Brevet FR2224937A1 — publié le 19741031

L'invention, due à Rudolf RICHWIEN, concerne un cadenceur avec étage de sortie commandé par calculateur, impulsion de tension à éneryie constante, compensation des variations de la tension d'alimentation et de la résistance de charge, grandeurs d'excitation contrôlables et réglableS,et dispositif de protection contre un emballement du cadenceur. Les cadenceurs (ou "Pacemaker") sont des générateurs d'impulsions pour la stimulation artificielle électrique du coeur. Pour le traitement de certains troubles du rythme cardiaque, on les implante couramment dans le corps. Les cadenceurs fonctionnent avec une fréquence asynchrone produite par eux-mêmes ou avec une fréquence synchrone de celle du coeur commandée par des ondes R ou P. Dans les cadenceurs qu'on trouve couramment sur le marché, la capacité des sources d'électricité utilisées, surtout des piles au mercure, n'est pas utilisée au#mieux. Leur rendement technique trop faible, rapport de énergie de l'impulsion d'excitation à énergie empruntée à la pile, voisin de 50% ou inférieur à cette valeur, est déterminé par la consommation d'énergie du générateur d'impulsions et par les pertes dans l'étage de sortie. En effet, du fait qu'il est généralement d'usage de limiter l'énergie d'excitation par une limitation du courant excitateur et du fait du dimensionnement du condensatéur de couplage, il y a également une consommation d'énergie dans l'étage de-sor- tie, dans des résistances actives propres au montage. Jusqu'à présent, les piles étaient les organes constitutifs qui avaient la proportion de pannes la plus élevée et la dorée moyenne en service ou "durée de vie" la plus courte. Comme, jusqu'à présent, dès qu'une pile était défaillante, l'excitation du coeur se trouvait compromise, on changeait les cadenceurs dès qu'on remarquait une chute de la tension de la pile. Si l'on é- puise complètement la capacité de piles au mercure fonctionnant normalement, il se produit à la fin de la décharge une chute rapide de la tension, si bien qu'il ne reste plus que p?u de temps pour l'échange du cadenceur. Il est de pratique générale de surveiller la tension de la pile au moyen de la fréquence de sortie du générateur d'impulsions.Mais alors, le contrôle se fait par la partie du circuit à résistance élevée qui est elle-même la plus fortement exposée à des pannes. En cas de défauts technolo giquesib en général des formations de fissures dans la résine de coulée et des fuites électriques à l'intérieur du circuit, une dérivation sur l'élément RC - qui détermine la fréquence - aboutit à ce qu'on appelle un emballement du cadenceur (run-awaypacemaker), et on a déjà eu connaissance de tels incidents mettant la vie-en danger, ou même des cas mortels. En plus, sur des cadenceurs pilotés par des ondes R ou P, pour contrôler la tension, il faut interrompre le déclenchement au moyen d'un interrupteur électro-magnétique.Pendant ce contrôle, il se présente un certain danger pour le patient du fait de battements des cavités du coeur, lorsqu'une impulsion d'excitation tombe dans la phase dite vulnérable d'un processus d'excitation naturel. Beaucoup de cadenceurs sont munis de dispositifs supplémentaires destinés à mettre le cadenceur hors circuit pendant le stockage avant implantation, ou à renforcer le signal de sortie au cas où le seuil d'excitation devient plus élevé, ou encore à permettre de réduire graduellement ce signal de sortie pour déterminer le seuil d'excitation. Ceci exige des circuits et donc des éléments électroniques supplémentaires, ce qui augmente les risques de pannes et le coût des appareils. Il a déjà été indiqué deux possibilités permettant d'obtenir des impulsions d'excitation à énergie constante, même lorsque la tension de la pile diminue, mais cela ne s'accompagnait d'aucune possibilité de contrôle et de réglage. Dans la seconde solution, le principe était seulement de choisir une trop faible pente du sommet de l'impulsion. En outre, il s'agit d'une variante de montage dont les propriétés ne sont pas optima, parce que le condensateur de couplage et de mesure fait lui-même partie d'un générateur deimpulsions (mono-vibrateur), et qu'il est inclus, de même que la résistance du coeur, dans le circuit d'asservissement ou de réaction. D'une part, il en résulte, en fonctionnement sans charge, des impulsions très longues avec une grosse consommation de courant.D'autre part, l'excitation du coeur est déclenchée lorsqu'il se présente entre les elec- trodes une tension d'environ 0,5 V, ce qui est possible par des tensions de contact. Comme on a besoin, dans le circuit, de deux générateurs d'impulsions, l'un indépendant pour la fréquence de base, et l'autre, un monovibrateur pour l'étage de sortie, le nombre des organes constitutifs est élevé en conséquence. Le problème qui vise à résoudre l'invention est de con -férer les propriétés suivantes à un circuit de cadenceur. Une chute de la tension de la pil~ par suite d'un courtcircuit intérieur, ou par suite d'une augmentation de sa résistarce interne, doit entraîner une modification caractéristique de la fréquence d'excitation, mesurable en prenant le pouls du patient. En outre, la tension de la pile doit encore être déterminée à partir dtun second critère qui ne dépend pas de la partie a forte résistance ohmique du circuit et on doit pouvoir la lire, même dans le cas d'une fréquence synchrone des ondes R ou P, sans que cela perturbe le fonctionnement. On doit de même pouvoir déterminer la résistance de contact aux électrodes et l'énergie d'excitation, également en fonctionnement, dans les conditions d'implantation.L'énergie d'excitation doit aussi, avant tout, rester encore constante en cas de chute de la tension d'alimentation. Dans le fonctionnement de l'appareil implanté, il doit être possible de réduire l'énergie d'excitation pour pouvoir déterminer le seuil d'excitation biologique ou la marge de sécurité d'une excitation dépassant le seuil. Dans des situations critiques, on doit pouvoiraugmenter ou réduire à bref délai l'énergie d'excitation. Dans le cas d'une défaillance de la partie électronique conduisant à un emballement du cadenceur (run-away-pacemaker), l'énergie d'excitation doit automatiquement se réduire et devenir finalement inférieure au seuil avant que ne soit atteinte une fréquence dangereuse du pouls. En cas de stockage prolongé, il doit être possible de réduire le courant consommé à vide par le circuit. Le générateur d'impulsions doit lui-même présenter une consommation de courant extrêmement réduite, sans- qu'il faille utiliser des résistances à valeur ohmique très élevée, qui sont sujettes à des pannes. Le rendement technique de l'ensemble du circuit doit être le plus élevé possible. Toutes les conditions énoncées ci-dessus doivent être satisfaites avec un minimum d'organes électroniques. Conformément à l'invention, le cådenceur comporte un émetteur d'impulsions qui- ouvre un transistor de commutation. A la sortie de celui-ci est branchée la résistance de charge qui se compose de l'ensemble complexe en série des résistances des électrodes, des résistances de contact et de la résistance des tissus. Pour simplifier, cette résistance efficace sera groupée, dans ce qui suit, sous le terme de "résistance du coeur (RH). Pour l'émetteur d'impulsions, il s'agit d'un multivibrateur complémentaire couplé par les émetteurs, connu en soi, d#nt le point de fonctionnement est déterminé par des éléments non-linéaires, par exemple des diodes semi-conductrices. La consommation de courant d'un tel générateur d'impulsions est abaissée par la faible tension initiale. Dans l'étage de sortie du cadenceur, la résistance du coeur est connectée de façon connue en soi par l'intermédiaire d'un condensateur de couplage qui empêche les tissus d'avoir à supporter le passage d'un courant continu. Ce condensateur de couplage est agencé en organe de mesure et de commande, une liaison électrique étant réalisée suivant l'invention, d'une part, avec les deux électrodes excitatrices et, d'autre part, avec un discriminateur de tension dont la réponse fait décharger le condensateur du générateur d'impulsions déterminant les temps et raccourcit, de ce fait, l'impulsion d'excitation. La tension du discriminateur est variable et drpend de la tension de la pile, à laquelle elle est inversement proportionnelle. Cr ce à cette disposition, l'étage de sortie, en combinaison avec le discriminateur et le générateur d'impulsions, fonctionne comme un calculateur analogique qui, à partir de la résistance de charge et de la tension de la pile prises comme variables indépendantes, fait varier en fonction de celles-ci la durée d'excitation, de telle sorte qu'il en résulte des impulsions d'excitation à énergie constante.Une charge constante déterminée, qui met fin à l'impulsion (et de ce fait également une énergie d'excitation constante déterminée) est en effet atteinte d'autant plus vite que la résistance extérieure est plus faible et, en cas de chute de la tension de la pile, il faut d'abord qu'il s'écoule dans le condensateur de couplage, une charge d'autant plus grande avant que le discriminateur ne réponde, et l'impul- sion dure en conséquence plus longtemps suivant une loi de proportionnalité à l'inverse du carré. A la charge du condensateur de couplage, il correspond dans l'impulsion d'excitation la chute de tension du sommet de l'impulsion, chute de tension qu'on peut aussi observer au moyen d'un oscillographe dans le fonctionnement de l'appareil implanté.Conformément à l'invention, cette chute est choisie par la fixation de la tension de réponse du discriminateur à une valeur telle qu'on. puisse déterminer quantitativement sur un oscillogramme sa relation avec la tension de crête. Cette relation est fonction de la tension d'alin#nta- tion et constitue, en conséquence, un critère de contrôle de la cension.A partir de la tension d'alimentation, ainsi déterminée, et de la charge correspondante connue du condensateur de couplage, ainsi que de la durée d'impulsion, on peut calculer la résistance extérieure Comme le condensateur de couplage, qui est le capteur de mesure du calculateur est, suivant l'invention, en liaison électrique avec les électrodes d'excitation et avec le discriminateur, on peut intervenir de l'extérieur dans le processus de régulation par des tensions pilotes ou de commande. Si la tension pilote extérieure a pour effet de charger le condensateur de couplage avec la même polarité que le courant d'excitation, il en résulte un raccourcissement de la durée d'impulsion. On peut aussi, pendant une durée de stockage prolongée, bloquer le générateur d'impulsions et réduire la consommation dc courant à un minimum. Une possibilité, plus importante, est celle d'obtenir la faible tension initiale sur le condensateur de couplage également, en faisant passer un courant continu, avec des tensions et des intensités inoffensives, dans le thorax qui contient les électrodes d'excitation. Par un raccourcissement échelonné de l'impulsion d'excitation, on peut déterminer le seuil d'excitation bio-physique du coeur et par là également la réserve de puissance du cadenceur - il est conseillé de prévoir une marge de sécurité d'une excitation dépassant le double du seuil. Lors qutau moyen d'une tension de polarité inverse, on donne au condensateur de couplage une charge de sens opposé - un condensateur au tantale supporte sans inconvénient cette inversion de charge de courte durée dans les limites de quelques dizaines de volts -, l'énergie d'excitation augmente.Dans le cas d'une interruption de l'excitation du coeur, due à une élévation du seuil d'excitation, on peut aussi déterminer, préalablement à une intervention, le nouveau seuil d'excitation et calculer la puissance nécessaire à la sortie du cadenceur de r#emplacement, ou faire face plus rapidement à une situation critique. Dans le cas d'un emballement du cadenceur, on peut, en wpliquant au thorax une tension continue, couper momenta#nément ltexcitationduducoeur jusqu'à ce que les électrodes soient dégagées, et qu'on ait branché un cadenceur extérieur.En cas d'augmentations de fréquences extrêmes, le mécanisme de régulation propre du cadenceur conduit même déjà à une coupure de l'excitation parce que, pendant la durée raccourcie de l'interruption entre deux excitations, la charge du condensateur de couplage ne peut s'écouler que partiellement. Le principe du montage électrique du cadenceur implique que, lorsque la tension de la pile diminue, le condensateur de couplage se charge plus fortement. Dans l'intervalle, entre deux impulsions d'excitation, le condensateur de couplage se décharge à travers une résistance de compensation. Il apparaît alors aux bornes de celle-ci, une différence de potentiel qui peut également être utilisée comme tension de commande pour ralentir la fréquence des impulsions en cas de chute de la tension de la pile, si cette chute est due à une augmentation de la résistance intérieure, comme cela se produit lorsque la capacité de la pile est épuisée. En ce cas, pendant l'interruption entre deux excitations, la pile ne débitant pratiquement pas, la tension à ses bornes est normale.Pendant l'impulsion d'excitation, la tension aux bornes de la pile tombe, ce que le calculateur compense par un renforcement de la charge du condensateur de couplage. Il en résulte une tension de commande plus élevée, qui est renvoyée au générateur d'impulsions, en sorte que la fréquence de celui-ci se trouve ralentie. Dans le cas dune chute durable de la tension de la pile, par suite d'un court-circuit intérieur dans un ou plusieurs éléments au mercure, ce mécanisme de commande s'opposant à l'augmentation de fréquence qui est inhérente au générateur d'impulsions luimême, ne peut compenser que partiellement, et il en résulte une augmentation de la fréquence. On peut donc distinguer si une chute de la tension d'excitation,mesurable avec un oscillographe, vient d'un épuisement de la pile ou d'un court-circuit. Dans le cas d'un défaut d'isolement, qui crée une dérivation entre les bornes de la résistance de l'élément RC déterminant la fréquence, cette réaction de l'étage de sortie, sur la fréquence du générateur d'impulsions, donne lieu à un effet de couplage inverse. Ce couplage inverse maintient l'augmentation de fréquence dans des limites qui sont encore sans danger, jusqutà ce qu'en raison du mécanisme qu'on a déjà décrit, la puissance de sortie passe au-dessous du seuil. Egalement, dans le cas d'un court-circuit franc à l'intérieur du système, ce processus de régulation compense l'emballement du cadenceur qui serait à craindre. Toutes ces fonctions sont réalisables avec un petit nombre d'organes supplémentaires, au moins un transistor et deux résistances. Par une modification mineure du mode de fonctionnement d'un dispositif qu'on a déjà décrit, on peut obtenir de nouveaux effets, à savoir de nouvelles possibilités pour un contrôle complet des paramètres d'excitation d'un cadenceur implanté, et pour le commander de l'extérieur. L'avantage de l'invention repose sur une prolongation de la durée de fonctionnement de cadenceurs avec une augmentation de sécurité pour le patient, qui résulte des nouvelles possibilités de contrôle et de réglage. On comprendra mieux l'invention à partir de la description détaillée ci-après d'un de ses modes de réalisation, en se référant à la figure unique du dessin annexé, qui représente un schéma électrique du cadenceur suivant l'invention. Dans le cadenceur représenté sur le schéma, un transistor de commutation T1 est commandé à partir d'un générateur d'impulsions, un multivibrateur couplé par les émetteurs, avec des transistors complémentaires T3 et T4. En régime de coupure, la tension initiale appliquée à la base du transistor T4 est fixée par le potentiomètre non-linéaire, constitué par une résistance R8 (qu'on peut également remplacer par une source de courant d'intensité constante) et par des diodes D1 et D2. Lorsque le c#ndeisateur C2 s'est chargé, à travers une forte résistance R4, à un point tel que la décharge du circuit s'amorce, un courant de commutation pour le transistor de sortie il passe par une résistance R6, le transistor T3 et les diodes D1 et D2.Indé pendamment de cela, le courant qui détermine la durée d'impulsion est produit par la décharge du condensateur C2 en passant par une résistance R7 et par le pair de transistors complémentaires T3 et T4. Donc, pour une capacité donnée du condensateur C2, la fréquence du générateur d'impulsions est déterminee par la résistance R4, et la durée de l'impulsion par la résistance R7. La durée d'impulsion du générateur se trouve raccourcie si la déhale du condensateur C2 s'effectue à travers un transistor T2. Le transistor T2 contrôle la charge d'un condensateur Cl. Lorsque sa tension, ajoutée à la tension aux bornes de la résistance R2, qui provient du potentiomètre R1,R2, atteint la tension nécessaire à la base du transistor T2 pour bloquer celui-ci, l'impulsion est interrompue. Suivant la valeur de résistance RH du coeur, la charge du condensateur C1, et avec elle l'impulsion, dure plus ou moins longtemps, mais l'énergie d'excitation demeure constante, parce que c'est toujours la même charge qui est émise sous la même tension. Si la tension de la pile tombe, ceci s'applique de la même manière également à la chute de tension dans la résistance R2, et il faut que le condensateur Ci reçoive une charge plus importante avant que le transistor T2 ne se bloque et mette fin à l'impulsion d'excitation. Cette augmentation de la charge maintient l'énergie de l'impulsion de sortie pratiquement constante.La charge du condensateur Ci, qui dépend oe la tension d'alimentation, s'tel coule (entre les impulsions) à travers Je potentiomètre H, R3 et crée aux bornes de la résistance R3 une tension régulatrice, fonction de la tension d'alimentation qui ralentit la charge du condensateur C2 Avec une pile à cinq éléments au mercure, et pour les seuils d'excitation habituels, le calculateul assure encore l'excitation du coeur, même si la tension d'excitatron a diminué de moitié. pour une fréquence fondamentale de 72 u 74 impulsions/mn, les variations de fréquence-prévues de 65 à 80 impulsions/mn sont, du point de vue hémodynamique, sans importance sensible, mais elles suffisent à attirer l'attention du patient. Comme dans le dispositif représenté, le condensateur de couplage se charge dans l'intervalle de 0,3 à 0,6 V, il faut qu'il y ait la même différence de potentiel entre les différentes électrodes d'excitation (raccordées entre les bornes Ei) sur le coeur et l'électrode indifférente E2 sur le boîtier du cadenceur, si l'excitation du coeur doit être totalement iloquée, et cette différence de potentiel djit être réduite en conséquence, si la puissance de sortie du cadenceur doit être réduite s la moitié ou au tiers pour contrôler la marge de sécurité de l'excitation supérieure au seuil.Il n'y a aucune objection du polnt de vue mcrdical contre l'application au thorax de tensions aussi réduites, surtout dans les conditions cliniques d'un centre cardioiogique. On sait bien que l'application de courants électriques sensiblement plus intenses est effectuée couramment par un personnel médical moyen à titre de mesures thérapeutiques et que, conjointement avec l'iDnop:norèse, elle est recommandée pour le traitement de l'angine de poitrine. Si, malgré cela, on ne doit pas faire passer le courant de commande par l'électrode du coeur, il faut intercaler, entre le condensateur Cl et la résistance R2 du potentiomètre, une électrode indifférente supplémentaire et la raccorder au condensateur Cl par l'intermédiaire d'une résistance d'environ 500 ohms. La tension de commande, destinée à commander la variation de l'énergie de sortie, est alors appliquée par l'une des deux électrodes indifférentes. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Circuit de cadenceur, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur d'impulsions ou générateur de commande, qui ouvre un étage de sortie auquel la résistance du coeur est raccordée par l'intermédiaire d'un condensateur de couplage, avec une charge du condensateur de couplage, inversement proportionnelle à la tension d'alimentation, et suffisante pour créer un abaissement de la crête de l'impulsion d'excitation qui soit mesurable avec un oscillographe, le condensateur de couplage étant en parallèle avec l'entrée d'un discriminateur dont la sensibilité de réponse est inversement proportionnelle à la tension d'alimentation, et dont le signal de sortie est transmis au générateur d'impulsions, de telle sorte qu'une réponse du discriminateur raccourcit l'impulsion du générateur de commande. 2. Cadenceur caractérisé par le fait que l'énergie de l'impulsion de sortie peut être réglée par une faible tension continue, appliquée aux électrodes qui sont implantées dans le corps, une liaison électrique étant établie entre les électrodes et les organes de commande du cadenceur. 3. Cadenceur caractérisé par une réaction de l'impulsion de sortie sur la fréquence du générateur de commande, une liaison électrique étant établie entre le condensateur de couplage de sortie et l'élément RC du générateur de commande qui détermine la fréquence.