Ce travail de thèse s'inscrit dans un contrat entre l'équipe "Mesures électroniques" du LIEN (EA3440) et le service de la Recherche et celui des Études Médicales de la société EDF. Il porte sur le comportement des défibrillateurs implantables en environnement magnétique basse fréquence (50 Hz-50 kHz). Un premier chapitre introduit les principes des interactions entre les champs électromagnétiques et les implants médicaux actifs. Il résume les données constitutives d'une étude comportementale des implants médicaux actifs en présence d'un champ électromagnétique. Y sont présentées et définies les données générales ou spécifiques aux sources électromagnétiques et aux dispositifs médicaux implantables. Un souci est de déterminer les champs et/ou les courants électriques induits dans un modèle du corps humain par une source magnétique basse fréquence (50 Hz à 50 kHz), c'est l'objet du chapitre 2. Ces calculs sont basés sur un modèle par les intégrales finies simulé à l'aide du logiciel CST. Un fantôme virtuel utilisant les conductivités de 77 organes différents a été construit grâce au Visible Human Project. La prise en compte de l'implant est effectuée au chapitre 3. Partant des résultats précédents, un défibrillateur implantable est inséré dans le modèle virtuel en vue de calculer les tensions induites en bout de sonde. Ces tensions sont comparées aux données normatives et montrent leur valeur très faibles quelle que soit la fréquence du champ magnétique. Le quatrième et dernier chapitre présente les résultats de validation expérimentale obtenues par des tests in vitro dans un fantôme électromagnétique au sein d'une cage de Faraday. Un signal cardiaque leurre est généré artificiellement. Un banc de mesure est configuré et géré par un logiciel d'instrumentation virtuelle sous GPIB (HPVEE). Il permet de contrôler la puissance de la source et de recueillir les signaux via la télémétrie du défibrillateur. Quelques épisodes réversibles ont été observés à 50 Hz montrant la grande sensibilité de l'électronique (filtre d'entrée) selon les modèles destinés à l'Europe (50 Hz) ou aux USA (60 Hz). Ceci est normal ces valeurs correspondant aux fréquences cardiaques. Les séries de mesures effectuées n'ont montré aucune défaillance pour les 4 défibrillateurs testés pour des puissances pouvant atteindre jusqu'à 3,44 mT. / This thesis was conducted under a contract between the "Electronic Measurements" Research Group within the Electronic Instrumentation Laboratory of Nancy and the Research Department of EDF. The focus of this thesis is the behavior of implantable defibrillators in low frequency (50 Hz-50 kHz) magnetic environments. The first chapter introduces the principles and summarizes the basics of the interactions between electromagnetic fields and active medical implants. General and specific data concerning implantable medical devices are also presented. The main aim of the second chapter is to determine the fields and/or electric currents induced in a human body by a magnetic source at low frequency (50 Hz to 50 kHz). The calculations are based on a finite integral method elements model using CST software. In the third chapter, a virtual phantom is described, based on 77 different organs. It is constructed using the Virtual Family. Based on the above results, an implantable defibrillator is inserted into the virtual model to calculate the voltages induced at the end of the probe. These voltages are compared with threshold values obtained from the Standards to demonstrate their very low values regardless of the frequency of the magnetic field. The fourth and final chapter presents the results obtained for experimental validation with in vitro tests in an electromagnetic phantom made of gelatin, placed within a Faraday cage. A cardiac signal is generated as an artificial lure. The experimental set up is configured and managed by virtual instrumentation (GPIB HPVEE). It controls the power source and collects telemetry signals via the defibrillator. Some reversible episodes were observed at 50 Hz showing the sensitivity of the electronics (input filter) according to the ICD models destined for Europe (50 Hz) and the USA (60 Hz). These are normal values for heart rate. The series of measurements showed no failure for four defibrillators tested in electromagnetic fields up to 3.44 mT

La transplantation cardiaque est aujourd'hui la seule option de traitement à long terme pour les patients souffrant d'insuffisance cardiaque terminale. Malgré des progrès considérables dans les traitements immunosuppresseurs, le rejet d'allogreffe reste une cause majeure de la perte du greffon. Dans ce domaine, des études récentes ont souligné l'importance du rejet humoral (AMR) comme un facteur contributif important à l’évolution, précoce ou tardive, de la maladie vasculaire du greffon et, in fine, à la perte de ce greffon. La pierre angulaire du diagnostic de rejet repose sur la biopsie endomyocardique (BEM) et l'évaluation histopathologique classique. Cependant, les épisodes de rejet observés sont aujourd'hui plus rares et plus complexes qu'auparavant, du fait de la présence de formes tronquées, indolentes et mixtes empêchant un diagnostic précis avec une évaluation conventionnelle. En outre, la BEM est une procédure invasive, entrainant des coûts importants, un inconfort pour le patient et un risque non négligeable de complications graves. Par conséquent, l'évaluation histologique conventionnelle ne reflète pas la complexité du rejet de greffe cardiaque et a besoin d'améliorations en termes de diagnostic. Le travail présenté dans cette thèse explore deux types de biomarqueurs, la voie mTOR, marqueur in situ, et les micro-ARNs, marqueurs circulants, qui permettraient une meilleure classification du rejet et constitueraient une aide diagnostique et/ou prédictive à la pratique clinique quotidienne lors du suivi des patients transplantés. / Cardiac transplantation is currently the only option for long-term treatment for patients with terminal heart failure. Despite considerable advances in immunosuppressive therapy, allograft rejection remains a major cause of graft loss. In this regard, recent studies have highlighted the importance of antibody-mediated rejection (AMR) as an important contributory factor in the evolution of vascular graft disease and, ultimately, graft loss. The cornerstone of the rejection diagnosis is based on endomyocardial biopsy (EMB) and the classical histopathological evaluation. However, rejection episodes observed today are becoming scarce and more complex than before, due to the presence of truncated, indolent and mixed forms preventing an accurate diagnosis with a conventional assessment. In addition, the biopsy is an invasive procedure, resulting in significant costs, discomfort for the patient and a significant risk of serious complications. Therefore, conventional histological assessment does not reflect the complexity of cardiac transplant rejection and needs improvement in terms of diagnosis. The work presented in this thesis explores two types of biomarkers, the mTOR pathway, an in situ marker, and the micro-RNAs, circulating markers that would allow a better classification of rejection and provide diagnosis and/or predictive help to daily clinical practice during the monitoring of transplant patients.

L’assistance ventriculaire constitue une voie thérapeutique prometteuse de l’insuffisance cardiaque terminale. En dépit des progrès, notamment dans le développement des assistances de type shunt ventriculo-aortique, les écueils relatifs à l’encombrement, à l’alimentation et/ou aux interactions avec le sang de ces dispositifs limitent leur application clinique. Récemment, le concept de Compression Cardiaque Directe (DCC) apparaît comme une piste prometteuse en palliant les difficultés sus-citées. Dans ce travail de thèse, nous avons mis l’accent sur la conception et le test de faisabilité d’une solution de Compression Cardiaque Directe de type mécanique et entièrement implantable appelée l’Exosquelette Cardiaque. Notre travail expérimental a porté, dans un premier temps, sur la conception assistée par ordinateur et sur la modélisation numérique permettant ainsi d’optimiser et de prédire (i) les interactions tissus myocardiques/dispositifs et (ii) les pressions ventriculaires générées. Ensuite, un prototype fonctionnel a été réalisé par fabrication additive (titane, polymères) en s’appuyant sur les données issues de la modélisation et en respectant les contraintes énergétiques, mécaniques et architecturales anatomiques. Enfin, nous avons conduit une phase d’évaluation du potentiel de ce dispositif original sur un modèle de cœur ex vivo. Nous avons pu concevoir et valider un modèle numérique fondé sur le principe des éléments finis. Ce modèle à la fois simple et robuste, a permis de simuler (i) l’impact des points de fixation du dispositif sur le tissu cardiaque, (ii) l’efficacité de la compression externe sur la genèse des pressions intraventriculaires et (iii) l’influence de la compression mécanique externe sur le tissu cardiaque. Le prototype issu de ce travail de thèse a pu produire des résultats prometteurs concernant (i) la restauration physiologique de la pression intraventriculaire, (ii) la consommation énergétique suffisamment basse et (iii) le design compatible avec les contraintes anatomiques thoracique. L’ensemble de ces résultats esquissent la possibilité d’une implantation totale de l’Exosquelette Cardiaque chez le patient / Ventricular assistance is a promising therapeutic pathway for terminal chronic heart failure. Notwithstanding the progress made for the development of aorto-ventricular shunt pump among other things, the difficulties relatives to footprint, power supply and/or blood-device interactions are somehow limiting their clinical applications. Recently, direct cardiac compression (DCC) was suggested as a promising lead to overcome the difficulties mentioned above. In this work, we focused on the design and the feasibility of an implantable and mechanical Direct Cardiac Compression device called: The Cardiac Exosqueleton. Our experimental work used Computer Assisted Design (CAD) and numerical modeling to optimize and predict (i) tissue-device interactions and (ii) pressure generation inside ventricular cavities. Then, a functional prototype was realized by additive manufacturing (titanium, polymer) with the help of modeling data and with respect to the anatomical, mechanical and energetical limitations. Finally, we conducted an evaluation of the ability of our device on both in vitro setup and ex vivo heart. We were able to conceive and validate a numerical model based on finite element techniques. This simple yet robust model allowed us to study (i) the impact of suture fixation of a device at the apex of the heart, (ii) the influence of the direct cardiac compression on intracardiac pressures and (iii) overall and local tissue stress in the myocardium. Our prototype showed promising results concerning (i) the restoration of physiological intraventricular pressures, (ii) a low energy consumption and (iii) a shape that is compatible with the thoracic anatomical constraints. All of these results allow us to envision a total implantation of the cardiac exoskeleton into the patient