Brevet FR2422410A1 — publié le 19791109

L'invention, due à Leonid Evgenievich SMOLNIKOV, Adrian Borisovich APAROV. Nikkail Mikkailovich ISACHENKO, Vladimir Nikolaevich KOROLEV, Jury Innokentievich ABASHEEV, est relative aux Électrostimulateurs cardiaques destinés à être implantés dans le corps du patient en vue d-e pallier à certaines perturbations du rythme cardiaque. Le brevet USA n0 3 057 356 décrit un tel appareil produisant une action stimulante sous la forme d'une impulsion électrique rec tangulaire continue de durée T appliquée au coeur, en assurant sa o systole. Le stimulateur proprement dit est réalisé sous la forme d'un générateur d'impulsions, par exemple d'un multivibrateur ou d'une bascule fonctionnant en régime d'auto-oscillations, dont l'entrée est raccordée à une source d'alimentation et dont la sortie est branchée, à travers des électrodes, sur le coeur du patient, le nombre de systoles du coeur correspondant au nombre d'impulsions qui lui sont appliquées. On sait que, pour une stimulation efficace, la durée de l'impulsion arrivant au coeur doit dépasser une certaine durée de seuil. En régime de stimulation, la période de répétition des impulsions T dépasse toujours notablement la durée To de l'impulsion tT/To = 600 à 16001. L'inconvénient de l'électrostimulateur dont il vient d'être question est du à sa consommation relativement élevée et, de ce fait, à sa durée de service réduite. Pour des tensions normalisées de 5,2 ou 6,2 V de l'impulsion continue (valeur de crêtes, la durée de seuil, pour la plupart des patients, est égale à 0,05 à 0,2 ms. Pour un fonctionnement fiable d'un électrostimulateur, la durée de l'impulsion adoptée se situe dans des limites allant de 0,5 à 1,5 ms, c'est-à-dire qu'elle est plusieurs fois supérieure à la durée de seuil. Pour les cas les plus typiques d'utilisation d'un cardiostimulateur à impulsion continue, pour To= 0,8 ms et avec une période de répétition T de 833 ms t72 battements à la minute) une résistance du coeur de 500 ohms (valeur typeZ, une tension de l'impulsion de 5,2 V et un rendement du stimulateur de 80 %, la puissance appliquée au coeur est égale à 52 W, la puissance consommée à partir de la source d'alimentation est égale à 65 JUW. et le cou rant consommé à partir de cette source, à 12,5 ss A. Ainsi, lorsqu'on utilise comme moyen stimulant une impulsion continue, le courant ccnsommé à partir de la source de courant, pcur maintenir l'effet de stimulation. ne peut pas, en principe, être inférieur à 10 à 15 A. Etant donné que la capacité des piles faisant partie de la source d'alimentation est limitée (piles assurant une intensité de courant de 0,5 ou 1,0 A) la durée de service des stimulateurs est déterminée en premier lieu par le courant consommé, ce qui signifie que plus ce courant est élevé plus la durée de service est réduite. Ainsi, la durée de service des électrostimulateurs lorsqu'on utilise les piles existantes, ne dépasse pas quelques années. La présente invention vise à réduire la consommation de courant tout en conservant l'efficacité de stimulation et, par conséquent, d'augmenter la durée de service de l'appareil avec un même jeu de piles d'alimentation. L'électrostimulateur cardiaque selon l'invention comporte un générateur d'impulsions principal, destiné à piloter le rythme de fonctionnement du coeur, raccordé à une source d'alimentation et dont les sorties sont réalisées sous la forme d'électrodes raccordées au coeur, ledit électrostimulate-ur étant caractérisé en ce qu'il possède un générateur d'impulsions supplémentaire inséré entre le susdit générateur principal et les susdites électrodes et engendrant des paquets d'impulsions électriques haute fréquence envoyées au coeur du patient et produisant l'action stimulante recherchée, le nombre de systoles du coeur en présence de l'action stimulante étant égal au nombre de paquets d'impulsions appliqués au coeur. Cette disposition permet de réduire le seuil de stimulation de plusieurs fois, ce qui permet d'augmenter de plusieurs fois la durée de service de l'appareil avec une même source de tension et pour les mêmes encombrement et poids. Il est avantageux que le générateur d'impulsions supplémentaire forme des impulsions rectangulaires ou quasi rectangulaires. On peut envisager que l'amplitude des impulsions haute fréquence débitées par le générateur supplémentaire dépasse de plus de dix fois l'amplitude de la pause, et que le rapport entre la durée de la pause et la durée d'une impulsion dépasse 0,2. Un tel électrostimulateur cardiaque implanté permet donc #' -#tenr une durée de service sensiblement accrue et d'utiliser l'Énergie libérée pour l'alimentation de blocs auxiliaires d'électrostimulateurs plus compliqués au point de vue fonctionnel et mieux adaptés à l'organisme humain. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus clairement encore de la description suivante d'un mode de réalisation préféré mais non limitatif, description faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels, la figure 1 est le schéma synoptique d'un électrostimulateur cardiaque implanté raccordé au coeur, selon l'invention; la figure 2 montre la forme d'un paquet d'impulsions exerçant l'action stimulante; la figure 3 montre la forme d'une impulsion continue exer- çant l'action stimulante, selon un procédé connu; la figure 4, enfin, est le schéma électrique de montage de l'électrostimulateur selon l'invention. L'électrostimulateur illustré fig. 1 comporte une source d'alimentation 1 à laquelle est raccordé un générateur principal 2 pilotant le rythme de fonctionnement du coeur 3. L'une des sorties du générateur principal 2 est raccordée à l'entrée d'un interrupteur 4 du circuit d'alimentation qui est inséré entre la source d'alimentation 1 et un générateur supplémentaire à haute fréquence 5. A son tour, le générateur supplémentaire 5 est raccordé à l'entrée d'un commutateur 6 qui commande le coeur 3. Cet appareil fonctionne de la façon suivante. Le générateur principal 2, alimenté à partir de la source 1, forme des impulsions rectangulaires homopolaires. L'interrupteur 4 du circuit d'alimentation est fermé seulement durant l'intervalle d'action de l'impulsion du générateur principal 2. Le générateur supplémentaire à haute fréquence 5, alimenté à travers l'interrupteur 4, ne fonctionne que pendant l'intervalle d'action de l'impulsion du générateur principal et forme des paquets d'impulsions électriques gagnant le coeur 3 à travers le commutateur de sortie 6. La tension de sortie Un de l'électrostimulateur en fonction du temps t est donnée sur la figure 2 où To est la durée du paquet d'impulsions: tu est la durée d'une impulsion dans le paquet, (T-n#tu) est la durée d'une pause dans le paquet; T n est la période de répétition des impulsions dans le paquet, T est la période de répétition des paquets d'impulsions, et UO est l'amplitude des impulsions dans le paquet. A titre de comparaison, la figure 3 représente la tension de sortie Un d'un électrostimulateur de l'art antérieur en fonction du temps t, T étant la durée de l'impulsion continue, T la pério o de de répétition des impulsions, U0 l'amplitude des impulsions. Le commutateur de sortie 6 joue un double rôle. D'une part il assure un découplage galvanique entre le coeur 3 et le générateur supplémentaire 5, et, d'autre part, il amplifie la puissance du signal du générateur supplémentaire 5. On sait que le seuil énergétique de stimulation du coeur dé-- pend de la forme de l'action stimulante, ce seuil pouvant être réduit si l'action stimulante continue est remplacée par une action sous forme de paquets d'impulsions. L'action d'un paquet d'impulsions électriques (fig.2) sur le coeur engendre une systole, le nombre de systoles du coeur en présence d'une action stimulante étant donc égal au nombre de paquets d'impulsions envoyés au coeur. L'application dans un électrostimulateur cardiaque de paquets d'impulsions au lieu d'impulsions continues (fiv.3) permet, tout en conservant l'efficacité de la sti mutation, de réduire de plusieurs fois le courant consommé à partir de la source d'alimentation et, par conséquent, de prolonger de plusieurs fois la durée de service de l'appareil. Cette augmentation de la durée de service constitue l'avantage principal du dispositif faisant l'obJet de l'invention par rapport au dispositif connu rappelé précédemment. Il est avantageux que les paquets d'impulsions soient formés d'impulsions rectangulaires ou quasi-rectangulaires (fig.33, car, dans ce cas, les éléments de l'appareil fonctionnent en régime de portes et les pertes dans ces dernières deviennent minimales. Le rendement élevé du stimulateur est assuré si à l'intérieur du paquet l'amplitude d'impulsion Uo dépasse l'amplitude de la pause de plus de dix fois. Il est aussi avantageux de choisir à l'intérieur du paquet d'impulsions un rapport entre la durée (T -t 0 de la pause et la n U durée d'impulsion tu supérieur à 0,2, car, pour une plus faible valeur de ce rapport, on ne pourrait pas obtenir un gain énergétique appréciable. Le schéma électrique de montage de la figure 4 correspond à un cas -#articulier d'utilisation de l'appareil selon l'invention, ce cas particulier correspondant à une formule asynchrone qui est l'une des plus simples. Le générateur d'impulsions principal 2 comporte une source de tension de référence 10, un comparateur 11, deux circuits RC 12 et 13, assignant respectivement la période T de répétition des paquets d'impulsions et la durée T de ces paquets, un amplifica o teur intermédiaire transistorisé 14, et un bloc de décharge 15. La source de tension de référence 10 est réalisée avec des transistors. 16, 17, 18 et un transistor 19. Le comparateur 11 est réalisé avec un transistor 20 et une résistance 21. Les circuits RC 12 et 13 sont réalisés avec des résistances 22 et 23 et des condensateurs 24 et 25. Le bloc de décharge 15 est réalisé avec un transistor 26 et une résistance 27. L'amplificateur transistorisé intermédiaire 14 est réalisé avec un transistor 28 et des résistances 29 et 30. L'élément principal du générateur supplémentaire à haute fréquence 5 est une bascule 31. Ce générateur comporte deux cir cuits RC 32 et 33, assignant la durée des impulsions t et la pé u riode de répétition T de celles-ci dans le paquet d'impulsions, n ainsi que des diodes de découplage 34, 35, 36. Le circuit RC 32 est réalisé avec une résistance 37 et un condensateur 38. tandis que le circuit RC 33 est réalisé avec une résistance 39 et un condensateur 40. L'interrupteur du circuit d'alimentation 4 est réalisé avec un transistor 41. Le commutateur de sortie 8 est réalisé avec un transistor 42 et une résistance 43. il y a lieu de noter que, en vue d'améliorer la sécurité du patient, le commutateur 6 peut etre réalisé sous la forme d'un circuit raccordé à une source d'alimentation et constitué par une résistance, un transistor de commutation de sortie et un condensateur de découplage raccordé au point commun dudit circuit, couplés en série. Avec un tel schéma de montage, l'appareil fonctionne de la façon suivante. Lorsque le transistor 19 du générateur principal 2 est débloqué, les transistors 20, 26, 28, 41, 42 sont bloqués. Lorsque le transistor 41 est bloqué, le circuit d'alimentation du générateur supplémentaire 5 est coupé: il est débranché et l'impulsion de stimulation ne va pas au coeur 3. Lorsque le transistor 20 est bloqué, le condensateur 24 du circuit d'assignation du temps se charge à travers la résistance 22. Dès que le condensateur 24 est chargé jusqu'à une tension à peu près égale à la chute de tension sur la résistance 18 de la source de tension de référence 10, le transistor 20 du comparateur est débloqué et le transistor 19 se bloque. Alors, les transistors 26, 28, 41 sont débloqués et la tension de la source d'alimentation 1, à travers l'interrupteur. 4, arrive au générateur supplémentaire 5. Simultanément, le condensateur 24 se décharge à travers le bloc de décharge 15 (transistor 26) et le condensateur 25 du circuit d'horloge 14 se recharge. Le temps de recharge du condensateur 25 détermine la durée de l'état conducteur du transistor 41 de l'interrupteur 4, et. par conséquent, celle du générateur supplémentaire 5 qui forme le paquet d'impulsions de stimulation. Le générateur supplémentaire 5 fonctionne-de la façon suivante : lorsque la source d'alimentation est branchée à travers l'interrupteur 4, la bascule 31 se trouve à l'un de ses états stables; elle possède alors à sa sortie Q un potentiel élevé, et sa sortie Q un potentiel bas. Alors, le condensateur 40 du circuit horloge 33 raccordé à travers la diode 35 à la sortie de comptage de la bascule 31 se charge, tandis que le condensateur 36 se décharge. Simultanément, à travers la résistance 43, la base du transistor 42 du commutateur 4 reçoit un courant de déblocage et il se forme, dans son circuit de collecteur, l'une des impulsions du paquet de durée tu avoir la figure 2).Lorsque la tension au condensateur 40 atteint la valeur de la tension de fonctionnement, la bascule 31 passe à l'état "zéro (potentiel élevé à la sotrie Q et bas à la sortie Q). Alors, le condensateur 38 se charge et le condensateur 40 se décharge. Le transistor 42 est maintenant bloqué; c'est alors que se forme la pause de durée (Tn-tU ] dans le paquet de stimulation. Lorsque la tension au condensateur 38 atteint la tension de fonctionnement, la bascule 31 passe de nouveau à l'état stable, après quoi tous les processus recommencent. Etant donné que la fréquence de fonctionnement du générateur supplémentaire 5 est choisie supérieure à la fréquence de fonctionnement du générateur principal 2. il se forme,à la sortie du stimulateur, des paquets d'impulsions avec des intervalles de durée déterminée entre eux, comme représenté sur la fi- gure 2. L'électrostimulateur cardiaque selon l'invention assure la formation d'actions stimulantes électriques sous la forme de paquets d'impulsions et l'envoi de ces paquets au coeur. Plus le rapport entre les fréquences des générateurs principal et auxi liais est grand, plus le gain énergétique est élevé et, par conséquent, plus la durée de service de l'appareil est accrue. Le stimulateur asynchrone décrit consomme une puissance environ deux fois moindre que celle consommée par les stimulateurs connus. De ce fait, la durée de service du stimulateur selon l'invention est environ deux fois supérieure à la durée de service des stimulateurs implantés connus. Le dispositif décrit peut être appliqué en pratique à tous les types de stimulateurs implantés (asynchrones, à onde R, à onde P, à dispositifs de stimulation jumelée, etc.l, et dans tous ces cas, on obtient un gain énergétique. 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 et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés: elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATICf3S 1. Electrostimulateur cardiaque implanté. comportant un générateur principal d'impulsions, assignant le rythme de fonctionnement du coeur, raccordé à une source d'alimentation et dont les sorties sont réalisées sous forme d'électrodes raccordées au coeur, caractérisé par le fait qu'il comporte un générateur d'im- pulsions supplémentaire. inséré entre le susdit générateur principal et les susdites électrodes et engendrant des paquets d'impulsions électriques haute fréquence envoyées au coeur du patient et produisant l'action stimulante recherchée. le nombre de systoles du coeur en présence des actions stimulantes étant égal au nombre de paquets d'impulsions arrivant au coeur. 2. Electrostimulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur d'im#pulsions supplémentaire forme des impulsions rectangulaitres ou quasi rectangulaires. 3. Electrostimulateur selon l'une quelconque des revendications I et 2, caractérisé en ce que l'amplitude des impulsions haute fréquence formées par le générateur supplémentaire dépasse l'amplitude de la pause de plus de dix fois. 4. Electrostimulateur selon l'une quelconque des revendications 1. 2 et 3, caractérisé en ce que, dans le paquet d'impulsions haute fréquence #formées par le générateur supplémentaire, le rapport entre la durée de la pause et la durée de l'impulsion est supérieur à 0,2.