De l'aéronautique à la conception des valves cardiaques

Les personnes porteuses de valves cardiaques mécaniques ont besoin d'anticoagulants à vie, en raison du risque accru de formation de caillots sanguin lié aux turbulences. En s’inspirant de méthodes mathématiques utilisées en aéronautique, des ingénieurs suisses ont identifié la cause des turbulences. Ils proposent de revoir la conception, ancienne, de ces valves.

^{Time evolution (from left to right) of systolic turbulent blood flow past a bileaflet mechanical heart valve.}

Plus de 100 000 personnes reçoivent chaque année des valves cardiaques mécaniques. Ce dispositif est composé de deux clapets en titane ou carbone pivotants sur des charnières. Recommandé pour les patients de moins de 65 ans, il est inusable mais nécessite une anti-coagulation à vie.

On ignorait jusqu'à présent pourquoi ce type de valves favorise beaucoup plus la formation de caillots que les valves biologiques. Celles-ci sont composées de tissus porcins ou bovins et ne nécessitent pas de traitement anti-coagulant. En raison de leur durée de vie de moyenne de 10 à 15 ans, elles sont indiquées à partir de 60-65 ans.

^{Fully developed turbulent systolic blood flow behind a bileaflet mechanical heart valve in the aortic position.
Valve image source: Mathew JP, Swaminathan M, Ayoub CM Clinical Manual and Review of Transesophageal Echocardiography, 2nd Edition, www.accessanesthesiology.com}

 

L'aéronautique à la rescousse 

Une équipe d'ingénieurs du groupe de génie cardiovasculaire du centre de recherche en génie biomédical ARTORG a identifié un mécanisme qui peut contribuer de manière significative à la formation de caillots. Pour cela, ils ont utilisé des méthodes mathématiques complexes, issues de la de la théorie de la stabilité hydrodynamique. Ce sous-domaine de la mécanique des fluides est utilisé depuis des décennies pour développer des avions à faible consommation de carburant. Pour la première fois, ces méthodes qui combinent la physique et les mathématiques appliquées sont transposées en médecine.

C’est par des simulations informatiques sur des superordinateurs que les chercheurs ont compris l’origine des turbulences. « En parcourant les données de simulation, nous avons découvert de quelle manière le flux sanguin heurte les clapets de la valve, devenant rapidement instable et formant des tourbillons. » explique Hadi Zolfaghari, premier auteur de l'étude. Il précise que « Les fortes forces générées dans ce processus pourraient activer la coagulation du sang et provoquer la formation de caillots immédiatement derrière la valve. »

Les chercheurs ont aussi montré qu’une légère modification de la conception des volets de la valve permettrait au sang de s'écouler sans turbulences. Si le risque de formation de caillots, donc d’AVC, était ainsi fortement réduit, il semble concevable que les personnes concernées ne soient plus obligées de prendre quotidiennement des anticoagulants, à vie. « La conception de ces valves cardiaques mécaniques n'a pratiquement pas évolué depuis leur développement dans les années 1970 » déclare Dominik Obrist, chef du groupe de recherche du centre ARTORG. L'ingénierie aéronautique a par contre bénéficié depuis d'efforts considérables en recherche et développement.

Le Centre ARTORG

Proposer des solutions techniques pour les problèmes cliniques, c’est l’objectif du Centre de recherche en génie biomédical ARTORG (Artificial Organ) de l'Université de Berne. En cela le Centre ARTORG est unique en Europe. C’est au sein d'une faculté de médecine que sont développés des organes artificiels, des dispositifs robotiques (pour la chirurgie et la rééducation), de nouvelles thérapies pour les fuites urinaires et les acouphènes ainsi que des applications pour smartphones dotées d’intelligence artificielle, pour de l’aide au diagnostic ou l’accompagnement au quotidien de patients diabétiques. ARTORG s’appuie aussi sur les compétences de la Haute école spécialisée de Berne, des écoles polytechniques suisses et d'instituts de recherche internationaux de premier plan.

_{Hadi Zolfaghari (front) and Dominik Obrist (back) are discussing the turbulent flow in the mechanical heart valve.
© M. Kugemann for ARTORG Center, University of Bern}

^{_{Source : 
Hadi Zolfaghari and Dominik Obrist: Absolute instability of impinging leading edge vortices in a submodel of a bileaflet mechanical heart valve.
Phys. Rev. Fluids 4, 123901, 6. Dezember 2019
https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.4.123901}}