Brevet FR2502500A1 — publié le 19821001

La présente invention concerne de façon générale les dispositifs médicaux implantables et elle porte plus particulièrement sur les électrodes implantables dans le corps. La grande majorité des conducteurs implantables dans le corps qui sont utilisés,en particulier dans le domaine de la stimulation, emploient des électrodes métal- liques. On utilise beaucoup pour de telles électrodes métalliques une matière consistant en platine ou en un alliage de platine. Parmi d'autres matières qui ont été utilisées figurent l'acier inoxydable, le titane, etc. Lorsqu'on choisit ces matières, on doit prendre soin de vérifier qu'elles sont biocompatibes et capables de per- mettre une implantation permanente à long terme. Pour cette raison, on a préféré les matières du groupe du pla- tine, en dépit de leur coût relativement élevé. L'utilisation d'électrodes autres que des élec- trodes métalliques pleines a été relativement rare. Le brevet U.S. 3 911 928 décrit une surface d'électrode re- couverte alternativement par des matières métalliques fortement conductrices et par des matières isolantes. Ces matières sont disposées à la manière d'une grille. Le brevet précité indique qu'une telle configuration est souhaitable dans la mesure o elle procure une grande sur- face de contact en ce qui concerne la détection, et pré- sente néanmoins une surface de contact relativement fai- ble en ce qui concerne la stimulation, ce qui produit des densités de chargessuffisamment grandes. D'autres personnes ont proposé l'utilisation de matières qui ne sont pas des métaux fortement conducteurs. La matière non métallique la plus-souvent préférée est de loin le carbone. Le brevet U.S. 4 149 542 décrit une électrode endocardiaque qui comporte une pointe en car- bone. Il est indiqué qu'on utilise la pointe en carbone dans le but d'établir une matière conductrice compatible avec le tissu cardiaque. La préoccupation réside ici dans la croissance d'un tissu fibreux, et on choisit donc le carbone du fait qu'on le considère comme étant hautement biocompatible. Cependant, le brevet U.S. 4 149 542 n'indi- que pas la sélection d'une matière sur la base de sa conductivité. La demande de brevet DT 2842318 décrit une électrode im-r plantable en carbone. Ici encore, on se préoccupe de la compatibilité avec le corps. Ce brevet indique que des électrodes de stimulation en métal sont moins souhaita- bles du fait qu'elles produisent une dégénérescence du tissu adjacent aux électrodes. De ce fait, on pense qu'une 1O électrode à pointe de carbone, étant davantage biocompati- ble, donnera un seuil d'énergie permanent global plus fai- ble. La présente invention utilise une matière bio- compatible en contact avec la surface.d'un tissu du corps, comme indiqué dans l'art antérieur. Cependant, elle uti- lise de plus une matière semiconductrice ayant une conduc- tivité notablement inférieure à celle des métaux dans le but particulier d'établir une meilleure adaptation d'im- pédance entre l'électrode et le tissu du corps. Certaines matières sont particulièrement souhaitables dans ce but, du fait qu'elles présentent des caractéristiques de trans- fert de chargessimilaires à celles qu'on trouve dans les cellules du corps. Dans le mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, on utilise de préférence certaines matiè- res polymères semiconductrices. Un conducteur implantable dans le-corps et construit conformément à l'invention comporte une telle matière semiconductrice en contact direct avec le tissu du corps qui doit être stimulé. La partie principale du conducteur implantable dans le corps comporte un système de conducteurs ayant une faible résistivité et une résis- tance mécanique à la flexion élevée. Le système de con- ducteurs à faible résistivité peut être couplé directe- ment aux matières semiconductrices en contact avec le tissu du corps, ou bien on peut employer une technique à électrodes semiconductrices progressives. Dans cette tech- nique, on utilise plusieurs matières semiconductrices dif- férentes ayant des conductivités différentes. Le système de 250250o conducteurs à faible résistivité est couplé à la matière semiconductrice ayant la conductivité immédiatement supé- rieure qui est à son tour couplée à la matière semiconduc- trice ayant la conductivité immédiatement supérieure, et ainsi de suite. De cette manière, on crée une électrode ayant une conductivité élevée à son extrémité proximale et une conductivité beaucoup plus faible, s'approchant de celle du tissu du corps qui doit être stimulé, à son extré- mité distale. L'électrode conductrice à structure progres- sive conduit à des conducteurs ayant de très faibles effets de polarisation. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une représentation schématique de la conductivité des charges dans une électrode forte- ment conductrice de l'art antérieur, en métal ou en car- bone. La figure 2 est une représentation schématique correspondante de la distribution de charges hétérogène de l'électrode semiconductrice qui est employée dans l'in- vention. La figure 3 est une représentation schématique de l'adaptation de la transmission de charges hétérogène entre l'électrode semiconductrice de l'invention et un petit segment de tissu du corps. La figure 4 est une vue en plan d'un conducteur employant l'invention. La figure 5 est une coupe d'une électrode semi- conductrice à structure progressive. La figure 6 est une coupe d'une électrode semi- conductrice à structure progressive qui comporte des zones de transition. La figure 7 est une coupe d'une électrode semi- conductrice ayant une structure non progressive. On décrit l'invention en considérant un conducteur de stimulation cardiaque implantable unipolaire ayant une électrode semiconductrice à sa pointe distale. L'homme de 4- l'art pourra appliquer l'invention décrite ici à d'autres conducteurs implantables dans le corps. En outre, la des- cription faite ici mentionne de nombreuses matières qui sont préférables dans la réalisation de l'électrode semi- conductrice. Cependant, l'homme de l'art pourra aisément appliquer les indications données ici à d'autres matières similaires. Un point très important consiste en ce que la résistivité des matières utilisées est notablement su- périeure à celle qu'on trouve dans les électrodes métal- 1O liques de l'art antérieur, ou même dans les électrodes en carbone de l'art antérieur. La figure 1 est une représentation schématique de la distribution des charges à l'intérieur d'une élec- trode métallique ou à pointe distale en carbone de l'art antérieur. On note que les charges sont uniformément ré- parties à la surface de la matière. Ceci est évidemment une caractéristique des métaux et d'autres matières for- tement conductrices. Dans cette situation, la conduction se produit essentiellement par transfert d'électrons. On considère que l'utilisation d'électrodes fortement conduc- trices est une tendance naturelle dans la conception d'un conducteur implantable dans le corps, du fait que de telles électrodes minimisent la résistance à la transmission d'une impulsion de stimulation depuis un générateur d'impulsions placé à distance, jusqu'au tissu du corps à stimuler. On a cependant noté que les structures de conducteurs implan- tables dans le corps ayant des résistivités extrêmement faibles tendent à fournir plus de courant qu'il est réelle- ment nécessaire pour la stimulation, ce qui conduit à un épuisement prématuré de la source d'énergie implantable. On considère ici qu'un conducteur a une résistivité compri- se entre 10 et 104 p&L.cm. La figure 2 est une représentation schématique correspondante d'une électrode distale en une matière semi- conductrice. On considère ici que les semiconducteurs ont des résistivités électriques dans la plage de 104 à 10 p QLcm. Il faut noter que dans la plupart de ces ma- tières semiconductrices, la densité de charges de la trans- mission est hétérogène, comme il est représenté schématique- ment. Une autre caractéristique d'un grand nombre de matiè- res semiconductrices consiste en ce que le transfert de charges, c'est-à-dire la circulation du courant à l'inté- rieur du semiconducteur, s'effectue par le transfert d'ions plutôt que par le transfert d'électrons libres, comme dans le cas des conducteurs. La figure 3 est une représentation schématique d'une très petite partie d'une électrode semiconductrice 10 en contact avec une très petite tranche du tissu implan- table 20 du corps. Pendant le fonctionnement, la section transversale de l'électrode implantable dans le corps, 10, est physiquement adjacente au tissu du corps, 20, et tou- che ce dernier. Pour les besoins de la représentation, les deux surfaces ont été déplacées de la manière indiquée, selon les lignes 30 et 32. Pour les besoins de la descrip- tion, on suppose que les conductivités de l'électrode im- plantable dans le corps, 10, et du tissu du corps, 20, sont pratiquement équivalentes et sont comprises dans la plage de 104 à 10 ^^ PúL.cm. Du fait de la bonne adaptation d'impédance qui est établie et du fait que l'électrode semiconductrice 10 comme le tissu du corps 20 sont des semiconducteurs ayant relativement peu d'électrons libres et conduisent essen- tiellement par circulation d'ions, on voit que les char- ges présentes à la surface de l'électrode semiconductrice implantable dans le corps, 10, coïncident avec les charges présentes à la surface du tissu du corps, 20. Comme le montre la figure, le tissu du corps 20 est composé de cellules individuelles 22, 24, 26 et 28. Ces cellules sont naturellement des entités physiques séparées à l'intérieur des tissus du corps. La physiologie apprend que chacune des cellules a une constitution électrochimique légèrement différente à tout instant et, par conséquent, chacune des cellules a un seuil de stimulation différent. Pour minimi- ser correctement le seuil d'énergie global du dispositif, il est souhaitable de stimuler chacune des cellules à tout instant avec seulement le niveau d'énergie qui est nécessité par sa charge spécifique à l'instant de stimulation. Comme le montre schématiquement la figure 3, on accomplit effec- tivement ceci en utilisant une matière semiconductrice en contact avec le tissu du corps ayant une impédance prati- quement équivalente à celle du tissu du corps à stimuler. La figure 4 est une vue en plan d'un conducteur implantable dans le corps, de type unipolaire, employant une électrode semiconductrice. L'extrémité distale du conducteur implantable dans le corps comporte une électro- de semiconductrice 10, comme il est représenté. La partie principale du conducteur implantable dans le corps, 40, est recouverte d'une gaine isolante 42 en matière inerte par rapport au corps, comme du polyuréthane ou du caout- chouc aux. silicones. L'extrémité distale du conducteur implantable dans le corps comporte un connecteur électri- que muni de bagues d'étanchéité 44, et une broche de bor- ne 46, conductrice de l'électricité. On n'a pas représenté sur la figure 4 le conducteur qui établit là connexion électrique entre l'électrode semiconductrice 10 et la broche de borne conductrice 46. Ce conducteur consiste de préférence en une matière à faible résistivité, telle qu'une configuration de brins étirés et brasés utilisant du fil MP35N ayant une matrice d'argent. Le fil est de préférence disposé sous la forme d'une hélice enroulée de manière multifilaire. La figure 5 est une coupe d'un mode de réalisa- tion de l'électrode semiconductrice 10. Le conducteur enroulé en hélice 44 est isolé du contact avec le tissu du corps par une gaine isolante 42. A l'extrémité distale du conducteur en hélice 44 se trouve l'élément fortement conducteur 50. L'élément 50 est de préférence fabriqué à partir de platine ou d'un autre métal compatible avec le corps ayant une faible résistivité. La conductivité de l'élément 50 doit être inférieure à 102 v m.cm. On peut utiliser d'autres matières telles que le titane qui ont une résistivité légèrement supérieure. Il est cependant important que l'élément 50 soit constitué par un métal for- tement conducteur, pour établir un couplage à faible impé- 250250 0 dance vers le conducteur en hélice 40 et pour conférer une certaine résistance mécanique à l'électrode semiconduc- trice 10. L'élément 50 est fixé au conducteur en hélice 44 par des soudures, comme il est représenté au point 54. On notera que l'élément 50 comporte également des prolon- gements arrière 52 qui permettent un soudage supplémentaire à d'autres spires du conducteur multifilaire en hélice 44. Un élément 58 qui est en couplage électrique direct avec l'élément 50 a une résistivité supérieure à celle de l'élément 50, mais pas suffisamment élevée pour être un semiconducteur. Ainsi, la conductivité de l'élé- ment 58 est de préférence dans la plage de 102 à 105 P..= cm. Le polypyromellitimide est une matière préférée pour cet élément. Cette substance a une résistivité de l'ordre de 500 i.-f cm. Une autre matière utilisable pour l'élément 58 est une matière telle que le carbone ayant une résisti- vité de 4 x 103 iL. cm. L'élément 58 est fixé à l'élément , ce qui crée la jonction 64 qui est traversée par le courant. La technique de fixation à employer dépend de la matière, mais on peut employer les techniques de moulage ou utiliser un adhésif. Le point important est de donner à la jonction 64 une surface suffisamment grande pour assurer la conduction directe entre les éléments 50 et 58. L'élément 60 est en une matière ayant une résis- tivité supérieure à celle de l'élément 58. Il doit avoir une résistivité dans la plage d'environ 105 à 108 1j1L.cm. Une matière préférée pour l'élément 60 est le polypenta- cène qui a une résistivité d'environ 108 plIL.cm. Ici encore, l'élément 60 peut être fixé à l'élément 58 en utilisant n'importe quels moyens commodes connus, mais il faut cependant prendre soin de faire en sorte que la majeure partie de la surface de la jonction 66 constitue une jonc- tion directe entre la matière de l'élément 58 et la matiè- re de l'élément 60. Pour cette raison, le moulage est la forme de fabrication préférée. L'élément 62 est en contact direct avec le tissu du corps. Il doit donc avoir une conductivité approximative- ment égale à celle du tissu du corps à stimuler, Une matiè- re préférée pour l'élément 62 est le polypyrène, ayant une résistivité d'environ 10 púL.cm. Il faut noter que l'élément 62 qui est en contact avec le corps doit être compatible avec le corps et que les matières préférées, à l'exception de l'élément 50, sont toutes des polymères. On trouve un texte excellent sur la structure et la conduc- tivité d'autres polymères utilisables pour la mise en oeuvre de l'invention dans l'ouvrage intitulé The Structure of Polymers, par M.C. Miller, Reinhold Publishing Corporation, 1966. Cet ouvrage examine la conduction dans les polymères aux pages 671-675, et il examine l'utilisation de polymères en tant que matières semiconductrices en combinaison avec des éléments métalli- ques, aux pages 675-683. La figure 6 représente un autre mode de réalisa- tion de l'électrode semiconductrice 10. On notera que dans le mode de réalisation de la figure 6, on utilise la même structure et les mêmes matières que dans le mode de réa- lisation de la figure 5. La différence réside en ce que, dans cet autre mode de réalisation, il existe une zone de transition mince entre les éléments 50 et 58, entre les éléments 58 et 60 et entre les éléments 60 et 62. Ces zones de transition, désignées par les références 64a, 66a et 68a, correspondent aux jonctions 64, 66 et 68 du mode de réalisation de la figure 5. Ces zones de transition sont fabriquées en utilisant une combinaison des matières qui se trouvent des deux cotés de la transition. Par exem- ple, on combine une partie de la matière de l'élément 50 (par exemple du platine) avec une partie de la matière de l'élément 58 (par exemple du polypyromellitimide) pour produire la zone de transition 64a. Ces zones de transi- tion sont relativement petites, et sont inférieures à la moitié du diamètre des éléments 58 et 60. On crée de façon similaire les zones de transi- tion 68a et 66a. L'effet électrique de ces zones de transi- tion est de créer un ensemble de deux jonctions de conducti- vité intermédiaire, à la place de la jonction abrupte qui existe dans le mode de réalisation de la figure 5. On pense que ces zones de transition sont relativement faci- les à fabriquer en utilisant les matières préférées et des techniques de moulage. Cependant, elles entraînent un coût supplémentaire et ce mode de réalisation ne doit être employé que lorsque ce coût supplémentaire est justi- fié par la diminution des pertes de conductivité dans l'électrode et la diminution des effets de polarisation à l'électrode. La figure 7 représente un troisième mode de réa- lisation. Ce mode de réalisation emploie une différence de conductivité relativement grande entre l'élément 50 et l'élément 70. Dans ce cas, l'élément 50 est à nouveau un métal fortement conducteur, de préférence du platine, comme dans les exemples précédents. Cependant, il n'y a pas de transition progressive ou graduelle jusqu'à l'élé- ment 70 qui a une conductivité dans la gamme des semicon- ducteurs. L'élément 70 est un semiconducteur, ayant de préférence une résistivité dans la plage de 106 à 10 1JIL.cm Le polyacrylamide réticulé est une matière qui convient pour cet élément. Ici encore, comme avec les modes de réa- lisation précédents, il est également important que l'élé- ment 70 soit en une matière totalement biocompatible. La jonction qui est établie entre l'élément 50 et l'élément 70 est la jonction 72. Ici encore, du fait de la structure de ce mode de réalisation particulier, la jonction 72 représente une variation importante de conductivité. Le mode de réalisation qui est représenté sur la figure 7 est souhaitable du fait qu'il fait intervenir moins de matières et moins d'étapes de fabrication. On doit utiliser ce mode de réalisation dans le cas d'un seuil de stimulation naturel suffisamment élevé pour ab- sorber les pertes inhérentes à la jonction 72 et lorsque la matière sélectionnée pour l'élément 70 peut avoir une résistivité relativement faible. On entend par résistivi- té relativement faible une résistivité dans la plage de à 10 pSL.cm. On notera que ceci correspond à un tissu stimulable du corps ayant une impédance naturelle plus faible que celle qu'on trouve dans les deux modes de réa- lisation précédents. Après avoir ainsi décrit trois modes de réalisa- tion de l'invention, le lecteur doit voir clairement qu'il est possible d'employer un certain nombre de configura- tions mécaniques différentes et de matières différentes. Cependant, le point le plus important consiste en ce que les matières choisies sont biocompatibles et que la matiè- re qui est directement en contact avec le tissu du corps à stimuler a une impédance caractéristique qui est appro- ximativement égale à celle du tissu du corps. Comme on l'a expliqué précédemment, ceci procure une relativement bonne adaptation d'impédance, ce qui garantit que les seuils d'énergie globaux du dispositif ont été minimisés. REVENDICATIONS 1. Conducteur implantable dans le corps caractérisé en ce qu'il comprend: un élément conducteur (44) qui comporte une extrémité proximale et une extrémi- té distale; une gaine (42) de matière compatible avec le corps qui recouvre cet élément conducteur; un connecteur électrique qui est accouplé à l'extrémité proxima- le du conducteur; et une électrode (10) comportant un élément distal (62) en matière compatible avec le corps, qui est destiné à venir en contact avec un tissu du corps, et cet élément distal est un semiconducteur ayant une résistivité dans la plage de 105 à 10 uLa..cm. 2. Conducteur implantable dans le corps selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément dis- tal (62) est en polyacrylamide réticulé. 3. Conducteur implantable dans le corps selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément dis- tal (62) est en polypyrène. 4. Conducteur implantable dans le corps selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'électrode (10) comprend en outre un élément métallique (50) connecté électriquement entre l'élément conducteur et l'élément distal et n'ayant aucune surface susceptible de venir en contact avec le tissu du corps. 5. Conducteur implantable dans le corps selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'électrode (10) comprend en outre un premier élément intermédiaire (58) qui a une conductivité inférieure à celle de l'élé- ment métallique (50) et supérieure à celle de l'élément distal et qui est connecté électriquement entre l'élément métallique et l'élément distal. 6. Conducteur implantable dans le corps selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'électrode (10) comprend en outre un second élément intermédiaire (60) ayant une conductivité inférieure à celle du pre- mier élément intermédiaire (58) et supérieure à celle de l'élément distal (62) et qui est connecté électriquement entre le premier élément intermédiaire et l'élément distal. 2502S00 1Y 7. Conducteur implantable dans le corps selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément métal- lique (50) est en platine. 8. Conducteur implantable dans le corps selon la revendication 7, caractérisé en ce que le premier élé- ment intermédiaire (58) est en polypyromellitimide. 9. Conducteur implantable dans le corps selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'électrode (10) comprend en outre: une première zone de transition (64a) entre l'élément métallique (50) et le premier élément intermédiaire (58); une seconde zone de transition (66a) entre le premier élément intermédiaire (58) et le second élément intermédiaire (60); et une troisième zone de tran- sition (68a) entre le second élément intermédiaire (60) et l'élément distal (62).