Brevet FR2462898A1 — publié le 19810220

L'invention concerne d'une manière générale un procédé et un appareil de mesure de la résistance ohmique de la zone de contact entre un tissu corporel et une électrode fixée à ce tissu. A titre d'exemple, l'invention sera décrite dans son application à un procédé et un appa- reil de mesure de la résistance ohmique du contact entre un tissu cardiaque et une électrode de stimulateur car- diaque, de manière à permettre l'implantation chirurgicale de l'électrode dans le coeurD en un point o la résistance lo de contact est relativement faible, ce qui assure un fonc- tionnement plus fiable du stimulateur. L'invention concerne donc un procédé et un appa- reil de mesure de la résistance ohmique de la zone de con- tact entre un tissu corporel et une électrode fixée à ce tissus par exemple le tissu cardiaque et une électrode de stimulateur cardiaque implantée par voie chirurgicale dans le coeur, lors de la pose ou du remplacement d'un sti- mulateur. A partir de la résistance mesurée du contact, un chirurgien peut choisir un emplacement optimal, à faible résistance, pour l'implantation de l'électrode dans le coeur, afin d'augmenter la fiabilité du fonctionnement du stimula- teur. Après que l'électrode a été implantée par voie chirurgicale dans le coeur, le générateur d'impulsions du stimulateur, l'électrode, le coeur et le trajet de retour à travers le corps vers le générateur d'impulsions, forment un circuit électrique. Selon l'invention, un appareil est connecté aux bornes du circuit électrique comprenant l'élec- trode et le coeur. L'appareil échantillonne et maintient la tension instantanée aux bornes du circuit électrique comprenant l'électrode et le coeur, au début d'une impulsion produite par le générateur, instant auquel l'effet de capa- cité dans le circuit électrique formé par le stimulateur, comprenant le générateur d'impulsions et l'électrode, et le coeur, est tel que le courant produit ne dépend que de la tension et de l'impédance de sortie équivalente du géné- rateur d'impulsionst de la résistance du fil de l'électrode et de la résistance de la zone de contact entre le tissu cardiaque et l'électrode. L'appareil détermine la résis- tance de contact à partir de la tension instantanée en se basant sur un modèle de circuit équivalent au circuit électrique formé par le stimulateur et le coeur, en tenant compte de l'effet de capacité existant à l'attaque d'une impulsion. Selon une forme préférée de réalisation de l'invention, l'appareil comprend un circuit de commande qui est déclenché par le front d'attaque d'une impulsion produite par le générateur d'impulsions. Le circuit de commande produit un signal de validation en réponse au début de l'impulsion. L'appareil comprend également un circuit d'échan- tillonnage et de maintien qui est déclenché par le signal de validation produit par le circuit de commande. En ré- ponse au signal de validation, le circuit d'échantillonnage et de maintien retient la tension instantanée aux bornes du circuit électrique constitué par l'électrode et le coeur. L'appareil comprend également un circuit de trai- tement de signaux analogiques basé sur un modèle de circuit équivalent au circuit électrique formé par le stimulateur, comprenant le générateur d'impulsions et l'électrode, et le coeur, en tenant compte de l'effet de capacité existant à l'attaque d'une impulsion, afin de déterminer la résis- tance de la zone de contact entre le tissu cardiaque et l'électrode à partir de la tension instantanée maintenue dans le circuit d'échantillonnage et de maintien. L'appareil comporte également un dispositif destiné à afficher la résistance de contact mesurée afin qu'un chirurgien puisse déterminer s'il peut ou non implanter chirurgicalement l'électrode en un point quelconque du coeur, afin d'assurer une résistance de contact relativement basse et augmenter ainsi la probabilité pour le stimulateur de continuer à faire battre le coeur pendant une plus longue durée après l'implantation de l'électrode, ainsi que de minimiser le risque de provocation d'une fibrillation en maintenant à une valeur relativement basse l'atténuation provoquée par le stimulus naturel de réaction qui tend à inhiber le géné- rateur d'impulsions dans un stimulateur du type fonction- nant à la demande. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lequel: la figure 1 est un schéma d'un modèle de circuit équivalent au circuit électrique formé par un stimîulateur cardiaque, comprenant le générateur d'impulsions et. leIéec- trode, et le coeur; la figure 2 est un graphique montrant la courbe caractéristique de réponse en tension du circuit électrique formé par le stimulateur et le coeur, tel que représenté par le modèle de circuit équivalent de la figure 1, super- posée à une impulsion produite par le générateur d'impul- sions; - la figure 3 est un schéma du modèle de circuit équivalent de la figure 1 à l'attaque d'une impulsion pro- duite par le générateur; la figure 4 est un schéma d'une forme préférée de réalisation de l'appareil selon l'invention destiné à déterminer la résistance de contact dans le cas o la résistance du fil de l'électrode est faible par rapport à la résistance du contact; et la figure 5 est un schéma d'une modification du circuit de la figure 4 pour déterminer la résistance de contact dans le cas o la résistance du fil de l'électrode n'est pas faible par rapport à la résistance du contact.. Le circuit électrique formé par un stimulateur cardiaque, comprenant le générateur d'impulsions et leêlec- trode de ce stimulateur, et par le coeur, est un réseau résistifcapacitif qui comprend la résistance présenite dans la zone _de contact entre le tissu cardiaque et l'électrode. Un modèle de circuit équivalent au circuit électrique formé par le stimulateur et le coeur est montré sur la figure 1. Comme représenté sur la figure 1, le générateur d'impulsions du stimulateur est représenté par une source de tension produisant des impulsions ayant une amplitude es en série avec une impédance de sortie équivalente Z0. La somme de la résistance du fil de l'électrode et de la résistance du contact entre le tissu cardiaque et l'élec- trode est représentée par une résistance purement ohmique R. Le coeur est représenté par une résistance Rs et par une capacité Cs formant un circuit série. Les composantes résistives et capacitives d'un circuit parallèle représen- tant le tissu corporel entourant l'électrode et constituant le trajet de retour par le corps sont indiquées en Rp et Cp. La tension instantanée appliquée par l'électrode au coeur est représentée en e. Les impulsions produites par le générateur 10 sont sensiblement rectangulaires, comme indiqué pour l'im- pulsion P sur la figure 2, et elles peuvent avoir une durée de 1,7 milliseconde, par exemple. La tension instantanée e dépend en partie de la valeur de l'impédance de sortie Z0 du générateur 10 d'impulsions. Si l'impédance du générateur d'impulsions est faible, la tension e est sensiblement rec- tangulaire. Si l'impédance du générateur est grande, la ten- sion e présente une forme telle que celle indiquée par le signal S de stimulation sur la figure 2, cette forme étant analogue à celle du signal de stimulation produit par le système naturel de stimulation cardiaque. Par conséquent, un générateur d'impulsions ayant une grande impédance de sortie, tel que le générateur du type IlMedtronic, Model 5880A, produit par -la firme Medtronic, Inc., Minneapolis, Minnesota, est de préférence utilisé afin que le stimulus produit artificiellement soit proche du stimulus naturel. Le temps de montée de l'impulsion P est insigni- fiant. Par conséquent, le front d'attaque P' de l'impulsion P coïncide sensiblement avec l'axe des tensions sur la fi- gure 2, à l'attaque de l'impulsion. Comme montré sur la figure 1, un courant instan- tané i circule dans l'électrode lorsque le générateur pro- duit une impulsion. Le courant i se divise en trois courants il, i2 et '3, qui passent dans les trois branches du circuit électrique comprenant le coeur et le tissu corporel environ- nant. D'une manière plus spécifique, le courant i1 traverse la résistance R présentée par le tissu corporel environ- p. nant; le courant i2 traverse la capacité Cp présentée par le tissu corporel environnant; et le courant i3 passe dans le circuit série formé par la résistance R et la capacité s Cs constituant l'impédance du coeur, le courant i étant égal à la somme des courants il, i2 et i3. Si l'on mesurait les valeurs moyennes de la tension e et du courant i, le rapport résultant e/i donne- rait une certaine impédance concernant l'ensemble du cir- cuit électrique formé par le stimulateur et le coeur. Ce- pendant, la résistance du contact ne peut être déterminée séparément de l'impcédance calculée, car l'impédance indi- que seulement l'effet combiné de la résistance R de l'électrode, de la résistance R et de la capacité C du tissu corporel environnant, et de la résistance Rs et de la capacité Cs du coeur. Par conséquent, il serait impos- sible de déterminer si l'électrode pourrait ou non être implantée chirurgicalement en un point différent du coeur pour éviter une résistance de contact élevée. Selon l'invention, la résistance de contact est déterminée à partir du modèle de circuit équivalent, montré sur la figure 1, correspondant au circuit électrique formé par le stimulateur et le coeur en tenant compte du principe de conservation de l'énergie selon lequel la tension aux bornes d'un condensateur ne peut changer instantanément. Par conséquente à l'attaque d'une impulsion produite par le générateur, la capacité C du tissu corporel environnant p est totalement déchargée et se comporte en fait comme un court-circuit entre la résistance R du tissu corporel p environnant et le circuit du coeur formé par la résistance Rs et la capacité Cs. En conséquence, le circuit de la figure 1, à l'attaque d'une impulsion, peut etre représenté de manière simplifiée par le modèle de circuit équivalent montré sur la figure 3. A l'attaque d'une impulsion, le courant i(0) indiqué sur la figure 3 est donné par les Equations I et II ci-après: e i(O) = s (Equation I) LZ0 + R] i(0) = e(0)/R (Equation II) En substituant le membre droit-de l'Equation II au courant i(O) de l'Equation I et en résolvant l'Equation I pour la valeur de la résistance R de l'électrode, on obtient l'Equation suivante III: e(O)Z0 R = (Equation III) [es - e(0)] Comme montré par l'Equatipn III, la résistance R de l'élec- trode peut être déterminée si l'on connaît ou l'on mesure l'amplitude eS de l'impulsion et l'impédance de sortie Z0 ainsi que la tension instantanée e(0). Une forme préférée de réalisation de l'appareil selon l'invention pour déterminer la résistance du contact sera à présent décrite. Fondamentalement, l'appareil com- prend un circuit destiné à retenir la tension e(O) à l'atta- que d'une impulsion produite par le générateur, et un cir- cuit destiné à résoudre l'Equation III à partir de valeurs connues pour es et Z0 et de lavaleur mesurée pour e(0). Les valeurs de l'amplitude es de l'impulsion et de l'impé- dance de sortie Z0 sont indiquées sur la plaque de construc- tion du générateur d'impulsions ou peuvent etre aisément déterminées à partir du circuit équivalent de Thévenin. L'appareil pour déterminer la résistance de con- tact comprend un circuit de commande qui, en réponse au front d'attaque d'une impulsion produite par le générateur, valide un circuit d'échantillonnage et de maintien destiné à mémoriser la tension instantanée e(O) et un circuit de traitement de signaux analogiques destiné à résoudre l'Equation III. Le schéma simplifié de l'appareil est donné sur la figure 4. L'appareil est connecté aux bornes X-X de la figure 1 par l'intermédiaire du circuit électrique comprenant l'électrode et le coeur. Comme montré sur la figure 4, on ferme d'abord un interrupteur SW. Cet interrupteur SW réalise la connexion entre le circuit 11 de commande et les bornes X-X. Le circuit 11 de commande est déclenché par la ten- sion montante apparaissant au front d'attaque d'une impul- sion produite par le générateur. Le circuit Il de commande produit un signal de validation au passage de l'attaque de l'impulsion, afin de valider le circuit 12 d'échantilon- nage et de maintien. En réponse au sgnal de validation pro- duit par le circuit 11 de commande, le circuit 12 d'échan- tillonnage et de maintien retient la tension instantanée aux bornes X-X. Comme mentionné précédemment, le temps de montée de l'impulsion P montrée sur la figure 2 est insi- gnifiant. Le circuit Il de commande et le circuit 12 d'échantillonnage et de maintien sont de préférence des circuits disponibles dans le commerce et ils sont choisis de manière à retenir et mémoriser la tension instantanée en un temps extrêmement court, de l'ordre de 500 nano- secondes ou moins, à partir du début d'une impulsion pro- duite par le générateur. La tension instantanée doit être retenue et mémorisée avantageusement en moins de 2 micro- secondes et en une durée ne dépassant pas 5 microsecondes à partir du début de l'impulsion produite par le générateur. La tension instantanée mémorisée correspond à la tension e(O) indiquée sur la figure 3, présente aux bornes de la résistance R de l'électrode. La sortie du circuit 12 d'échantillonnage et de maintien est connectée à des amplificateurs A1 et A2 comme montré sur la figure 4, afin que la tension instantanée mémorisée e(O) soit appliquée aux amplificateurs A1 et A2. L'amplificateur A1 est un amplificateur d'inversion qui présente une résistance d'entrée Ri et une résistance Rf réglée pour un gain Rf/Ri égal à la valeur de l'impédance connue de sortie Z0 du générateur d'impulsions. Par consé- quent, le signal apparaissant à la sortie de l'amplifica- teur A1 est: e(O) ZO (Equation IV). L'amplificateur A2 est un amplificateur direct ou sans inversion dont le décalage est réglé au moyen d'un potentiomètre P1 afin d'être égal à l'amplitude es d'une impulsion. Les valeurs des résistances R2 et R3 sont choi- sies pour un gain R3/R2 égal à un. Par conséquent, le si- gnal de sortie de l'amplificateur A2 est: es - e(O) (Equation V). Les sorties des amplificateurs A1 et A2 sont connectées à un diviseur 13 qui divise le signal de sortie de l'amplificateur A1,. dont la valeur est e(O)Z0, par le signal de sortie de l'amplificateur A2 dont la valeur est es - e(O), de manière à produire un signal égal à la valeur de la résistance R de l'électrode, conformément à l'Equa- tion III. La valeur connue de l'impédance équivalente de sortie Z0 du générateur d'impulsions permet de prérégler le gain Rf/Ri de l'amplificateur A1 de la figure 4. Le géné- rateur d'impulsions du type "Medtronic Model 5880A" mention- né précédemment présente une impédance de sortie Z0 égale à 4,84 kilohms, par exemple. En outre, la valeur connue de l'amplitude es d'une impulsion permet de prérégler le déca- lage de l'amplificateur A2 au moyen du potentiomètre Pi Par exemple, le générateur d'impulsions,du type "Medtronic Model 5880A" mentionné précédemment, présente une amplitude es d'impulsion égale à 31 volts. Une fois que le gain Rf/Ri de l'amplificateur A1 et le décalage de l'amplifica- teur A2 ont été préréglée, le circuit est prêt à déterminer la résistance de l'électrode à partir de la tension instan- tanée e(0) mémorisée dans le circuit 12 d'échantillonnage et de maintien. La résistance du fil de l'électrode varie d'une électrode commercialisée à une autre. En général, la résis- tance du fil de l'électrode est comprise entre 6 et 75 ohms. L'électrode du type "Medtronic Sutureless Myocardial Lead Model 6917", par exerple, comporte un fil d'une résistance de 6 ohms. Par contre, la résistance mesurée dans la zone de contact entre le tissu cardiaque et une électrode de stimulateur implantée par voie chirurgicale dans le coeur s'élève à partir d'une valeur minimale d'environ 150-160 ohms. Lorsque la résistance du fil de l'électrode est faible, par exemple de 6 ohms, elle est insignifiante par rapport à la résistance 'u contact et, lorsque cette résistance de con- tact atteint une certaine val-j-r, elle peut même tomber dans la plage d'erreur inhérente au fonctionnement du cir- cuit. Par conséquent, la résistance du fil de l'électrode peut être ignorée, et, comme montré sur la figure 4> la sortie du diviseur 13 peut être reliée à un voltmètre numé- rique 14 qui, en pratique, affiche la résistance de contact mesurée en ohms. Si la résistance du fil de l'électrode n'est pas faible, c'est-à-dire si la résistance du fil de l'électrode est de l'ordre de 75 ohms, elle n'est pas insignifiante par rapport à la résistance du contact et elle doit être sous- traite pour que l'on obtienne une mesure de la résistance du contact. La figure 5 représente une modification appor- tée au circuit de la figure 4 et permettant de soustraire la résistance du fil de l'électrode. Comme montré sur la figure 5s la sortie du diviseur 13 n'est pas reliée direc- tement au voltmètre numérique 14, mais elle est reliée à une entrée d'un amplificateur A3 dont l'autre entrée est connectée à un potentiomètre P2 qui peut être réglé à une tension ayant une amplitude égale à l'amplitude de la résistance du fil de l'électrode. Cependant, il est pré- férable que l'électrode soit d'abord connectée directement au générateur d'impulsions, puis que le potentiomètre P2 soit réglé pour annuler le signal de sortie de l'amplifica- teur A3 immédiatement avant l'implantation de l'électrode dans le coeur. Ce procédé non seulement permet de soustraire automatiquement la résistance du fil de l'électrode, mais également permet d'annuler les erreurs inhérentes au fonc- tionnement du circuit. La sortie de l'amplificateur A3 est connectée au voltmètre numérique 14. L'amplificateur A3 soustrait automatiquement la résistance du fil de l'élec- trode afin que la résistance réelle du contact soit affichée par le voltmètre numérique 14. En se basant sur la résistance mesurée du contact, un chirurgien peut déterminer s'il doit ou non implanter l'électrode dans un autre emplacement du coeur pour donner à la résistance du contact une valeur rela- tivement basse afin d'accroître les chances que le stimulateur continue de faire battre le coeur pendant une plus longue durée après l'implantation de l'électrode. De plus, dans le cas d'un stimulateur du type fonction- nant à la demande, si la résistance du contact est rela- tivement élevée, le stimulus naturel réagissant pour inhi- ber le générateur d'impulsions peut être atténué suffisam- ment pour que le stimulateur ne soit pas inhibé et pour qu'il existe un risque de production, par ce générateur, d'une impulsion provoquant une fibrillation pouvant être mortelle. En mesurant la résistance du contact, il est possible de prendre une décision sur la nécessité ou non de modifier la position de l'électrode sur le coeur afin de placer cette électrode dans une zone o la résistance du contact est plus faible pour réduire le risque de fibrillation. En connaissant la résistance du contact, un chirurgien peut ensuite estimer si le seuil de stimulation du coeur est déterminé principalement par la résistance du contact ou par la distance de l'électrode aux fibres de Purkinje du coeur. De plus, la valeur de la résistance du contact peut être utilisée pour calculer la tension réelle appliquée au coeur, ce qui peut s'avérer très important pour les recherches futures. L'illustration de l'invention dans son applica- tion à la mesure de la résistance ohmique de la zone de contact entre le tissu cardiaque et une électrode de sti- mulateur,- implantée par voie chirurgicale dans le coeur, est donnée à titre d'exemple nullement limitatif. Autrement dit, l'invention a trait d'une manière générale à la mesure de la résistance ohmique'de contact entre une électrode et un tissu corporel auquel cette électrode est fixée, et elle n'est pas limitée à la mesure de la résistance ohmique du contact d'une électrode de stimulateur implantée dans le il coeur. Par exemple) l'invention peut être utilisée pour mesurer la résistance ohmique de la zone de contact entre le tissu du diaphragme et une électrode de stimulateur implantée par voie chirurgicale dans le diaphragme, ou bien la résistance ohmique du contact entre une électrode et tout autre tissu corporel auquel cette électrode est fixée, comme c'est le cas d'une électrode fixée à la peau, par exemple une électrode d'électrocardiographe. Ce résul- tat est dû à l'effet de la capacité du tissu corporel en- vironnant, qui permet de mesurer la résistance ohmique du contact d'une électrode sur un tissu corporel auquel elle est fixée, cette mesure étant basée sur le modèle de cir- cuit équivalent montré sur la figure 3. - - 12 -2 2462898 REVENDICATIONS 1. Appareil de mesure de la résistance ohmique de contact entre une électrode et un tissu corporel auquel elle est fixée, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur (10) d'impulsions connecté à l'électrode et présentant une amplitude donnée et une impédance de sortie équivalente don- née, le générateur d'impulsions, l'électrode et le tissu corporel formant un circuit électrique, un dispositif monté entre le tissu corporel et l'électrode pour déterminer la tension instantanée entre le tissu corporel et l'électrode à l'attaque d'une impulsion produite par le générateur, un circuit de traitement de signaux analogiques connecté au dis- positif de détermination de la tension instantanée afin de déterminer la résistance ohmique de contact de l'électrode à partir de l'amplitude donnée, de l'impédance de sortie équivalente donnée, et de la tension instantanée, et un élé- ment (14) connecté au circuit de traitement de signaux analo- giques afin d'afficher la résistance ohmique de contact déter- minée par le circuit de traitement de signaux. 2. Appareil selon la revendication 1, l'électrode étant implantée par voie chirurgicale dans le coeur d'un pa- tient, et étant destinée à relier électriquement au coeur un générateur (10) d'impulsions de stimulation ayant une im- pédance de sortie équivalente donnée, le générateur d'impul- sions, l'électrode et le coeur formant un circuit électrique, et le générateur étant destiné à produire des impulsions sé- parées d'une amplitude donnée, lesdites impulsions consti- tuant des signaux de stimulation du coeur, l'appareil étant caractérisé en ce qu'il comporte un circuit (11) de commande relié au générateur d'impulsions et réagissant au front d'at- taque d'une impulsion en produisant un signal de validation, un circuit (12) d'échantillonnage et de maintien monté entre l'électrode et le coeur, connecté au circuit de commande et réagissant au signal de validation en retenant la tension instantanée entre l'électrode et le coeur à l'attaque de la- dite impulsion, un circuit de traitement de signaux analogi- ques connecté au circuit d'échantillonnage et de maintien et réagissant à la tension instantanée retenue en déterminant la résistance ohmique de contact de l'électrode à partir de l'impédance de sortie équivalente donnée, de l'amplitude don- née et de la tension instantanée retenue, et un élément (14) connecté au circuit de traitement de signaux analogiques afin d'afficher la résistance ohmique de contact à partir du circuit de traitement de signaux analogiques. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'impédance de sortie équivalente du stimulateur cardiaque est Z0 et en ce que l'amplitude des impulsions est es, le circuit de traitement de signaux ana- logiques comprenant un amplificateur inverseur (A1) ayant une entrée et une sortie, l'entrée étant reliée par une ré- sistance (Ri) d'entrée au circuit (12) d'échantillonnage et de maintien, l'entrée et la sortie de l'amplificateur inver- seur étant interconnectées par une résistance (Rf) de réac- tion, le rapport de la résistance de réaction à la résistance d'entrée étant préréglé de manière à être égal à {zoI, le circuit de traitement comprenant également un amplificateur non inverseur (A2) ayant une entrée et une sortie, l'entrée étant connectée au circuit d'échantillonnage et de maintien, un circuit destiné à produire un décalage dans le signal ap- paraissant à la sortie de l'amplificateur non inverseur, ce décalage étant préréglé de manière à être égal à es, et un diviseur (13) qui présente deux entrées et une sortie, les entrées étant connectées respectivement aux sorties des am- plificateurs afin de diviser le signal de sortie de l'amplifi- cateur inverseur par le signal de sortie de l'amplificateur non inverseur. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que la résistance du fil de l'électrode est faible par rapport à la résistance ohmique de contact, auquel cas la sor- tie du diviseur (13) est connectée à l'élément d'affichage (14). 5. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que la résistance du fil de l'électrode n'est pas fai- ble par rapport à la résistance ohmique de contact, auquel cas le circuit de traitement de signaux analogiques comprend également un second amplificateur non inverseur (A3) ayant une entrée et une sortie, l'entrée de cet amplificateur étant connectée à la sortie du diviseur, et un circuit destiné à produire un décalage dans le signal de la sortie du second amplificateur non inverseur, ce décalage étant préréglé de manière à 8tre égal à la résistance du fil de l'électrode et la sortie du second amplificateur non inverseur étant connectée à l'élément d'affichage (14). 6. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément d'affichage est un voltmètre numérique (14). 7. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément d'affichage est un voltmètre numérique (14).