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Nom original: TIPE.pdfTitre: Microsoft Word - RAPPORT TIPE - CHESNEL CORRE HEUVELIN.docx

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RAPPORT&TIPE&
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LE&CŒUR&ARTIFICIEL&
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Fannie!CHESNEL,!Manon!CORRE,!Fiona!HEUVELIN!
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Peip2!2016;2017!
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Encadrants!:!Emilie!GADOIN,!Jean;Pierre!GUEDON!
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.&Mai&2017&.&

Remerciements

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Nous!remercions!Madame!GADOIN!Emilie,!notre!tutrice!TIPE,!pour!nous!avoir!encadré!tout!au!long!
de!la!réalisation!de!notre!projet.!Son!enthousiasme!ainsi!que!ses!connaissances!nous!on!permis!de!
mener!à!bien!nos!recherches!et!nos!expériences.!!
!
! Nous! souhaitons! également! remercier! Monsieur! GUEDON! Jean;Pierre,! co;tuteur! de! notre!
projet!TIPE,!pour!son!soutien,!ses!conseils!ainsi!que!son!implication!quant!à!la!recherche!d’un!contact!
professionnel!dans!le!milieu!médical.!
!
! Ensuite,!nous!remercions!Dr!Karine!WARIN!FRESSE!pour!avoir!pris!le!temps!de!nous!recevoir!
afin!de!discuter!autour!de!sa!thèse!portant!sur!le!cœur!artificiel.!
!
! Enfin,!nous! remercions! Jérôme! Delmas!pour! nous! avoir! aidé! quant! aux! achats! de! matériels!
pour!mettre!à!bien!nos!expériences.
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CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

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2!

Sommaire
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Remerciements&.....................................................................................................................&2!
Sommaire&..............................................................................................................................&3!
I&.&Introduction&......................................................................................................................&4!
II&–&Présentation&du&cœur&artificiel&.........................................................................................&5!
1)! Pourquoi!bénéficier!d’une!greffe!?!..................................................................................!5!
2)! Comparaisons!anatomiques!entre!le!cœur!artificiel!et!le!cœur!naturel!.........................!5!
3)! Fonctionnement!du!cœur!artificiel!..................................................................................!6!
4)! Mécanique!des!fluides!.....................................................................................................!7!
III&–&Modélisation&:&expériences&et&TP&....................................................................................&8!
1)!Description!des!modélisations!effectuées!............................................................................!8!
2)!!Un!point!sur!les!méthodes!de!mesures!et!calculs!effectuées!..............................................!9!
3)!Difficultés!rencontrées!lors!de!la!réalisation!de!nos!expériences!........................................!9!
IV&–&Exploitation&des&expériences&et&discussion&autour&du&cœur&artificiel&.............................&10!
1)!Exploitation!des!résultats!...................................................................................................!10!
2)!Discussion!autour!du!cœur!artificiel!...................................................................................!12!
V&–&Conclusion&.....................................................................................................................&13!
Références&..........................................................................................................................&14!
Annexes&..............................................................................................................................&17!
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CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

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3!

I - Introduction

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Le! cœur,! organe! central! du! corps! humain,! possède! un! fonctionnement! aussi! passionnant! que!
complexe.!!Lorsque!des!lésions!surviennent,!les!moyens!médicaux!tels!que!des!traitements!ou!encore!
des!petites!chirurgies!peuvent!s’avérer!insuffisants.!Il!est!alors!nécessaire!de!recourir!à!une!greffe!de!
cœur.! Cependant,! les! donneurs! de! cœurs! naturels! étant! rares,! les! recherches! sur! les! prothèses!
cardiaques!sont!de!plus!en!plus!nombreuses.!!
!
!
Ainsi,&quelles&sont&les&difficultés&auxquelles&le&cœur&artificiel&doit&se&confronter&afin&d’assurer&un&
rôle&similaire&au&cœur&naturel&?&
!
!
L’élaboration!de!cette!prothèse!implique!depuis!plusieurs!années!de!nombreux!professionnels!qui!
doivent!sans!cesse!innover!afin!d’inventer!un!cœur!artificiel!le!plus!optimal!possible.!
!
Ils! font! face! à! de! nombreux! choix! portant! sur! les! caractéristiques! de! la! prothèse! comme! les!
matériaux!utilisés!ou!encore!sa!taille.!!
S’ajoute!à!cela!de!nombreuses!contraintes!du!corps!humain!tels!que!la!morphologie,!le!sexe!en!
encore!l’âge!des!patients.!Le!cœur!artificiel!doit!en!effet!assurer!une!biocompatibilité!permettant!aux!
personnes!greffées!d’obtenir!une!plus!longue!espérance!de!vie.!
!Enfin,!de!multiples!imprévus!liés!aux!aléas&biologiques!s’ajoutent!à!ce!projet!complexe.!Il!existe!
par!exemple!des!risques!de!rejet!et!des!problèmes!d’écoulement!sanguin!qui!peuvent!aboutir!à!de!
nombreuses!complications!et!voire!même!au!décès!du!patient!greffé.!!
!
Pour!aborder!notre!projet,!nous!avons!tout!d’abord!pris!rendez;vous!avec!le!Dr.&Karine&WARIN&
FRESSE!de!l’hôpital!Laennec!à!NANTES.!
Elle!nous!a!présenté!sa!thèse!portant!sur!le!cœur!artificiel!tout!en!nous!expliquant!ses!différentes!
expériences! réalisées! pour! mener! à! bien! son! projet.! Nous! avons! ainsi! pu! échanger! au! sujet! des!
méthodes!expérimentales!à!suivre!pour!la!partie!modélisation!de!notre!TIPE.![Cf!ANNEXE!I]!!!
!
! !
! Afin!de!répondre!au!mieux!à!notre!problématique,!nous!expliquerons!dans!un!premier!temps!
l’anatomie!ainsi!que!le!fonctionnement!du!cœur!artificiel,!en!comparaison!avec!le!cœur!naturel.!!
Dans!un!second!temps,!nous!présenterons!les!différentes!modélisations!effectuées.!!
! Ensuite,! nous! interpréterons! les! résultats! des! expériences! afin! d’établir! un! lien! avec! le!
comportement!du!cœur.!!
! !Enfin,!nous!conclurons!en!répondant!au!mieux!à!la!problématique!proposée.!
!

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CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

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4!

II – Présentation du cœur artificiel

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1)! Pourquoi)bénéficier)d’une)greffe)?)
!
Les!bénéficiaires!d’une!greffe!de!cœur!sont!les!personnes!atteintes!d’insuffisance!cardiaque,!c’est!
à!dire!lorsque!le!cœur!n’est!plus!en!mesure!d’assurer!l'irrigation!de!tous!les!organes!du!corps.!!Cette!
pathologie!est!principalement!due!aux!infarctus!du!myocarde,!à!l’hypertension!artérielle,!aux!maladies!
coronariennes!mais!aussi!à!beaucoup!d’autres!causes!détaillées!dans!l’ANNEXE!II.
!
Pour!bénéficier!d’une!transplantation!cardiaque!classique,!il!y!a!des!critères!à!respecter!:!
•! Des! critères! morphologiques! :! similitude! entre! le! poids! et! la! taille! du! donneur! et! du! greffé!
(écart!de!10%!toléré)!
•! Un! critère! immunologique! majeur! :! même! groupe! sanguin! entre! les! deux! personnes!
concernées,!ou!alors!compatibilité!
•! Un!critère!hémodynamique!:!le!cœur!greffé!doit!envoyer!un!volume!sanguin!à!une!pression!et!
à!un!débit!suffisant!pour!le!greffé.!Il!existe!des!cas!particuliers!pour!lesquels!il!est!nécessaire!
de!greffer!un!cœur!plus!gros!(lors!d'hypertension!artérielle!pulmonaire).!
!
Dans! le! cas! d’une! greffe! de! prothèse! cardiaque,! tous! ces! critères! ne! sont! pas! nécessairement!
respectés,!le!cœur!n’étant!pas!issu!d’un!donneur.!
!
!
2)! Comparaisons)anatomiques)entre)le)cœur)artificiel)et)le)cœur)naturel)
!
Le!cœur!artificiel!a!la!même!forme!que!le!cœur!naturel.!Cependant,!il!n’est!pas!conçu!exactement!
de!la!même!manière!et!comporte!quelques!différences.!
!
a)! Un&point&sur&le&cœur&naturel&
)
Le!cœur!est!l’organe!central!de!l’appareil!circulatoire.!!
C’est!un!organe!fibro;musculaire!creux!essentiellement!formé!du!myocarde.!
Il!comporte!4!cavités!:!
;! 2!supérieures!:!les!oreillettes!droite!et!gauche!(aussi!appelées!atrias)!
;! 2!inférieures!:!les!ventricules!droit!et!gauche.!
!
La! partie! droite! est! séparée! de! la! partie! gauche! du! cœur! par! une! cloison! appelée! septum!
(interatrial! ou! interventriculaire).! Celui;ci! s’interrompt! uniquement! au! niveau! de! deux! valves! atrio;
ventriculaires!permettant!l’écoulement!du!sang!en!sens!unique.!
;! La!valve!tricuspide!sépare!l’atrium!droit!et!le!ventricule!droit.!
;! La!valve!mitrale!sépare!l’atrium!gauche!et!le!ventricule!gauche.!
!
Afin! de! relier! le! cœur! au! reste! du! système! circulatoire,! celui;ci! présente! deux! autres! valves!
ventriculo;artérielles!qui!mettent!en!contact!l’intérieur!et!l’extérieur!du!cœur.!!
;! La! valve! pulmonaire,! qui! permet! de! faire! passer! le! sang! du! ventricule! droit! vers! la! «! petite!
circulation!»,!c’est!à!dire!vers!la!circulation!pulmonaire!uniquement.!
;! La!valve!aortique,!qui!permet!de!faire!passer!le!sang!du!ventricule!gauche!vers!la!«!grande!
circulation!»,!autrement!dit,!vers!tous!les!autres!organes.!!
Le!sang!est!ensuite!récupéré!par!le!cœur!via!les!veines!caves!et!les!veines!pulmonaires!qui!se!jettent!
respectivement!dans!les!atrias!droit!et!gauche.![Cf!schéma!du!cœur!naturel!ANNEXE!III!–!(a)]!!
!
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CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

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5!

b)! Le&cœur&artificiel&
)
La! première! différence! notable! avec! le! cœur! naturel! concerne! les! cavités.! Le! cœur! artificiel! ne!
comporte!que!deux!cavités!appelées!ventricules.!&
;! Un!ventricule!gauche!véhicule!du!sang!riche!en!oxygène&
;! Un!ventricule!droit!véhicule!du!sang!pauvre!en!oxygène&
!
Il!y!a!toujours!la!présence!de!valves!anti;reflux!permettant!l’unique!sens!de!circulation!du!sang.!
Celles;ci!sont!au!nombre!de!4!:!les!valves!ventriculo;aortiques,!ventriculo;pulmonaires!ainsi!que!deux!
valves!au!niveau!de!la!réception!du!sang!par!les!ventricules.&
!
Grâce!à!ces!valves!le!sang!circule!dans!un!sens!bien!précis!:&
;! Ventricule!droit!:!celui;ci!reçoit!le!sang!appauvri!en!oxygène!arrivant!des!organes!et!le!renvoie!
directement!aux!poumons!(petite&circulation).&
;! Ventricule!gauche!:!celui;ci!reçoit!le!sang!oxygéné!par!les!poumons!et!le!renvoie!vers!la!grande!
circulation!via!l’aorte.&
!
Le!myocarde!est!quant!à!lui!remplacé!par!une!cavité!remplie!de!fluide!hydraulique!déplacé!par!
deux!motopompes&en&titane.!&
Ce!nouveau!système!est!séparé!des!ventricules!contenant!le!sang!par!une!membrane.&
Les!motopompes!servent!à!reproduire!les!différentes!pressions!entre!les!ventricules!en!fournissant!
un!débit!autorégulé!du!liquide!d’activation.!Celles;ci!peuvent!effectuer!jusqu’à!45!000!000!cycles!par!
an.! Elles! s’autorégulent! via! un! dispositif! électronique! de! la! prothèse! en! fonction! des! besoins! des!
patients.! Des! capteurs! de! pression! et! de! position! envoient! les! informations! détectées! vers! un!
microprocesseur!situé!dans!le!dispositif!électronique!de!la!prothèse,!afin!que!celui;ci!puisse!diriger!les!
motopompes.!&
Le!fluide!hydraulique!est!composé!d’huile&de&silicone.!C’est!un!matériau!polymère.&
!
! A!l’extérieur!du!patient,!deux!batteries!assurent!l’apport!en!électricité!des!motopompes.!Un!
ordinateur!est!aussi!mis!à!disposition!afin!de!collecter!les!données!recueillies!par!les!capteurs!internes!
et!les!renvoyer!au!médecin!traitant!du!patient.![Cf!ANNEXE!III!–!(b)]&
!
3)! Fonctionnement)du)cœur)artificiel)
!
Avant! tout,! il! est! important! de! préciser! que! le! rythme! cardiaque! est! décomposé! en! deux!
phénomènes!:!
;! La&diastole,!phase!de!repos!du!cœur!qui!caractérise!le!remplissage!des!ventricules!par!le!sang.!
;! La&systole,!phase!de!contraction!du!cœur!qui!reflète!l’éjection!du!sang!vers!les!gros!vaisseaux.!
Après!avoir!décrit!le!fonctionnement!global!du!cœur!naturel!dans!les!ANNEXE!IV!;!(a),!nous!allons!
nous!intéresser!au!fonctionnement!du!cœur!artificiel.!!
Afin!d’imiter!au!mieux!les!phénomènes!précédents,!le!cœur!artificiel!va!utiliser!un&actionnement&
hydraulique!c’est;à;dire!qu’il!va!faire!appel!à!un!liquide!actionné!à!l’aide!de!deux!motopompes!servant!
à! reproduire! les! différentes! pressions! entre! les! ventricules! en! fournissant! un! débit! autorégulé! du!
liquide! d’activation.! Les! motopompes! vont! ainsi! être! actionnées! dans! un! sens! ou! dans! l’autre! en!
fonction!du!phénomène!qu’elles!doivent!accomplir.!!
!
Si!celles;ci!injectent!le!liquide!dans!le!ventricule!gauche,!ce!dernier!va!se!remplir!de!liquide!et!va!
donc!devoir!éjecter!le!sang!par!manque!de!place,!c’est!la&systole.!
En!revanche,!si!les!motopompes!aspirent!le!liquide!vers!le!ventricule!droit,!un!vide!va!se!créer!dans!
le!ventricule!gauche,!tout!de!suite!comblé!par!une!arrivée!de!sang,!c’est!la&diastole.!
!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
6!

Ces! phénomènes! d’aspiration! et! d’éjection! du! sang! par! le! biais! du! liquide! ainsi! que! de!
l’actionnement! des! motopompes! assurent! un! rythme! cardiaque! régulier! nécessaire! au!
fonctionnement!de!cet!organe.!!
Ensuite,!les!motopompes!s’autorégulent!via!un!dispositif!électronique!de!la!prothèse!en!fonction!
des!besoins!des!patients.!Des!capteurs!de!pression!et!de!position!envoient!les!informations!détectées!
vers!un!microprocesseur!situé!dans!le!dispositif!électronique!de!la!prothèse,!afin!que!celui;ci!puisse!
diriger!les!motopompes.!
!
! De!plus,!le!cœur!artificiel!se!doit!de!mimer!le!système!mécano;électrique!du!cœur!naturel.!
Celui;ci! étant! très! complexe,! la! mise! en! œuvre! de! la! reproduction! de! ce! phénomène! est! un! enjeu!
majeur!pour!la!fabrication!du!cœur!artificiel,!que!l’on!retrouve!dans!l’ANNEXE!IV;(b).!
! La!composition!du!cœur!artificiel!comporte!plusieurs!caractéristiques!précises,!telles!qu’une!
taille! prédéfinie,! des! matériaux! biocompatibles! ainsi! qu’un! kit! externe! indispensables! au! bon!
fonctionnement!de!la!prothèse.!Tous!ces!composants!sont!présentés!en!ANNEXE!V.!
)
4)! Mécanique)des)fluides))
!
Afin!d’effectuer!notre!modélisation,!il!est!important!de!comprendre!comment!circule!le!sang!dans!
le!corps!humain.!!
Il!est!à!noter!que!chaque!individu!possède!environ!5L!de!sang.!Pour!une!personne!en!bonne!santé,!
le!débit!du!sang!est!environ!constant!à!5.6L/min.!Ce!débit!est!considéré!constant!car!le!sang!circule!
dans!un!système!fermé.!Cela!est!vérifiable!grâce!à!la!formule!du!débit!:!D=S.V&avec&D&le&débit,&S&la&
surface,&V&le&volume).!
!
Le!sang!est!un!liquide!dit&«&non&newtonien&».!Son!coefficient!de!viscosité!est!variable!selon!la!vitesse!
du!fluide!(coefficient!de!viscosité!du!plasma!moyenne!:!n)=)3.10D3)Pa.s).!
La!viscosité!du!sang!est!liée!à!la!densité!de!globules!(densité&de&4,5)–)5.106mmD3).!Cette!densité!est!
caractérisée! par! ce! que! l’on! appelle! l’hématocrite,! c’est! à! dire! le! volume! d’hématie! par! rapport! au!
volume!de!sang!total.!Plus!l’hématocrite!augmente,!plus!le!coefficient!de!viscosité!augmente.!
!
Nous!pouvons!catégoriser!les!vaisseaux!en!3!grandes!familles!:!!
;! Les!artères,!artérioles!(petites&artères)!véhiculent!le!sang!du!cœur!vers!les!organes!
;! Les!capillaires!permettent!l’échange!tissus;sang!
;! Les!veines,!veinules!(petites&veines)!pour!le!retour!du!sang!vers!le!cœur!
!
Les!vaisseaux!étant!en!série,!nous!avons!la!ramification!vasculaire!suivante!:!!
!
!
!
!
Pour!que!le!sang!circule!ainsi,!il!a!besoin!d’un!gradient&de&pression.!
Le! cœur! doit! alors! générer! une! pression! maximale,! puis! les! vaisseaux! vont! progressivement!
l’amortir!et!créer!ce!gradient!de!pression.!
Une!pression!importante!est!alors!présente!au!niveau!des!artères!car!c’est!le!point!de!départ!de!la!
circulation!(nous&y&trouvons&une&pression&P=13kPa).!Ensuite,!celle;ci!diminue!au!niveau!des!capillaires!:!
(P=3kPa),!puis!de!nouveau!au!niveau!des!veines!(P<1kPa).!
Les!valeurs!de!pressions!citées!sont!valables!pour!la!grande!circulation.!Pour!la!petite!circulation,!
il!existe!également!un!gradient!de!pression,!mais!celui;ci!fonctionne!avec!des!pressions!beaucoup!plus!
basses!(les&pressions&artérielles&moyennes&sont&de&P=2,6kPa).!
!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
7!

III – Modélisation : expériences et TP

!
! Dans!le!but!de!répondre!à!notre!problématique,!nous!avons!décidé!de!modéliser!un!circuit!
semblable!au!réseau!artériel!à!la!sortie!du!cœur,!afin!de!mettre!en!évidence!le!rôle!des!ramifications!
et!des!changements!de!diamètres!dans!l’écoulement!sanguin.!!
Nous!chercherons!tout!d’abord!à!prouver!qu’il!existe!bien!une!analogie!entre!les!résultats!de!nos!
expériences!et!les!valeurs!réelles!du!cœur!humain.!Puis!nous!montrerons!les!difficultés!auxquelles!une!
pompe! peut! être! confrontée! afin! de! délivrer! un! débit! et! une! pression! suffisants! pour! perfuser! les!
organes.!
)
1))Description)des)modélisations)effectuées)
!
Afin!d’acquérir!des!connaissances!suffisantes!pour!l’élaboration!de!nos!manipulations,!nous!avons!
commencé!par!étudier!les!lois!et!formules!importantes!qui!régissent!la!mécanique!des!fluides.!!!
A! cet! effet,! nous! nous! sommes! entrainées! sur! des! travaux! dirigés! de! mécanique! des! fluides!!!!!!!!!!!!!!!
[Cf!ANNEXE!VI]!et!nous!avons!effectué!des!travaux!pratiques!sur!un!TP!déjà!existant.!Ce!dernier,!réalisé!
au! laboratoire! de! Polytech,! nous! a! permis! de! caractériser! une! pompe! et! mesurer! des! pressions.!!!!!!!!!!!!!!!
[Cf!ANNEXE!VII]!
!
! Pour! la! deuxième! partie! de! notre! modélisation,! nous! avons! décidé! de! construire! un! circuit!
modulable!avec,!ou!non,!différentes!ramifications.!Nous!avons!mis!des!tuyaux!en!dérivation!afin!de!se!
rapprocher!de!l’écoulement!sanguin!à!la!sortie!du!cœur!et!dans!les!artères.!!
!
Nous!avions!initialement!l’intention!de!créer!un!liquide!s’approchant!rhéologiquement!du!sang,!
avec!une!viscosité!proche!et!non!newtonien,!mais!sa!conception!posait!problème.!Le!mélange!était!
composé!de!glycérine,!d’eau!distillée,!et!de!Xanthan!gum.!Cependant,!le!Xanthan!gum!contient!des!
bactéries!nécessitant!l’apport!d’un!poison!pour!les!stabiliser.!Cet!ajout!aurait!alors!rendu!la!solution!
difficile!à!manipuler!et!aurait!imposé!des!mesures!de!sécurité!importantes.!!
Par! conséquent,! nous! avons! décidé! d’opter! pour! l’utilisation! unique! de! l’eau! dans! toutes! nos!
expériences.!Ainsi,!cela!a!facilité!la!mise!en!place!et!le!protocole!de!réalisation!des!expériences.!
!
Nous!avons!construit!notre!circuit!avec!une!pompe!immergée!dans!une!cuve!d’eau,!qui!pousse!
l’eau!dans!notre!montage!pour!l’envoyer!dans!la!deuxième!cuve.!L’eau!en!surplus!dans!cette!dernière!
est!ensuite!renvoyée!dans!la!première!grâce!à!une!deuxième!pompe.!La!liste!du!matériel!utilisé!est!
détaillée!dans!l’ANNEXE!VIII!;!(a).!
!
Ci;dessous!un!schéma!du!montage!modulable!utilisé!comme!base!de!toutes!nos!expériences!:!

!
!

!
Les!photos!du!montage!sont!également!visibles!dans!l’ANNEXE!VIII!–!(b).!
!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
8!

Tout!d’abord,!nous!avons!décidé!d’effectuer!une!expérience!sans&ramification!afin!de!déterminer!
une! courbe! caractéristique! de! la! première! pompe,! représentant! la! pression! en! fonction! du! débit!
délivré!par!cette!dernière.![Cf!ANNEXE!VIII!–!(c)!–!EXPÉRIENCE!1]!
Ensuite,! nous! avons! réalisé! des! expériences! utilisant! des! circuits!composés& de& ramifications,! de!
façon!à!mimer!le!système!circulatoire!dans!le!corps!humain,!c’est;à;dire!une!artère!principale!à!la!sortie!
du!cœur!(type!aorte)!qui!se!dédouble!en!deux!artères,!et!qui!elle!même!se!dédouble,!et!ainsi!de!suite.!
[Cf!ANNEXE!VIII!–!(c)!–!EXPÉRIENCES!2!à!4]!
Pour! ce! faire,! nous! avons! initialement! testé! des! longueurs! de! tuyaux! ramifiés! importantes,! de!
l’ordre!de!2m.!Mais!le!débit!obtenu!en!sortie!de!circuit!étant!très!faible!et!difficilement!mesurable,!
nous!avons!diminué!les!longueurs!initiales.!Avec!un!premier!tuyau!de!50cm!(remplaçant!celui!de!5m)!
et! des! ramifications! de! 30cm! (remplaçant! celles! de! 2m),! nous! obtenions! un! débit! convenable! et!
mesurable,!tout!en!restant!en!régime!laminaire.!!
De!plus,!nous!avions!tout!d’abord!laissé!la!vanne!de!l’expérience!précédente,!mais!tout!comme!la!
longueur! des! tuyaux,! cela! faisait! diminuer! le! débit! en! sortie! de! circuit.! Nous! avons! donc! décidé! de!
l’enlever!pour!effectuer!nos!mesures.!!
!
Enfin,!une!fois!notre!circuit!à!3!ramifications!établi,!on!a!remplacé!successivement!les!tuyaux!de!
4mm!de!diamètre!par!des!tuyaux!de!2mm!de!diamètre!afin!de!reproduire!la!diminution&de&section!des!
vaisseaux!dans!le!corps!humain.!!
On!y!relevait!ainsi!le!nouveau!débit!et!la!nouvelle!pression!dans!les!tuyaux.![Cf!ANNEXE!VIII!–!(c)!–!
EXPÉRIENCES!5!à!8]!
!
2)))Un)point)sur)les)méthodes)de)mesures)et)calculs)effectuées)
!
Mesure)de)pression):))
!
Nous!avons!installé!des!colonnes!d’eau!afin!de!mesurer!la!pression!à!l’intérieur!des!tuyaux.!Celles;
ci!étaient!connectées!au!circuit!grâce!à!des!ramifications!en!T.!!
Afin! d’obtenir! les! différentes! valeurs! de! pression,! nous! mesurions! la! hauteur! d’eau! dans! les!
colonnes.!La!pression!obtenue!était!alors!mesurée!en!mètre&de&colonne&d’eau&(mCE).!!
! Il! est! à! noter! que! notre! tableau! de! mesures! où! étaient! accrochées! les! colonnes! d’eau! était!
incliné!de!10°.!Nos!mesures!se!devaient!alors!d’être!modifiées!par!le!bais!d’un!calcul!s’appuyant!sur!le!
théorème!de!Pythagore!pour!obtenir!les!réelles!valeurs!de!pression.!
!
Calcul)de)débit):))
!
En!sortie!de!circuit,!on!récupérait!dans!un!bécher,!pendant!une!durée!de!30s,!une!certaine!masse!
d’eau!que!l’on!pesait!sur!une!balance.!!
A!l’aide!d’un!calcul,!on!pouvait!ainsi!obtenir!le!débit!massique!en!(g/s).!!
!
!
3))Difficultés)rencontrées)lors)de)la)réalisation)de)nos)expériences)
!
! Nous! avons! rencontré! quelques! difficultés! quant! à! la! réalisation! de! nos! expériences.! Tout!
d’abord,!nous!avons!dû!effectuer!nos!mesures!sur!une!planche!au!sol,!avec!un!tableau!incliné.!Nous!
devions!donc!traduire!nos!mesures!à!l’aide!de!différentes!formules.!!
! Ensuite,!nous!avions!la!présence!de!bulles!d’air!dans!nos!colonnes!d’eau,!ce!qui!pouvait!ainsi!
fausser!nos!mesures!de!pression.!(Surtout&pour&les&mesures&avec&les&tuyaux&de&2mm&de&diamètre)&
! Enfin,!pour!réaliser!notre!circuit,!nous!avons!dû!créer!plusieurs!coudes!avec!nos!tuyaux.!!Nous!
nous! sommes! alors! affranchies! des! pertes! de! charge! créées! par! ces! derniers! lorsque! nous! avons!
mesuré!les!pressions.!!
!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
9!

!

IV – Exploitation des expériences et discussion autour du
cœur artificiel
!
1))Exploitation)des)résultats)
!
& Nous! avons! commencé! par! répertorier! toutes! nos! mesures! de! pression! ainsi! que! tous! nos!
calculs!de!débit!dans!différents!tableaux!présentés!dans!l’ANNEXE!VIII!–!(d).!
!
a)&Vérification&du&bon&déroulement&de&notre&expérience&
!
! Tout!d’abord,!nous!avons!voulu!vérifier!que!nos!mesures!de!pressions!étaient!bien!en!accord!
avec!le!profil!de!la!pompe!que!nous!avions!acheté.!Nous!avons!alors!construit!une!courbe!pression;
volume!qui!nous!est!bien!apparue!similaire!à!celle!indiquée!à!l’achat.![Cf!ANNEXE!VIII!–!(e)!–!(i)]!
!
! Ensuite,!nous!avons!évalué!les!pertes!de!charges!du!tuyau!de!5m!de!long.!Nous!avons!ainsi!
ainsi!remarqué!que!les!pertes!de!charges!augmentaient!lorsque!le!débit!augmentait.!Cela!nous!a!donc!
prouvé!que!même!lorsqu’on!augmente!le!débit,!à!cause!des!pertes!de!charges,!les!pressions!en!sortie!
de!circuit!n’augmentent!que!très!peu.![Cf!ANNEXE!VIII!–!(e)!–!(ii)]!
!
! Enfin,!nous!avons!comparé!les!pertes!de!charges!théoriques!calculées!à!partir!de!notre!débit!
aux!pertes!de!charges!expérimentales!calculées!directement!en!fonction!des!pressions!mesurées.!Nous!
avons! pu! remarquer! que! les! pertes! de! charges! théoriques! étaient! inférieures! au! pertes! de! charges!
expérimentales.!C’est!en!effet!ce!à!quoi!nous!nous!attendions!puisque!lors!de!la!réalisation!de!nos!
expériences,!nous!avons!négligé!les!pertes!de!charges!dues!aux!coudes!des!tuyaux!ainsi!que!celles!dues!
aux!«!bulles!d’air!»!présentes!dans!nos!colonnes!d’eau.![[Cf!ANNEXE!VIII!–!(e)!–!(iii)]!
!
b)&Etude&des&variations&de&pression&en&fonction&du&diamètre&et&des&ramifications&
!
i)&Pression&en&fonction&du&nombre&de&ramifications&
!
& Dans! la! deuxième! partie! de! notre! expérience,! nous! avons! effectué! plusieurs! mesures! de!
pression!en!ajoutant!successivement!de!1!à!3!ramifications.!Nous!avons!ensuite!étudié!plus!en!détails!
l’expérience!4,!mettant!en!jeu!des!ramifications.!Nous!avons,!à!débit!constant,!mesuré!les!pressions!
en!A,!B,!C,!D!afin!de!voir!les!variations!de!pression!dans!un!même!circuit.!!!
!
! Le!but!de!cette!partie!d’expérience!est!de!comparer!les!variations!de!pression!en!fonction!de!
l’augmentation!des!ramifications!dans!nos!expériences!par!rapport!à!celles!du!corps!humain.!
!
! Tout!d’abord,!dans!le!système!artériel!humain,!on!sait!que!plus!on!s’éloigne!du!cœur,!plus!le!
réseau!est!ramifié.!Ainsi!au!niveau!de!l’aorte,!les!ramifications!sont!moins!nombreuses!qu’au!niveau!
des!artères!moyennes,!celles;ci!ayant!elles;mêmes!moins!de!ramifications!qu’au!niveau!des!artérioles.!
! De!plus,!on!connaît!les!intervalles!de!pressions!du!corps!humain,!décrites!dans!le!tableau!ci;
dessous!:!!
(Sachant!que!100mmHg!=!133hPa!=!1,36mCE)!
!
Les! pressions! diminuent! en! fonction! de! l’avancée! dans! le! système!
cardiovasculaire.!Les!ramifications!du!corps!humain!participent!en!effet!au!
gradient!de!pression!permettant!le!bon!écoulement!sanguin.!
!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
10!

Intéressons;nous!maintenant!à!nos!mesures!expérimentales.!
!! Ci;dessous!les!résultats!des!mesures!de!pression!sous!forme!de!tableau!et!graphique.!!
!
!
!

!!
!
!
!
!
!
D’après!nos!expériences,!nous!pouvons!voir!que!plus!on!avance!dans!notre!circuit!ramifié,!plus!la!
pression! diminue! .! Celle;ci! diminue! en! effet! de! 0,42mCE! à! 0mCE! lorsqu’on! passe! de! 0! ramification!
(pression&relevée&en&A)!!à!3!ramifications!(pression&relevée&en&D).!
La! répartition! des! pressions! de! notre! expérience! mime! donc! bien! un! «! gradient! de! pression! »!!
simillaire!au!corps!humain.!
!
!!
ii)&Variation&de&pression&en&fonction&du&diamètre&des&tuyaux&
!
& Dans! la! dernière! partie! de! notre! expérience,! nous! avons! effectué! plusieurs! mesures! de!
pression!en!D!(pression&à&la&fin&du&circuit)!en!remplaçant!de!plus!en!plus!de!tuyaux!de!4mm!de!diamètre!
en!tuyaux!de!2mm!de!diamètre.!!
!
! Le!but!de!cette!partie!d’expérience!est!de!comparer!les!variations!de!pression!en!fonction!du!
diamètre!des!tuyaux!dans!nos!expériences!par!rapport!à!celles!du!corps!humain.!
!
! Dans!le!corps!humain,!le!théorème!de!Bernoulli!est!valable!pour!les!écoulements!sanguins.!On!
rappelle!le!théorème!de!Bernoulli!:!
1
1
!" + $%&" + $)"**+ = * !+ + $%&+ + $)+**+ = -./012/13!
2
2
!
avec&:!P!la!pression,!p&la!densité!volumique,!z&la!hauteur!et!v&la!vitesse!d’écoulement!
!
Lorsque!le!circuit!est!horizontal,!le!théorème!se!transforme!ainsi!:!!
1
1
!" + $)"**+ = * !+ + $)+**+ = -./012/13!
2
2
!
Lorsque!la!section!diminue,!on!a!S1>S3.!A!débit!constant,!on!obtiendrait!alors!S1V1=S2V2.!Ainsi,!
V2>V1.!
!
"
En!utilisant!cette!inégalité!dans!le!théorème!de!Bernoulli,!on!obtient!alors!que!:!$)"**+ < * $)+**+ !
+
Ainsi,!pour!satisfaire!l’équation!de!Bernoulli,!on!a!P2&<&P1.!
!
! Dans!le!corps!humain,!lorsque!la!section!diminue,!la!vitesse!augmente!et!la!pression!diminue.!!
On!va!alors!s’intéresser!à!nos!expériences!pour!voir!si!notre!écoulement!se!comporte!de!la!même!
façon!que!dans!le!corps!humain.!
!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
11!

!! Résultats!de!nos!expériences!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
Sachant!que!nos!expériences!se!sont!faites!sans!variation!de!débit,!d’après!nos!mesures!en!(D),!
c’est!à!dire!à!la!fin!du!circuit,!la!pression!diminue!lorsqu’on!augmente!le!nombre!de!tuyaux!de!2mm!
de!diamètre!dans!notre!montage.!La!pression!diminue!en!effet!de!0,074mCE!à!0,049mCE.!Les!pressions!
de!notre!montage!diminuent!donc!bien!lorsqu’on!diminue!le!diamètre!des!tuyaux!à!débit!constant.!&
! Nous!pouvons!en!conclure!que!nos!résultats!d’expérience!sont!en!accord!avec!ce!qu’il!se!passe!
au!niveau!de!l’écoulement!sanguin!du!corps!humain.!
!
!
2))Discussion)autour)du)cœur)artificiel)
!
! Nos!expériences!ont!permis!de!mettre!en!valeur!l’importance!des!diminutions!de!diamètre!et!
des!ramifications!du!système!vasculaire.!En!effet,!ces!deux!caractéristiques!sont!fondamentales!pour!
le! corps! humain! puisqu’elles! participent! activement! au! gradient& de& pression! indispensable! à!
l’écoulement!sanguin.!
! !
! On!se!demande!maintenant!quelle!est!la!place!du!cœur!artificiel!?!
!
! Le!deuxième!but!de!nos!expériences!était!de!mettre!en!valeur!les!difficultés!auxquelles!le!cœur!
artificiel!doit!se!confronter.!!
!
En!effet,!nous!avons!démontré!de!par!nos!différentes!expériences!que!la!présence!de!ramifications!
ainsi!que!la!diminution!constante!des!diamètres!des!tuyaux!étaient!utiles!à!la!diminution!de!pression!
dans! un! circuit! fermé.! Cependant,! lors! de! certaines! pathologies,! ces! caractéristiques! peuvent! être!
modifiées.!Il!existe!par!exemple!des!cas!où!le!diamètre!des!vaisseaux!en!sortie!de!cœur!varie!de!façon!
trop! importante,! ou! alors! parfois! varie! de! façon! insuffisante.! Il! existe! également! des! cas! où! les!
ramifications!se!collent,!provoquant!ainsi!un!désordre!du!flux!sanguin.!
!
! De!plus,!le!cœur!remplit!également!une!place!importante!dans!la!régulation!de!la!pression,!
puisqu’il!existe!une!loi!régissant!la!pression!moyenne!en!sortie!de!cœur,!telle!que!:!!
Pmoy!:!Qc!*!Rperiph!
!
Avec& :! Pmoy! la! pression! moyenne! artérielle,! Qc! le! débit! cardiaque! et! Rperiph! les! résistances!
périphériques!
!
Lorsque!des!pathologies!surviennent!au!niveau!des!vaisseaux!sanguins,!que!ce!soit!par!un!défaut!
de!résistance!artérielle,!de!ramifications,!de!diamètre,!ou!autres!pathologies!non!étudiées!dans!notre!
TIPE,!le!cœur!artificiel!se!doit!de!mimer!le!cœur!naturel!régulant&le&débit!sortant!des!ventricules.!Il!doit!
en!effet!être!en!mesure!de!modifier!son!comportement!afin!de!délivrer!une!pression!adéquate!pour!
la!distribution!du!sang!dans!le!corps.!!
C’est!là!tout!l’enjeu!du!cœur!artificiel,!avec!bien!sûr!toutes!les!caractéristiques!biocompatibles,!
mécaniques!et!rhéologiques!qui!s’y!ajoutent.!
!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
12!

V – Conclusion

!
!
Nous!avons!tout!d’abord!pu!remarquer!au!fil!de!nos!recherches!que!le!cœur!artificiel!était!élaboré!
de! sorte! à! ressembler! le! plus! possible! au! cœur! naturel,! que! ce! soit! anatomiquement! ou!
fonctionnellement.! Cela! a! donc! conduit! à! la! fabrication! de! prothèses! cardiaques! dont! le! système&
d’éjection! est! similaire! au! cœur,! permettant! ainsi! de! créer! des! débits! et! pressions! adéquats! pour!
l’écoulement!sanguin!dans!les!artères.!
!
La!modélisation!que!nous!avons!effectuée!nous!a!permis!d’étudier!la!répartition!des!débits!et!des!
pressions!dans!un!circuit!ramifié,!comme!s’il!s’agissait!de!vaisseaux!sanguins.!!
Nos!expériences!nous!ont!permis!de!nous!rendre!compte!de!l’importance!des!ces!valeurs!dans!un!
circuit,!et!donc!dans!le!système!circulatoire!humain,!pour!obtenir!un!gradient!de!pression.!Il!est!en!
effet!indispensable,!en!cas!de!pathologie!cardiaque,!de!mettre!en!œuvre!des!moyens!médicaux!pour!
combler! ces! déficiences! et! se! rapprocher! le! plus! possibles! des! valeurs! de! pressions! et! débits!
physiologiques.!
!
C’est!notamment!le!rôle!des!prothèses!cardiaques!CARMAT.!!
!
Ces!dernières!se!doivent!d’adapter!le!rythme!de!pompage!du!cœur!artificiel!via!des!capteurs,!de!
sorte!à!envoyer!ou!non!plus!de!sang!aux!organes!en!régulant!son!débit!et!donc!la!pression!d’éjection!
systolique.!
!
Ensuite,!le!cœur!artificiel!doit!répondre!aux!contraintes!imposées!par!le!corps!humain!grâce!aux!
technologies!qui!lui!sont!ajoutées.!C’est!en!créant!des!prothèses!de!plus!en!plus!compactes,!portatives,!
et!toujours!plus!autonomes!que!les!chercheurs!tentent!de!faire!face!aux!difficultés!rencontrées.!
!
De!plus,!le!choix!des!matériaux!utilisés!dans!la!conception!des!cœurs!artificiels!est!laborieux!et!
demande!une!biocompatibilité!de!chacun!des!éléments.!En!effet,!ces!pompes!ne!sont!pas!adaptées!à!
tout!le!monde!:!il!faut!une!cage!thoracique!assez!volumineuse!pour!accueillir!la!prothèse!car!bien!que!
réduite,!elle!pèse!tout!de!même!860g.!!
!
Enfin,!quelque!soit!l’individu!greffé,!le!corps!peut!réagir!de!manière&inattendue.!En!effet,!comme!
on!a!pu!l’observer!dans!l’étude!pivot!de!CARMAT!décrite!en!ANNEXE!IX,!des!décès!sans!lien!avec!la!
prothèse!ont!permis!la!relance!de!l’étude!par!l’ANSM.!!!
!
Ainsi,! c’est! dans! l’optique! de! fabriquer! une! prothèse! la! plus! optimale! possible! que! les! cœurs!
artificiels!sont!élaborés!avec!soin,!afin!de!répondre!aux!contraintes!imposées!par!le!corps!humain!tout!
en! effectuant! son! rôle! de! pompe! cardiaque.! Des! choix! essentiels! sont! requis,! à! la! fois! pour! la!
fabrication!de!la!prothèse!que!pour!savoir!quels!patients!pourront!accéder!à!ce!type!de!greffe.!
!
Aujourd’hui,!aucun!cœur!artificiel!n’a!été!en!mesure!de!remplacer!pleinement!le!cœur!naturel.!
Cela! démontre! que! toutes! les! difficultés! rencontrées! par! l’élaboration! de! cette! prothèse! n’ont! pas!
encore!été!comblées.!!
!
!
!

!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

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13!

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http://www.universalis.fr/encyclopedie/premiere;greffe;d;un;coeur;artificiel/![14/02/17]!
!
VIDAL.!Cœur!artificiel!"total"!:!caractéristiques!et!premiers!résultats!du!prototype!CARMAT.![en!
ligne].!
https://www.vidal.fr/actualites/14399/c_ur_artificiel_total_caracteristiques_et_premiers_resultats_
du_prototype_carmat/![08/02/17]!
!
WIKIPEDIA.! Coeur! artificiel.! [en! ligne].! https://fr.wikipedia.org/wiki/C%C5%93ur_artificiel!
[14/02/17]!

!

!

!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

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16!

Annexes

!
!
ANNEXE&I&–&COMPTE&RENDU&DU&RDV&À&LAËNNEC&DU&20/03/2017&
!
ANNEXE&II&–&LES&CAUSES&DES&INSUFISSANCES&CARDIAQUES&
!
ANNEXE&III&–&SCHÉMAS&DES&CŒURS&&
a)!Cœur!naturel!
b)!Cœur!artificiel!
!
ANNEXE&IV&–&FONCTIONNEMENT&DU&CŒUR&
a)!Fonctionnement!global!du!cœur!naturel!
b)!Système!mécano;électrique!du!cœur!
!
ANNEXE&V&–&COMPOSITION&DU&CŒUR&ARTIFICIEL&
a)!Poids,!taille!du!cœur!CARMAT!
b)!Matériaux!utilisés!
c)!Kit!externe!du!cœur!artificiel!!
!! &
i)&Les&batteries&rechargeables&
ii)&L’ordinateur&de&contrôle&&&
!
ANNEXE&VI&–&TRAVAUX&DIRIGÉS&EFFECTUÉS&
! a)!TD!Ecoulement!de!fluide!visqueux!en!conduite!
! b)!TD!2!:!TD!Pompes!
!
ANNEXE&VII&–&TP&POMPE&&
! a)!Enoncé!du!TP!
! b)!Réalisation!du!TP!
! c)!Résultats!
! d)!Exploitation!des!résultats!
! e)!Conclusion! !
!
ANNEXE&VIII&–&EXPÉRIENCE&AVEC&RAMIFICATIONS&
! a)!Liste!du!matériel!
! b)!Photos!de!notre!montage!
c)!Détail!de!nos!expériences!
d)!Détail!de!nos!résultats!
e)!Expériences!de!vérification!du!bon!déroulement!de!nos!expériences&
!
i)&Vérification&du&profil&de&la&pompe&
&
ii)&Calcul&des&pertes&de&charges&du&tuyau&
&
iii)&Comparaison&des&pertes&de&charges&théoriques&et&expérimentales&du&tuyau&&
! !
!
ANNEXE&IX&–&ESSAIS&CLINIQUES&
a)!Premiers!essais!cliniques!sur!les!animaux!
b)!Historique!des!recherches!de!transplantations!sur!les!humains!
c)!Historique!des!cœurs!greffés&
!
!

!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
17!

ANNEXE&I&–&COMPTE&RENDU&DU&RDV&À&LAËNNEC&DU&20/03/2017&
!
!

COMPTE RENDU DU RDV A LAËNNEC DU 20/03/2017
Avec ​M.GUEDON, Mme GADOIN, Dr Karine WARIN FRESSE ​à l'hôpital Laënnec, Nantes
Partie présentation expérimentale :
Tout d'abord, Mme FRESSE nous a présenté son travail basé sur une assistance
biventriculaire réalisée pour son master. Son expérience était la suivante : mise en relation d'un
cardioWest (= pompe pulsée) reliée au MOCK via un circuit fermé. Le Mock est une installation
modélisant les différentes cavités du cœur (oreillettes + ventricules). Ce MOCK est relié à un
débitmètre ​via des tuyaux, et ceux ci passent dans un ​IRM​, ce qui permet d'obtenir des coupes des
tuyaux modélisant les vaisseaux.
À l'intérieur de ces vaisseaux apparaissent des "points" sur l'IRM, représentent des vecteurs de
vitesse. C'est grâce à ces derniers que des calculs de vitesse sont faits. Enfin, le tout ce circuit est
relié à un ordinateur muni d'un logiciel spécial affichent les différents résultats.
Durant ses expériences, Mme FRESSE a testé différents paramètres : diamètre des tuyaux,
fréquence cardiaque (40 à 100/min). Selon ces différents paramètres, elle a alors pu calculer les
débits obtenus, afin d'en déduire leur régime : laminaire ou turbulent.
Il faut savoir également que toutes ces expériences ont été réalisées avec de l'eau, donc
avec une viscosité 4 fois inférieure au sang.
Discussion autour de l'énergie dégagée par le cœur artificiel :
Après discussion, ils ne savent pas vraiment si le cœur carmat chauffe ou non. À priori oui,
car celui ci comporte énormément d'éléments électroniques. Cependant, le corps étant à 37 degrés,
la chaleur produite doit sûrement être dissipée par les flux sanguins grâce aux systèmes vasculaires
dans tout le corps humain (notamment par convection) → Cela reste cependant à
confirmer/approfondir avec un contact de la société CARMAT si possible.
Discussion autour du cœur CARMAT :
Le cœur CARMAT est adapté aux patients de ​grande taille et poids supérieur à 70kg
(Hommes) car il est nécessaire que ces derniers aient une cage thoracique assez grande pour pouvoir
accueillir le cœur CARMAT, qui est plus volumineux que le cœur naturel.
Concernant les examens médicaux, il est ​impossible de faire une IRM avec un patient muni
d'un cœur artificiel, car celui ci comporte des éléments ferromagnétiques. Il est éventuellement
possible de faire des scanners mais de nombreux artefacts apparaissent. Pour faire des mesures de
débit et de pression sur des patients munis de cette prothèse, il est possible de faire des
échographies et d'utiliser la méthode de l'écho Doppler.
La principale qualité du cœur carmat est son adaptation continuelle de l'éjection sanguine

!

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CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

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18!

en fonction des différents efforts de vie quotidienne du patient. Ce cœur est le seul à s'adapter.
Cependant cela apporte beaucoup de complications car des problèmes de réglages peuvent
fréquemment arriver (c'est un des problèmes ayant provoqué l'échec des greffes précédentes).
Et après ce rdv :
-

Nous envisageons d'essayer de contacter M. Duveau, qui est membre de la société carmat et
a été présent aux différentes greffes du cœur artificiel.

-

En ce qui concerne notre partie modélisation, nous pensons faire une expérience qui se
rapproche de l'expérience de Mme FRESSE. Nous souhaitons mettre en place un système de
pompes (pulsées si possible) à l'intérieur d'un circuit fermé, avec différentes cavités pouvant
modéliser les cavités cardiaques. Nous souhaitons alors pouvoir mesurer le débit ainsi que la
pression et pouvoir les comparer avec les mesures rhéologiques du cœur naturel.

-

Si possible, nous souhaiterions utiliser un fluide pouvant se rapprocher de la viscosité du
sang. À rechercher...

-

En expérience secondaire, nous pourrions matérialiser un système caractérisant les possibles
transferts de chaleur au sein du cœur artificiel et ainsi calculer la chaleur dissipée.
À voir avec le labo d'ETN.

!

Fannie CHESNEL, Manon CORRE, Fiona HEUVELIN

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CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

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19!

ANNEXE&II&–&LES&CAUSES&DES&INSUFFISANCES&CARDIAQUES&
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;!L’infarctus&du&myocarde!est!une!obstruction!d’une!artère!coronaire!(artère!qui!irrigue!le!cœur),!
privant!ainsi!le!cœur!d’oxygène,!et!entraînant!la!mort!des!cellules!musculaires!localement.!Cette!lésion!
dans! le! muscle! le! rend! alors! beaucoup! moins! efficace! et! des! troubles! rythmiques! apparaissent,!
modifiant!ainsi!les!cycles!cardiaques!(remplissage/éjection!du!sang).!
;! L’hypertension& artérielle! est! une! trop! forte! pression! de! sang! que! l’on! ! relève! ! lors! du! cycle!
cardiaque!c‘est!à!dire!à!la!sortie!dans!les!artères!lors!de!l’éjection!du!sang!et!à!son!entrée!dans!le!cœur!
par!les!veines!(respectivement!plus!de!140!et!90!mmHg).
;! Quant! aux! maladies& coronariennes,! elles! se! développent! suite! à! des! lésions! des! artères!
coronaires,!modifiant!ainsi!la!structure!des!vaisseaux!et!les!dépôts!graisseux!successifs!(et!au!fil!des!
années)! sur! leur! parois! (l’athérosclérose)! diminue! leur! diamètre,! réduisant! ainsi! l’apport! de! sang!
oxygéné!au!cœur.!Cela!provoque!souvent!des!douleurs!cardiaques!voire!des!crises!cardiaques!si!une!
zone! est! totalement! privée! d’oxygène.! Ces! maladies! sont! accentuées! par! des! facteurs! de! risques,!
comme!le!tabac,!l’obésité...
!
On!distingue!deux!types!d’insuffisance!cardiaque!:!
!
•! L’insuffisance! cardiaque! à! fraction! d’éjection! ventriculaire! gauche! (FEVG)! altérée! ou!
insuffisance!cardiaque!systolique.!C’est!la!plus!fréquente!en!France,!à!plus!de!60%.!Pour!être!
diagnostiqué!ainsi!il!faut!répondre!à!trois!conditions!:!!
•! avoir!des!symptômes!typiques!d’insuffisance!cardiaque!
•! avoir!des!signes!cliniques!typiques!
•! avoir!une!diminution!de!la!FEVG!
!
•! L’insuffisance! cardiaque! à! fraction! d’éjection! cardiaque! ventriculaire! gauche! préservée!
détectable!par!:!!
•! des!symptômes!typiques!d’insuffisance!cardiaque!
•! des!signes!cliniques!typiques!
•! une!FEVG!!normale!et!un!ventricule!gauche!non!dilaté!
•! mais! des! altérations! cardiaques! structurelles,! des! signes! de! dysfonctionnement! du!
remplissage!du!ventricule!gauche.!
La!prévalence!de!cette!maladie!(nombres!de!malades!sur!une!population!donnée!à!un!instant!t)!
est!en!augmentation!dans!les!pays!du!Nord!de!l’Europe!tout!comme!dans!certaines!régions!des!Etats!
Unis.
!
On!observe!le!plus!souvent!une!insuffisance!cardiaque!gauche,!puis!cela!peut!se!poursuivre!par!
une!insuffisance!cardiaque!droite,!on!parle!alors!d’insuffisance!globale.!Les!symptômes!ne!sont!pas!
tous!identiques!et!diffèrent!selon!l’insuffisance!concernée.!
!
Cliniquement!et!de!façon!générale,!l’insuffisance!cardiaque!se!décèle!par!:
•! Des!difficultés!à!respirer!lors!d’un!effort!(dyspnée!d’effort)!
•! Un!essoufflement!au!repos!(souvent!allongé!sur!le!dos,!on!parle!d‘orthopnée)!
•! Des!dyspnées!nocturnes!très!intenses!
•! De!la!fatigue!
•! Un!gonflement!des!chevilles!
•! De!la!toux!
•! Une!diminution!du!volume!des!urines!(oligurie)!
!
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CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

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20!

De! plus,! de! nombreux! signes! physiques! accompagnent! une! insuffisance! cardiaque! (et!
principalement!une!insuffisance!cardiaque!gauche)!:!
•! Une! tachycardie! :! c’est! un! phénomène! d’adaptation! permettant! d’augmenter! le! rythme!
cardiaque!lors!d’un!effort,!mais!s’avère!néfaste!si!cela!persiste.!On!l’observe!grâce!à!un!ECG!
•! Une!tachyarythmie!:!c’est!à!dire!que!le!cœur!bat!anormalement!vite!et!irrégulièrement.!!
•! Un! souffle! valvulaire! cardiaque! :! cela! est! dû! à! un! rétrécissement! aortique/mitral,! ou! à! une!
insuffisance!aortique/mitrale.!
•! Des!râles!crépitants!pulmonaires!:!ce!sont!des!bruits!secs!et!inspiratoires!
•! Le!bruit!du!galop!:!c’est!un!bruit!diastolique!ajouté!aux!bruits!normaux!du!cycle!cardiaque!et!
est!un!signe!de!l’augmentation!de!la!pression!lors!du!remplissage!ventriculaire.!C’est!lorsque!
le!sang!arrive!dans!les!ventricules!que!les!parois!sont!alors!mises!en!tension,!cela!provoque!un!
bruit!sourd.!On!le!remarque!lors!d’un!tracé&Doppler!du!flux!de!remplissage!ventriculaire!gauche!
(ou!droit!si!c’est!une!insuffisance!cardiaque!droite),!cela!mesure!les!vitesses!d’écoulement!du!
sang!de!l’oreillette!au!ventricule.!Ce!bruit!peut!aussi!être!ressenti!à!la!palpation!tel!un!double!
battement!à!la!pointe!du!coeur.!
•! Un!épanchement!pleural!:!un!hydrothorax!se!forme,!c’est!un!transsudat,!un!liquide!qui!suinte!
à!la!rencontre!du!réseau!veineux!pleural!avec!le!réseau!veineux!pulmonaire!ou!avec!le!réseau!
systémique.!Cela!est!dû!à!l’hypertension!veineuse!pulmonaire!et!l'épanchement!est!souvent!
bilatéral.! Il! entraîne! des! dyspnées! mais! est! réduit! avec! les! traitements! de! l’insuffisance!
cardiaque.!
•! La!pression!artérielle!:!elle!est!modifiée,!souvent!abaissée,!et!de!façon!plus!importante!avec!
les!traitements.!
•! Une!cyanose!:!c’est!une!coloration!violacée!des!ongles,!des!lèvres,!des!muqueuses.!Cela!signifie!
qu’il!y!a!un!défaut!d’oxygénation!du!sang,!et!un!bas!débit.!
•! Des! marbrures! :! ce! sont! des! zones! elles! aussi! avec! un! faible! débit! sanguin! périphérique,!
notamment!dans!le!genou!où!la!température!est!abaissée.!
•! L’asthénie!:!c’est!un!état!de!faiblesse!générale!(notamment!des!membres!inférieurs)!mais!peu!
spécifique!de!l’insuffisance!cardiaque!
•! Des! oedèmes! pulmonaires! :! de! nombreux! oedèmes! apparaissent! et! sont! témoins! de!
l’évolution! de! l’insuffisance! cardiaque! c’est! pourquoi! il! est! important! d’effectuer! des!
radiographies&thoraciques!!
•! Une!anorexie!et!dénutrition!
!
Pour!une!insuffisance!cardiaque!droite,!on!observe!surtout!:
!
•! Une!turgescence!jugulaire!:!les!veines!jugulaires!sont!dilatées!et!ce!de!façon!permanente.!Elles!
dépassent! l’angle! de! la! mâchoire! (angle! sternal)! de! 4cm! lors! d’une! insuffisance! tricuspide!
lorsqu’on!relève!le!pouls!carotidien!
•! Un!soulèvement!para!sternal!gauche!dû!à!l’augmentation!du!volume!du!ventricule!gauche,!
palpable!lors!d’une!inspiration!profonde.!C’est!le!signe!de!Harzer!
•! Des!oedèmes!aux!chevilles!:!ils!sont!dus!à!l’augmentation!de!la!pression!dans!les!capillaires!
(dans!la!zone!veinulaires)!s’opposant!ainsi!à!une!bonne!réabsorption!des!fluides!filtrés!dans!
une! grande! majorité! des! cas.! C’est! aussi! causé! par! la! rétention! hydrosodée! (accumulation!
excessive!de!sodium),!ou!à!une!hypoprotidémie!(taux!de!protéines!anormalement!faible)!par!
dénutrition.! Le! gonflement! augmente! avec! l’évolution! de! l’insuffisance! cardiaque! et! sont!
situés!dans!les!jambes!et!les!chevilles!en!fin!de!journée!(bilatéraux!et!symétriques),!sont!blancs!
et! indolores.! Ils! peuvent! devenir! rouges,! se! durcir,! et! se! répandre! dans! d’autres! parties! du!
corps!(comme!l’abdomen,!le!thorax…).!
•! Une!hépatalgie!:!c’est!une!sensation!de!douleur!dans!la!partie!sous!costale!droite!due!à!une!
augmentation!de!la!taille!du!foie!(hépatomégalie)!
•! Des!signes!digestifs!:!comme!des!nausées,!des!troubles!du!transit!sont!observés.!
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CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

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21!

Des!insuffisances!rénales!sont!corrélées!aux!insuffisances!cardiaques.
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Il!existe!des!traitements!:
•! en!urgence!pour!traiter!les!œdèmes!pulmonaires!
•! à!court!terme!:!c’est!la!décompression!cardiaque!chronique!!
•! à!long!terme!:!(schéma)!
!

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Les!fondamentaux!de!la!pathologies!cardiovasculaires,!collection!DFGSM!2;3!Médecine,!
!par!Ariel!Cohen,!Jean!Eric!Wolf!,Editeur!Elsevier!Masson,!2014
!
!
Ainsi! la! greffe! s’adresse! surtout! aux! insuffisants! cardiaques! bi;ventriculaires& (ou! insuffisants!
cardiaques! aiguës)! pour! qui! les! traitements! médicamenteux,! les! assistances! circulatoires! ou! des!
chirurgies!de!revascularisation!sont!insuffisants!ou!plus!vraiment!envisageables.!
!
De!plus,!le!nombre!de!demande!de!greffe!de!cœur!classique!est!très!élevé!et!peu!ont!la!chance!
d’avoir! un! greffon.! En! 2015! sur! une! demande! de! 21! 464! greffes! (tous! organes! confondus),! 5! 746!
patients!ont!eu!une!greffe!,!soit!27%,!et!seulement!471!pour!celles!de!cœur!(8%).
!
! ! ! ! C’est! pourquoi! les! prothèses! cardiaques,! fabriquées! de! toutes! pièces! sans! tissu! humain,! ne!
nécessitant! pas! de! donneur! et! donc! d’attente! de! cœur! est! une! solution! aux! patients! atteints!
d’insuffisance!cardiaque!dont!la!durée!est!réduit,!voire!les!jours!comptés.
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22!

ANNEXE&III&–&SCHÉMAS&DES&CŒURS&
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a))Cœur)naturel)
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https://www.google.fr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&ved=0ahUKEwjdg4WRj3TAhUEahoKHa16AsMQ5TUICg&url=https%3A%2F%2Fwww.icm-mhi.org%2Fsites%2Fwww.icmmhi.com%2Ffiles%2Fdocs%2FEnseignement%2FAteliers_formation_profesionnels_en_soins_cardiovasculaires
%2Fexamen_clinique_et_paraclinique_version_web.pdf&psig=AFQjCNFbBBnvINsLT2Gc2A2PDvrOaIPJg&ust=1494773418664599&cad=rjt&

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b))Cœur)artificiel)
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http://files.coeur-articiciel-tpe2013-214.webnode.fr/200000072dc054dd02a/sch%C3%A9ma%20modifi%C3%A9%20coeur%20artificiel.jpg&

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ANNEXE&IV&–&FONCTIONNEMENT&DU&CŒUR&
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a))Fonctionnement)global)du)cœur)naturel)
!
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Le!cœur!naturel!peut!être!décomposé!en!deux!parties!:!le!cœur!droit!et!le!cœur!gauche.!Ces!deux!
parties! ayant! des! fonctions! bien! précises.! En! effet,! le! cœur! droit! va! véhiculer! du! sang! pauvre! en!
oxygène,!à!l’inverse!du!cœur!gauche!qui!transporte!du!sang!riche!en!oxygène.!!
!
!
!! Le&cœur&droit!:!composé!de!l’atrium!droit!et!de!l’oreillette!droite!reçoit!le!sang!veineux!pauvre!
en!oxygène!(diastole)!provenant!des!organes!qu’il!a!nourri.!Cette!récupération!s’effectue!par!
le!biais!de!deux!veines!:!!
;! La!veine!cave!supérieure!issue!de!la!partie!supérieure!du!cœur!
;! La!veine!cave!inférieure!issue!de!la!partie!inférieure!du!cœur!!
Le!sang!présent!dans!l’oreillette!droite!va!passer!au!travers!de!la!valve!tricuspide!pour!aller!dans!
le!ventricule!droit!duquel!il!va!être!propulsé!dans!l’artère!pulmonaire!via!la!valve!pulmonaire!(systole)!
en!direction!des!poumons!où!il!va!s’oxygéner.!!!
!
!
!! Le&cœur&gauche!:!Suite!à!son!passage!à!travers!les!poumons,!le!sang!oxygéné!passe!dans!les!
veines!pulmonaires!avant!se!jeter!dans!le!ventricule!gauche!(diastole).!Il!va!ensuite!continuer!
son!chemin!en!se!jetant!dans!l’oreillette!gauche!via!la!valve!mitrale.!Il!va!pour!finir!être!éjecté!
dans!l’aorte!via!la!valve!aortique!(systole)!afin!de!fournir!à!l’ensemble!des!organes!l’oxygène!
nécessaire!à!leurs!fonctionnements.!!
!
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CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

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25!

b))Système)mécanoDélectrique)du)cœur))
!
!
Le! cœur! naturel! est! innervé! par! ce! qu’on! s’appelle! le! tissu! nodal.! Il! permet! la! contraction! du!
myocarde,! qui! est! dans! le! cœur! artificiel! remplacé! par! des! motopompes.! Le! tissu! nodal! est! fait! de!
nœuds!et!de!faisceaux!:!ils!sont!constitués!de!tissu!myocardique!ayant!la!capacité!d’être!à!l’origine!
d’un!afflux!électrique!et!de!la!transmettre!dans!le!sens!atrio!ventriculaires.!
Les!différents!nœuds!sont!:!
!
•! Le! nœud! sinu! atrial! (Keith.& Flack)! :! il! donne! le! tempo.! Il! envoie! l’influx! nerveux! par! 3! voies!
préférentielles,!dans!la!paroi!de!l’oreillette!droite,!vers!le!nœud!atrio!ventriculaire.!
•! Le!nœud!atrio!ventriculaire!(As&off&–&Tawara)!:!il!se!situe!au!niveau!du!triangle!de!Koch,!entre!
la!paroi!inter!atriale!et!la!valve!septale!de!l’appareil!tricuspidien.!Il!ralentit!l’influx.!
•! Tronc!du!faisceau!de&His!:!il!se!trouve!sous!le!nœud!atrio!ventriculaire,!il!se!situe!dans!le!septum!
inter! ventriculaire! et! se! divise! rapidement! en! diverses! branches! vers! des! cellules! dites! de!
Purkinje.!!!!!
!
Les! cœurs! artificiels! ne! possèdent! pas! de! tissu! nodal,! c’est! le! mécanisme! des! motopompes! qui!
permet!l’ouverture!des!valves,!l’éjection!du!sang…!C’est!pourquoi!la!prothèse!possède!des!capteurs!
permettant!de!vivre!normalement!et!déterminer!:!
•! La!position!du!corps!
•! La!tension!artérielle!
•! La!vitesse!du!patient!pour!pouvoir!adapter!le!rythme!cardiaque!en!conséquence!(si!c’est!une!
course!par!exemple)!
•! Les!phases!de!sommeil!(pour!abaisser!le!rythme!cardiaque!du!patient)!
!
De!plus!elle!a!:!
•! 3!capteurs!de!pression!:!ils!mesurent!la!pression!de!chaque!vaisseau!
•! 2!capteurs!d’ultrasons!:!ils!suivent!le!déplacement!des!parois!de!la!prothèse!
•! Un!accéléromètre!:!c’est!lui!qui!permet!de!distinguer!les!mouvements!et!la!vitesse!du!patient.!
!
Les! données! recueillies! sont! transmises! au! microprocesseur! qui! adapte! le! pilotage! des!
motopompes!en!fonction!des!conditions!du!patient!(repos,!effort…),!le!tout!grâce!à!des!algorithmes!
reconstituant!le!fonctionnement!d’un!cœur!naturel.!On!distingue!3&algorithmes!en!particulier!:!!
!
•! Un!pour!les!caractéristiques!viscoélastiques!du!cœur!:!c’est!le!rôle!joué!par!les!composants!des!
vaisseaux!dans!la!pression!artérielle!:!à!la!sortie!du!cœur!la!pression!est!forte,!les!artères!de!
conduction!sont!alors!riches!en!fibres!élastiques!afin!de!se!déformer!et!d’envoyer!le!sang!aux!
artères!de!moins!gros!calibre.!Ces!artères!sont!plus!musculaires,!la!pression!y!est!très!forte,!
permettant! ensuite! un! meilleur! échange! au! niveau! des! capillaires.! La! vitesse! elle,! diminue!
jusqu’à!l’arrivée!aux!capillaires.!

!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
26!

!

!
•!

!

Un!autre!pour!la!représentation!3D!des!postures!du!patient!captées!par!l’accéléromètre!:!il!
détecte,!grâce!aux!capteurs!de!pression!aussi,!les!changements!de!position!du!patient!pour!
adapter!le!débit!sanguin!en!conséquence!

!
•!

Un! dernier! pour! la! simulation! du! fonctionnement! cardiaque! :! s’il! y! a! un! effort! physique,! la!
pression! dans! le! ventricule! droit! augmente! suite! à! une! dilatation! des! artères,! il! faut! donc!
augmenter!le!rythme!cardiaque,!comme!le!ferait!un!cœur!naturel,!ici!c’est!par!l’intermédiaire!
d’un!signal!électrique!des!capteurs!au!microprocesseur!qu’il!s’effectue.!

!

!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
27!

ANNEXE&V&–&COMPOSITION&DU&CŒUR&ARTIFICIEL&
!
a))Poids,)taille)du)cœur)CARMAT)
!
Tout!d’abord,!le!cœur!artificiel!CARMAT!pèse!860)grammes!tandis!que!le!cœur!naturel!pèse!de!
250!à!300!grammes.!C’est!une!première!difficulté!qui!a!demandé!réflexion.!Il!faut!savoir!qu’un!cœur!
malade!est!plus!lourd!qu’un!cœur!sain.!Il!peut!peser!alors!jusqu’à!trois!fois!300!grammes.!Ce!poids!
(900g),!déjà!bien!réduit!depuis!les!premières!conceptions!de!cœur,!a!demandé!beaucoup!de!travail!
pour!les!ingénieurs!de!Lagardère.!!
!
Ensuite,!la!taille!de!la!prothèse!est!aujourd’hui!plus!ou!moins!satisfaisante!puisqu’elle!se!loge!sans!
difficulté!à!l’emplacement!du!cœur!naturel!dans!70%!des!cas!pour!les!hommes.!Le!volume!d’un!cœur!
naturel!est!environ!0,7L.!Obtenir!un!volume!similaire!pour!la!prothèse!a!également!été!un!réel!défi!
pour!les!ingénieurs!qui!ont!dû!la!miniaturiser!au!maximum.!Au!final,!celle;ci!possède!un!volume!de!
0,75L.)
!
b))Matériaux)utilisés)
!
Le!cœur!CARMAT!est!composé!de!matériaux!plastiques,!comme!toutes!les!autres!prothèses,!ainsi!
que!de!matériaux!biologiques.!
!
Les! membranes) en) contact) avec) le) sang,! soit! à! l’intérieur! des! ventricules,! sont! recouvertes! de!
biomembranes!hémocompatibles!issues!de!péricarde!d’animal!traité!chimiquement.!(en&général&du&
péricarde&de&veau).!Elles!sont!composées!de!polyétrafluoroétylène!(eVPTFE&ou&téflon).!
Celui;ci!présente!des!propriétés!d’hémocompatibilité,!notamment!en!ce!qui!concerne!la!stabilité!
chimique,!à!savoir!un!coefficient!de!friction!faible,!hautement!hydrophobe!et!anti;adhésif.!
L’e;PTFE!présente!également!des!propriétés!électriques!et!mécaniques!stables!jusqu’à!250°c.!De!
plus,!étant!résistant!aux!agents!corrosifs!et!aux!solvants,!celui;ci!est!facile!à!stériliser.!!
Cette!membrane!possède!des!pores!permettant!de!favoriser!l’accroche!des!protéines!pour!une!
meilleure!infiltration!tissulaire.!
!
Le!myocarde,!muscle!puissant!du!cœur!naturel,!est!quant!à!lui!remplacé!dans!la!prothèse!par!les!
deux!motopompes!entourées!d’huile!de!silicone.!!
Les!motopompes!son!composées!de!titane!(Ti).!C’est!un!métal!léger,!résistant!à!la!corrosion!grâce!
à!la!formation!d’une!couche!d’oxyde&de&titane&(TiO2)!qui!est!étanche!et!transparente!en!présence!de!
l’eau!qui!compose!une!partie!du!volume!sanguin.!
L’huile&de&silicone&est!un!polymère!composé!de!macromolécules!liées!entre!elles!par!des!liaisons!
covalentes!et!ayant!une!masse!moléculaire!élevée.!Elle!possède!des!liaisons!hydrogènes!polarisées!
(oxygène&chargé&négativement&et&hydrogène&chargé&positivement)!favorisant!ainsi!la!cohésion.!L’huile!
de!silicone!est!utilisée!afin!de!lubrifier!les!surfaces!et!ainsi!limiter!l’usure!prématurée.!!
!
Les!tubes)reliant)les)artères&sont!composés!de!polyétéraphtalate&d’éthyènne.!C’est!un!plastique!
de!polyester,!un!matériau!polymère!composé!d’acide!téréphtalique!et!d’éthylène!glycol!se!présentant!
sous! la! forme! d’un! fil! résistant! et! transparent.! Sa! propriété! de! résistance! est! indispensable! pour!
supporter!la!pression!engendrée!par!le!cœur!artificiel!lors!de!l’éjection!sanguine.!!
Ce!tube!est!recouvert!de!cellules!endothéliales!humaines!et!n’est!donc!pas!directement!en!contact!
avec!le!sang.!
!
!

!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
28!

c))Kit)externe)du)cœur)artificiel)
!
!
Le! kit! externe! du! cœur! artificiel! d’un! poids! ne! dépassant! pas! 3kg! est! composé! de! batteries&
rechargeables&ainsi!que!d’un!ordinateur&de&contrôle.!
!
!
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!

http://coeur.artificiel.free.fr/images/batteries.png&

!
!
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CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
29!

i)&Les&batteries&rechargeables&
!
!
Les! batteries! rechargeables! sont! au! nombre! de! deux! et! permettent! l’autonomie! du! patient! en!
alimentant! en! permanence! le! cœur! artificiel! de! l’énergie! utile! à! son! fonctionnement.! Elles! ont! une!
autonomie!d’environ!6!heures!(cela!dépend!de!l’activité!du!patient)!et!peuvent!être!rechargées!sur!
une!prise!électrique!ou!un!allume!cigare!de!voiture!par!exemple.!En!revanche,!la!nuit,!le!!patient!doit!
être!branché!à!une!batterie!fixe.!Le!raccordement!électrique!entre!le!kit!externe!et!le!cœur!artificiel!
s’effectue!via!un!trou!percé!à!l’arrière!de!l’oreille!gauche!(ce!qui!limite!les!risques!d’infections).!
!
La!batterie!est!constituée!d’ions!lithium.!Elle!est!basée!sur!un!principe!électrochimique!c‘est!à!dire!
qu’elle!utilise!l‘énergie!créée!par!une!réaction!chimique!pour!la!transformer!en!énergie!électrique.!!
Le!passage!réversible!des!ions!lithium!de!l’électrode!négative!vers!l’électrode!positive!implique!
nécessairement!le!passage!d’un!électron!dans!le!circuit!externe!générant!un!courant!électrique.!
!
La!société!Carmat!réfléchit!à!modifier!le!système!de!batterie!en!le!transformant!sous!forme!de!
piles!à!combustibles,!permettant!une!autonomie!presque!2!fois!plus!importante.!
!
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!
!
http://tpe-coeurartificiel.e-monsite.com/medias/images/batterie-liion.png&

!
!

ii)&L’ordinateur&de&contrôle&&
!
!
C’est!un!boitier!placé!au!niveau!de!la!ceinture!du!patient!qui!permet!de!surveiller!en!permanence!
l’activité!cardiaque!de!ce!dernier.!Ces!données!peuvent!être!visualisées!par!le!patient!et!sont!envoyés!
simultanément! à! l’hôpital,! si! un! problème! est! détecté,! une! consultation! se! fera! le! plus! rapidement!
possible.!!!
!
Cet! ordinateur! de! contrôle! est! équipé! de! capteurs! permettant! de! mesurer! le! pouls,! le! rythme!
cardiaque,!la!tension!artérielle!…!Ces!caractéristiques!peuvent!varier!très!rapidement!lors!de!la!vie!
quotidienne!du!malade!car!ils!dépendent!de!la!position!du!patient,!de!ses!activités...!En!effet,!si!le!
patient! court,! les! capteurs! vont! détecter! une! accélération! du! rythme! cardiaque! ce! qui! va! donc! en!
retour!ordonner!un!ralentissement!des!motopompes!afin!de!diminuer!le!rythme!cardiaque!trop!rapide.!!
!
!

!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
30!

ANNEXE&VI&–&TRAVAUX&DIRIGÉS&EFFECTUÉS&
!
!
!
a))TD)écoulement)de)fluide)visqueux)en)conduite)
TD Écoulement de fluide visqueux en conduite
!
Partie cours :
Formule de Bernoulli normal​ : ​sans viscosité et permanent
P + ρV ² + ρgz = constante

sur une ligne de courant

P 1 + 21 ρV 1 ² + ρgz 1 = P 2 + 21 ρV 2 ² + ρgz 2
Formule de Bernoulli généralisé​ : a​ vec machines et pertes de charges
ρW m = P 2 − P 1 + 21 αρV 2 ² − 21 αρV 1 ² + ρgz 2 − ρgz 1 + ΔP f
(Machines)

(Pression)
P 2 −P 1
ρ

Wm =
Wm
g

=

P 2 −P 1


(Ec)

(Ep)

+ 21 αV 2 ² − 21 αV 1 ² + g z 2 − g z 1 +
+ 21 α(

V2
g )²

− 21 α(

V1
g )²

+ z2 − z1 +

en [Pa]

(perte de pression dû aux frottements)
ΔP f
ρ

ΔP f


en [J/g]
en [W]

α est le coefficient cinétique
Pour un système fluide :
Wm > 0
Pompe, ventilateur, compresseur : le fluide reçoit de l’énergie
Wm < 0

Turbine, moulin : le fluide donne de l’énergie

m = ρV deb A

avec

Débit :
V deb la vitesse débutante
A la surface
m=



ρV (r)dA

section

Si V est uniforme, pas de coefficient cinétique α dans Bernoulli
Si V est NON uniforme : α =

1
A

( A1

3



V dA



V dA)

section
3

avec V la vitesse débitante

section

En écoulement turbulent : α = 1

! En écoulement laminaire, en conduite circulaire : α = 2
!
u(r) = U max [1 − ( Rr )²]
dA = 2πrdr
!
!
ΔP f :​ relatif à la machine, dû aux frottements dans la machine entre le rotor et le circuit
!
ρW m = ρW m − ΔP f machine
!
ΔP f = ( λL
+ εi ξj). 21 ρV ²
D
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!

!
31!

Si V est uniforme, pas de coefficient cinétique α dans Bernoulli

Débit :
Si V est NON
α=
m = ρuniforme
V A : avec
deb

1
A

( A1



3

V dA

section

avec Vdébutante
la vitesse débitante
V deb la3 vitesse



V dA)

A la surface

section

En écoulement turbulent : α = 1
m = ∫laminaire,
ρV (r)dAen conduite circulaire : α = 2
En écoulement
section

u(r) = U max [1 − ( Rr )²]

dA = 2πrdr

Si V est uniforme, pas de coefficient cinétique α dans Bernoulli
3
ΔP f :​ relatif à la machine, dû1 aux frottements
dans la machine entre le rotor et le circuit
V dA
A



section
ρW muniforme
= ρW m −: Δ
Si V est NON
αP=f machine

( A1 ∫ V dA)
ξj). 21 ρV
²
section

( λL
D

3

avec V la vitesse débitante

ΔP f =
+ εi
En écoulement turbulent : α = 1

!

En écoulement laminaire, en conduite circulaire : α = 2
u(r) = U max [1 − ( Rr )²]

dA = 2πrdr

ΔP f :​ relatif à la machine, dû aux frottements dans la machine entre le rotor et le circuit
ρW m = ρW m − ΔP f machine
ΔP f = ( λL
+ εi ξj). 21 ρV ²
D

!

!
!
Partie!TD!:!
!

λL
D

: pertes de charges linéiques (régulières) sur la parois des tuyaux
L : longueur du tube
D : diamètre de la conduite
λ : constante de Moody Colebrook
En laminaire et en conduite cylindrique λ =

64
Re

!

!
ξ j : pertes de charges singulières, ce sont les obstacles (coudes...)
!
Formules!à!utiliser!pour!le!TD!:!!
Partie TD : Exo Alimentation en eau potable
!
ρW m = P 2 − P 1 + 21 αρV 2 ² − 21 αρV 1 ² + ρgz 2 − ρgz 1 + ΔP f
P 2 − P 1 = ΔP f

!

1) La pression à la sortie du robinet est de 1 bar, d’où :
P 1 = 4 bars
P 2 = 1 bar
La perte de charge est de : ΔP f = P 2 − P 1 = 3 bars
2) Calcul du débit du jet d’eau :
ΔP f = ( λL
+ εi ξj). 21 ρV ²
D
!
1/2
2ΔP f
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

V = ( ( λL +εi ξj)ρ )
D

Re =

Vd
ν

= 6.928 m/s

!
32!

Partie TD : Exo Alimentation en eau potable
ρW m = P 2 − P 1 + 21 αρV 2 ² − 21 αρV 1 ² + ρgz 2 − ρgz 1 + ΔP f
P 2 − P 1 = ΔP f
1) La pression à la sortie du robinet est de 1 bar, d’où :
P 1 = 4 bars
P 2 = 1 bar
La perte de charge est de : ΔP f = P 2 − P 1 = 3 bars
2) Calcul du débit du jet d’eau :
ΔP f = ( λL
+ εi ξj). 21 ρV ²
D
1/2

2ΔP f

V = ( ( λL +εi ξj)ρ )

= 6.928 m/s

D

Re =

Vd
ν

Re =

6.928×16×10
10

−2

= 110 848 ​(sans dimension)

−6

D’ou :
D(débit) = ρV A = 1.39 × 10 −3 m 3 .s −1
On refait nos calculs pour se rapprocher des bonnes données, si on obtient plusieurs fois les
mêmes données, c’est que les calculs sont bons. On a donc :
1/2

2ΔP f

V = ( ( λL +εi ξj)ρ )

= 5.61 m/s

D

Re =

6.928×16×10
10

−2

= 89 760

−6

D’où :
D(débit) = ρV A = 1.13 × 10 −3 m 3 .s −1 = 1.13 L.s −1 = 67, 8 L.min −1
3) Calcul de la perte de charges ξ

!

!
Si D = 50 L. min −1 = 0.83 L.s −1 = 8.33 × 10 −4 m 3 .s −1
Alors :
V =

D
A

= 4.14 m/s

Re = 66 240
λ = 0.021
D’où :
ΔP f = ( λL
+ Σ ξj). 21 ρV ²
D
Σ ξj =

!
!

2ΔP f
ρV ²



λL
D

− 5 × 0.25 = 14.069

!
!
!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
33!

b))TD)2):)TD)pompes)
!

!

!
!
!
!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
34!

!

!
!
!
!
!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
35!

!

!
!
!
!
!
!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
36!

!

!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!!

!

!
37!

ANNEXE&VII&–&TP&POMPE&
!
!
a)))Enoncé)du)TP)

!

!
!
!
!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
38!

!

!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
39!

!

!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
40!

b))Réalisation)du)TP):))
! !
!
! Expérience!1!:!
!
! Nous!avons!utilisé!le!circuit!déjà!créé!(comme!présenté!dans!l’énoncé!du!TP)!composé!de!la!
première!pompe.!De!l’eau!circulait!à!l’intérieur!et!nous!pouvions!faire!varier!la!vanne!d’entrée!jusqu’à!
sa!fermeture!complète.!Nous!avons!ainsi!pu!relever!la!pression!et!le!débit!grâce!à!un!débitmètre!déjà!
installé!sur!le!circuit.!La!vitesse!de!la!pompe!était!de!3000!tours/min.!
!
! Expérience!2!:!
! !
! Dans!cette!expérience,!nous!avons!fait!exactement!les!mêmes!mesures!que!dans!la!première,!
cependant,!nous!laissions!passer!l’eau!dans!le!circuit!de!la!2ème!pompe,!sans!l’utiliser.!Le!circuit!était!
alors!plus!long.!
!
!
!
) c))Résultats)
!

!

!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
41!

!

!
!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
42!

!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!

!
43!

) d))Exploitation)des)résultats)
!
Exploitation&des&résultats&de&la&1ère&expérience&&
!
Dans!le!premier!graphique,!nous!voyons!que!les!pressions!captées!en!A!et!D!sont!nulles.!Etant!des!
capteurs!liés!à!la!pompe!2,!c’est!tout!à!fait!normal!que!ces!capteurs!ne!relèvent!aucune!pression.!
On!peut!ensuite!s’apercevoir!que!la!pression!captée!en!B!augmente!en!fonction!du!débit,!tandis!
que! la! pression! captée! en! C! diminue.! Cela! peut! s’expliquer! par! leurs! positions! respectives! dans! le!
circuit!:!
;! Le!capteur!B!était!placé!avant!la!pompe!1.!
;! Le!capteur!C!était!placé!après!la!pompe!1.!
!
Dans!le!deuxième!graphique,!nous!avons!tenté!d’étudier!le!profil!de!la!pompe!1.!Nous!avons!alors!
créé!un!graphique!de!la!pression!en!B!par!rapport!à!la!pression!en!C.!Cela!nous!a!permis!de!nous!rendre!
compte!du!comportement!d’une!pompe!pour!notre!modélisation!future.!
!
!
Exploitation&des&résultats&de&la&2ème&expérience&&
!
& Dans!le!premier!graphique,!la!différence!notable!avec!la!1ère!expérience!est!que!la!pression!
captée!dans!les!capteurs!A!et!D!ne!sont!pas!nulles.!Cela!s’explique!par!l’ouverture!de!la!partie!du!circuit!
avec!la!pompe!2,!puisque!ces!derniers!étaient!placés!autour!de!cette!pompe.!!
! Malgré!le!fait!que!la!pompe!ne!soit!pas!en!fonctionnement,!nous!pouvons!voir!que!ces!capteurs!
détectent!tout!de!même!une!pression.!Cette!pression!est!issue!de!la!pompe!1.!!
!
! Dans!le!deuxième!graphique,!toujours!pour!étudier!le!profil!de!la!pompe!1,!nous!pouvons!voir!
ce!l’allure!de!la!courbe!reste!similaire!à!celle!construite!grâce!à!la!première!expérience.!!
! Nous!pouvons!en!conclure!que!peu!importe!la!longueur!du!circuit,!le!profil!de!la!pompe!1!reste!
le!même.!!
!
!! Conclusion&sur&notre&TP&
!
Ce!TP!nous!a!permis!de!nous!familiariser!avec!l’utilisation!des!pompes!en!circuit!fermé.!Nous!avons!
pu! comprendre! les! méthodes! pour! relever! différentes! mesures! telles! que! la! pression! ou! encore! le!
débit.!!
Nous!avons!également!pu!utiliser!pour!la!première!fois!une!vanne,!ce!qui!nous!servira!lors!de!notre!
modélisation!finale.!!
!
!
!
!
!
!

!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
44!

ANNEXE&VIII&–&EXPÉRIENCES&AVEC&RAMIFICATIONS&
!
!
!
!
a))Liste)du)matériel)utilisé)
!
!
Nous!avons!réalisé!les!circuits!avec!le!matériel!suivant!:!!
!
;!2!pompes!NewJet!à!1200L/h!

!
https://media.cdnws.com/_i/1792/6683/1/84/pompe;aquarium;nj;1200.jpeg!
!
!
!
;!Des!tuyaux!de!4mm!de!diamètre!interne!
!
;!Des!tuyaux!de!2mm!de!diamètre!interne!
!
;!Des!ramifications!en!Y!à!entrée!et!sorties!4mm!
!
;!Des!ramifications!en!Y!à!entrée!et!sorties!2mm!
!
;!Des!ramifications!en!T!à!entrée!et!sorties!4mm!
!
;!Des!ramifications!en!T!à!entrée!et!sorties!2mm!
!
;!Des!ramifications!simples!pour!entrée!4mm!et!sortie!2mm!
!
;!Des!vannes!
!
!
!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
45!

b))Photos)de)notre)montage)
!
!
!! Entrée!du!circuit!

!

!
!
!! Sortie!du!circuit!
!

!
!
!
!
!

!

!
!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
46!

!! Tableau!avec!les!colonnes!d’eau!pour!la!mesure!de!pression!

!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!

!

!
!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
47!

c))Détail)de)nos)expériences)
!
!
!
EXPÉRIENCE&1&–&Sans&ramification,&5m&de&long,&4mm&de&diamètre,&avec&vanne&
&
Nous!avons!branché!à!notre!pompe!(P)!de!départ,!5m!de!tuyau!de!4mm!de!diamètre.!Au!début!du!
circuit,!nous!avons!branché!une!vanne!pour!réguler!le!flux!d’eau,!nous!permettant!ainsi!d’effectuer!
différentes! mesures! selon! son! ouverture.! Nous! avons! ajouté! des! colonnes! d’eau! pour! étudier! la!
pression,!à!la!fois!en!entrée!(a),!en!sortie!de!vanne!(b)!et!à!la!sortie!du!circuit!en!(A).!
!

!

!
!
!
!
EXPÉRIENCE&2&–&1er&tuyau&de&50cm,&1&ramification&de&30cm&de&long,&4mm&de&diamètre,&sans&vanne&
!
Pour!cette!expérience,!nous!avons!mis!en!sortie!de!pompe,!50cm!de!tuyau!de!4mm!de!diamètre.!
A! la! suite! nous! avons! connecté! une! ramification! en! Y! afin! d’y! ajouter! 30cm! de! tuyau! de! 4mm! de!
diamètre!dans!les!deux!sorties!du!Y.!!
!
Nous!avons!installé!des!colonnes!d’eau!pour!le!calcul!de!pression!:!!
;! (A)!est!à!la!fin!du!tuyau!de!50cm,!avant!la!ramification!
;! (B)!à!la!fin!du!tuyau!de!30cm.!
!

!
!
!
!

!

!
!
CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

!

!
48!

EXPÉRIENCE&3&.&1er&tuyau&de&50cm,&2&ramifications&de&30cm&de&long,&4mm&de&diamètre,&sans&vanne&
!
Ici,!nous!avons!repris!le!montage!de!l’EXPERIENCE!2.!
Sur!l’une!des!dernières!ramifications,!nous!avons!connecté!de!nouveau!une!ramification!en!Y!et!
deux!tuyaux!de!30cm!et!4mm!de!diamètre.!
Sur!l’autre!ramification,!nous!avons!remplacé!le!tuyau!de!30cm!par!un!tuyau!de!60cm!afin!que!
cette!partie!de!circuit!aboutisse!dans!la!cuve.!!
!
Pour!les!calculs!de!pressions!:!!
;! On!a!gardé!les!colonnes!d’eau!(A)!et!(B)!!
;! On!ajoute!une!nouvelle!(C),!à!la!fin!de!la!dernière!ramification.!
!

!
!
EXPÉRIENCE&4&.&1er&tuyau&de&50cm,&3&ramifications&de&30cm&de&long,&4mm&de&diamètre,&sans&vanne&
!
De! nouveau,! nous! avons! repris! le! montage! de! l’expérience! précédente! et! connecté! une!
ramification! en! Y! et! deux! nouveaux! tuyaux! de! 30cm! de! long! et! 4mm! de! diamètre! sur! l’une! des!
dernières!branches!ramifiées.!
Pour!les!autres!ramifications,!on!a!augmenté!les!tailles!de!tuyau!afin!que!le!circuit!aboutisse!dans!
la!cuve!en!fin!de!circuit.!On!a!alors!pris!des!longueurs!de!90cm!et!60cm.!
!
Pour!le!calcul!des!pressions!:!!
;! On!a!gardé!les!colonnes!d’eau!(A),!(B),!(C)!
;! On!a!ajouté!une!nouvelle!colonne!d’eau!(D),!à!la!fin!de!la!dernière!ramification.!

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CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

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!
49!

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EXPÉRIENCE& 5& .& 1er& tuyau& de& 50cm,& 2& ramifications& de& 4mm& de& diamètre,& 1& ramification& 2mm& de&
diamètre,&30cm&de&long&chacune,&sans&vanne&
!
Pour!cette!expérience,!on!a!repris!le!montage!précédent.!On!a!enlevé!les!deux!derniers!tuyaux!
installés!à!la!dernière!ramification!pour!les!échanger!avec!des!tuyaux!de!2mm!de!diamètre!et!30cm!de!
longueur.!!
On!garde!les!colonnes!d’eau!(A),!(B),!(C)!et!(D).!

!

!
!
!
EXPÉRIENCE&6&.&1er&tuyau&de&50cm,&1&ramification&de&de&4mm&de&diamètre,&2&ramifications&2mm&de&
diamètre,&30cm&de&long&chacune,&sans&vanne&
!
On!utilise!de!nouveau!le!montage!de!l’expérience!précédente.!On!a!enlevé!les!tuyaux!situés!entre!
les!colonnes!(B)!et!(C)!pour!les!échanger!avec!des!tuyaux!de!2mm!de!diamètre!et!des!longueurs!de!30!
et!60cm.!!
On!a!toujours!les!colonnes!d’eau!(A),!(B),!(C)!et!(D).!
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CHESNEL!FANNIE!–!CORRE!MANON!;!HEUVELIN!FIONA!

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