Brevet FR2466995A1 — publié le 19810417

La présente invention se rapporte aux stimulateurs de tissusvivants, et concerne plus particulièrement un stimulateur cardiaque implanté. Les premiers stimulateurs cardiaques ont été décrits dans le Brevet des Etats Unis d'Amérique NO 3 057 356, qui date de 1962. Le dispositif décrit dans ce Brevet compor- tait un oscillateur à relaxation relativement simple, pro- duisant les impulsions électriques à une fréquence de ré- pétition fixe. Ces impulsions étaient appliquées au coeur par un conducteur constitué par un fil conducteur et une électrode, afin de provoquer la contraction du ooeur à chaque apparition d'une impulsion. Depuis 1962, de nombreux perfectionnements ont été apportés aux stimulateurs cardiaques. Ces perfectionnements comprennent une plus g'rande -Ccomplexité des circuits, y vi compris 1'a0jonction de circuits qui modifient la durée ou l'énergie des impulsions de manière à obtenir une stimula- tion qui convient sans consommation d'énergie exagérée. La commande de l'amplitude ou de la durée des impulsions de stimulation est souhaitable pour permettre cette stimula- tion à des niveaux qui se situent juste au-dessus du seuil d'un malade particulier, car l'utilisation dtimpulsions de plus haute éneri'ie réduit la longévité totale de la pile et peut avoir des résultats physiologiques indésirables. Le Brevet des Etats Unis d'Amérique NO 3 197 195 décrit un stimulateur cardiaque comprenant des commandes d'amplitude qui sont implantables avec le stimulateur et qui peuvent être manipulées par des commandes à l'extérieur du corps. L'accès à ces commandes impose une perforation transcutanée et l'insertion d'un instrument de réglage. Le Brevet des Etats Unis d'Amérique NO 3 833 005 décrit étalement un stimulateur cardiaque avecdes comman- des de réglaoee de fréquence et/ou de durée d'impulsion. Le dispositif selon ce brevet utilise des signaux codés, produits extérieurement, pour commander la fréquence ré- >Nlable et/ou la durée des- impulsions de stimulation. Le 3revet des Etats Unis d'Amérique NO 3 901 247 décrit un circuit générateur d'impulsions utilisé dans un stimulateur à durée d'impulsions réglable. Ce circuit ai_- mente la durée des impulsions de sortie quand la tension de la source d'alimentation diminue au-dessous d'un niveau prédéterminé. Ce circuit ne modifie pas la durée des impul- sions tant que la tension n'est pas passée au-dessous de la-valeur seuil et à ce moment, il produit en une seule fois une augmentation fixe et prédéterminée de la durée des impulsions. En même temps que la durée des impulsions est augmentée, leur fréquence est réduite de manière à 1 donner une indication, pouvant être détectée à l'extérieur que la tension à diminué jusqu'au-dessous de la valeur seuil. Un potentiomètre - commandé par l'extérieur est utilisé pour déterminer la valeur dont la durée d'impul- sions est augmentée lorsque la tension d'alimentation passe au-dessous de la valeur seuil. Ce circuit ne produit pas une modification continue de la durée des impulsions de stimulation au fur et à mesure que la tension d'alimen- tation diminue. Le Brevet des Etats Unis d'Amérique No 3 842 844 dé- crit un Générateur d'impulsions assurant un réglage conti- nu de la durée des impulsions en utilisant un circuit de temporisation comportant un condensateur pour déterminer la durée d'impulsions en réponse à la diminution d'une ten- sion de référence. Ce circuit réagit à chaque diminution de la tension de référence de manière à maintenir l'éner- pie des impulsions du générateur au-dessus d'un niveau pré- déterminé dans une large plate de diminution de tension. La demande de Brevet des Etats Unis d'Amérique NI 957 958 déposée au nom de MacDonald met en oeuvre des tech- niques de circuit numérique pour au.menter automatiquement la durée des impulsions de stimulation cardiaque lorsque la tension de la source d'alimentation diminue. Le circuit numérique décrit comporte un oscillateur commandé par ten- sion qui produit un train d'impulsions dont la fréquence est liée à la tension délivrée par la pile, et un compteur qui compte les impulsions de l'oscillateur commandé par tension. Le compteur est rame.né à une valeur initiale en réponse au signal de fréquence. Un circuit de sortie est commandé par le compteur de manière à produire des im- pulsions de stimulation cardiaque à une tension liée à La tension de la pile, à partir du moment o le compteur est ramené au repos par le sipnal de fréquence et jus- qu'à ce qu'il atteiprne une valeur prédéterminée. Selon un aspect, l'invention concerne donc un circuit destiné à allonger la durée des impulsions de stimulation afin de produire des impulsions de sortie d'énergie con- stante quand la tension de la source d'alimentation dimi- nue. Ce circuit élimine la nécessité d'utiliser un oscil- lateur commandé par tension qui, de par sa nature, impose d'employer un condensateur et diminue l'efficacité du cir- cuit sur le plan de sa consommation. Le signal d'allonge- ment de la durée d'impulsion selon l'invention comporte un seul convertisseur numérique-analoeique n'imposant pas l'utilisation d'un condensateur ou d'un oscillateur commandé par tension. Le circuit qui sera décrit élimine également les problèmes de dérive et de réglame qui peu- vent appara tre dans l'utilisation d'un condensateur dtos- cillateur commandé par tension. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exem- ple nullement limitatif: Les figures 1A et 1B sont desschémas d'un circuit de stimulateur cardiaque selon l'invention, et la figure 2 est un schéma détaillé du convertisseur numérique-analogique qui convient particulièrement au circuit de stimulation des firures 1A et 1B. Les figures 1A et 1B représentent donc un circuit générateur d'impulsions destiné à un stimulateur. Ce dis- positif peut fonctionner seul, comme représenté, pour former un circuit de stimulation produisant des impul- sions d'énergie constante>, en boucle ouverte. Mais cela ne constitue en rien une limitation de l'invention dans son utilisation avec un stimulateur en boucle ouverte. L'invention peut aussi être incorporée facilement dans un stimulateur programmable du type décrit dans la demande de Brevet des Etats Unis d'Amérique N 957 958 précitée. Le sirnal XTAî apparaissant sur la figure 1 est un signal pulsé rectangulaire, d'une fréquence de 32 768 Hz. Ce signal XTAL est appliqué aux entrées d'horloge d'un compteur de fréquence 10 et d'un compteur d'intervalle 12, Dans le présent mode de réalisation, le compteur de fréquence 10 est un compteur binaire à 15 étages, connecté de la manière connue. Les sorties des étages M, N et 0 sont connectées aux entrées des étages suivants du compteur 10 ainsi qu'à des portes ET 14 qui, quand leurs entrées re- çoivent tous les "1 ", attaquent l'entrée de déclencheuent d'un circuit basculeur RS 16. A son tour, le circuit basculeur 16 attaque un circuit de sortie 18.Quand l'entrée de déclenche- ment passe au niveau haut, la sortie Q du circuit basculeur 16 passe au niveau haut, ramène au repos les circuits bas- culeurs du compteur de fréquence 10 et ramène l'entrée de déclen- chement au niveau bas. En même temps, la sortie Q du cir- cuit basculeur 16 produit une impulsion à la sortie du cir- cuit 18 qui, à son tour, est appliquée au coeur par des moyens connus. La sortie Q du circuit basculeur 16 est connectée à l'entrée de mise au repos des circuits basculeurs du comp- teur d'intervalle- 12 qui, dans le présent mode de réali- sation, consiste en un compteur binaire à six étages con- nectés de la manière habituelle. Quand le.signal d'entrée de dMclenchement est adoliqué au circuit basculeur 16,,la sortie Q passe du niveau haut au niveau bas, en supprimant la commande de mise au repos aux entrées correspondantes du compteur d'intervalle 12. Quand les entrées de mise au repos du compteur d'in- tervalle 12 sont maintenues au niveau bas, le compteur commence à compter le signal XTAL à zéro. Les sorties des étages du compteur d'intervalle 12 sont connectées à un convertisseur numérique-analopique 20 dont le schéma dé- taillé e'st représenté sur la figure 2. Le convertisseur analogique délivre un courant de sortie zéro à la borne 21 pour une entrée zéro provenant du compteur d'interval- le 12 et correspondant à des "0" aux sorties des étages 12A à 12F. Le courant de sortie de la borne 21 du conver- tisseur 20 est appliqué à une résistance 24. La résistance 24 est représentée sous forme d'un groupe de résistances R4, R'4 et R"4 en parallèle, qui peuvent être connectées en des combinaisons variables au moyen des commutateurs S1, Si1 et S"1, de manière à modi- fier la valeur de la résistance 24 et permettre le réglage de l'énergie des impulsions quidoit être maintenue con- stante. Quand la tension aux bornes de la résistance 24 atteint la tension Vref à l'autre entrée du comparateur 26, le signal de sortie à la borne 27 de ce comparateur passe au niveau haut et applique, par l'intermédiaire de la porte OU 30, un signal de mise à zéro au circuit bas- culeur 16. Ce signal ramène au repos la sortie du circuit basculeur 16 supprimant le signal d'attaque du circuit de sortie lI pour interrompre l'impulsion de stimulation et supprimer le signal de mise au repos aux entrées corres- pondantes du compteur de fréquence 10 afin de permettre à ce dernier de reprendre le-comp.tage du signal XTAL. La mise au repos-du circuit basculeur 16 ramène également au repos le compteur d'intervalle ou de durée 12. Pour obtenir la sensibilité voulue de la durée des impulsions aux variations de la tension d'alimentation, et de produire ainsi des impulsions d'énergie constante, une résistance R5 est utilisée conjointement avec la ten- sion VCE pour attaquer l'entrée 32 du convertisseur numé- rique-analogique. L'intensité du courant fourni à la borne d'entrée 32 du convertisseur numérique-analogique 20 détermine l'intensité du courant délivré à la sortie 21 de ce convertisseur pour chaque bit d'entrée. Quand-la-...._ tension d'alimentation VBAT diminue, le courant d'entrée du convertisseur 20 diminue également ce qui augmente la durée d'impulsion car il faut un comptage plus important dans le compteur 12 pour augmenter le courant de sortie à la borne 21 et atteindre une condition dans laquelle Vref apparait aux bornes de la résistance 24. Différentes durées nominales d'impulsions peuvent être obtenues en fermant sélectivement un nombre déterminé de commutateurs S1, ' St1 et S" modifiant la valeur de la résistance 24 en- I1 tre la borne de sortie 21 du convertisseur numérique- analogique et la tension positive d'alimentation VA. B T Le circuit de la figure 1 possède également une ca- ractéristique de sécurité qui intervient dans le cas d'une diminution de la tension d'alimentation au-dessous du point pour lequel le courant de sortie à la borne 21 du conver- tisseur 20 est encore suffisant pour produire aux bornes de la résistance 24 une tension égale à Vref. Cette carac- téristique de sécurité est apportée par une porte ET 34 qui détecte le moment o tous les circuits basculeurs du compteur 12 passent au niveau haut pour ramener au repos la sortie du circuit basculeur 16 par la porte OU 30 et interrompre l'impulsion de stimulation après une durée prédéterminée. Les avantages apportés par le dispositif décrit ci- dessus sont importants. L'1élimination de la nécessité d'utiliser un oscillateur commandé par tension supprime les problèmes inhérents de dérive et de réglage de cet oscillateur. En outre, grâce à l'élimination del'oscilla- teur commandé par tension il est davantage possible d'inté- grer le circuit sur une seule pastille, en réduisant ainsi au minimum la nécessité de composants extérieurs par exem- ple un condensateur d'oscillateur. Le circuit de stimulation des figures 1A et lB pré- sente aussi un avantage sur les circuits antérieurs en ce qu'il élimine la nécessité de boucles de comptage "rapide" telles que celles décrites dans la demande de Brevet des Etats Unis d'Amérique NO 957 958 précitée. Le circuit selon l'invention représenté sur les figures 1A et lB permet de réaliser un circuit intégré avec une plus faible consommation totale. La figure 2 représente une version possible d'un circuit intégré pour réaliser le convertisseur analogique- numérique 20, le comparateur 26, la source 25 de tension de référence, la source de courant 33 pour le convertis- seur 20 et la résistance 24 permettant la sélection ini- tiale de la durée des impulsions dont l'énergie doit ttre maintenue constante par variation de cette durée en fonc- tion des variations de la tension d'alimentation- La fonction de base numérique-analogique du circuit 20 est remplie par des transistors Q4 à Q10 conjointement avec des résistances d'émetteur dont les valeurs sont R, 4,288 R, 2,072R, R, R/2, R/4 et R/8. Le courant binaire est établi par le courant de collecteur du transistor Q4 et il est pondéré pour les bits supérieurs par des compo- sants à échelle de surface. Les bases des transistors Q15 à Q20 sont connectées aux sorties respectives des six étages du compteur de durée 12. Les transistors Q15 à Q20 sont débloqués individuellement quand.les circuits bascu- leurs correspondants du compteur 12 les commandent, pour passer à "0" les bits correspondants par la polarisation inverse des transistors appropriés Q5 à Q10, en réduisant ainsi le courant à la borne 21 duconvertisseur. L'alimentation de la partie numérique-analogique du circuit est fournie par le générateur de courant I re- présenté dans la case 25. Dans ce circuit, les transistors Q13, Q14 et Q26 sont utilisés pour produire une tension positive compensée en température aux bornes de la résis- tance d'émetteur du transistor Q14. La surface d'émetteur de ce dernier est cinq fois supérieure à celle du tran- sistor Q13, de sorte que la tension aux bornes de R1, Vref, est à peu près 42 mV si R1 est choisi de manière que son courant soit égal à I 3. Le courant dans le transis- tor Q14 est donc "multiplié" par 9R1 et 3R1 en série avec le transistor Q26, jusqu'à environ +2 mV/ C. Cette valeur est égale à la valeur négative 2mV/ C du transistor Q26 connecté en diode et produit une tension Vref de 1,25 Volt qui est la tension de référence du circuit 25, appliquée à la base du transistor Q22 du comparateur 26. Le transistor Q26 du circuit de référence 25 est uti- lis pour produire un courant de référence compensé en tem- pérature et, par le transistor Q27, pour attaquer la résis- tance désignée par 11R1 vers la base du transistor Q4. La tension aux bornes de la résistance 11R1 qui est de l'ordre de +2mV/ OC produit, conjointement avec la tension Vbe du transistor Q4, une tension V cede 1,20 Volt. ce Le circuit 33 comporte une source de- courant I1 pro- duisant un courant d'alimentation pour les transistors Q23, Q24, Q1, Q2 et Q3 formant un circuit d'attaque des bases des transistors numériquesanalo.iques Q5 à Q10 avec leurs résistances de pondération. Le condensateur C est utilisé i pour stabilier la boucle. Le transistor Q25 du convertisseur numérique-analogi- que 20 est utilisé comme un commutateur qui ne branche la résistance R2 que pendant l'impulsion de sortie produite par le circuit des figures 1A, lB. Le courant dans la ré- sistance U2, óésigné par "I" est le courant d'entrée du circuit de convertisseur numérique-analoeique. L'intensité du courant I est la suivante: I = (Vbat Vce) (R2 R) La tension de sortie du convertisseur numérique-analoeique est: VD = (I) (R) (3)/4 = (R3) (Vbat-Vce)N/(R2 +) (4) L'équation de la tension est divisée par quatre pour réfléter le choix des résistances de pondération et des va- leurs de résistance choisies pour que I soit égal à quatre fois Le courant binaire minimal. Dans l'équation ci-dessus, N est le nombre des cycles d'horloge. Par une modification légère des équations ci-dessus le nombre des cycles d'horloge déterminant la durée de l'impulsion est donnée par l'expression: "N = (R2 + R) (Vd2a) (4)/R3 (Vbat Vce et la durée d'impulsion T est: I"T = (N/32,768 kHz = R2 + R) (Vd2a) (4)/R3 (V bat - Vce) (32,768 kHz). La figure 2 représente le circuit de comparateur 2?> constitué par la source de courant I2, les transistors Q21, Q22, Qll et Q12. La tension Vref est appl uée à la base du transistor Q22 et comparée avec la tension de sor- tie du convertisseur à la base du transistor Q21, et le signal de sortie du comparateur est produit aux collec- teurs communs des transistors Qil et Q21. La variation de R peut se faire en fermant sélec- tivement différents commutateurs du circuit 24, afin de sélectionner différentes durées de base des impulsions qui peuvent ensuite être régulées sans autre modification du circuit. Il est bien évident que de nombreuses modifications peuvent Ètre apportées au mode de réalisation décrit et illustré sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - générateur d'impulsions électro-médicales uti- lisées pour stimuler une partie déterminée d'un corps - vivant, ledit générateur étant dd type comportant des bornes destinées à être connectées à un conducteur élec- trique, une source d'alimentation et un générateur d'im- pulsions électriques connecté électriquement à ladite source d'alimentation, pour produire des impulsions de sortie à une fréquence déterminée auxdites bornes, chaque impulsion ayant une durée d'impulsion.- nominale prédéter- minée et une énergie prédéterminée, générateur caracté- risé en ce qu'il comporte un temporisateur (12) destiné à produire un signal numérique de sortie dont la valeur est proportionnelle au temps qui s'est écoulé après la produc- tion du flanc avant d'une impulsion de sortie, un conver- 1î tisseur numérique-anaLo.?ique (20) connecté audit tempori- sateur et destiné à en recevoir le signal numérique de sortie, et connecté épalement à ladite source d'alimenta- tion pour produire un signal analogique de sortie repr6- sentant ledit signal numérique de sortie qui augmente avec le temps à une vitesse inversement proportionnelle à la tension de ladite source d'alimentation, et un compa- rateur (26) destiné à recevoir le signal analogique de sortie dudit convertisseur numérique-analogique, ledit comparateur étant réalisé et agencé de manière à produire un signal qui interrompt ladite impulsion de sortie quand ledit signal analogique de sortie atteint un niveau pré- déterminé. 2 - Générateur d'impulsions de stimulateur cardia- que numérique destiné à produire des impulsions de stimu- lateur cardiaque, ledit générateur comportant un circuit d'horloge (XTlAL) qui produit une série d'impulsions d'hor- loge à une fréquence fixe, un compteur (10) commandé par ledit circuit d'horloge de manière à compter lesdites im- pulsions d'horloge, un décodeur (14) commandé par le con- tenu dudit compteur pour produire des signaux quand ledit compteur atteint un certain comptage indiquant le flanc avant desdites impulsions de stimulation cardiaque, une source d' alimentation (VBAT) produisant une tension de ni- VBAT) veau décroissant, pendant une période prolon-ée, et un circuit de sortie (10) qui produit desdites impulsions de stimulation cardiaque à la commande dudit décodeur, les- S dites impulsions de stimulation cardiaque ayant une am- plitude de tension qui dépend de la tension de la source d'alimentation et qui décroit avec elle, pénérateur carac- térisé en ce qu'il comporte un convertisseur (20) produi- sant une tension de sortie qui augmente par des incréments prédéterminés avec une amplitude proportionnelle à ltam- plitude de la tension de ladite source d'alimentation, pour chaque comptape après celui indiquant que le flanc avant d'une impulsion de stimulation est atteint, et un comparateur (26) connecté de manière à recevoir la ten- sion de sortie dudit convertisseur et également connecté audit circuit de sortie, ledit comparateur étant réalisé et apencé de manière à interrompre ladite impulsion de stimulation quand la tension de sortie dudit convertisseur atteint un niveau prédéterminé. 3 - C-énérateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la relation entre les incréments prédéterminés de la tension de sortie dudit convertisseur et ladite ten- sion de la source d'alimentation aucmente le temps entre les flancs avant desdites impulsions de stimulation cardi- aque et l'interruption desdites impulsions au fur et à me- sure que la tension de la source d'alimentation diminue, de manière à réduire au minimum la diminution de l'énereie desdites impulsions de stimulation cardiaque. 4 - rénérateur d'impulsions de stimulateur cardiaque numérique destiné à produire des impulsions de stimulation cardiaque, générateur caractérisé en ce qu'il comporte une source d'alimentation (VBAT) qui produit une tension dont l'amplitude varie avec le temps, un circuit d'horlope (XTAL) qui produit un drain d'impulsions d'horloge de fréquence fixe, un temporisateur (10) qui produit un signal de fré- quence pour déclencher lesdites impulsions de stimulation cardiaque à une fréquence de répétition prédéterminée, un compteur d'intervalle (12) connecté audit circuit d'hor- loge pour en recevoir des impulsions d'horloge et pour les compter, ledit compteur d'intervalle étant réalisé et arencé de manière à recevoir ledit signal de fréquence dudit temporisateur et pour ramener au repos ledit comp- teur en réponse audit signal de fréquence, ledit généra- teur comportant également un convertisseur numérique-ana- logique (20) connecté àladite source d'alimentation et au- dit compteur d'intervalle, ledit convertisseur étant agencé et réalisé de manière à produire une tension ana- loeique de sortie qui augmente par des incréments prédé- terminés en fonction du contenu dudit compteur d'inter- valle, l'amplitude de chacun desdits incréments étant proportionnée en fonction de l'amplitude de la tension de ladite source d'alimentation, ledit générateur compor- tant enfin un circuit de sortie (18) connecté à ladite source d'alimentation et audit temporisateur pour en rece- voir ledit signal de fréquence, ledit circuit de sortie étant réalisé et agencé de manière à déclencher lesdites impulsions de stimulation cardiaque en réponse audit signal de fréquence, et étant également réalisé et agencé de ma- nière à produire lesdites impulsions de stimulation avec une amplitude proportionnelle à l'amplitude de la tension de ladite source d'alimentation, ledit circuit de sortie étant également connecté audit convertisseur numérique- analogique pour en recevoir lae tension analogique de sor- tie et étant réalisé et agencé de manière à interrompre lesdites impulsions de stimulation cardiaque quand la ten- sion analogique de sortie dudit convertisseur numérique- analo-ique dépasse une valeur de référence prédéterminée, ladite valeur de référence étant choisie de manière à auz- menter la durée des impulsions de 'stimulation cardiaque quand l'amplitude de la tension de ladite source dtalimen- tation décroît avec le temps. - Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de protection (34) des- tiné à produire un signal de coupure pour ledit circuit de sortie (18) afin d'interrompre une impulsion de stimu- lation cardiaque si un comptage prédéterminé a été atteint dans ledit compteur d'intervalle (12) et si ladite im- pulsion de stimulation cardiaque n'a pas déjà été inter- rompue par la tension analogique de sortie produite par ledit comparateur (2,). 6 - Générateur selon la revendication 4, caractéri- sé en ce que ledit convertisseur numérique-analogique (20) comporte des entrées numériques connectées aux étages successifs dudit compteur d'intervalle (12) et une entrée analogique connectée (33) à ladite source d'alimentation pour en recevoir une tension dont itamplitude varie pro- portionnellement à la variation de l'amplitude de tension.