Brevet FR2752935A1 — publié le 19980306

PROCEDE DE MESURE D'UN VOLUME CONDUCTEUR ET DISPOSITIF DE MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne un procédé de mesure d'un volume conducteur et un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé, ce volume étant placé dans un corps homogène conducteur, qui est lui-même placé dans un environnement de dimensions et de résistivité grandes par rapport à celles du volume à mesurer. Etat de la technique antérieure Dans la suite de la description on considérera, à titre d'exemple, un dispositif de mesure du rythme cardiaque par capteurs implantés. Un tel dispositif est utilisé pour la détection d'anomalies de rythme et le pilotage de stimulateurs dans un certain nombre de pathologies, ou pour tenir compte de l'état d'activité d'un patient. Les paramètres mesurés liés à l'activité cardiaque sont multiples ; on peut citer notamment la pression partielle de l'oxygène sanguin, la mesure mécanique de la contraction, la mesure du débit sanguin, la mesure directe de l'activité électrique (ECG) par électrodes, la mesure de la pression sanguine, la mesure par effet Doppler, la mesure de l'accélération, etc... Les publications ci-dessous, dont les références sont données en fin de description, décrivent différentes réalisations de l'art antérieur. La référence [1] décrit un système de monitoring de la quantité de mouvement ou de la vitesse des masses cardiaques par un senseur implanté, ce senseur étant fixé sur la paroi musculaire interne du coeur. Les senseurs utilisables sont des accéléromètres, par exemple piézo-électriques. La référence [2] présente un dispositif de stimulation incluant un capteur accélérométrique et une électrode. La référence [3] utilise des capteurs de déformations mécaniques à base de lignes de propagation dont l'impédance varie selon leur géométrie. La référence [4] décrit un système de mesure de vélocité à l'aide d'un cathéter comprenant au moins deux électrodes étagées. Ces électrodes forment une cellule galvanique polarisée sensible à la vitesse du flux sanguin. La référence [5] présente un système basé sur la mesure de pression partielle d'oxygène par électrodes. Les méthodes de mesure des variations de l'activité du rythme cardiaque de l'art antérieur n' utilisent pas l'information volumique globale relative à une cavité cardiaque. Cette grandeur constitue un marqueur du plus haut intérêt puisque, à chaque battement, le volume d'éjection peut varier de 20 à 60 %. De plus les troubles d'arythmie et certaines autres pathologies apparaissent directement liés à la surveillance de cette grandeur. La présente invention a pour objet un procédé de mesure d'un tel volume conducteur. Exposé de l'invention La présente invention concerne un procédé de -mesure d'au moins une dimension d'un volume conducteur, caractérisé en ce que l'on place un capteur de mesure à l'intérieur d'une cavité existant à l'intérieur d'un corps homogène conducteur ou non, cette cavité ayant des dimensions et une résistivité grandes par rapport respectivement aux dimensions et à la résistivité de volume à mesurer, le capteur ayant des caractéristiques qui varient en fonction du milieu immédiat qui l'environne. Le volume à mesurer peut être variable dans le temps. Le capteur de mesure peut comprendre, par exemple une self-inductance couplée par mutuelle inductance au milieu, qui est un milieu à pertes électromagnétiques. Dans un premier exemple de réalisation le procédé de l'invention est utilisé pour la mesure du volume d'un cavité cardiaque, qui est sujet à variations avec la révolution cardiaque. Avantageusement le capteur peut être disposé en bout de cathéter, qui peut être constitué d'une ligne de transmission coaxiale. Dans cet exemple de réalisation, le procédé de l'invention réalise la comparaison au cycle normal et l'écart par rapport à la norme permet de détecter en temps réel et in situ des dysfonctionnement plus ou moins graves. Dans un second exemple de réalisation, le procédé de l'invention est utilisé pour mesurer le diamètre d'une canalisation à géométrie cylindrique, qui peut être, par exemple un vaisseau sanguin. Le procédé de l'invention peut, alors, être couplé à une mesure de vitesse, pour permettre de mesurer le débit sanguin à l'intérieur de ce vaisseau, ce débit étant une grandeur essentielle pour l'évaluation des pathologies cardio-vasculaires. De manière plus générale, l'invention peut s'appliquer à toute mesure de volume ou de diamètre de canalisation, pourvu que le volume à mesurer ou la canalisation présente un contraste de résistivité avec le milieu environnant. L'invention concerne également un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé dans lequel le capteur de mesure comprend une self-inductance bobinée à spires jointives ou non, et une électronique de lecture comprenant successivement - un coupleur 3dB recevant l'entrée capteur - un amplificateur - un circuit de détection, un amplificateur étant relié à la fois à ce circuit et au coupleur - un filtre passe-bas - un circuit de mise en forme relié à une sortie signal. Brève description des dessins - La figure 1 illustre l'équivalent électrique d'un dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention ; - la figure 2 illustre l'effet équivalent du milieu - la figure 3 illustre un exemple de réalisation rudimentaire permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention ; - les figures 4A et 4B représentent un résultat de simulation - la figure 5 illustre une mesure de variation d'impédance --la figure 6 illustre une électronique associée au capteur de mesure de variation de volume. Exposé détaillé de modes de réalisation Le procédé de l'invention utilise un capteur dont les caractéristiques varient en fonction du volume immédiat qui l'environne, celui-ci pouvant être un milieu à pertes électromagnétiques. Le capteur est par exemple une self-inductance couplée par mutuelle au milieu. Si le volume est variable, à la fois le coefficient de couplage et les pertes du circuit secondaire constitué par le milieu sanguin, en l'occurrence, sont variables et directement liés aux variations de volume. La figure 1 représente l'équivalent électrique d'un tel dispositif avec L1 : L mesure L2 : L milieu R : pertes M : coefficient de couplage. Les pertes du milieu peuvent être ohmiques ou diélectriques. Dans une application à la mesure du volume d'une cavité cardiaque et aux fréquences que l'on considère à titre d'exemple (en dessous de 100 MHz typiquement), elles sont majoritairement ohmiques. La figure 2 représente l'effet de l'impédance du milieu, ramené sur le circuit primaire, de mesure, avec L1 : L mesure Rs : R série (mesure) Z : Z ramenée. Les équations des circuits couplés permettent de relier Z à L2 et à R par la formule suivante w2M2 R+L2s R représente les pertes intrinsèques de l'inductance de mesure. La figure 3 représente une réalisation rudimentaire permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention, l'inductance de mesure étant une selfinductance à géométrie cylindrique et le volume de mesure étant un cylindre conducteur. La self inductance de mesure 10 possède un diamètre d, une longueur 1, le milieu à pertes 11 de conductivité a occupe tout le volume limité par le cylindre de diamètre D et de longueur L. Les variations de volume du cylindre limitant le milieu conducteur agissent sur l'inductance L2, sur le terme R et sur la mutuelle M : elles entraînent donc un effet sur l'impédance ramenée en série avec l'inductance de mesure. Cet effet devient nul si le milieu extérieur est de même conductivité o. I1 est d'autant plus grand que le contraste de résistivité entre le cylindre de volume variable et le milieu extérieur est grand. La fréquence à laquelle l'impédance est mesurée est liée au domaine d'influence de la mesure (le diamètre D en l'occurrence) : plus la fréquence est élevée, plus le diamètre d'influence est faible. les figures 4A et 4B représentent un résultat de simulation réaliste pour lequel la fréquence de travail f (X=2xf) est de 1OMHz, les conductivités du cylindre variable de 0,7 S/m et du milieu extérieur de 0,1 S/m. -Les tracés représentent l'énergie magnétique en unités relatives pour deux cas géométriques : D = 6 et lOcm, L = 8 cm, d = 5 mm, 1 = 15 mm. Un milieu enveloppe de conductivité intermédiaire- a été considéré. Les dimensions et conductivités représentent grossièrement une cavité cardiaque remplie de sang, le muscle cardiaque et les poumons. Ces figures 4A et 4B représentent la variation d'énergie magnétique par simulation. L'énergie magnétique totale varie de 2,8 % entre les deux cas géométriques, ce qui correspond grossièrement aux variations auxquelles on peut s'attendre sur l'impédance ramenée. La figure 4A correspond à un coeur de 3 cm, avec les plages suivantes 15 : -9 à -8 16 : -10 à -9 : : -11 à -10 18 : -12 à -11 19 : -13 à -12 20 : -14 à -13 21 : -15 à 14 22 : -16 à -15. La figure 4B correspond à un coeur de 5 cm, les plages identiques à celles de la figure 4A portant les mêmes références. Dans un exemple de réalisation l'invention propose un procédé de mesure globale des variations de volume de la cavité cardiaque, en utilisant son influence électromagnétique sur une inductance placée dans la cavité. Ces variations modifient l'impédance apparente de l'inductance de mesure. Elles peuvent être mises en évidence par des moyens classiques de montage en pont ou de réflectométrie et recueillies à l'extrémité d'un câble d'impédance caractéristique constante, après adaptation. L'invention présente de nombreux avantages. Le paramètre mesuré est global. Il est purement géométrique et ne semble pas avoir fait l'objet d'utilisation particulière pour des applications en surveillance cardiaque implantée. Le capteur utilisé de préférence en bout de cathéter, le cathéter étant par exemple constitué d'une ligne de transmission coaxiale, est particulièrement simple et robuste (dans ce cas, la ligne est de longueur quelconque). Son influence avec le milieu est uniquement électromagnétique, donc sans contact. D'autre part, toute réaction d'enrobage physiologique ne perturbe que très peu la mesure puisqu'elle n'amène qu'à modifier légèrement les paramètres géométriques de la bobine. L'innocuité de la mesure est assurée : seulement une énergie très faible de couplage au milieu est utilisée (de l'ordre de 1 mW au maximum), à une fréquence de l'ordre de quelques Mhz. Dans le cas d'un milieu environnant conducteur le dispositif de mesure ainsi réalisé est autoblindé : en effet le milieu environnant conducteur atténue fortement la propagation à l'extérieur. Pour la même raison et par réciprocité, ce dispositif est très peu sensible aux perturbations électromagnétiques environnantes. On va à présent considérer un exemple de réalisation. Le capteur de mesure comprend une selfinductance cylindrique de longueur 10 mm et de diamètre 2 mm. Elle est bobinée à spires jointives avec du fil de cuivre de diamètre 0,1 mm. Pour ces paramètres, la valeur de l'inductance est de l'ordre de 1,3 H. Le circuit de la figure 5 donne une méthode de mesure des variations d'impédance dans laquelle le circuit résonnant est accordé par exemple à une fréquence voisine de 10 MHz par une capacité C1 de l'ordre de 100 pF.- Ce circuit est lui-même adapté à l'impédance caractéristique d'une ligne de transmission LT, usuellement 50 Q, par exemple par un condensateur série C2. La valeur de cette capacité dépend des pertes intrinsèques et par couplage, typiquement quelques dizaines de pF. En ce qui concerne l'électronique de lecture, on utilise avantageusement une méthode en pont, telle que celle représentée sur la figure 6. Cette électronique comprend successivement - un coupleur 3dB 25 recevant l'entrée capteur E - un amplificateur 27 ; - un circuit de détection 28, un amplificateur 26 étant relié à la fois à ce circuit 28 et au coupleur 25 ; - un filtre passe-bas 29 - un circuit de mise en forme 30 relié à une sortie signal S. Dans ce cas, le pont est un coupleur 3 dB dont la sortie est nulle quand la charge (le circuit prolongé par la ligne) est égale à 50 fl, et prend une valeur croissante avec la désadaptation. Le pont est excité à la fréquence de résonance du circuit accordé et adapté. Un amplificateur accentue le déséquilibre, et une détection d'enveloppe, ou cohérente (cas de la figure) permet d'extraire l'information de désadaptation qui, après filtrage et mise en forme, permet de remonter à l'information de variation du volume. Comme mentionné plus haut, dans une première application industrielle l'invention concerne l'évaluation des variations de volume de l'une des cavités cardiaques d'un patient au cours d'un cycle. Le volume d'une cavité cardiaque, ou ventricule, est sujet à variations avec la révolution cardiaque (systole et diastole) ; le volume d'éjection peut varier de 20 à 60 8 à chaque battement. les contrastes de résistivité entre la cavité cardiaque et le tissu musculaire (2,5) et entre la cavité cardiaque et le poumon (14) permettent d'utiliser la variation globale de liquide sanguin conducteur (0,7 mhos/m) comme marqueur en mesurant les pertes induites par mutuelle avec le capteur. La comparaison au cycle normal et l'écart par rapport à la norme permet de détecter en temps réel et in situ des dysfonctionnements plus ou moins graves. Cette détection permet l'action sur un organe de stimulation et éventuellement le déclenchement d'une défibrillation. Une seconde application concerne la mesure du diamètre d'une canalisation à géométrie cylindrique : si la longueur de la canalisation considérée est grande devant la distance d'influence du capteur, ce dernier est sensible à la moyenne du diamètre de la canalisation le long de sa distance d'influence. Dans le domaine de la santé, ce système est avantageusement utilisé pour la mesure du diamètre des vaisseaux sanguins. Couplé à une mesure de vitesse utilisant un principe différent, le dispositif de l'invention permet de mesurer le débit sanguin, grandeur essentielle pour l'évaluation des pathologies cardio-vasculaires. Dans une telle application les dimensions typiques sont évidemment différentes, de même éventuellement la fréquence de fonctionnement peut être avantageusement plus haute. La géométrie, qui permet de comprendre le fonctionnement de cette seconde application, s'obtient en considérant L comme infini dans la figure 3. On peut bien évidemment envisager des applications -de l'invention dans des domaines autres que celui de la santé. REFERENCES [1] EP-A-0 582 162 (SORIN BIOMEDICA) [2] EP-A-0 515 319 (SORIN BIOMEDICA) [3] -WO 95/15784 (PACESETTER AB) [4] WO 95/26677 (PACESETTER AB) [5] US-A-5 431 172 (PACESETTER AB) REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure d'au moins une dimension d'un volume conducteur, caractérisé en ce que l'on utilise un capteur de mesure (10) disposé à l'intérieur d'une cavité existant à l'intérieur d'un corps homogène conducteur ou non (11), cette cavité ayant des dimensions et une résistivité grandes par rapport respectivement aux dimensions et à la résistivité du volume à mesurer, le capteur ayant des caractéristiques qui varient en fonction du milieu immédiat qui l'environne. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le volume à mesurer est variable dans le temps. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour mesurer le diamètre d'une canalisation à géométrie cylindrique. 4. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur de mesure comprend une self-inductance bobinée à spires jointives ou non jointives, et en ce que l'électronique de lecture comprend successivement - un coupleur 3 dB (25) recevant l'entrée capteur (E) - un amplificateur (27) - un circuit de détection (28), un amplificateur (26) étant relié à la fois à ce circuit (28) et au coupleur (25); - un filtre passe-bas (29) i - un circuit de mise en forme (30) relié à une sortie signal (S). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la self-inductance est couplée par mutuelle inductance au milieu, qui est un milieu à pertes électromagnétiques. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le capteur est disposé en bout de cathéter. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le cathéter est constitué d'une ligne de transmission coaxiale. 8. Dispositif de mesure du volume d'une cavité cardiaque, qui est sujet à variations avec la révolution cardiaque, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de mesure (10) disposé à l'intérieur de cette cavité, cette cavité ayant des dimensions et une résistivité grandes par rapport respectivement aux dimensions et à la résistivité du volume à mesurer, le capteur ayant des caractéristiques qui varient en fonction du milieu immédiat qui l'environne. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le capteur de mesure comprend une self-inductance couplée par mutuelle inductance au milieu. 10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le capteur est disposé en bout de cathéter. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le cathéter est constitué d'une ligne de transmission coaxiales. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de comparaison à un cycle normal et des moyens de mesure de l'écart par rapport à la norme, ce qui permet de détecter en temps réel et in situ des dysfonctionnements. 13. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le capteur de mesure comprend une self-inductance bobinée à spires jointives ou non jointives, et en ce que l'électronique de lecture comprend successivement - un coupleur 3 dB (25) recevant l'entrée capteur (E) ; - un amplificateur (27) - un circuit de détection (128), un amplificateur (26) étant relié à la fois à ce circuit (28) et au coupleur (25) - un filtre passe-bas (29) - un circuit de mise en forme (30) relié à une sortie signal (S). 14. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 pour la mesure du diamètre d'un vaisseau sanguin. 15. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 couplé à une mesure de vitesse, pour mesurer le débit sanguin à l'intérieur d'un vaisseau sanguin.