Brevet FR2714609A1 — publié le 19950707

La présente invention concerne le domaine des dispositifs médi- caux implantés actifs, et plus particulièrement le recueil des signaux émis lors de séquences de communication entre le dispositif implanté et une console de contrôle extérieure. Les dispositifs médicaux implantés actifs comprennent notamment les stimulateurs cardiaques, les défibrillateurs, les appareils neurologi- ques, les pompes de diffusion de substance médicale, et les implants cochléaires. Ces appareils, une fois implantés, sont programmés de l'extérieur au moyen d'une console appelée "programmateur". La vérification des paramètres de l'implant ou la transmission d'informations enregistrées par celui-ci s'effectuent par voie électromagnétique, appelée 'télé- métrie" dans la technique en question. Cette console est munie d'un élément récepteur qui est placé en regard du site de l'implant. Cet élé- ment comprend une bobine qui capte le champ magnétique en prove- nance de l'appareil implanté. Cette bobine, qui est typiquement formée d'une quarantaine de spires enroulées autour d'une surface d'environ 25 cm2, recueille un signal utile compris entre 10 AV et 1000 AV suivant la distance bobine- implant, ce qui correspond, aux fréquences utilisées (typiquement de l'ordre de 128 kHz), à un champ magnétique compris entre 1,25.10-1 et 125.10-10 T (1,25 et 125 microgauss). Ce champ est extrêmement faible et le système de réception est sensible à des perturbations électromagnétiques du même ordre de grandeur. À titre d'exemple, un champ électrique de même fréquence et d'amplitude 40 à 4000 mV/m induit dans la bobine des signaux de même grandeur que le signal utile émis par l'implant. De tels signaux perturbateurs sont créés par les lignes électriques porteuses du courant domestique (à la fréquence du réseau) ou par des appareils électroni- ques tels que les consoles de visualisation des systèmes informatiques (à la fréquence de balayage ligne). Pour éliminer ce bruit, plusieurs solutions ont été mises en oeuvre, de façon isolée ou combinée. Le US-A-4 944 299 décrit à cet effet un système de filtrage associaé à un système de codage de l'information afin de réduire les risques d'erreurs dues aux perturbations externes, le bruit étant éliminé du fait qu'il ne contient pas les caractéristiques du signal attendu. Ce trai- tement n'est cependant pas opéré au niveau de la réception du signal, mais en aval, après détection. Le DE-A-39 36 547 apporte une solution en amont du traitement du signal, par une élimination sélective du bruit recueilli. Le dispositif décrit comprend deux bobines dont l'une est placée directement en regard du signal émis par l'implant et l'autre est disposée par rapport à la première d'une façon telle qu'elle ne reçoive qu'une très faible partie de ce signal. En revanche, par un montage approprié, toutes deux reçoivent la même quantité de signaux perturbateurs en provenance de sources lointaines. L'utilisation de deux bobines identiques montées en opposition fait que ces signaux d'origine lointaine sont soustraits avant d'être présentés à la chaîne d'amplification. De cette façon, seule une faible partie du signal utile (source proche) est atténuée et la plus grande partie des signaux perturbateurs (source lointaine) est élimi- née. Toutefois ce système ne peut éliminer complètement un signal perturbateur dont la source d'émission n'est pas éloignée des deux bo- bines (source "semi-lointaine'). Une telle configuration est typiquement celle d'un moniteur de visualisation situé à une trentaine de centimè- tres de distance de la bobine de programmation. En effet, la différence des distances de chacune des deux bobines par rapport à la distance d'une source d'émission d'interférences électromagnétiques n'est alors pas négligeable, et le système éliminera incomplètement ces signaux parasites. Ainsi, le montage du DE-A-39 36 547 élimine parfaitement les signaux d'origine lointaine, n'atténue pratiquement pas les signaux d'origine proche de l'une des bobines, mais n'élimine que partiellement les signaux ayant leur source dans une zone intermédiaire. L'un des buts de la présente invention est de proposer un dispositif électronique qui élimine les signaux perturbateurs d'origine aussi bien lointaine que semi-lointaine (c'est-à-dire situés dans une zone intermé- diaire, de transition entre champ proche et champ lointain) tout en conservant les signaux utiles d'origine proche sans altération. Un autre but de l'invention est de proposer un système qui s'adapte automatiquement et de façon optimale pour extraire le signal utile en présence de différentes sources de bruit, quelles que soient leurs dis- tances par rapport au système et quelle que soit leur dépendance tem- porelle. L'invention a pour objet un dispositif pour extraire un signal utile, émis par un appareil médical implanté, dans un signal constitué d'une onde électromagnétique comprenant ce signal utile mêlé à des signaux parasites. À cet effet, le dispositif comporte: une pluralité de collec- teurs d'onde disposés en des points distincts, ces collecteurs d'onde étant sensibles à la composante magnétique de l'onde et la distance qui les sépare étant négligeable vis-à-vis de la longueur d'onde du signal; une pluralité d'amplificateurs associés chacun à un collecteur d'onde respectif, les gains de ces amplificateurs étant tous ajustables iso- lément; des moyens sommateurs, recevant en entrée les signaux déli- vrés par les amplificateurs et délivrant en sortie un signal résultant; des moyens pour évaluer une grandeur représentative du niveau du signal résultant; des moyens de calcul, pour commander les gains des amplificateurs de manière à minimiser ladite grandeur dans une étape préalable en l'absence de signal utile et à maintenir les gains aux va- leurs ainsi déterminées dans une étape subséquente en présence du signal utile. De préférence, le nombre de collecteurs d'onde est de deux. La grandeur représentative peut notamment être la valeur efficace du signal résultant, ou une valeur proportionnelle à cette dernière. Les moyens de calcul peuvent être des moyens de calcul linéaire aptes à résoudre un système d'équations linéaires o les gains des am- plificateurs constituent les inconnues. L'invention a également pour objet un procédé pour extraire un signal utile, émis par un appareil médical implanté, dans un signal constitué d'une d'onde électromagnétique comprenant ce signal utile mêlé à des signaux parasites, caractérisé par les étapes consistant à: (a) dans une étape préalable: cesser l'émission du signal utile par l'ap- pareil implanté, recueillir les signaux parasites par une pluralité de collecteurs d'onde disposés en des points distincts et reliés chacun à un amplificateur associé, ces collecteurs d'onde étant sensibles à la com- posante magnétique de l'onde et la distance qui les sépare étant négli- geable vis-à-vis de la longueur d'onde du signal, sommer les signaux délivrés par les amplificateurs, évaluer une grandeur représentative du niveau du signal résultant de cette sommation, et déterminer les gains des amplificateurs permettant de minimiser ladite grandeur; (b) dans une étape subséquente: faire émettre le signal utile par l'appareil im- planté, et recueillir par ladite pluralité de collecteurs d'onde ce signal utile mêlé aux signaux parasites, les gains des amplificateurs restant réglés sur les valeurs déterminées lors de l'étape préalable. Avantageusement, on exécute de façon répétitive les étapes (a) et (b), les gains des amplificateurs étant réévalués à chaque réexécution de l'étape (a). L'étape de détermination des gains des amplificateurs à l'étape (a) peut notamment être effectuée par établissement d'un système linéaire de P équations à P+1 inconnues dont les inconnues sont les gains et les coefficients sont des coefficients de couplage entre champs et antennes, en fixant arbitrairement l'une des valeurs de gain et en déduisant les P autres valeurs de gain en fonction de cette dernière. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous d'un exemple de réali- sation, faite en référence à la figure unique annexée, qui représente un schéma par blocs du dispositif de l'invention. Dans le cas de la télémétrie des informations en provenance d'un implant, les signaux utiles ainsi que les signaux parasites sont véhi- culés sous la forme de champs magnétiques. Le signal total BT (expri- mé sous forme vectorielle) reçu au niveau d'un collecteur d'onde (en forme de bobine) se décompose à un instant t donné, en tout point de l'espace donné dont r est le vecteur position, en la somme du signal utile Bs(r,t) et de P signaux parasites Bi(r,t) dépendant de l'espace et du temps: p BT(r,t) = Bs(r,t) + Bi(r,t). (1) i=1 Si l'on utilise une seule bobine collectrice, on comprendra que celle- ci recevra tous les champs, signal et perturbations mêlés, sous la forme de BT(r,t). L'idée de base de l'invention consiste à utiliser, au lieu d'une bobine collectrice unique, une pluralité de bobines, et à opérer une combinaison linéaire particulière des signaux délivrés par celles-ci per- mettant de conserver uniquement la composante B. du signal utile et d'éliminer les composantes Bi en provenance des sources parasites. Par hypothèse, on considérera que les diverses bobines sont situées en des points distincts, et que les composantes spectrales des signaux parasites significatives vis-à-vis de la bande passante du dispositif sont de longueur d'onde grande devant les dimensions du contenant enfer- mant les divers collecteurs d'onde. Cette dernière approximation signi- fie que, si deux bobines placées en deux points distincts recueillent le même champ parasite Bi, alors les signaux recueillis sont synchrones. Dans l'application concernée, les longueurs d'onde des champs étudiés étant de l'ordre du kilomètre et les distances entre bobines de l'ordre de la dizaine de centimètres (limitation physique due à la taille d'un programmateur), l'approximation en question est justifiée. De façon formelle, cette hypothèse permet d'écrire que les champs perturbateurs Bi jouissent de la séparation des variables r et t, et que l'on peut écrire, pour tout i: Bi(r,t) = Xi(r)*Ri(t), (2) o ki(r) est une fonction représentative de l'orientation et de l'ampli- tude du champ et gI(t) est une fonction exprimant la dépendance tem- porelle de Bi. Le dispositif de l'invention, illustré schématiquement sur la figure, comporte une pluralité 100 de bobines réceptrices A1 à AN, qui recueillent un flux magnétique induit et produisent des tensions V1 à VN qui sont appliquées à une pluralité 200 d'amplificateurs respectifs, chacun avec un gain variable gl à gN' Plus précisément, au niveau de la ième bobine de réception, la force électromotrice qui est créée est la somme de la dérivée des flux qui la traversent et s'exprime sous la forme: p Vj(t) = cij* dgi(t)/dt, (3) i= 1 o Cij est une constante de couplage entre le champ Bi(r,t) et la jième bobine. Si l'on considère un ensemble de N bobines soumises à P champs parasites Bi(r,t) dont les tensions Vj(t) recueillies sur chaque bobine sont chacune amplifiées par un amplificateur de gain gj, alors on peut montrer qu'il existe une combinaison de valeurs de gains g. telle que la somme des produits Vjt)*gj s'annule, à la condition que N = P+1. En d'autres termes, tout ensemble de P signaux perturbateurs distincts peut avoir un effet annihilé si on les capte avec un nombre de bobines au moins supérieur d'une unité au nombre de signaux parasites. Une fois cet effet obtenu, la superposition du champ utile B. autorise sa détection de façon optimale dans la mesure o la somme des apports perturbateurs est annulée. À cet effet, les gains des amplificateurs sont individuellement ré- glés par des signaux de commande 501 générés par un moyen de calcul 500. Les tensions amplifiées sont sommées dans un moyen d'addition 300 pour fournir un signal résultant V. Un moyen de traitement 400 agissant sur V fournit une grandeur I V I 401 qui peut être une valeur efficace ou un module. Le moyen de calcul 500 évalue la grandeur I V I et ajuste individuellement les gains des amplificateurs 200, par des signaux de commande 501, de telle façon que la grandeur 401 soit mi- nimale. Dans la mesure o le nombre de signaux perturbateurs est inférieur au nombre de bobines le système réglera les différents gains de telle façon que I V I soit nulle. Cette phase d'annulation des perturbations étant réalisée, le signal utile peut être émis vers le réseau de bobines et donner lieu à un signal V non nul, qui sera utilisé à l'entrée d'un étage de traitement de son contenu. En effet, ce signal ne peut être annulé par le système à N bobines, car les P=N-1 signaux perturbateurs sont déjà annulés et que, pour annuler aussi le signal utile, il faudrait N+1 bobines. Une réalisation simplifiée de l'invention peut mettre en oeuvre un réseau de deux bobines identiques A1 et A2, seulement. En effet, dans ce qui précède, on a raisonné sur P champs pertur- bateurs ayant chacun leur propre dépendance temporelle. Ceci signifie que P sources viennent perturber le recueil du signal utile, en émettant chacune leurs propres parasites (par exemple un moniteur vidéo qui émet une série de pics parasites correspondant aux retours de ligne, des conducteurs électriques qui émettent des signaux parasites à la fréquence du secteur, etc.). Si l'on approche d'une source de perturbation, les parasites captés qui en proviennent vont augmenter en amplitude et le système sera très sensible à des déplacements. En revanche, si l'on est suffisamment loin des diverses sources, la forme du signal parasite total capté dé- pendra peu de la position du système des bobines collectrices et pourra être localement décrite par un champ unique. En d'autres termes, ceci signifie que si l'on ne bouge pas ou peu par rapport aux différentes sources perturbatrices en restant suffisamment éloigné de celles-ci, elles ne sont pas localisables et les signaux parasites reçus le seront comme s'ils provenaient d'une source perturbatrice unique, donc com- me si l'on avait P=1. Deux bobines réceptrices sont alors suffisantes pour annuler ce champ perturbateur. On va maintenant décrire la manière dont est mis en oeuvre le système de l'invention dans cette hypothèse simplifiée d'un système à deux bobines (la généralisation à un plus grand nombre de bobines étant immédiate). Lors d'une première phase de fonctionnement du dispositif, une mesure de bruit ambiant est réalisé en l'absence de signal utile. Le calculateur 500 ajuste les valeurs des gains des deux amplificateurs de façon à minimiser la valeur de I V I. Dans cet exemple, on suppose donc que le champ perturbateur est assimilable à un champ unique Bl(r,t). Toutefois, suivant la disposition des bobines par rapport à B1, les tensions V1 et V2 peuvent ne pas être égales, et le réglage individuel des gains gl et g2 permet d'annuler les effets non symétriques du champ B1 sur chacune des bobines. Une fois ce réglage préliminaire effectué, le signal utile B., émis dans une phase subséquente par le dispositif implanté, est reçu par le réseau des deux bobines et la valeur V correspondante, dépourvue de bruit, peut être envoyée en 301 vers un étage de détection (non repré- senté) en aval du dispositif pour traitement approprié. Par un choix avantageux de séquences alternant phases de recueil du bruit (phases de silence de l'implant) et phases d'émission du signal Bs, le système est capable de s'adapter automatiquement à des variations des effets au niveau des bobines du signal perturbateur causées par des déplacements de l'élément récepteur du programmateur ou éventuel- lement de la source du bruit. Il est clair que cette invention peut être réalisée par des moyens classiques électroniques, assistés ou non par des moyens logiciels. En particulier, le calculateur 500 peut avantageusement être constitué d'un module de calcul apte à résoudre un système d'équations linéaires, cet ensemble correspondant à l'annulation de la somme de produits V(t)*gj pour tout j c [1,N]; l'un des N gains sera fixé arbitraire- ment et tous les autres seront exprimés en fonction de celui-ci. Des indications détaillées sur la manière de résoudre un tel système d'é- quations linéaires pourront être trouvées dans C. Cagnac, E. Ramis et J. Commeau, Traité de mathématiques spéciales, tome I (Algèbre), chapitre XV-2 (Systèmes de Kramer), pages 123 et suivantes, éditions Masson, 1970. REVENDICATIONS 1. Un dispositif pour extraire un signal utile, émis par un appareil médical implanté, dans un signal constitué d'une onde électromagné- tique comprenant ce signal utile mêlé à des signaux parasites, caractérisé en ce qu'il comporte: - une pluralité de collecteurs d'onde (100) disposés en des points distincts, ces collecteurs d'onde étant sensibles à la composante magnétique de l'onde et la distance qui les sépare étant négligeable vis-à-vis de la longueur d'onde du signal, - une pluralité d'amplificateurs (200) associés chacun à un collecteur d'onde respectif, les gains de ces amplificateurs (g1... gN) étant tous ajustables isolément, - des moyens sommateurs (300), recevant en entrée les signaux déli- vrés par les amplificateurs et délivrant en sortie un signal résul- tant (V(t)), - des moyens (400) pour évaluer une grandeur ( I V I) représentative du niveau du signal résultant, - des moyens de calcul (500), pour commander les gains des amplifi- cateurs de manière à minimiser ladite grandeur dans une étape préalable en l'absence de signal utile et à maintenir les gains aux valeurs ainsi déterminées dans une étape subséquente en présence du signal utile. 2. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel le nombre de collecteurs d'onde est de deux. 3. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel ladite grandeur représentative est la valeur efficace du signal résultant, ou une valeur proportionnelle à cette dernière. 4. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel les moyens de calcul sont des moyens de calcul linéaire aptes à résoudre un système d'équations linéaires o les gains des amplificateurs constituent les in- connues. 5. Un procédé pour extraire un signal utile, émis par un appareil médical implanté, dans un signal constitué d'une onde électromagnéti- que comprenant ce signal utile mêlé à des signaux parasites, caractérisé par les étapes consistant à: a) dans une étape préalable: * cesser l'émission du signal utile par l'appareil implanté, * recueillir les signaux parasites par une pluralité de collecteurs d'onde disposés en des points distincts et reliés chacun à un am- plificateur associé, ces collecteurs d'onde étant sensibles à la composante magnétique de l'onde et la distance qui les sépare étant négligeable vis-à-vis de la longueur d'onde du signal, * sommer les signaux délivrés par les amplificateurs, * évaluer une grandeur représentative du niveau du signal résul- tant de cette sommation, et * déterminer les gains des amplificateurs permettant de minimi- ser ladite grandeur, b) dans une étape subséquente: * faire émettre le signal utile par l'appareil implanté, et o À* recueillir par ladite pluralité de collecteurs d'onde ce signal utile mêlé aux signaux parasites, les gains des amplificateurs restant réglés sur les valeurs déterminées lors de l'étape préalable. 6. Le procédé de la revendication 5, dans lequel on exécute de façon répétitive les étapes (a) et (b), les gains des amplificateurs étant rééva- lués à chaque réexécution de l'étape (a). 7. Le procédé de la revendication 5, dans lequel l'étape de déter- mination des gains des amplificateurs à l'étape (a) est effectuée par établissement d'un système linéaire de P équations à P+1 inconnues dont les inconnues sont les gains et les coefficients sont des coefficients de couplage entre champs et antennes, en fixant arbitrairement l'une des valeurs de gain et en déduisant les P autres valeurs de gain en fonction de cette dernière.