Stimulateur transitoire

Le stimulateur cardiaque transitoire est montré avant de se dissoudre. L'appareil est flexible, extensible et sans fil. Crédit : Université du Nord-Ouest

L'été dernier,

Stimulateur cardiaque à dissolution

Regardez le stimulateur cardiaque se dégrader sans danger avec le temps. Crédit : Université du Nord-Ouest

Les capteurs communiquent entre eux pour surveiller en permanence les diverses fonctions physiologiques du corps, notamment la température corporelle, les niveaux d'oxygène, la respiration, l'activité physique, le tonus musculaire et l'activité électrique du cœur.

Le système analyse ensuite automatiquement cette activité combinée à l'aide d'algorithmes afin de détecter de manière autonome les rythmes cardiaques anormaux et de décider quand stimuler le cœur et à quelle fréquence. Toutes ces informations sont diffusées sur un smartphone ou une tablette, afin que les médecins puissent surveiller à distance leurs patients.

"Cette approche pourrait changer la façon dont les patients reçoivent des soins en fournissant un contrôle multimodal en boucle fermée sur les processus physiologiques essentiels - grâce à un réseau sans fil de capteurs et de stimulateurs qui fonctionne d'une manière inspirée par les boucles de rétroaction biologiques complexes qui contrôlent les comportements des organismes vivants. ”

- Professeur John A. Rogers, Louis Simpson et Kimberly Querrey en science et génie des matériaux, génie biomédical et chirurgie neurologique

Le nouveau stimulateur transitoire et le réseau de capteurs/commandes peuvent être utilisés chez les patients qui ont besoin d'une stimulation temporaire après une chirurgie cardiaque ou qui attendent un stimulateur permanent. Le stimulateur cardiaque récupère sans fil l'énergie d'un nœud du réseau, un petit appareil sans fil qui adhère doucement à la poitrine du patient. Cette technologie élimine le besoin de matériel externe, y compris les fils (ou fils).

Pour permettre au système de communiquer avec le patient, les chercheurs ont incorporé un petit dispositif de retour haptique portable qui peut être porté n'importe où sur le corps. Lorsque les capteurs détectent un problème (tel qu'une batterie faible, un placement incorrect de l'appareil ou un dysfonctionnement du stimulateur cardiaque), l'appareil haptique vibre selon des schémas spécifiques qui alertent les porteurs et les informent du problème.

Dissolution Pacemaker MicroCT

Un microCT scan d'un petit modèle animal montre comment le stimulateur cardiaque transitoire se dissout au fil du temps. Crédit : Université du Nord-Ouest

Regards d'experts

"C'est la première fois que nous associons une électronique douce et portable à des plates-formes électroniques transitoires", a déclaré Rogers. "Cette approche pourrait changer la façon dont les patients reçoivent des soins en fournissant un contrôle multimodal en boucle fermée sur les processus physiologiques essentiels - grâce à un réseau sans fil de capteurs et de stimulateurs qui fonctionne d'une manière inspirée par les boucles de rétroaction biologiques complexes qui contrôlent les comportements des organismes vivants. 

« Pour la stimulation cardiaque temporaire, le système détache les patients des appareils de surveillance et de stimulation qui les maintiennent confinés en milieu hospitalier. Au lieu de cela, les patients pouvaient récupérer dans le confort de leur foyer tout en conservant la tranquillité d'esprit qui accompagne la surveillance à distance par leur médecin. Cela réduirait également le coût des soins de santé et libérerait des lits d'hôpitaux pour d'autres patients.

"Dans les paramètres actuels, les stimulateurs cardiaques temporaires nécessitent un fil qui est connecté à un générateur externe qui stimule le cœur", a déclaré Efimov. «Lorsque le cœur retrouve sa capacité à se stimuler de manière appropriée, le fil doit être retiré. Comme vous pouvez l'imaginer, il s'agit d'une procédure assez dramatique pour retirer un fil relié au cœur. Nous avons décidé d'aborder ce problème sous un autre angle. Nous avons créé un stimulateur cardiaque qui se dissout simplement et n'a pas besoin d'être retiré. Cela évite l'étape dangereuse de retirer le fil.

« Nous avons créé un stimulateur cardiaque qui se dissout simplement et n'a pas besoin d'être retiré. Cela évite l'étape dangereuse de retirer le fil.

- Igor R. Efimov, professeur de génie biomédical

"Les stimulateurs cardiaques actuels sont assez intelligents et répondent bien aux besoins changeants des patients", a déclaré Arora. « Mais les modules portables font tout ce que font les stimulateurs cardiaques traditionnels et plus encore. Un patient porte essentiellement un petit patch sur sa poitrine et reçoit une rétroaction en temps réel pour contrôler le stimulateur cardiaque. Non seulement le stimulateur cardiaque lui-même est biorésorbable, mais il est contrôlé par un patch doux et portable qui permet au stimulateur cardiaque de répondre aux activités habituelles de la vie sans avoir besoin de capteurs implantables.

Rogers est titulaire de la chaire Louis Simpson et Kimberly Querrey de science et génie des matériaux, de génie biomédical et de chirurgie neurologique à la McCormick School of Engineering et à la Northwestern University Feinberg School of Medicine, et directeur du Querrey Simpson Institute for Bioelectronics (QSIB). Efimov est professeur de génie biomédical à McCormick et professeur de médecine (cardiologie) à Feinberg. Arora est professeur de médecine à Feinberg et codirecteur du Center for Arrhythmia Research.

Connecter le « réseau corporel »

Pionnier de la bioélectronique, Rogers et son laboratoire développent des dispositifs portables souples, flexibles et sans fil, ainsi que des technologies électroniques biorésorbables depuis près de deux décennies. Dans la nouvelle étude, Rogers et ses collaborateurs ont combiné et coordonné leur stimulateur biorésorbable sans plomb avec quatre dispositifs différents à interface cutanée pour travailler ensemble. Les dispositifs montés sur la peau sont doux, flexibles et peuvent être délicatement retirés après utilisation, éliminant ainsi le besoin d'un retrait chirurgical. Le stimulateur cardiaque se dissout naturellement dans le corps après une période de besoin.

Le « réseau corporel » comprend :

  • Un stimulateur transitoire biorésorbable sans pile pour stimuler temporairement le cœur
  • Un module cardiaque qui repose sur la poitrine pour alimenter et contrôler les paramètres de stimulation du stimulateur cardiaque implanté, ainsi que pour détecter l'activité électrique et les sons du cœur
  • Un module d'hémodynamique qui repose sur le front pour détecter l'oxymétrie de pouls, l'oxygénation des tissus et le tonus vasculaire
  • Un module respiratoire qui se trouve à la base de la gorge pour surveiller la toux et l'activité respiratoire
  • Un module de rétroaction multi-haptique qui vibre et pulse selon une variété de modèles pour communiquer avec le patient.

"Nous voulions démontrer qu'il est possible de déployer plusieurs types d'appareils différents, chacun exécutant des fonctions essentielles de manière coordonnée sans fil dans tout le corps", a déclaré Rogers. "Certains sentent. Certains délivrent de la puissance. Certains sont stimulants. Certains fournissent des signaux de contrôle. Mais ils travaillent tous ensemble, échangent des informations, prennent des décisions basées sur des algorithmes et réagissent aux conditions changeantes. La vision de plusieurs dispositifs bioélectroniques parlant tous les uns aux autres et exécutant différentes fonctions à différents endroits anatomiques pertinents est un domaine frontalier que nous continuerons à explorer dans le futur.

Nouvelles avancées, rythme à la demande

Depuis que le stimulateur cardiaque transitoire de Northwestern a été introduit pour la première fois il y a un an, les chercheurs ont apporté de multiples améliorations pour faire progresser la technologie. Alors que le dispositif précédent était flexible, le nouveau dispositif est flexible et extensible, ce qui lui permet de mieux s'adapter à la nature changeante d'un cœur qui bat. Autre nouvel avantage : à mesure que le stimulateur cardiaque transitoire se dissout lentement et sans danger, il libère désormais un médicament anti-inflammatoire pour prévenir les réactions aux corps étrangers.

L'avancée la plus percutante est peut-être la capacité de l'appareil à fournir une stimulation à la demande, en fonction du moment où le patient en a besoin. Synchronisé avec le stimulateur cardiaque, le module cardiaque monté sur la poitrine enregistre un électrocardiogramme en temps réel pour surveiller l'activité cardiaque. Dans l'étude, les chercheurs ont comparé cette technologie sans fil aux électrocardiogrammes de référence et ont découvert qu'elle était aussi exacte et précise que les systèmes de qualité clinique.

"Le module cardiaque dit littéralement au stimulateur cardiaque d'appliquer un stimulus au cœur", a expliqué Efimov. "Si une activité normale est retrouvée, alors il s'arrête de marcher. C'est important car si vous stimulez le cœur quand ce n'est pas nécessaire, vous risquez d'induire une arythmie.

"Le système de stimulation est complètement autonome", a déclaré Yeon Sik Choi, stagiaire postdoctoral au laboratoire de Rogers et co-premier auteur de l'article. « Il peut automatiquement détecter un problème et appliquer un traitement. C'est facile et autonome avec des besoins externes minimes.

Soins de santé assez doux pour les nouveau-nés 

Rogers, Efimov, Arora et leurs équipes pensent que leur système serait le plus bénéfique pour les patients les plus vulnérables. Chaque année, environ 40,000 10,000 bébés naissent avec un trou dans le mur qui sépare les cavités supérieures de leur cœur. Environ 100 XNUMX de ces cas mettent la vie en danger et nécessitent une intervention chirurgicale immédiate. Après la chirurgie, XNUMX % des bébés reçoivent un stimulateur cardiaque temporaire.

"La bonne nouvelle est qu'il s'agit d'une condition temporaire", a déclaré Efimov. « Au bout d'environ cinq à sept jours, le cœur retrouve sa capacité à s'auto-stimuler et n'a plus besoin de stimulateur cardiaque. La procédure de retrait du stimulateur cardiaque s'est considérablement améliorée au fil des ans, de sorte que le taux de complications est faible. Mais nous pourrions libérer ces bébés des fils se connectant à un générateur externe et les libérer d'avoir besoin d'une deuxième procédure.

Référence : "Un réseau transitoire en boucle fermée d'appareils sans fil intégrés au corps pour l'électrothérapie autonome" par Yeon Sik Choi, Hyoyoung Jeong, Rose T. Yin, Raudel Avila, Anna Pfenniger, Jaeyoung Yoo, Jong Yoon Lee, Andreas Tzavelis, Young Joong Lee, Sheena W. Chen, Helen S. Knight, Seungyeob Kim, Hak-Young Ahn, Grace Wickerson, Abraham Vázquez-Guardado, Elizabeth Higbee-Dempsey, Bender A. Russo, Michael A. Napolitano, Timothy J. Holleran, Leen Abdul Razzak, Alana N. Miniovich, Geumbee Lee, Beth Geist, Brandon Kim, Shuling Han, Jaclyn A. Brennan, Kedar Aras, Sung Soo Kwak, Joohee Kim, Emily Alexandria Waters, Xiangxing Yang, Amy Burrell, Keum San Chun, Claire Liu, Changsheng Wu, Alina Y. Rwei, Alisha N. Spann, Anthony Banks, David Johnson, Zheng Jenny Zhang, Chad R. Haney, Sung Hun Jin, Alan Varteres Sahakian, Yonggang Huang, Gregory D. Trachiotis, Bradley P. Knight, Rishi K. Arora, Igor R. Efimov et John A. Rogers, 27 mai 2022, Les sciences.
DOI : 10.1126/science.abm1703


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À propos de l’auteur

Tommy E. Junkins

Chef des écrivains

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