Brevet FR2749175A1 — publié le 19971205

La présente invention concerne le domaine des dispositifs médi- caux, notamment les dispositifs médicaux implantés actifs, et plus par- ticulièrement le recueil des signaux émis lors de séquences de commu- nication entre le dispositif médical et une console de contrôle extéri- eure. 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. L'invention n'est cependant pas limitée aux dispositifs médicaux implantés actifs et, bien que dans la suite on fera référence à ces der- niers, l'invention s'applique aussi bien à des dispositifs médicaux non implantés (par exemple portés par le patient) ou non actifs (par exem- ple des dispositifs, implantés ou non, dépourvus de source d'énergie propre et utilisant pour l'émission de messages vers l'extérieur une fraction de l'énergie du signal d'interrogation qui leur est appliqué. Ces appareils, une fois mis en place (notamment par implantation), sont programmés de l'extérieur au moyen d'une console distante appe- lée "programmateur". La vérification des paramètres de l'implant ou la transmission d'informations enregistrées par celui-ci s'effectuent par voie électromagnétique, appelée "télémétrie" dans la technique en question. Cette console est munie d'un organe récepteur qui est placé en regard du site de l'implant. Cet organe comprend une bobine qui capte le champ magnétique en provenance de l'appareil implanté. Lorsque l'on opère ainsi une transmission d'informations de l'im- plant vers le programmateur, il y a lieu de tenir compte de la nature du matériau constituant le boîtier de l'implant. En effet, ce boîtier est gé- néralement réalisé en un matériau métallique tel que le titane et ce matériau, du fait de ses propriétés conductrices de l'électricité, réémet une induction magnétique compensatrice qui fait l'effet d'un filtre pas- se-bas. Ce filtrage passe-bas introduit une distorsion de type "interférence intersymbole" (ou encore "brouillage intersymbole" ou "interférence longitudinale") qui se traduit, dans une séquence de symboles (unités :35 d'information) donnée, par un débordement d'un symbole sur le sui- vant. Pour des symboles adjacents, cette distorsion devient significative et peut introduire des ambiguïtés lors du décodage des symboles. L'un des buts de l'invention est de pallier cette limitation en propo- sant un circuit permettant de compenser la distorsion introduite par les boîtiers des implants, conduisant à une réduction significative no- tamment de l'interférence intersymbole et autorisant ainsi une aug- mentation significative du débit des signaux ou de la simplicité avec laquelle on va décoder les symboles. À cet effet, l'invention propose d'équiper le programmateur d'un 1 0 dispositif de filtrage recevant en entrée un signal délivré par un circuit de réception de signaux émis, sous forme d'une induction magnétique, par un appareil médical, cet appareil médical comprenant un boîtier métallique, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte un étage de com- pensation possédant dans le domaine fréquentiel une fonction de 1 5 transfert de la forme f /(f) = 1 + j--, fe fc o fc est un paramètre choisi en fonction de la géométrie et du maté- riau du boîtier métallique de l'appareil médical, et o j = V-1. L'invention s'applique de manière particulièrement avantageuse au cas o l'appareil médical émet des messages formés de séquences de symboles élémentaires appartenant à un alphabet de n symboles (30- 36), avec n > 2, l'étage de compensation étant alors un étage propre à réduire le taux d'interférence intersymbole des signaux reçus qui lui sont appliqués. De préférence, il est prévu en outre un étage passe-bande dont les fréquences de coupure haute et basse sont choisies en fonction de la plage de fréquences des signaux émis par l'appareil implanté; la fré- quence de coupure haute etlou la fréquence de coupure basse peuvent être des fréquences ajustables. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous faite en référence aux dessins an- nexés. La figure 1 est un schéma par blocs de l'implant et des circuits de réception et de traitement des signaux du programmateur. La figure 2 montre un exemple d'alphabet de quatre symboles pour réaliser la modulation du signal émis par l'implant. La figure 3 illustre le phénomène d'interférence intersymbole dans le cas de l'utilisation de l'alphabet de la figure 2, en l'absence de filtrage selon l'invention. La figure 4 est un schéma par blocs montrant les deux étages du dispositif de filtrage de l'invention. Sur la figure 1, la référence 10 désigne un implant, c'est-à-dire un dispositif médical implanté actif' au sens large défini plus haut, en position opérante chez un patient. Cet implant contient en mémoire des informations qui sont par exemple véhiculées par l'induction magnéti- que provoquée par le passage de courants oscillants dans une bobine émettrice 12, permettant ainsi de transmettre par "télémétrie" ces in- formations au-delà de la barrière cutanée 14. Les signaux ainsi émis, qui sont de nature essentiellement magné- tique comme expliqué plus haut, sont recueillis par l'organe récepteur d'un programmateur, qui est par exemple un dispositif d'un type com- parable à celui décrit dans le EP-A-0 661 077 auquel on pourra se re- porter pour de plus amples détails sur la manière dont les signaux sont recueillis et traités. On peut en particulier (mais de manière non limitative à l'égard de l'invention), comme décrit dans ce document, extraire du signal total véhiculé sous forme de champ magnétique la seule composante de si- gnal utile en éliminant la quasi-totalité de la composante de signal pa- rasite. À cet effet, on prévoit une pluralité de bobines distinctes telle qu'une bobine collectrice 16 et une bobine de compensation 18, recueil- lant chacune des flux magnétiques induits propres et produisant des tensions correspondantes appliquées à des amplificateurs respectifs 20, 22 à gain variable, dont les sorties sont combinées entre elles dans un étage sommateur 24. En sortie de l'étage sommateur 24 on peut obtenir par un ajuste- ment approprié des gains des amplificateurs 20 et 22 un signal essen- tiellement constitué de la seule composante du signal utile. L'invention propose un circuit 26 permettant de traiter la compo- sante utile de manière à réduire une certaine forme de distorsion que l'on va exposer plus bas. Ce circuit 26, comme d'ailleurs les autres circuits de traitement et signaux de programmateur, peut être réalisé de différentes manières, par exemple de manière entièrement analogique, ou bien avec une par- tie de circuit numérique plus ou moins importante, pilotée ou non par des moyens logiciels. Les différents blocs fonctionnels sont pilotés par un circuit de commande 28 qui peut avantageusement comporter un microcalculateur permettant d'ajuster les paramètres des différents éléments du circuit pour obtenir les résultats cherchés. En tout état de cause, la réalisation matérielle de ces circuits n'est en aucune façon li- mitative à l'égard des enseignements de l'invention, et elle est d'ail- leurs en elle-même du domaine de l'homme de l'art; pour cette raison, ces aspects matériels ne seront pas décris plus en détails On va maintenant expliquer les phénomènes de distorsion aux- quels le circuit de l'invention peut remédier. Le boîtier de l'implant 10 est typiquement réalisé en matériau mé- tallique, le plus souvent le titane ou un alliage à base de titane (ce mat- ériau particulier n'est bien entendu pas limitatif à l'égard de la pré- sente invention). Comme l'induction magnétique est produite par une source (bobine émettrice 12) qui est enfermée dans un boîtier conducteur, le signal utile au sens indiqué plus haut (c'est-à-dire le signal débarrassé des parasites provenant de sources magnétiques d'origine externe) va se trouver perturbé, ce qui se traduira par une atténuation du haut du spectre dans le domaine fréquentiel, c'est-à-dire un filtrage passe-bas. On va expliquer ce phénomène particulier d'interférence intersym- bole en particulier en référence aux figures 2 et 3. On prendra l'exemple d'une modulation quaternaire réalisée par combinaison d'une modulation binaire de phase et d'une modulation bi- naire de fréquence (mais le problème se pose en des termes compara- bles par exemple pour une modulation de phase à quatre états, ou pour 3 d'autres types de modulation encore). On définit ainsi un "alphabet" de quatre "symboles" 30, 32, 34 et 36 illustrés figure 2. Les symboles 30, 32 d'une part et 34, 36 d'autre part sont émis à deux fréquences différentes, par exemple 8 et 16 kHz, tandis que les symboles 30, 34 d'une part et 32, 36 d'autre part sont émis avec un dé- phasage respectif de 180 par rapport à 30 et 34. Si l'on considère par exemple, comme illustré figure 3, la séquence 38 formée d'une succession de trois symboles 30, 32 et 32, si la transi- tion entre les symboles 30 et 32 se fait sans solution de continuité, en revanche la transition entre les symboles 32 successifs se fait avec une discontinuité brusque et importante du niveau du signal, correspon- dant à un passage abrupt d'un niveau positif à un niveau négatif. Cette transition abrupte se traduit dans le domaine fréquentiel par la pro- duction de composantes de rang élevé. Or, comme on l'a expliqué plus 290 haut, la présence du boîtier en titane joue un rôle de filtre passe-bas naturel qui empêche la transmission de ces harmoniques de rang élevé, introduisant de ce fait une distorsion du signal qui, dans la réalité, prendra la forme illustrée en tiretés sur la figure 3. Si l'on compare les figures 2 et 3, on s'aperçoit que la forme d'onde réellement émise depuis l'implant, et donc captée par le programma- teur, est une forme d'onde qui est intermédiaire entre celle du symbole 32 et celle du symbole 34. Ce phénomène est connu sous le nom d'interférence intersymbole" (ou encore "interférence longitudinale" ou "brouillage intersymbole"), phénomène qui peut être défini simplement comme le "débordement" d'un symbole sur le suivant. On notera que cette distorsion est intrinsèque au signal émis par la bobine, et apparaît donc sur le signal utile "pur", c'est-à-dire débarrassé de tous les parasites d'origine externe. En d'autres termes, l'améliora- tion du rapport signal/bruit dans la chaîne de réception et de traite- ment du signal est sans incidence sur ce type de distorsion qui, si elle atteint un niveau excessif, peut introduire des ambiguïtés pouvant aller jusqu'à des erreurs dans la transmission des symboles (le troisiè- me symbole de la séquence 38 de la figure 3 pouvant par exemple être interprété comme un symbole 34 et non comme un symbole 32). De plus, l'effet de filtrage passe-bas naturel du titane, intrinsèque au matériau, est d'autant plus accentué que la fréquence du signal est élevée. L'invention vise précisément à réduire ce phénomène avec pour conséquences principales (entre autres), d'une part, la réduction consi- dérable de l'interférence intersyrnbole et donc la diminution, voir la suppression, du risque d'ambiguïté lors du décodage des symboles. L'invention part du fait que, lorsqu'une induction magnétique est produite par une source enfermée dans un boitier conducteur, dans le domaine des fréquences cette induction se voit multipliée à l'extérieur du boitier par une fonction de transfert de la forme X(f) = f 1 +j- f c o fc est un paramètre dépendant de la géométrie et du matériau du boîtier métallique, et o j = N-1. Pour restituer, à partir de la composante utile du signal capté, un signal correspondant au signal non perturbé par le boîtier, on peut prévoir un élément dont la fonction de transfert xV(f), inverse de X(f), compensera cette dernière: f r(fi -- 1 + j- f0 Le dispositif de filtrage 26 de l'invention peut être constitué, com- me illustré sur la figure 4, d'un premier étage 40 de filtrage, formé d'un filtre passe-bande, suivi d'un étage 42 de compensation, de fonction de transfert V(f). L'étage de filtrage 40 (qui n'est pas en soi en tant que tel indispen- sable à la mise en oeuvre de l'invention, mais qui en améliore avanta- geusement l'efficacité) est un filtre passe-bande en lui-même classique, de préférence de type programmable à gabarit réglable par une com- mande appropriée en provenance du circuit de pilotage 28. Un tel cir- cuit programmable permet notamment de prendre en compte automati- quement des signaux utiles émis sur des fréquences porteuses différen- tes, par exemple pour permettre au programmateur de lire des données en provenance aussi bien d'implants classiques fonctionnant à des fré- quences de 8 à 16 kHz que d'implants de type nouveau fonctionnant à des fréquences plus élevées, ou encore des données en provenance d'im- plants de marques différentes. Le filtrage passe-bande est en tout état de cause souhaitable pour améliorer le rapport signal/bruit du signal traité en éliminant des com- posantes fréquentielles indésirables situées hors de la bande passante normale. Les fréquences de coupure basse et haute peuvent être par exemple de 90 kHz et 160 kHz respectivement, pour traiter un signal utile dont la fréquence porteuse est de 128 kHz (par exemple avec des implants de type nouveau à fréquence porteuse élevée) ou bien 4 kHz et 160 kHz respectivement, pour traiter un signal utile de fréquence porteuse al- lant de 8 kHz à 16 kHz, comme c'est le cas avec les implants typiques actuels. Le signal ainsi filtré par l'étage 40 est alors transmis à l'étage de compensation 42 appliquant la fonction de transfert (f(O permettant de restaurer le profil du train de symboles, en restituant la forme (ou à tout le moins une forme très proche) que celui-ci aurait s'il avait été émis par une bobine non enfermée dans un boîtier métallique. REVENDICATIONS 1. Un dispositif de filtrage (26), recevant en entrée un signal déli- vré par un circuit (16-24) de réception de signaux émis, sous forme d'une induction magnétique, par un appareil médical (10), cet appareil médical comprenant un boîtier métallique, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte un étage de compensation (42) possédant dans le domai- ne fréquentiel une fonction de transfert de la forme f 8,(f) = 1+j-, fc o fc est un paramètre choisi en fonction de la géométrie et du maté- riau du boîtier métallique de l'appareil médical (10), et o j = ±1. 1.5 2. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel l'appareil médical émet des messages formés de séquences de symboles élémentaires ap- partenant à un alphabet de n symboles (30-36), avec n > 2, l'étage de compensation étant alors un étage propre à réduire le taux d'interfé- rence intersymbole des signaux reçus qui lui sont appliqués. 3. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel il est prévu en ou- tre un étage passe-bande (40) dont les fréquences de coupure haute et basse sont choisies en fonction de la plage de fréquences des signaux émis par l'appareil implanté. 4. Le dispositif de la revendication 2, dans lequel la fréquence de coupure haute et/ou la fréquence de coupure basse sont des fréquences ajustables.