure 2 - Le LVAD se compose d'une pompe reliant le ventricule gauche à l'aorte ascendante et d'un contrôleur externe.

Chaque nouvelle génération de LVAD apporte des progrès en matière de sécurité et de qualité de vie du patient. Les efforts de R&D d'Abbott sont axés sur l'amélioration de la biocompatibilité, de l'hémocompatibilité et de l'immunocompatibilité, afin que le dispositif ne provoque pas de réaction immunitaire indésirable et n'interfère pas avec d'autres systèmes corporels.

La géométrie et la taille du dispositif jouent un rôle important dans son efficacité globale. Pour l’implanter, le chirurgien relie l’une de ses extrémités au ventricule gauche et l'autre à l'aorte ascendante (Figure 2). Plus le dispositif est petit, moins il risque d'interférer avec les organes ou les tissus voisins. La simulation permet d'évaluer les modifications de sa taille ou de sa géométrie avant la réalisation d'un prototype physique.

Optimiser la conception pour la biocompatibilité

De nombreuses simulations ont été utilisées pour le développement de la pompe centrifuge du LVAD, qui représente plusieurs défis d’ingénierie. L’un d’eux concerne la prévention de la coagulation du sang dans tous les espaces à l'intérieur ou autour de la pompe. Dans cette optique, un rotor en lévitation magnétique a été mis au point, ce qui a permis d'éliminer les roulements à billes et autres composants dont la géométrie pouvait favoriser la coagulation. Freddy Hansen a utilisé l’interface de machines tournantes disponible dans le logiciel pour simuler à la fois le rotor et l'écoulement turbulent du fluide.

Visualisation de l'amplitude et de la direction des champs magnétiques dans le rotor et dans le stator.

Un aimant permanent dans le rotor est mobilisé par des bobines dans le stator. Celui-ci imprime un couple sur le rotor et assure un contrôle actif de la position de son axe. La position verticale - ou lévitation - du rotor est obtenue par la tension des lignes de champ magnétique et ne nécessite pas de contrôle actif.

Le rotor reçoit le sang axialement et le redirige radialement dans la volute ou collecteur de fluide (Figure 3). Une partie du sang s'écoule en arrière et autour du bord extérieur du rotor et revient dans l'entrée du rotor, ce qui entraîne un nettoyage constant, éliminant ainsi les endroits où le sang peut stagner et coaguler.

Figure 3 - Schéma de la pompe centrifuge du LVAD.

Une autre avancée significative a été le développement d'un système de pompe à débit pulsé, plutôt qu'à débit continu, qui imite au plus près le fonctionnement du cœur. Le débit pulsé facilite le nettoyage du sang, ce qui permet de limiter la formation de caillots sanguins. Il semble également qu'il ait un effet physiologique positif sur les vaisseaux sanguins dans tout le corps.

Alimentation du LVAD sans fil

Les LVAD actuels nécessitent une alimentation électrique à partir de batteries situées à l’extérieur du corps dans un contrôleur externe. Ces batteries sont reliées à la pompe par un câble fabriqué avec des matériaux biocompatibles.

Freddy Hansen a étudié le transfert d'énergie électrique d’une source vers un dispositif via un couplage par résonance magnétique. Cela est possible grâce à l'interaction de champs magnétiques oscillants, même au travers d’un tissu biologique.

Un système LVAD entièrement implantable, avec une alimentation sans fil, diminuerait le risque d'infection et améliorerait la qualité de vie du patient, qui pourrait prendre des douches sans se poser de question, par exemple.

Pour évaluer la faisabilité du transfert d'énergie sans fil vers un LVAD et déterminer la quantité d'énergie pouvant être délivrée entre des bobines de taille raisonnable, Freddy Hansen a simulé le couplage entre le modèle d’un dispositif générant un champ magnétique 3D et un modèle de circuit électrique. Cela a permis de déterminer l'efficacité de fonctionnement et la perte d'énergie, ainsi que la conception optimale du circuit et les paramètres des composants.

Figure 4 - Modèle d'échauffement induit dans le corps par transfert de puissance magnétique. Les résultats montrent la distribution de la densité de puissance dans le tissu et l'air environnant.

Il a évalué différents matériaux pour les composants importants, comme les fils des bobines du transformateur. Il a également étudié le potentiel désalignement d'une bobine provoqué par la marche, la course ou d'autres activités, ainsi que l'effet de la présence d'objets magnétiques ou métalliques à proximité du patient.

Les ingénieurs ont également dû s'assurer que la température du corps et les systèmes biologiques ne seraient pas affectés par l'implant sans fil. Le transfert d'énergie induit en effet de petits courants électriques dans les tissus corporels à proximité des bobines. Freddy Hansen a modélisé la chaleur générée dans les tissus par ces courants. Il a combiné cette modélisation avec celle de la chaleur générée à l'intérieur de l'implant (dans les fils magnétiques, l'électronique et les piles), puis a utilisé le coefficient de conductivité thermique déterminé à partir d'une célèbre expérience de la Cleveland Clinic, pour estimer l'augmentation de la température des tissus corporels à proximité de l'implant (Figure 4).

Figure 5 - Simulation d'impact d'une bille d'acier sur le boitier du contrôleur du LVAD pour sa résilience.

Protéger les batteries vitales

Le contrôleur externe du dispositif, qui intègre les batteries, doit être capable de résister à l'usure du temps, ainsi qu'à des chutes occasionnelles sur le sol. Pour s'en assurer Freddy Hansen a développé une analyse d'impact mécanique du contrôleur afin d'évaluer sa résilience (Figure 5).

Il a également analysé les parois et le cadre du contrôleur lorsque le boiter subit des torsions. L'analyse a prouvé qu’il continuerait à fournir une alimentation vitale au LVAD, même après un impact important.

En conclusion, l'analyse multiphysique s'est avérée essentielle dans la conception des dispositifs LVAD d'Abbott. Elle a permis à Freddy Hansen de combiner caractérisation expérimentale et modélisation mathématique pour comprendre les physiques en jeu dans ce genre de dispositif et d'améliorer leur biocompatibilité ainsi que l'expérience globale du patient.

[Source des illustrations : Abbott Laboratories]

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