Brevet FR2512229A1 — publié le 19830304

La pr 6 sente invention se rapporte, d'une manière générale, à des transducteurs implantables et elle a trait plus particulièrement a des transducteurs implantables qui comportent un pont de r 6 sistances physiquement éloigné des moyens électroniques de d 6 tection. Le type de système de mesure de pression le plus ancien, et en fait, celui qui est actuellement le plus couramment utilis 6 parmi les systèmes conçus pour être utilisés à l'int 6 riur du corps humain utilise un cathéter de transmission de pression qui transmet la pression â me- surer entre un emplacement éloigné qui est situé à l'in- térieur du corps et le tunsducteur de pression proprement dit qui est situ 6 à l'extérieur du corps Un tel appareil est d 6 crit dans le brevet des EUA N O 3 473 386 délivr& aux noms de Nelsen Jr et autres Le principal inconvénient de cette technique est le manque de précision que présente le cath 6 ter de transmission de pression Un second incoan- vénient qui prend actuellement de plus en plus d'impor- tance est le fait que les dispositifs de ce type ne sont pas implantables et qu'ils ne conviennent pas, par con- s 6 quent, pour des applications permanentes. Une ancienne description d'une réalisation relative à un transducteur de pression implantable chroniquement peut être trouv 6 e dans le brevet des EUA no 3 614 954 d 4 livré aux noms de Mirnwski et autres Le transducteur de pression imaginé par Mirowski et autres est un circuit en pont pié- zor 6 sistif Sur la Fig 3 du brevet M Iirowski et autres a laquelle on se réf 6 rera, on peut voir l'élément tnsduc- teur de pression repr 6 senté sch 6 matiquement et d 6 sign 6 par la r 6 f 6 rence numérique 40 On observera que le tranus- ducteur de pression est un pont de résistances à quatre branches classiques ayant deux connexions pour l'alimen- tation en courant désign 6 S par -IV et + IV et ayant deux connexions de signal qui sont raccordées à un circuit anm- plificateur 42 Bien que cette technique soit relativement ancienne, elle est encore la plus r 6 pandue pour connecter un transducteur de pression implantable à l'électronique asso- ci 6 e. Un transducteur bien plus récent est décrit dans le brevet des EUA n 4023 562 délivré aux N ms d'Hynecek et autres Ce document décrit, de manière extrêmement détaillée, la structure d'un transducteur de pression pié- zorésistif implantable à base de silicium Cependant, on notera sur la Fig 1 les quatre connexions qui sont requises. l O Celles-ci sont amenées aux quatre plots conducteurs métal- lisés 9 La description, colonne 3, lignes 48-50, indique "qu'un équipement indicateur externe (n>n représenté) est connecté aux contacts externes 9 du transducteur par les fils 12 (Fig 2)" Hynecek et autres envisagent catégori- quement l'emploi de quatre conducteurs séparés. La demande de brevet des EUA n 186 373 intitulée Integral Hermetic Implantable Pressure Transducer (Trans- ducteur de pression implantable hermétique monobloc) au nom de Kenneth M Anderson, déposée le 12 septembre 1980, cédée à la demanderesse, décrit un transducteur im- plantable en permanence et cantenu à l'intérieur d'un boitier hermétiquement scellé Dans ce cas également, le transducteur de pression décrit par Anderson utilise un sys- tème à quatre fils Deux des fils sont utilis 6 S pour four- nir de l'énergie électrique au pont de résistances et-les deux autres conducteurs sont utilisés pour la d 6 tection. Il est souhaitable de réduire au minimum le nombre des conducteurs requis du fait que ceci réduit le diamètre du câble nécessaire pour l'implantation et accroit la fiabilité dans le temps. La présente invention utilise un transducteur de pression piézorésistif à base de silicium hermétiquement scellé couplé par l'intermédiaire d'un câble implantable dans le corps à un circuit de détection En utilisant un circuit de commutation monté à proximité de l'électronique de détection avec un condensateur et des dindes de pilo- tage facultatives montés à l'intérieur du pont de résis- tances, deux conducteurs peuvent être multiplexés ou uti- lisés en temps partagé entre les deux fonctions qui consis- tent respectivement à fournir du courant au pont de résis- tances et à détecter les changements de résistivité résul- tante. Le circuit de commutation fournit du courant par l'intermédiaire des deux conducteurs pendant une partie de chaque cycle de détection Le courant est dirigé vers le condensateur, le chargeant en vue d'une utilisation ulté- rieure Pendant la partie de charge du cycle, le circuit de détection est isolé des deux conducteurs multiplexés. Pendant la seconde partie du cycle,la source de courant est déconnectée des deux conducteurs et les deux conducteurs sont connectés à l'entrée du circuit de détection A ce moment, le condensateur situé à l'intérieur du pont de résistances se décharge à travers le pont de résistances et les changements de résistivité peuvent alors être me- surés par le circuit de détection. Un circuit d'échantillonnage et de maintien peut être 6 utilisé dans l'électronique de détection Ce circuit permet à l'électronique de détection de produire à sa sortie une valeur constante indicative de la pression détectée par le transducteur de pression telle qu'intégrée sur l'en- semble du cycle de détection Le circuit d'échantillonnage et de maintien permet ainsi à d'autres circuits d'utiliser le signal de sortie du transducteur de pression comme s'il provenait du circuit normal à quatre fils tel qu'il existe habituellement dans la technique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés sur lesquels: i la Fig 1 est une vue en plan d'un câble implan- table dans le corps contenant un transducteur de pression utilisant une technique de-transmission à deux fils; la Fig 2 est une vue en perspective d'un généra- teur d'impulsions implantable qui est connecté au câble implantable dans le corps de la Fig 1; la Fig 3, est un schéma électrique du circuit en pont piézorésistif qui comprend le condensateur de multi- plexage et les dindes de pilotage; la Fig 4 est un schéma électrique du circuit de commutation et du circuit d'échantillonnage et de maintien utilis 6 S à l'extrémité proximale du câble implantable dans le corps, et la Fig 5 est un diagramme des temps montrant les si- gnaux de commande appliqués au circuit de la Fig 4 pour alimenter en courant le transducteur pendant une première partie du cycle de fonctionnement du dispositif pour dé- tecter le signal de pression résultant pendant une seconde partie de détection du cycle. On décrira le mode de réalisation préféré de l'in- vention tel qu'incorporé à un transducteur de pression implantable en permanence Le transducteur de pression est un dispositif piézorésistif au silicium qui, électriquement, peut être considéré comme un pont de résistances A la lecture de la présente description, il apparaitra claire- ment aux spécialistes de la technique que l'invention pourrait être appliquée à d'autres types de détecteurs implantables mesurant d'autres types de paramètres. La Fig 1 est une vue en plan d'un câble implantable en permanence faisant application de l'invention La tête du transducteur de pression se trouve à l'extrémité distale. Elle est recouverte d'un embout de protection 50 qui assure 12229 que l'élément transducteur de pression ne sera pas endommagé au cours de l'opération d'implantation Le procédé préféré pour enfermer sous boitier le transducteur de pression a été décrit en détail dans la demande de brevet ci-dessus mentionnée au nom de Kenneth M Anderson, cédée à la demanderesse Cependant d'autres moyens d'assem- blage sous boitier, tels que décrits dans les autres do- cuments, peuvent être également utilisés Des pointes 50 a smnt situées au voisinage de la tête du transducteur de pression et assurent une fixation certaine. Le corps 10 du cable est recouvert d'une gaine isolante compatible avec le corps qui protège les deux conducteurs internes De préférence, les deux conducteurs sont soit des enroulements enroulés coaxialement soit des enroulements multifilaires isolés l'un de l'autre, enrou- lés autour du même axe, ayant des diamètres similaires Les conducteurs individuels apparaissent à l'extrémité proximale sous la forme de conducteurs isolés séparés 12 et 18 Le conducteur 12 se termine par uni connecteur électrique 20 muni d'une borne male ou fiche 28 De même le conducteur 18 se ter- mine par* lonnecteur ou fiche 34;lectriquenent conductriîe Comme on peut le voir, des bagues d'étanchéité 36 permettent aux connecteurs d'être adaptés de manière étanche contre l'élément de connexion femelle du dispositif médical implantable. La Fig 2 est une vue en perspective d'un générateur d'impulsions qui renferme le circuit d'échantillonnage et de maintien Le corps principal du générateur d'impulsions 48 contient des fentes 44 et 46 de connecteur femelle dans lesquelles les fiches des connecteurs 20 et 26 sont intro- duites (voir également la Fig 1). La Fig 3 est un schéma électrique de la tête de transducteur de pression On ntera que ce circuit se présente sous la forme d'un pont de résistances ayant des résistances 30, 32, 40 et 42 Comme il est courant dans la technique, les valeurs de ces résistances les unes par rapport aux autres changent en fonction des changements de pression, permettant ainsi au circuit de détection de détecter, les changements de pression appliqués au trans- ducteur. Dans un dispositif pratique classique, le circuit en pont de la Fig 3 comprenant les r 6 sistances 30, 32,,0 et 42, peut être acheté snus la forme d'un dispositif monolithique formé sur un substrat de silicium, comme décrit par Hynecek et autres dans le brevet des EUA N O 4 023 562 Le conden- sateur 17 a une capacité d'environ 0,01 microfarad Les diodes 14, 16, 22 et 24 sont des dispositifs typiques en silicium du type 1 N 4148. Pendant la partie de charge du cycle de fonctionnement du circuit de la Fig 4, le courant circule à partir du circuit de commutation par les conducteurs 12 et 18 pour charger le condensateur 17. Pendant la première partie de charge d'un premier cy- cle, le courant s'écoule à partir du conducteur 12 à travers la diode 14 jusqu'au condensateur 17 Le courant de retour s'6 coule A partir du condensateur 17 à travers la diode 16 jusqu'au conducteur 18 Lors du cycle de charge suivant, ou second cycle, le courant circule à partir du conducteur 18 à travers la diode facultative 24 jusqu'au condensateur 17 Le courant de retour s'écoule à partir du condensateur 17 à travers l'autre diode facultative 22 jusqu'au conduc- teur 12 Ceci est effectué pour 6 galiser les effets de l'échauffement sur les résistances 30, 32, 40 et 42. Cependant, le condensateur 17 est toujours chargé à la même polarit 6 repr 6 sentée par le signal "+" à côté du conduc- teur 12 et par le signe "l-" à côt 6 du conducteur 18. Les diodes facultatives 22 et 24 sont utilis 6 es pour dériver le courant au-delà des r 6 sistances pendant les seconds cycles de charge Ces diodes facultatives ne sont nécessaires que si l'on escompte que les r 6 sistances 30 et 42 seront l'objet d'un 6 chauffement important par rapport aux résistances 32 et 40 o La Fig 4 est un schéma électrique du circuit de commu- tation et du circuit d'6 chantillonnage et de maintien, Le circuit de la Fig 4 est utilisé pour permettre l'utilisation en temps partagé des conducteurs 12 et 18 qui couplent le gén 6 rateur d'impulsinns implantable 48 au circuit de la tête de transducteur de la Fig 3 Ce multiplexage est effectué en couplant alternativement la source de courant pour char- ger le condensateur 17 et en déconnectant la source de courant pour détecter la décharge du condensateur à travers le pont de résistances du transducteur de pression Du fait de la présence des diodes de la Fig 3, le condensateur 17 est chargé chaque fois à la même polarité bien que le circuit de la Fig 4 applique alternativement des polarités opposées aux conducteurs 12 et 18. Pendant une première partie de charge d'un premier cycle, le transistor 104 est commandé à l'état bloqué et le transistor 106 est commandé à l'état conducteur Ceci applique la tension Vcc, par l'intermédiaire de la résis- tance 100, au conducteur 12 ce qui a pour effet que ce der- nier devient une source de courant qui charge le conden- sateur 17 (voir également la Fig 3) Simultanément, le transistor 112 est également rendu conducteur de manière à mettre le conducteur 18 à la masse et à fermer ainsi le cir- cuit Ainsi, comme on peut le voir, le circuit de charge part de la borne + Vcc et comporte ensuite successivement la résistance 100, le transistor 106 à l'état conducteur et le conducteur 12 Comme représent 6 sur la Fig 3 à laquelle on se référera, le conducteur 12 fouriit alors du courant, par l'intermédiaire de la diode 14, pour charger le côte positif du condensateur 17 De la même manière, le circuit de retour part du condensateur 17, traverse la diode 16 et revient, dans le cable implantable dans le corps, par le conducteur 18 Comme représenté sur la Fig 4 à laquelle on se referera à nouveau, le trajet du courant de retour passe du conducteur 18 à travers le transistor 112 qui est à l'état conducteur jusqu'à la masse Ceci achève l'exécu- tion d'une première partie de charge du cycle. A la suite de la première partie de charge du cyle, les transistors 104, 106, 112 et 116 sont tous polarisés à un état non conducteur Ceci a pour effet que les con- ducteurs 12 et 18 constituent alors un circuit d'entr 6 e à forte impédance pour le circuit de détection. Pendant la partie de détection du cycle, le tran- sistnr 124 est commandé de façon à conduire à la masse ce qui permet ainsi aux amplificateurs opérationnels 128 et de fonctionner dans leur plage linéaire Pendant la période au cours de laquelle ils sont en fonction, les amplificateurs opérationnels 128 et 130 évoluent rapi- dement vers leur valeur d'équilibre sous l'influence du signal entre les conducteurs 12 et 18 engendré par la décharge du condensateur 17 à travers le pont de résis- 1.0 tances et par la valeur de la tension compensatrice de référence VR La tension de sortie de l'amplificateur charge le condensateur 144 pendant la période au cours de laquelle le transistor 124 est Inducteur En- suite, le transistor 124 est bloqué ce qui supprime l'application d'une polarisation aux amplificateurs opérationnels 128 et 130 Ceci laisse les amplificateurs opérationnels dans un état de forte impédance ce qui a pour effet que le condensateur 144 conserve une tension proportionnelle au signal détecté engendré par le pont de résistances L'amplificateur opérationnel 132 fournit ainsi sur la ligne 146 un signal de sortie qui est propor- tionnel à la charge emmagasinée dans le conducteur 144. Pendant chaque partie de charge du cycle, la tension de sortie produite sur la ligne 146 est proportionnelle à la valeur précédemment détectée, telle qu'emmagasinée par le condensateur 144 Ainsi, on peut voir que l'am- plificateur opérationnel 132 produit un signal de sortie constant sur la ligne de sortie 146 même si la détection de la valeur du pont de résistances ne s'effectue que pendant une partie du cycle total. Le cycle de charge suivant, ou second cycle, charge le condensateur 17 en utilisant un courant qui s'écoule à partir'de la borne Vcc, à travers la résistance 100, par le conducteur 18, le courant de retour s'écoulant par le conducteur 12 -Ceci se produit lorsque les transistors 104 et 1 i 6 sont polarisés à l'état conducteur -Ceci signifie que la borne Vcc fournit au conducteur 18 un courant positif par l'intermédiaire de la résistance 100 et du - transistor 104-, à l'état conducteur, comme onpeut le voir sur la Fig 3 à laquelle on se référera à nouveau cette tension positive appliquée au conducteur 18 polarise dans le sens inverse la diode 16, l'empêchant ainsi de c-n- duire Le Courant s'écule ainsi à travers le résistance (ou la diode facultative 24) pour charger le condensa- teur 17 avec la même polarita que lors du cycle de charge préc 6 dent Le trajet de retour à partir du condensateur 17 s'effectue par l'intermédiaire de la résistance 42 (ou de la diode facultative 22) jusqu'au conducteur 12 Sur la Fig 4 à laquelle on se référera à nouveau, on peut voir que le conducteur 12 est mis à la masse par l'intermédiaire du transistor 116 qui est alors à l'état conducteur. La Fig 5 est un diagramme des temps qui montre les signaux qui sont nécessaires pour commander le fonctionne- ment correct du circuit décrit pendant deux cycles successifs. Les lignes 108, 114, 118 et 126 représentent les signaux qui sont appliqu 6 S aux conducteurs désignés par les mêmes références sur la Fig 4 pour commander les opérations de charge et de détection du circuit de multiplexage au cours de chaque cycle La ligne 108 est la ligne d'entrée de commande raccordée à la base du transistor 1 Q 4 lequel est un transistor du type PNP On notera que cette ligne 108 reste constamment à un haut niveau, maintenant ainsi le transistor 104 toujours bloqué sauf entre les temps T 4 et T 5, comme repr 6 senté sur la Fig 5 Ceci est la période de temps pendant laquelle la ligne 118 est également posi- tive Comme on peut le voir sur la Fig 4 ceci a pour ef- fet de rendre le transistor 116 également conducteur. Par conséquent, pendant la période comprise entre les temps T 4 et T 5 les conducteurs 12 et 18 sont connectés dans la seconde configuration de charge. La partie de charge du premier cycle représenté sur la Fig 5 se produit pendant l'intervalle entre le temps T 1 et le temps T 2 (désigné par 150) période au cours de laquelle la ligne 114 est positive et la ligne 110 est n 6 gative Pendant la période 150, le signal sur la ligne 114 a pour effet que le transistor NPN 112 bloque le con- ducteur 18 à la tension de la masse et le signal sur la ligne a pour effet que le transistor PNP 106 conduit entre la borne + Vcc, par l'intermédiaire de la résistance 100, et le conducteur 12 Le condensateur 102 est un condensateur de forte capacité de l'ordre de 10 microfarads Ceci assure, que pendant la partie de charge du cycle, une tension relativement constante est appliquée aux conducteurs 12 et 18, ce qui assure une accumulation de charge constante et connue dans le conden- sateur 17. Cnmme représent 6 sur la Fig 5 à laquelle on se r 6 f 6 rera à nouveau, le signal de la ligne de commande restante 126 passe à l'état positif pendant la période 152 comprise entre les temps T 2 et T 3 o Sur la Fig 4 à laquelle on se référera à nouveau, on peut voir que le transistor 124 devient conduc- teur en réponse au signal positif qui apparait pendant la période 152, polarisant ainsi les amplificateurs opérationnels 128 et 130 à un état conducteur La période comprise entre les temps T 2 et T 3 est la période au cours de laquelle l'échan- tillonnage est éventuellement effectué et la décharge du condensateur 17 à travers le pont de résistances est à son point le lus linéaire La période comprise entre les temps T 2 et T 5 est la période pendant laquelle le signal de sortie (désigné par la référence 154) représente un signal de sortie constant de l'amplificateur opérationnel 132 du fait que la charge du condensateur 144 conserve la valeur pendant la période comprise entre le temps T 3 et le temps T 5 Au temps T 5, le transistor 124 est à nouveau polarisé à l'état con- ducteur, chargeant le condensateur 144 à une nouvelle valeur jusqu'au temps T 6 Le premier cycle de charge est alors r&p&t&o En se référant à la Fig 4, la tension +Vcc, est de préf 6 rence, de l'ordre de 2,8 volts La résistance 100 est choisie pour donner une résistance de charge totale d'en- viron 5 kiloohms Comme indiqué ci-dessus, la capacité du condensateur 102 est choisie de l'ordre de 10 microfarads pour assurer une tension de charge constante On a trouvé qu'une période de charge convenable (c'est à dire la période allant du temps T 1 au temps T 2) est de l'ordre de 1,5 microsecondes Les transistors 106 et 108 sont des transis- tors PNP typiques tandis que les transistors 114 et 116 sont des transistors NPN typiques. On a choisi une fréquence d'échantillonnage de 1 k Hz comme 6 tant commode pour la présente application Les ampli- ficateurs opérationnels 128 et 130 sont choisis de type LM 146 couramment disponible La période totale d'échantillon- nage et de variation jusqu'à un état stable des amplifi- cateurs op 6 rationnels (c'est à dire la période allant du temps T 2 au temps T 5) est de l'ordre de 4 microsecondes. La période 152 entre les temps T 2 et T 3 est la période du cr 6 neau d'6 chantillnnnage qui est de l'ordre de 0,5 micro- secondes Le condensateur 144 a la valeur commode de 0,001 micrnfarad L'amplificateur opérationnel 132 est un modèle LM 146 La tension de référence VR a une valeur de 1,4 volts. Il est évident qu'à la lecture de la description de l'invention effectuée ci-dessus en référence à une appli- cation particulière d'un transducteur de pression implantable, les sp écialistes de la technique pourront facilement appliquer les enseignements donnés ici à d'autres configu- rations de transducteurs. REVENDICATIONS - 1. Ensemble de transducteur implantable dans le corps, caractérisé en ce qu'il comporte: une tête de transducteur ( 50) qui doit recevoir un courant électrique d'entrée et qui fournit, un signal de sortie électrique; des moyens pour traiter le signal électrique de sortie; des moyens ( 12,18) cou- plés de manière commandée à la tête de transducteur et aux moyens de traitement pour conduire le signal électrique de sortie entre la tête de transducteur et les moyens de traitement; et-des moyens ( 104, 106, 112, 116) couplés de manière commandée aux moyens conducteurs ( 12, 18) pour fournir le courant électri- que d'entrée à la tête de transducteur par l'inter- médiaire des moyens conducteurs. 2 Ensemble de transducteur implantable dans le corps suivant la revendication 1, caractéri- sé en ce que la tête de transducteur temporaire ( 17) de telle sorte que le signal électri- que de sortie est engendré par le courant électrique d'entrée, tel qu'emmagasiné dans les moyens d'emmaga- sinage de courant temporaire, lorsqu'il s'écoule à travers le pont de résistances piézorésistifs. 3 Ensemble de transducteur implantable dans le corps suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens conducteurs com- prennent deux trajets conducteurs ( 12,18). 4. Ensemble de transducteur implantable dans le corps selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens fournissant le courant électrique d'entrée comprennent, en outre: une source de courant ( +Vcc); et des moyens ( 104, 106, 112, 116, 124) cou- plés de manière commandée aux trajets conducteurs ( 12, 18) de manière à être alternativement connectés pour coupler l'alimentation en courant aux moyens d'emmagasinage temporaire ( 17) pendant une première période et pour coupler le pont de résistance piézo- résistif aux moyens de traitement ( 48) pendant une seconde période de temps. 5. Ensemble de transducteur implantable dans le corps suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens d'emmagasinage temporaire sont constitués par un condensateur ( 17). 6. Ensemble de transducteur implantable dans le corps suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de traitement comprennent, en outre, un circuit d'échantillonnage et de maintien ( 132, 144) de telle sorte qu'il y a génération d'un signal de sortie simulé représentatif du signal de sortie électrique pendant la première période et pendant la seconde période. 7. Ensemble de transducteur implantable dans le corps suivant la revendication 6, caractéri- sé en ce que les deux trajets conducteurs comprennent deux fils ( 12, 18).