Brevet FR2755863A1 — publié le 19980522

La présente invention concerne les "dispositifs médicaux implan- tables actifs" tels que définis par la directive 90/385/CEE du 20 juin 1990 du Conseil des communautés européennes., notamment les stimu- lateurs cardiaques ou défibrillateurs, dont le fonctionnement est asser- vi à un paramètre recueilli à l'aide d'un capteur. À cet égard, bien que dans la suite de la description on fasse princi- palement référence au cas d'un stimulateur cardiaque, l'invention est applicable de façon générale à une très grande variété de dispositifs électroniques. De tels appareils sont connus pour adapter leurs actions à la va- leur mesurée ou calculée d'un paramètre représentatif des besoins mé- taboliques du porteur de l'appareil. Dans les cas des stimulateurs cardiaques, ces systèmes concourent à augmenter la fréquence des impulsions de stimulation lorsque l'on détecte une activité croissante du patient porteur de l'appareil, et à di- minuer cette fréquence jusqu'à une valeur plancher en cas de diminu- tion de cette activité, tout particulièrement durant les phases de repos du patient. Le EP-A-0 550 293 (ELA Médical) décrit un tel appareil, o une fréquence de stimulateur cardiaque est asservie sur un paramètre cal- culé à partir de la mesure d'une accélération au niveau du tronc du patient. L'hypothèse étant que le module de l'accélération au niveau du tronc du patient est lié à l'activité de celui-ci, on augmente la fréquence des impulsions de stimulation lorsque l'on détecte une activité crois- sante du patient, et on diminue cette fréquence jusqu'à une valeur plancher en cas de diminution de cette activité, tout particulièrement durant les phases de repos du patient. Plus précisément, le capteur d'activité du patient comporte un, deux ou trois accéléromètres dont les axes sont orthogonaux entre eux (capteur appelé respectivement "ID", "2D" ou "3D"). Dans le cas d'un capteur 1D (accéléromètre unidirectionnel), l'ac- céléromètre est orienté selon un axe antéro-postérieur, c'est-à-dire per- pendiculaire à la poitrine. Dans le cas d'un capteur 2D ou 3D, les accé- léromètres sont disposés dans le boîtier de façon à ce qu'un axe (ou deux des axes selon le cas) soit situé dans le plan correspondant au 2 z / 12755863 grand côté plat du boîtier du stimulateur. Le stimulateur est implanté de telle façon que son axe vertical soit sensiblement parallèle à l'axe vertical du porteur. Toutefois, le boîtier peut tourner ou se déplacer légèrement dans le corps du patient par rapport à sa position initiale, si bien que les axes des capteurs peuvent se trouver décalés par rapport au repère de réfé- rence prédéfini par l'axe vertical du porteur, l'axe latéral (correspon- dant sensiblement à l'axe des épaules) et l'axe antéro-postérieur (per- pendiculaire aux deux précédents et sensiblement perpendiculaire au tronc du patient). Pour s'affranchir de ces variations et déplacements des axes, c'est- à-dire du déplacement du repère du capteur par rapport au repère de référence du patient, le EP-A-0 550 293 précité propose un stimulateur de type 2D ou 3D dans lequel la fréquence de stimulation est asservie au module des signaux d'accélération captés sur chacun des trois axes. Ce "module" est défini comme la racine carrée de la somme des carrés des amplitudes instantanées données par les accéléromètres sur cha- cun des deux ou trois axes; ce module est invariant dans un change- ment de repère orthonormé et, de plus, il est représentatif de l'ensem- ble des accélérations recueillies par les divers accéléromètres et donc de l'activité du patient. La pratique et les études cliniques montrent cependant que les si- gnaux recueillis par les accéléromètres ne sont pas tous représentatifs d'un effort créé ou subi par le porteur et que, de ce fait, la simple me- sure du module des signaux d'accélération est un paramètre qui n'est pas toujours bien corrélé à l'effort réel fourni par le patient, et donc aux besoins métaboliques de celui-ci. Ainsi, on s'aperçoit que les chocs des semelles sur le sol produisent un pic d'accélération non représentatif d'un effort. Pour cette raison, le signal d'accélération le long de l'axe vertical est plus important lors de la descente d'un escalier que lors de la mon- tée, alors que l'effort développé par le patient est, au contraire, plus intense lors de la montée. De même, les activités de course à pied lé- gère, du fait du phénomène de chocs des talons sur le sol, sont perçues par le capteur vertical de façon démesurée par rapport aux activités de marche. Inversement, le pédalage sur une bicyclette, qui génère peu de vi- brations, est mal interprété, l'asservissement sur un paramètre d'accé- lération donnant une sous-évaluation de l'effort développé par le pa- tient. L'un des buts de l'invention est d'éviter ce biais dans l'appréciation de l'effort du patient en s'affranchissant notamment des signaux para- sites non représentatifs de l'effort pour éliminer l'influence de ces para- sites sur l'asservissement. Essentiellement, la solution de l'invention consiste à appliquer une limitation à l'accroissement du carré du module instantané de l'accélé- ration afin de "filtrer" les pics d'accélération parasites, cette limitation n'étant appliquée que dans le sens de l'accroissement, et non dans le sens de la décroissance. Plus précisément, le dispositif de l'invention, qui est du type géné- ral décrit par le EP-A-0 550 293 précité, c'est-à-dire comportant une chaîne de mesure comprenant au moins un capteur délivrant un signal d'accélération, et des circuits pour délivrer, à partir de ce signal d'accé- lération, un paramètre d'asservissement d'au moins une fonction du dispositif, notamment d'une fréquence de stimulation cardiaque, est ca- ractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour limiter, dans le sens de l'accroissement, une valeur liée au module du signal d'accélération. Avantageusement, la limitation est opérée sur une valeur propor- tionnelle au carré du signal d'accélération, et notamment sur une som- me quadratique de composantes d'accélération individuelles selon au moins deux axes distincts délivrées par une pluralité de capteurs res- pectifs. Dans une forme de mise en oeuvre préférentielle, toutes les compo- santes du signal d'accélération sont échantillonnées de façon à calculer à chaque instant une valeur liée au module du signal d'accélération. L'accroissement de la valeur liée au module du signal d'accélération peut alors être déterminée par comparaison entre la valeur associée à l'échantilon actuel et la valeur limitée associée à l'échantillon précé- dent. De préférence, la limitation est opérée en retenant comme valeur limitée soit la valeur associée à l'échantillon actuel si l'accroissement est inférieur à un seuil donné, soit la valeur retenue à l'échantillon pré- cédent et augmentée de la valeur du seuil, dans le cas contraire. Le paramètre d'asservissement est notamment une valeur efficace ou une moyenne quadratique du signal d'accélération limité. On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre de l'in- vention, en référence aux dessins annexés. La figure 1 est un schéma par blocs d'un circuit d'asservissement mettant en oeuvre les enseignements de l'invention. Les figures 2 et 3 sont des chronogrammes du paramètre d'asser- vissement dans diverses situations d'effort, respectivement avec un as- servissement selon l'art antérieur, sans limitation, et avec un asservis- sement selon l'invention, avec limitation. Sur la figure 1, on a représenté un schéma par blocs d'un circuit permettant de produire un paramètre d'asservissement S pour un dispositif implantable actif tel qu'un stimulateur cardiaque. On décrira ce circuit dans le cas le plus complexe d'un asservisse- ment 3D, impliquant donc trois mesures d'accélération selon trois axes orthogonaux X, Y, Z, mais ce cas n'est pas limitatif; on peut ainsi appliquer l'invention à un dispositif: - 1D: l'accéléromètre est disposé suivant l'axe antéro-postérieur; - 2D: les deux accéléromètres sont disposés suivant l'axe latéral et l'axe vertical et on combine les signaux fournis par ces deux accélé- romètres; ou - 3D: soit on utilise le module de l'accélération (comme dans l'exem- ple de la description détaillée qui va suivre), soit, en variante, on opère une combinaison linéaire d'un signal 1D et d'un signal 2D comme ci-dessus. De la même façon, l'invention sera décrite dans le cas d'un exemple o les signaux sont des signaux échantillonnés numériques, mais cet exemple n'est aucunement limitatif et l'invention est applicable aussi bien à des signaux mesurés et traités par des moyens analogiques. Le circuit de l'invention comporte tout d'abord trois chaînes de mesure 10 semblables, associées à des capteurs d'accélération respec- tifs 12 orientés selon trois axes orthogonaux X, Y, Z. Ces chaînes de mesure sont d'un type en elles-mêmes connu, et l'on pourra se référer à la description détaillée du EP-A-0 550 293 pour de plus amples détails. Essentiellement, le signal délivré par chacun des accéléromètres 12, qui est par exemple un signal dC de variation de capacité, est appli- qué à un étage 14 convertissant les variations de capacité en variations de tension dV et amplifiant ces dernières. Le signal délivré par cet étage convertisseur et amplificateur 14 est appliqué à un filtre passe-bande 16 pour éliminer, d'une part, les com- posantes parasites à fréquence élevée (coupure typiquement au-delà de 6 Hz) et, d'autre part, la composante continue du champ de pesanteur terrestre (coupure typiquement en-deçà de 0,6 Hz). Le signal filtré est ensuite appliqué à un convertisseur analogique- numérique 18 qui échantillonne le signal pour donner une série d'é- chantillons successifs respectifs Xi, Yi et Zi. Typiquement, le cycle (temps d'intégration) est de 1,5625 s avec une fréquence d'échantillon- nage de 20,48 Hz, donnant 32 échantillons par cycle. Le signal numérique est ensuite appliqué à un étage quadrateur , pour donner une valeur respective Xi2, yi2 et Zi2. 2 5 2 Les valeurs Xi2, Yi2 et Zi2 sont ensuite sommées par un étage 22 pour donner un module carré instantané M.2 = Xi2 + y.2 + Zi2. Le module carré instantané Mi2 est ensuite, de façon caractéris- tique de l'invention, appliqué à un étage limiteur 24 pour donner un module carré instantané limité, noté Mi2_L. Cette limitation (qui peut être interprétée comme un filtrage sé- lectif, non linéaire) n'est appliquée que dans le sens de l'accroissement du module carré instantané. Elle peut être mise en oeuvre par l'algorithme d'un logiciel contrô- lant un microprocesseur et opérant de la manière suivante. On définit une pente de limitation SLR (pour SLew Rate) à une valeur donnée, par exemple 3906.10-6 g2 par échelon (g représentant, ici et dans la suite, l'accélération de la pesanteur terrestre), chaque échelon correspondant à un pas d'échantillonnage. On compare alors le module carré instantané limité de l'échantillon précédent, c'est-à-dire Mi 12_L, au module carré instantané de l'échantillon actuel, c'est-à-dire Mi2, et on applique la règle suivante Si(Mi2Mi 2 L) > SLR alors: Mi2L=Mi 12L+SLR sinon: Mi2 L = M.2 Le module carré instantané limité M.2 L est ensuite appliqué à un 1 - étage 26 pour donner le paramètre d'asservissement S, recalculé à cha- que cycle, c'est-à-dire toutes les 1,5625 secondes. Avantageusement, le paramètre d'asservissement est donné par la moyenne quadratique des N échantillons successifs du module carré instantané limité Mi2_L, c'est-à-dire par la quantité: (l/N* 1...N Mi2_L)1/2. On notera que, si on travaille sur des signaux analogiques, cette moyenne quadratique correspondra à la valeur efficace du paramètre S(t) sur la durée T de la période d'intégration, à savoir: (1/T*T S2 (t)dt)2. Les figures 2 et 3 illustrent, respectivement dans le cas d'un dispo- sitif de l'art antérieur et dans le cas du dispositif de l'invention, l'évolu- tion du module moyen de l'accélération donnée par un asservissement 2D (c'est-à-dire suivant les axes vertical et latéral) au cours de diverses phases d'activités. Ces chronogrammes (avec le temps en abscisse) donnent en ordon- née la valeur efficace du module moyen de l'accélération, limitée (figu- re 3) ou non (figure 2), exprimée en 10-6 g, g étant la valeur de l'accélé- ration du champ de pesanteur terrestre. Les phases d'activités reportées sont les suivantes 7 2755863 - en 28 montée d'un escalier, - en 3028: modescente d'un escalier, -- en 30: descente d'un escalier, - en 32: marche, - en 34: course à pied, en36: pédalage. Si l'on compare les figures 2 et 3, on voit que la mise en oeuvre de l'étage limiteur de l'invention permet d'obtenir un paramètre d'asser- vissement plus important pour une montée d'escalier (en 28) que pour une descente d'escalier (en 30) - ce qui est conforme à la réalité phy- siologique - alors que dans le circuit de l'art antérieur, l'indication était inverse et donc mal corrélée aux besoins métaboliques réels du patient. De même, en 34, la surévaluation des besoins dans le cas d'une course à pied a été fortement diminuée, et elle est maintenant plus proche de celle de la marche, ce qui est, ici encore, plus physiologique et mieux corrélé à l'évolution requise du rythme cardiaque. REVENDICATIONS 1. Un dispositif médical implantable actif susceptible d'un fonction- nement asservi, notamment un stimulateur cardiaque, ce dispositif comportant une chaîne de mesure (10) comprenant au moins un cap- teur (12) délivrant un signal d'accélération, et des circuits (22-24) pour délivrer, à partir de ce signal d'accélération, un paramètre (S) d'asser- vissement d'au moins une fonction du dispositif, notamment d'une fré- quence de stimulation cardiaque, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (24) pour limiter, dans le sens de l'accroissement, une valeur liée au module du signal d'accélération. 2. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel la limitation est opérée sur une valeur proportionnelle au carré du signal d'accélération. 3. Le dispositif de la revendication 2, dans lequel la limitation est opérée sur une somme quadratique de composantes d'accélération indi- viduelles (Xi, Yi, Zi) selon au moins deux axes distincts délivrées par une pluralité de capteurs respectifs. 4. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel toutes les compo- santes du signal d'accélération sont échantillonnées de façon à calculer à chaque instant une valeur (Mi2) liée au module du signal d'accéléra- tion. 5. Le dispositif de la revendication 4, dans lequel l'accroissement de la valeur liée au module du signal d'accélération est déterminée par comparaison entre la valeur (Mi2) associée à l'échantilon actuel et la valeur limitée (Mi_12_L) associée à l'échantillon précédent. 6. Le dispositif de la revendication 5, dans lequel la limitation est opérée en retenant comme valeur limitée (Mi2_L) soit la valeur associée à l'échantillon actuel (Mi2) si l'accroissement est inférieur à un seuil (SLR) donné, soit la valeur retenue à l'échantillon précédent et aug- mentée de la valeur du seuil (Mi 12 L + SLR), dans le cas contraire. 7. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel le paramètre d'asservissement (S) est une valeur efficace ou une moyenne quadrati- que du signal d'accélération limité.