DS0404 - Innovation biomédicale

Implants cardiaques autonomes intégrant un générateur d'énergie piézoélectrique miniaturisé fiable et robuste – LAUREAT

Implants cardiaques autonomes sans fils intégrant un récupérateur d’énergie piézoélectrique miniaturisé, fiable et robuste

Ce projet a pour objectif de développer des dispositifs compacts de récupération d'énergie fiables et robustes pour permettre l'autonomie en énergie à très long terme des implants cardiaques dits «leadless«, c'est à dire sans sonde.

Une durée de vie augmentée

Actuellement, les implants cardiaques sont alimentés par des piles qui permettent d'atteindre une autonomie de 7 à 9 ans. <br />Le dispositif compact de récupération d'énergie développé dans ce projet aura une durée de vie supérieure à 20 ans. Il permettra de réduire le nombre d'opérations chirurgicales de remplacement, augmentant ainsi le confort du patient et réduisant les risques et les coûts associés. La compacité du dispositif de récupération d'énergie permettra également de miniaturiser les implants à l'extrême.

Il s'agit d'utiliser une infime partie de l'énergie mécanique du coeur humain et de la convertir en énergie électrique, cette énergie étant ensuite utilisée pour alimenter les circuits électroniques de l'implant cardiaque.
La conversion d'énergie mécanique en électricité est réalisée à l'aide de matériaux piézoélectriques intégrés dans un résonateur miniature excité par à très basse fréquence par les mouvements du coeur.

Plusieurs micro-structures piézoélectriques ont été conçues et réalisées, puis testées en laboratoire avant de faire l'objet de tests pré-cliniques. Ces tests ont permis de confirmer les excellentes performances des microstructures étudiées.
Parallèlement, un lot d'échantillons a subi des tests de vieillissement accéléré, permettant d'identifier les principaux risques de défaillance après l'équivalent de plusieurs centaines de millions de battements cardiaques.

Les échantillons d'une deuxième génération de micro-dispositifs, optimisée à l'aide de modèles à éléments finis, sont en cours de fabrication.
Cette deuxième génération, d'une fiabilité et d'une durabilité accrues, devaient permettre d'assurer le fonctionnement du pacemaker sans sonde au delà du milliard de battements cardiaques, ce qui correspond à une durée supérieure à 25 ans.

S. Maaroufi et al., «Reliability study of Piezoelectric Structures Dedicated to Energy Harvesting by the Way of Blocking Force Investigation«, PowerMEMS 2015, Boston

S. Maaroufi et al., «Reliability Study of Piezoelectric Energy Harvesting Micro Devices for cardiac implants«, JNRSE 2015, Orsay

S. Maaroufi et al., «Caractérisation électromécanique de structures piézoélectriques bimorphes par mesure de force de blocage«, 7ème Colloque Interdisciplinaire en Instrumentation, Jan 2016, Saint-Nazaire

Trioux, E., Mortier, Q., Rufer, L., Basrour, S., «Low frequency piezoelectric bimorph cantilever for heart beat vibration energy scavenging«, 6èmes Journées Nationales sur la Récupération et le Stockage d'Energie (JNRSE’2016), 9-10 March 2016, Bordeaux

Ce projet s’inscrit dans les recherches et développements actuels dans le domaine du traitement des insuffisances cardiaques, et plus spécifiquement dans le domaine des pacemakers leadless.
Les pacemakers actuels ont un volume assez restreint, de l’ordre de 8 cm3, mais leur utilisation requiert l’installation de fils, appelés « leads », qui relient le pacemaker aux zones stimulées électriquement à l’intérieur du cœur. Ces fils, ou leads, sont souvent désignés comme étant le point faible des pacemakers. Problèmes qui peuvent survenir : débranchement de lead, détérioration, infection de lead, perforation cardiaque, dissection du sinus coronaire, thrombose, blessure de valve cardiaque. Des défaillances dues aux leads surviennent dans 21% des cas sur les 10 années qui suivent l’implantation du pacemaker.
Les progrès réalisés dans le domaine de la microélectronique et des micro-capteurs permettent à présent d’intégrer tous les composants du pacemaker dans un volume réduit à l’extrême (<1 cm3). Un tel pacemaker peut être directement implanté dans une cavité cardiaque sans utiliser de leads. Ce type de pacemaker est ainsi appelé pacemaker leadless. Les pacemakers leadless vont très certainement révolutionner les prochaines générations de pacemakers. Outre l’intérêt de supprimer les leads, ces dispositifs permettent de simplifier la procédure d’implantation, d’où une réduction des coûts et une amélioration du confort du patient.
Plusieurs sociétés telles que Sorin, Medtronic, St Jude Medical et EBR System développent leur propre solution sur la base de briques technologiques matures, excepté la source d’énergie.
D’après l’état de l’art actuel des piles au lithium, une pile de 0,6 cm3 pourrait durer de 7 à 9 ans. Bien que le remplacement de pile soit chose courante dans le cas des pacemakers classiques, l’opération s’avère beaucoup plus délicate dans le cas des pacemakers leadless. Une solution pourrait consister à implanter une nouvelle capsule en remplacement d’une capsule usée. Cependant, le volume occupé par plusieurs implants à l’intérieur du cœur pourrait perturber son fonctionnement. Aussi, utiliser un microgénérateur à très longue durée de vie au lieu de piles constitue une solution particulièrement attractive.
Dans un précédent projet, la société Sorin a démontré avec ses partenaires la faisabilité technique d’un microgénérateur piézoélectrique basé sur la récupération d’énergie mécanique du cœur, capable de délivrer une puissance suffisante pour alimenter un pacemaker.
Avec des objectifs scientifiques concentrés sur la fiabilité et la robustesse du micro-générateur piézoélectrique, le projet LAUREAT vise à développer une brique technologique fondamentale pour aller vers l’industrialisation d’implants cardiaques à très grande durée de vie.
Pour atteindre cet objectif, plusieurs verrous doivent être levés : la fiabilité à long terme des matériaux et systèmes piézoélectriques, l’effet du vieillissement des matériaux sur les performances du dispositif, la conception pour la fiabilité, la reproductibilité de fabrication de nouveaux matériaux (à la frontière entre matériaux massifs et couches épaisses). Atteindre des coûts de production compétitifs fait également partie des défis du projet.
Le démonstrateur du projet portera sur une nouvelle technologie de micro-générateur piézoélectrique permettant de produire de l’énergie électrique à partir des mouvements du cœur. Sa conception permettra efficacité optimale tout en garantissant une fiabilité et une robustesse inégalées. Le projet LAUREAT contribuera ainsi à ouvrir la voie vers l’industrialisation de pacemakers leadless sans pile, totalement autonomes en énergie. L’objectif final est de réaliser à une source d’énergie dont la durée de vie sera supérieure à 20 ans (au lieu de 9 ans pour les piles au lithium), évitant ainsi des opérations chirurgicales de remplacement de la pile et contribuant à renforcer la compétitivité de l’industrie des dispositifs médicaux en France et en Europe.

Coordinateur du projet

Monsieur Elie LEFEUVRE (Institut d'Electronique Fondamentale)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

UPSud/IEF Institut d'Electronique Fondamentale
VERMON VERMON SA
TIMA Laboratoire des Techniques de l'Informatique et de la Microélectronique pour l'Architecture des systèmes intégrés
SORIN SORIN CRM SAS

Aide de l'ANR 678 869 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 24 Mois

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