Brevet FR2003921A1 — publié le 19691114

20Ô3921 Des simulateurs cardiaques électroniques, alimentés par pile, indépendants, sont implantés, en chirurgie, chez les sujets qui ont besoin d'une stimulation électrique artificielle pour maintenir leurs contractions ventriculaires régulières à un 5 rythme élevé. La plupart des types de simulateurs indépendants connus associe un générateur d'impulsions au coeur au moyen d'un condensateur. Le générateur d'impulsions est prévu pour décharger le condensateur dans un court intervalle de temps de façon que le courant et l'énergie de l'impulsion soient assez élevés pour 10 créer une stimulation. Entre les battements, et donc entre les stirauli . , le condensateur se charge à travers le coeur dans ; la direction opposée et durant un intervalle relativement lent, pendant lequel le flux de courant et l'énergie dissipée sont insuffisants pour réaliser une stimulation. Les effets physiolo-15 giques de cette énergie d'impulsion, non équilibrés,, sur le coeur, n'ont pas été complètement expliqués. Il est cependant évident que le déséquilibre de cette énergie provoque la pénétration du tissu cardiaque par des ions métalliques, issus des fils des électrodes métalliques, qui relient le coeur, et de la corrosion 20 de ces fils lors d'une implantation de longue durée. Conformément à la présente invention, on peut réduire de façon importante la pénétration des ions et la corrosion et on peut également obtenir d'autres avantages. Un autre avantage essentiel estl'accroissement en efficacité du circuit que l'on 25 peut obtenir, par rapport à un circuit unidirectionnel, avec un circuit bidirectionnel utilisé ci-après pour la stimulation cardiaque. Théoriquement l'efficacité du circuit devrait être doublée car le condensateur de couplage se charge,seulement une impulsion sur deux, au lieu de se charger à chacune des impulsions 30 stimulantes comme dans le dispositif unidirectionnel. Conformément à la présente invention un générateur d'impulsions électronique est incorporé dans le stimulateur de façon à établir un. rythme de base de répétition des impulsions stimulantes. Le générateur . d'impulsions contrôle deux séries de commutateurs électroniques. 35 On enclenche un commutateur pour charger le condensateur de couplage directement à partir de la pile et pour appliquer une impulsion stimulante au coeur durant un court intervalle, au-delà -duquel le commutateur est débranché. On doit noter que l'impédance d'attaque de la: pile doit être petite par rapport à l'im-40 pédance de change, pour produire la stimulation adéquate. Dans 69 07334 2 2003921 l'intervalle de temps entre deux impulsions, le condensateur reste à peu près complètement chargé, mais il ne se produit pas de stimulation. Le second commutateur électronique est alors enclenché et le condensateur est appelé à se décharger pendant un court 5 intervalle, auquel cas une impulsion stimulante de polarité oppo-sée est appliquée au coeur. Les séries d'impulsions alternées sont continues si bien que l'énergie dissipée dans le coeur est équilibrée» Pat conséquent les ions métalliques ne peuvent émi-grer à une grande distance des électrodes dont ils sont issus 10 entre les pulsations, et sont attirés en arrière quand la polarité change.. On peut supposer que les phénomènes sont liés à la réduction de la faible migration des ions et de la corrosion, qui est réalisée dans la présente invention. Le noùveau stimulateur se distingue aussi par l'em-15 ploi de diodes destinées à créer une tension de blocage pour les transistors du générateur d'impulsions. Cela n'aboutit pas seule- . ment à un stimulateur de petites dimensions par l'élimination des piles de polarisation utilisées jusqu'ici, mats cela accroît également la fiabilité : du: dispositif, placé dans un corps, dans 20 lequel la compacité, la fiabilité et le plus grand intervalle de temps entre les remplacements de la pile sont d'une importance capitale. . Le premier but de la présente invention est de réaliser un stimulateur cardiaque électronique artificiel produisant 25 des impulsions stimulantes, qui sont alternativement positives et négatives et d'une égale énergie pour obtenir une stimulation efficace. Un autre but de la présente invention est d'obtenir une plus grande efficacité et, par conséquent, une longue durée 30 de vie de la pile, à partir d'un stimulateur que l'on peut implanter dans le corps, en utilisant le courant qui traverse le coeur pour le stimuler efficacement, auquel cas l'efficacité du circuit peut être supérieure de 50% à l'efficacité maximum théorique de 50% des dispositifs antérieurs. 35 Les autres buts de la présente invention sont de ré duire au minimum la corrosion des électrodes et la pénétration des ions métalliques dans le tissu cardiaque. D'autres caractéristiques de la présente invention ressortiront de ce qui suit et ladite invention sera mieux com-40 prise par la description suivante d'une forme de réalisation par 69 07334 3 2003921 ticulière donnée à titre d'exemple et représentée au dessin annexé dans lequel : La figure 1 est un schéma de montage du nouveau stimulateur cardiaque. 5 Les figures 2 à 5 concernent les formes prises par les tensions apparaissant en différents points du circuit, qui sont représentées pour faciliter la description de l'invention. Sur la figure 1, les paramètres électriques simplifiés du coeur sont représentés par une résistance RE et un condensa-10 teur CH. La valeur de la résistance du coeur est ordinairement d'environ 300 ohms, mais le présent stimulateur est prévu pour fonctionner pour des niveaux de charge allant de 50 à 1000 ohms. La capacité électrostatique du coeur n'est pas une fonction linéaire et peut être stimulée avec un condensateur de 0,1 microfarad. 15 Les bornes de sortie du stimulateur sont repérées par 1 et 2. La charge qui représente le coeur est reliée aux bornes de sortie au moyen de fils métalliques flexibles isolés 3 et 4, qui sont suturés dans le coeur et forment une connexion métal-tissu. La conduction d'impulsions électriques d'un niveau d'énergie 20 convenable à travers le tissu cardiaque produit une contraction ventriculaire correspondant à la fréquence des impulsions. Tous les composants situés à gauche des bornes de sortie 1 et 2 sur le dessin sont habituellement enfermés dans un matériau en résine époxy et recouverts par un film de caoutchouc 25 au silicone inerte, pour éviter qu'ils ne soient exposés aux tissus et fluides humains. Le condensateur de couplage C9 du coeur, par exemple, est inséré dans un revêtement et sert à coupler les impulsions provenant du stimulateur vers le coeur et fournit également une stimulation biphasée. Le transfert de courant net est 30 nul. Le dispositif ainsi revêtu peut être implanté à un endroit situé loin du coeur tel que la région inter-axillaire ou la ré-tion abdominale. Le dispositif considéré est relié depuis cet endroit au coeur par des fils-électrodes 3 et 4 qui forment une liaison amovible, fermée sur elle-même, non représentée, avec 35 les bornes de sortie 1 et 2 du stimulateur. Le mode de réalisation et de fonctionnement du nouveau stimulateur va être maintenant décrit. La puissance est fournie par une pile El constituée par plusieurs éléments au mercure qui, dans le cas présent, totalisent huit volts. Un élément voltaïque 40 thermique isotope, dont l'impédance de source est faible, non 69 07334 4 20Ô3921 représentée, peut être substitué à la pile. Par commodité pour l'explication, le stimulateur est représenté divisé en trois parties, un circuit de réglage des temps, une bascule bistable et un circuit de commutation en charge. 5 En réalité, le circuit de réglage des temps et la bascule réalisent une logique de commutation pour le circuit de commutation en charge. La raison de faire fonctionner la bascule comme un dispositif bistable et de la faire actionner par un circuit de réglage des temps, est de maintenir l'intervalle de marche entre les pul-10 sations positives et négatives, tout en les conservant identiques et égales. On suppose que la bascule établit une transmission par un chemin ou par un autre dès que la puissance de la pile lui est fournie. Dans l'un des états, les transistors Q4 et Q5 sont 15 ensemble passants et dans l'autre état, les transistors Q3 et Q6 sont passants. La bascule est actionnée par un générateur d'impulsions et par le circuit de réglage des temps, qui sera décrit plus loin, par l'intermédiaire du conducteur 5. La borne d'entrée d'actionnement de la bascule est repérée par 11. Le fait que la 20 bascule soit conductrice à tous moments, a pour conséquence la création d'une chute de la tension de polarisation au point 6, au travers des diodes D3 à D5. L'utilité de la tension de polarisation sera donnée plus loin. Initialement les transistors Q1 et Q2 du générateur 25 de pulsations et du circuit de réglage des temps ne sont pas passants. Lorsqu'on applique la puissance électrique, le condensateur Cl de réglage des temps commence à se charger au travers de la résistance SI de réglage des temps dans le sens du pôle positif au pôle négatif. Au début du cycle de charge, lorsque le 30 courant est élevé, la plus grande partie de la chute de tension se produit aux bornes de RI et il n'y a pas de tension de polarisation directe sur les bases et émetteurs de Q1 et Q2. La chute de tension au travers de RI est opposée à la tension de polarisation au point 6. La tension aux bornes de RI est plus petite 35 que la tension de polarisation, de la valeur de la tension de claquage nécessaire base-émetteur de Q1. Par conséquent, le condensateur Cl doit se charger à une tension prédéterminée avant que Q1 ne devienne passant. Lorsque la jonction base-émetteur de Q1 est directement polarisée, une impulsion de courant traverse 40 le condensateur C7, l'émetteur et la base de Q2, le collecteur et 69 07334 5 2003921 l'émetteur de Q1, court-circuitant la diode DlO et la plaque négative du condensateur Cl. Ceci oblige le transistor Q2 à transmettre une pulsation négative, qui apparait au point A sur l'émetteur du transistor Q2. A l'arrivée de chaque impul-5 sion négative, le condensateur Cl se décharge dans un circuit qui sera décrit plus loin, et commence son réglage du temps pour l'impulsion suivante. La fréquence de répétition des impulsions négatives au point A correspond au rythme de base désiré du coeur pour lequel on peut prendre comme fréquence de 10 répétition type soixante dix pulsations par minute. Les séries ininterrompues d'impulsions négatives arrivant au point A sont représentées sur la figure 2. Au point A, les impulsions négatives sont transmises, par l'intermédiaire du conducteur 5, à la borne d'entrée 11 pour 15 les impulsions de déclenchement, d'un couple de diodes de commande D1 et D2. L'application des impulsions de déclenchement provoque le passage de la bascule d'un état stable à l'autre. On suppose qu'avant l'application de la première impulsion négative au point 11, les transistors Q4 et Q5 sont 20 passants et que Q4 est saturé. Le point B, borne de sortie de la bascule, se trouve être à un potentiel positif par rapport à son potentiel lorsque Q4 n'est pas passant. Les variations répétées de potentiel se produisant au point B sont représentées sur la figure 3. Lorsque Q4 et Q5 sont passants, le courant emprunte 25 deux chemins. L'un de ces chemins passe par l'émetteur et la base de Q4, la résistance R5, le conducteur 7, et la jonction collecteur- émetteur de Q5. L'autre chemin passe par la jonction émet-teur-collecteur de Q4, le conducteur 8, la résistance Rll et la jonction base-émetteur de Q5. 30 Dans les conditions ci-dessus décrites, lorsque la première impulsion négative considérée est appliquée au point 11, la diode D2 redevient directement polarisée et le condensateur C3, préalablement déchargé, se charge au travers de l'émetteur et de la base de Q3. L'impulsion négative ne peut être transmise 35 au travers de la diode D1 car celle-ci est inversement polarisée lorsque Q4 et Q3 sont passants. C'est lorsque la diode B2 est passante, que le condensateur Cl de réglage des temps se décharge dans la ligne à potentiel positif, Q4, R8, D2, le conducteur 5, Q2, Q1 et DlO. Ensuite, le condensateur Cl de réglage des temps 40 commence à noiuveau à se recharger au travers de RI, en direction 69 07334 6 2003921 de la ligne à potentiel négatif. L'impulsion traversant le condensateur C3 rend la base de Q3 négative et polarise directement la jonction émetteur-base en la rendant passante. Q3 étant directement polarisé , son 5 collecteur retourne à une polarisation plus positive de sorte que la base et l'émetteur de Q6 sont aussi directement polarisés au travers de la résistance R9, court-circuitée par le condensateur C4 et Q3. Les transistors Q3 et Q6 sont maintenant passants et Q4 et Q5 sont débranchés. La tension de polarisation de Q4 a été 10 momentanément supprimée lorsque Q3 a été passant, obligeant Q4 à ne plus être passant. Ceci a annulé également le courant de polarisation directe de Q5 à travers Rll, auquel cas le condensateur C5 de commutation se décharge à travers Rll et applique une tension inverse supplémentaire à l'émetteur et à la base de 15 Q5, contribuant à sa mise hors circuit. Cette commutation a pour conséquence d'amener le point B de son niveau de potentiel positif élevé à un potentiel proche de celui de la ligne à potentiel négatif, sauf dans le cas où il est limité par la chute de tension au travers des diodes D3 à D5 et du transistor Q6. Quand 20 l'imr^lsioa négative suivante est appliquée au point 11, la diode D1 est dir@eteses.fi polarisée et la bascule retourne alors à son état initial seloa la processus inverse de celui décrit ci-dessus. Par conséquent, on voit qum chaque impulsion négative arrivant au point A, représentée sur la figure 2, a pour conséquence d'amener 25 le potentiel du point B à osciller entre des valeurs positives et des valeurs plus négatives, comme cela est représenté sur la figure 3. Lorsque l'état de la bascule est celui où Q6 est passant, le point B est à un potentiel relativement plus négatif 30 que dans l'état dont on a parlé ci-dessus, car il est effectivement proche de celui de la ligne à potentiel négatif. Dans ces conditions, les circuits émetteur-base de certains dispositifs de commutation à semi-conducteurs, tels que les transistors Q7 et Q8, sont directement polarisés et le condensateur C8 se charge 35 à partir de la ligne à potentiel positif au travers des transistors Q7 et Q8 et de la résistance R4. Naturellement, cela a pour conséquence de rendre extrêmement passants les circuits émetteur-collecteur des transistors Q7 et Q8, en série, et de charger le condensateur C9 de couplage, auquel cas une pulsation de courant 40 passe à travers la charge RH et CH du coeur en direction de la 69 07334 7 2003921 ligne à potentiel négatif. L'impulsion de courant provoque une contraction ventriculaire et le temps de stimulation efficace est d'environ 2 millisecondes. L'énergie de l'impulsion est de préférence d'environ 70 microjoules. Après le passage de l'im-5 pulsion que l'on vient de décrire, la plaque gauche du condensateur C9 reste chargée positivement dans l'espace de temps compris entre deux impulsions, lorsqu'aucune action électrique n'est exercée sur le coeur. On notera que le condensateur C9 peut être placé sur la ligne joignant le point 10 et la borne 2 sans chan-10 ger le fonctionnement du circuit. Quand le point B commence à redevenir positif à nouveau, le condensateur C8 se décharge à travers la résistance R4, la diode D6 et le condensateur Q4. Pendant que le condensateur C8 se décharge, un autre condensateur C6 commence à se char-15 ger lorsque le point B devient positif. Le chemin par lequel se charge le condensateur, part de la ligne à potentiel positif, traverse Q4 jusqu'au point B, traverse le condensateur C6, la résistance RIO et emprunte les chemins passant par les bases et émetteurs des transistors Q9 et Q10 de commutation, en série, 20 jusqu'à la ligne à potentiel négatif. Cela polarise directement les transistors Q9 et Q10 et les branche de telle façon que l'énergie accumulée dans le condensateur de couplage C9 peut être déchargée au travers de ces transistors et avoir pour conséquence le passage d'une impulsion de courant opposé dans le coeur, 25 en raison de la tension positive sur la borne 2 et négative sur la borne 1. Par conséquent, on voit que l'énergie prise à la pile El pour charger le condensateur C9 et appliquer au coeur une pulsation d'une certaine polarité, est utilisée à nouveau sans aucune perte, lorsque le condensateur C9 est déchargé, pour appliquer 30 au coeur une impulsion de courant de polarité opposée. C'est pourquoi contrairement à l'efficacité maximum théorique de cinquante pour cent et l'efficacité réelle d'environ trente à trente cinq pour cent, qui sont celles des stimulateurs antérieurs, on obtient des efficacités réelles de soixante à soixante dix pour cent 35 conformément à la présente invention. Les impulsions alternativement positives et négatives, appliquées au coeur, sont représentées sur la figure 4, où elles ont la même base de temps que les autres impulsions. Une vue agrandie d'un couple d'impulsions stimulantes de la figure 4 est représentée sur la figure 5. 40 Le stimulateur décrit ci-dessus est destiné à fonction 69 07334 8 2003921 ner en relation avec un type connu de dispositif de réglage des temps, externe et non représenté. Le dispositif de réglage des temps comprend un générateur d'impulsions qu'on peut régler sur un rythme plus grand que le rythme de base du stimulateur de sorte 5 que le coeur peut être accéléré au gré du patient. Le générateur extérieur d'impulsions alimente une bobine d'induction, qui est placée au-dessus du stimulateur pour réaliser un couplage magnétique avec la bobine d'induction L1 du stimulateur, comme cela est représenté. La tension induite dans la bobine L1 est appli-10 quée aux bornes du condensateur Cil et des diodes D9 et DlO, et a pour effet de rendre le transistor Q1 passant avant qu'il ne devienne normalement passant, en raison du délai nécessaire au condensateur Cl pour se charger à un certain niveau. Le reste du circuit fonctionne comme il a été décrit ci-dessus, mis à part le 15 fait que les impulsions de sortie arrivent aux bornes 1 et 2 du stimulateur, au niveau le plus élevé désiré. Le couple des diodes D9 et DlO est court-circuité aux bornes de l'inductance IX, lesdites diodes ayant pour effet d'écrê' ter les impulsions induites et, donc, de fixer l'entrée de Q1 à 20 un niveau déterminé. Le condensateur Cil, disposé en parallèle, facilite le court-circuitage de tous les signaux parasites de haute fréquence, pouvant perturber le fonctionnement du stimulateur. Les types de parasites fréquents, auxquels le stimulateur peut être exposé, proviennent d'appareils tels que rasoirs élec-25 triques, perceuses électriques à main et objets analogues. Le stimulateur comporte également un condensateur de filtrage Cl2, qui peut être relativement petit, parce que le prélèvement de courant pendant l'impulsion de charge est faible et que l'impédance interne de la pile El est modérée. Si une cellu-30 le voltai'que, thermique et isotope, à haute impédance interne, non représentée, était substituée à la pile, un condensateur de filtrage plus important serait nécessaire pour réduire l'impédance de source. Ceux qui sont versés dans le domaine électronique, 35 comprendront que le montage du stimulateur décrit ci-dessus, peut être aisément transformé par l'emploi de semi-conducteurs de conductivités opposées à celles indiquées, en tenant compte de polarités appropriées. Dans ce cas, le stimulateur enverra encore au coeur des pulsations de polarités alternées. 69 07334 9 2003921 En résumé, on a décrit un nouveau type de stimulateur cardiaque, caractérisé par le fait qu'un condensateur de couplage se charge à travers un commutateur momentanément passant pour stimuler le coeur avec une pulsation de courant dans une certaine 5 direction, et qu'ensuite, ledit condensateur se décharge à travers un autre commutateur momentanément passant pour stimuler le coeur avec une pulsation de courant dans la direction opposée. Le stimulateur est réellement biphasé. Sa consommation totale de courant est d'environ vingt deux microampères, ce qui est à com-10 parer aux trente cinq à quarante microampères de la plupart des stimulateurs courants. Son efficacité dépasse la valeur de cinquante pour cent, qui est la limite théorique des types précédents de stimulateurs monophasés. 69 07334 10 2003921 REVENDICATIONS 1) - Stimulateur cardiaque électrique comprenant une source d'énergie à courant continu possédant des bornes de polarités opposées, deux dispositifs de commutation à semi-conduc- 5 teurs reliés en série l'un à l'autre par les bornes de la source d'énergie, chacun desdits dispositifs pouvant laisser passer le courant, respectivement, dans deux directions opposées, un dispositif électronique de réglage des temps possédant une borne de sortie où les variations alternatives de potentiel se répètent 10 à un rythme correspondant au rythme de stimulation du coeur, caractérisé par le fait qu'un montage en série comporte un condensateur de couplage et une paire de bornes qui peuvent être reliées au coeur à stimuler, ledit montage en série ayant une de ses extrémités connectée au point intermédiaire entre les dispo-15 sitifs à semi-conducteurs et son autre extrémité connectée à l'une des bornes de la source d'énergie, ladite borne de sortie étant reliée auxdits dispositifs à semi-conducteurs afin de réaliser la dernière conduction alternative en fonction du potentiel de ladite borne, le dispositif électronique de réglage des temps 20 étant tel que l'un des dispositifs à semi-conducteurs soit passant pour charger ledit condensateur de couplage à partir de la source et faire traverser le coeur par le courant dans une direction donnée, et tel qu'ensuite l'autre dispositif à semi-conducteurs soit passant pour décharger le condensateur de couplage et faire 25 traverser le coeur par le courant dans le sens opposé. 2) - Stimulateur cardiaque électrique suivant la revendication 1), caractérisé par le fait que le générateur électronique d'impulsions comprend une bascule bistable pouvant être passante suivant des chemins alternés dont l'un est constitué par 30 la borne de sortie du générateur d'impulsions, une borne d'entrée de déclenchement de la bascule pour la réception d'impulsions consécutives d'une polarité unique, afin de réaliser la commutation de ladite bascule d'un des chemins passants à l'autre. 3) - Stimulateur cardiaque électrique suivant la re- 35 vendication 2), caractérisé par le fait qu'il comprend une résistance et un condensateur, destinés au réglage des temps, montés en série et reliés aux bornes de la source d'énergie, un dispositif à diodes relié à une borne de la source d'énergie et placé en série avec l'ensemble des deux chemins passants à l'intérieur de la 40 bascule bistable, afin de produire par là même une chute de la 69 07334 2003921 tension de polarisation prédéterminée aux bornes desdites diodes, un premier transistor ayant un émetteur, une base et un collecteur, et un condensateur relié d'un côté à l'émetteur et de l'autre à un point intermédiaire situé entre le condensateur et la résis-5 tance du réglage des temps, la base dudit transistor étant reliée auxdites diodes, et la disposition étant telle que ledit condensa teur de réglage des temps doit se charger à une tension supérieure à la tension de polarisation des diodes pour polariser directement le transistor considéré, et un second transistor ayant 10 un émetteur, une base et un collecteur, le collecteur du premier transistor étant relié à la base du second transistor, en sorte que les deux transistors considérés sont directement polarisés ensemble pour produire les pulsations de polarité unique sur la borne de sortie du second transistor.