Chirurgie Cardiaque à Cœur Battant

Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de l Université Louis Pasteur Strasbourg I Discipline : Electronique, Electrotechnique, Automatique Spécialité : Robotique par Wael Bachta Chirurgie Cardiaque à Cœur Battant Conception et commande d un stabilisateur cardiaque actif Soutenue publiquement le 9 décembre 2008 Membres du Jury Directeur de Thèse : JacquesGangloff, Professeur, ULP, Strasbourg Rapporteur Externe : GuillaumeMorel, Professeur, Université de Pierre et Marie Curie, Paris Rapporteur Externe : FrançoisPierrot, Directeur de Recherche CNRS, LIRMM, Montpellier Rapporteur Interne : Rémy Willinger, Professeur, ULP Examinateur : TobiasOrtmaier, Professeur, Université Leibniz, Hannovre Examinateur : PierreRenaud, Maître de Conférences, INSA, Strasbourg Invité : EdouardLaroche, Professeur, ULP, StrasbourgRemerciements Ma gratitude va tout dabord à lensemble des membres du jury, qui mont fait lhonneur daccepterdévaluermathèseetplusparticulièrementà messieursGuillaumeMoreletFrançois Pierrot, pour lintérêt quils ont témoigné à légard de mon travail en consentant à en être les rapporteurs. Je remercie très sincèrement Jacques, mon directeur de thèse, de mavoir offert lopportu nité de travailler sur une thématique aussi passionnante. Tes connaissances pluridisciplinaires, tes conseils avisés, ta grande disponibilité et ton soutien infaillible tout au long de ma thèse montétéduneprécieuseaide.Jaiégalementbeaucoupappréciédepartagertonenthousiasme et ton désir dinnovation. Et puis un grand merci à toi Pierre. Je te remecrcie de ta grande patience au tout début de mathèse,lorsquetuminitiaisàlaconceptionmécanique,puisdetesconstantsencouragements et conseils, de ton profond investissement et de ta grande disponibilité tout au long de ces trois années,etcejusquedansladernièrelignedroite.Tuétaistoujourspartantpourdonneruncoup de main, toujours disponible pour relire un article. Létendue de tes compétences, ta force de proposition et ta grande rigueur mont permis de progresser et de faire avancer ce projet, tandis que ta gentillesse et ta bonne humeur ont rendu notre collaboration très plaisante. Je remercie égalementEdouardde sa contribution sur lesaspectsrelevant de lautomatique. Tes vastes connaissances mont aidé à progresser très rapidement sur des techniques avancées de lautomatique, et cela dans un cadre de travail agréable. Merci à Sophie, ma tutrice pédagogique, qui ma accueilli avec beaucoup de gentillesse à lIUTdeHaguenau.Sabonnehumeuretsesconseilsjudicieuxontaccompagnéetfacilitémes premiers pas de moniteur. JeremercietouslescollèguesdeléquipeAVRpourlabonneambiance,enparticulier"lesvieux" (Florent, Philippe et Laurent), pour leurs conseils, leur aide et les bons moments passés dans leur bureau. Merci à Michel de Mathelin, de mavoir accueilli au sein de son équipe. JeremercielensembledescollèguesdelIRCADpourlenvironementdetravailtrèsagréable. Merci à Antonello et Alain pour les inoubliables expériences in vivo. Jeremerciemesamispourleursoutien,plusparticulièrementCarine,Julie,Virginie,Hamza et Jean Louis pour leur présence le jour de ma soutenance. Merciàmesparentsetmapetitesoeur,pourleuramouretleursoutieninconditionnel.Merci à papa, qui est venu assister à ma soutenance. Enfin, un grand merci à toi Barbara pour mavoir soutenu et encouragé avec abnégation. Merci de ton attention et merci davoir partagé avec moi les moments de joie comme les mo ments de doute. 12Table des matières Introduction 7 1 État de lart et contributions 11 1.1 Anatomie, fonctionnement et pathologies du cœur . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 Revascularisation des coronaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.1 Angioplastie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.2 Pontage coronarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.2.3 Angioplastie ou pontage coronarien? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.3 Techniques de pontage coronarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.1 Pontage coronarien sur un cœur à larrêt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.2 Pontage coronarien à cœur battant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.4 Compensation robotisée des mouvements physiologiques . . . . . . . . . . . . . . 27 1.4.1 Compensation du tremblement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.4.2 Compensation des mouvements dûs à la respiration . . . . . . . . . . . . . 28 1.4.3 Compensation du mouvement cardiaque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.5 Contributions de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2 Analyse et prédiction du comportement cardiaque 37 2.1 Analyse des efforts cardiaques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.1.1 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.1.2 Rappel des propriétés du mouvement cardiaque . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.1.3 Propriétés des efforts cardiaques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.2 Comportement viscoélastique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.2.1 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.2.2 Analyse des données expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.3 Prédiction du mouvement cardiaque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.3.1 État de lart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.3.2 La modulation damplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.3.3 Comparaison des résultats de prédiction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3Table des matières 2.3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3 Conception de stabilisateurs cardiaques actifs 71 3.1 Contexte de conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.2 Choix technologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.2.1 Mécanismes compliants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.2.2 Actionnement piézoélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.3 Stabilisateur à un degré de liberté : Cardiolock 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.3.1 Choix de la cinématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.3.2 Dimensionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.3.3 Analyse du comportement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.3.4 Validation expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.4 Stabilisateur à deux degrés de liberté : Cardiolock 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.4.1 Cinématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.4.2 Dimensionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.4.3 Analyse du comportement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.4.4 Validation expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4 Commande dun stabilisateur cardiaque actif 107 4.1 Méthodologie de commande et danalyse de la robustesse . . . . . . . . . . . . . 108 4.1.1 CommandeH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108∞ 4.1.2 –analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.2 Modélisation et identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.2.1 Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.2.2 Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.3 Synthèse de lois de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 4.3.1 Correcteur sans connaissance a priori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.3.2 Correcteur avec connaissance de la fréquence cardiaque . . . . . . . . . . 125 4.3.3 Correcteur avec utilisation dun modèle du mouvement cardiaque . . . . . 127 4.3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.4 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 4.5 Expérience in vivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Conclusion 143 4Liste des publications 147 Bibliographie 149 5Table des matières 6Introduction Malgré une prise de conscience récente, les déséquilibres alimentaires et la forte consom mation de graisses ont de graves conséquences dans les sociétés occidentales. Les pathologies cardiaques sont par exemple en constant développement avec un nombre important de cas de sténosedesartèrescoronaires,i.e.unrétrécissementdesartèresalimentantlemusclecardiaque. Sensuit alors lischémie du myocarde, un manque doxygène du muscle cardiaque, voire un in farctus. Dans cette dernière situation, une personne sur deux décède dans les 24 heures qui suivent. A lheure actuelle, le pontage coronarien est la technique de référence pour rétablir une ir rigation correcte du myocarde. Ce geste chirurgical consiste à court circuiter la partie sténosée duneartèrecoronaireàlaidedungreffonartérielouveineuxprélevésurlepatient.Lapproche conventionnelle pour effectuer ce type dopération suppose le remplacement temporaire du sys tème cœur poumons par un appareil externe, qui assure loxygénat ion et la circulation san guine. Cela permet aux chirurgiens dopérer sur un cœur à larrêt. Lutilisation dune machine cœur poumons sest avérée dangereuse car elle peut entraîner de s séquelles postopératoires im portantes, telles que des complications neurologiques. On assiste donc au dév