Brevet FR2870975A3 — publié le 20051202

FR 2870975 A3 20051202 FR 0405909 A 20040601 Cette prèsente invention se rapporte à un simulateur cardiaque èlectronique programmable appelè le coeur artificiel VII construit à partir de mon modèle de cellule cardiaque appelé modèle pacemaker VI1. Balth Van Der Pol est le premier à proposer un simulateur cardiaque à tubes élec- troniques dans sa conférence donnée le 24 mai 1928 à paris invité par la société de f7Éance d èlectricitè et la societè de biologie.Le texte intégral de la conférence est publiè dans le journal Onde Electrique et intitulè,le battement du coeur considèrè comme un oscillateur à relaxation et un modèle èlectrique du c ur.De nos jours il y a eu des tentatives de simulateur cardiaque avec des équations décrivant les propriètès èlectriques et mécaniques du coeur.Il existe des appareils chirurgicaux appelès coeur artificiel comme le jarvick et monties.. Le coeur et les cellules cardiaques sont caractérisés par un mouvement pèriodique de contraction et relaxation.Les premiers à proposer un modèle èlectrique et mathèma- tique sont les anglais A.F.Hodgkin et Huxley avec leur prix nobel en 1962 Une cellule cardiaque qui se contracte tout seul ou oscillateur auto- entretenu est appelé cellule pacemaker.Une cellule cardiaque qui a besoin d être excité est appelée cellule non-pacemaker.Le premier modèle d oscillateur à relaxation est I èquation de Van Der Pol, qui est une equation du second degré avec un terme de perturbation. Mon modèle pacemaker VIl est un système d 'équations couplèes à 2 variables V et Il,et V(t) est la vibration du potentiel de membrane cellulaire et II la variable d excitation qui un courant du circuit du modèle électrique en figure 4.Pour avoir le modèle mathematique je traduis Ies lois de kirchoff du circuit. dV/dt=(a/C)V^3 +(b/C)V^2 +(do/C)V +dl/C -II /C dll/dt=VIL-(R/L)II +E/L L'élément de conductance non linéaire I=f(V)=aV^3+bV^2+doV+d1 est realisè en figure 2 avec des amplificateurs opérationnels en composants électroniques discrets.L'èlèment de base est l'amplificateur opérationnel de fonction multiplieur ( 23).J ai demontrè quelque part que la fréquence cardiaque du modèle pacemaker Vil est F=(l 2PI)Square (1-Rdo)/ LC. Le fonctionnement du coeur est caractèrisè par le départ d'un signal d'ex- citation au niveau du Sinus S à la figure.Le mouvement d'excitation se pro- page aux 2 oreillettes avec un retard à la droite et I'excitation arrive dans le canal de His avec un retard avant d'exciter les 2 Ventricules avec un retard droit.Le c ur fonctionne globalement comme un système non linéaire de telle manière que les différentes parties oreilletes, ventricules,pression cardiaque, P,frequence cardiaque F,respiration R et débit cardiaque D,D=FP,peuvent avoir des signaux électriques périodiques avec des fréquences différentes et des amplificateurs car osons le croire qu'avec mon simulateur cardiaque le phénomène d Hypertension,HTA,aurait signifier un signal pèriodique de gran-de amplitude pour la pression P.Et si ce phènomène de HTA s accompagne de complication respiratoire,ce serait un signal BF pour la respiration R avec une basse fréquence conformèment à la thèorie moderne de l'automatique non linéaire des Cypkin et Blaquière.Les paramètres cardiaque programmables du modèle pacemaker VIl sont a,b,do,d 1,E,R,L et C.0 est la capacitè de la membrane cellulaire.Dans la formule de la frèquence cardiaque si (1- Rdo) Ma deuxième version de cellule pacemaker VI1 est le Modèle Pacemaker VINAIK en figure 4,rendant compte de la participation des courants ioniques NA sodium et potassium IK.On a le choix entre VII et VINAIK.La dynamique du modèle pacemaker VINAIK est. dV/ dt=(a IC)V +(b/ C)V + (dol C)V + dl/ C _ ( Ina +Ik)/ C diva/ dt=V/ Lna (Rna/ Lna)Ina + Ena/ Lna dlk! dt= V/ Lk ( Rk/ Lk)Ik + Ek/ Lk Le design des cartes èlectroniques analogiques tirées des modèles pacemaker vii est dessinè sur la figurez La connexion en quadripole en serie de 2 modules VIl est donnèe en figure 5.Le shèma global du coeur artificiel VI1 est donné en figure 8.Les vibrations èlectriques cardiaques sont les signaux Vs(t) (43),Vag(t),Vad(t)( 42),Vhis(t) (45),Vvd(t)(48),et Vvg(t) (47).Les frèquences cardiaques droite et gauche sont Fd(t) Fg(t)(50).Les variables de perturbation sont la respiration R(t) (48),la pression aortique P(t) (50), et le dèbit cardiaque,Q=FP,Q(t) (47). II existe des cèllules de retard droite et gauche,sur le circuit de 1'oreillete gauche (38) et sur le circuit du ventricule droit (46) et au niveau du canal de His,This (45).Le Sinus S est reprèsentè par un module VI1 (43).Pour les 2 oreilletes je mets en serie un module VII (40) et un modèle Non VII à la place des cellules contractiles A (41).Pour les 2 ventricules je mets 2 modules VII (41) pacemakers suivis par 2 cellules Non Pacemaker VII pour les cellules contractiles du ventricule.Pour les cellules Non Pacemaker VII il faut régler la condition (1 Rdo) La dètection des frèquences cardiaques droite et gauche,Fd et Fg, correspondant aux cellules cardiaques Non VI1,contractibles, se fait avec le bloc de détection èchantillonnè (56) en figure 9.Son fonctionnement est tel que si on appèle V ces signaux vibratoires,V= Asin( wt +Phi) en entrée du bloc.Ce signal est dérivé (p4) dY ' AwCos(wt +Phi) et dephasè de PI, AwSin(wt +Phi) (54).Avec des amplificateurs opèrationnels multiplieurs pour élever au carrè( ) je forme ces signaux dV/dt=n AwSin(wt+Phi)=m et Z = n + m (56) Z =4(PI)F si F=w 2PI. Le signal Z arrive Al' entrée échantillon& du bloc détecteur de frèquence. J appèle Y la sortie du détecteur et il fonctionne tel que dY/ dt=Z Y. Aprè échantillonnage à l'èquilibre ona dY/ dt=O.Ce qui veut dire que la sortie donne la frèquence cardia-10 que F,Z=Y=F (58). J'adopte le principe que le système cardiovasculaire est controlè par le cerveau avec des signaux de référence adaptés à chaque homme Fc,Rc,et Pc (35).Une fois que les frèquences cardiaque gauche et droite sont calculèes par le dètecteur,Le simulateur cardiaque réajuste les courants mèdiateurs en boucle au niveau du Sinus. Ces cournts sont ImR,ImF et ImP (37). ImR=( Rc FI (p) Fd) F2(p) (49) ImP=( Pc F3(p) ) F4(p) (50) ImF=( FcF5(p) ) F6(p) (5I) Le système bouclé au niveau du module VI1 du Sinus S devient, dVs/dt=(a/C)Vs^3 + (b/C)Vs^2 + (do/C)Vs + d1IC II/C+ (ImR+ImF+ ImP)/C dI I s/dt= Vs/L-(R/L)I1 s + Es/L Im=ImR+ImF+ImP (37) Chaque module Vil a ses propres paramètres cardiaques,a,b,do,dl,E,R,L et C qui sont programmables. Les signaux de vibration électrique sont,Vs(t) ,Vod(t) ,Vog(t) ,Vhis(t), 25 VII vg(t) ,VII vd(t) ,Vvd(t),Vvg(t) ,Fg(t) ),Fd(t) ,R(t) ,P(t) , VIl od(t) ,VI1 og(t) ,ImR(t) ,ImP(t),ImF(t),et Q(t). Le paramètre de contrôle cardiaque du dèbit Q,Q(t) est aussi pris en compte par le simulateur cardiaque en figure 11.Le débit Q est &gal au produit de la frè- quence cardiaque F(ventricule gauche) multiplié par la pression aortique P,P(t). Le bloc de rèalisation des signaux électrocardiogrammes ECG,P,Q,R,S,et T est dessiné en figure 10.Pour rèaliser ceci il faut les signaux de vibration èlectrique Vod(t) Vog(t),Vvd(t) et Vvg(t) .L'onde P est caractérisée par 1' instant ou les 2 signaux Vod(t) et Vog(t) atteignent leur maximum avec un retard. Ces 2 signaux attaquent un dètecteur de maximum de tension qui délivre à cet instant un niveau haut qui vient exciter un bistable dont la sortie reste constante.Je faits passer-ces. 2 signaux dans une porte ET dont la sortie va attaquer un autre bistable qui dèlivre 1' onde P.L' onde S est I' instant ou la jonction AV est dépolarisée avant Ies 2 ventricules.Donc c est I instant ou les 2 signaux Vod(t) et Vog(t) sont tous les 2 au niveau O.Je fait passer ces 2 signaux dans une porte Nand qui attaque ensuite un monostable qui délivre 1' onde S,les 2 oreillettes ont fini de travailler. L'onde R est l'instant ou les 2 ventricules commencent à travailler avec un retard gauche pour les signaux Vvd(t) et Vvg(t).Ces signaux sont envoyès vers un dètecteur de maximum qui délivre un niveau haut pour les 2 signaux.Les sorties des 2 dètecteurs attaquent une porte ET suivie d un rnonostable.La sortie du monostable délivre l'onde R.L'onde S est l'instant ou les 2 ventricules ont fini de travailler mais pas totalement dèpolarisès et que aussi la jonction AV,le canal AV,et les 2 branches de His sont totalement dèpolarisès.Cet instant va etre caractèrisè par le signal Vhis(t) qui passe à O.Je fait passer Vhis(t) dans une porte Nand dont la sortie passe au niveau haut et ensuite un monostable délivre 1 'onde S.L'onde T est l'instant ou les 2 ventricules qui ont fini de travailler se relaxent et regagnent leur 6. position initiale ou volume initial..0 est donc l'instant ou les 2 signaux Vvd(t) et Vvg(t) atteignent Ies 95 % de la tension de dépolarisation qui est le niveau bas. Po'Zr c1a je fait passer ces 2 signaux dans 2 comparateurs qui èffectuent la dit;èrence Vvg(t)-Vrepo,et Vvd(t)-Vrepos.Quand la sortie de ces comparateurs S passe au niveau haut elle attaque ensuite un monostable qui délivre l'onde T Le simulateur cardiaque prend en compte le contrôle de débit sanguin Q(t) Q=Q(t)=PF.1a multiplication de la fréquence cardiaque F par la pression aortique P.Par exemple simulons cequi se passe en exercice d'effort ou stroke quand le footballeur veut accroître son débit sanguin au maximum au niveau du cerveau, 10 sans savoir comment le cerveau fait la gestion de tous ces controlesR,F,P et Q. Un contrôle sand doute ou Qn(t) supérieur à Qn-1(t) et le débit va en croissant. Je 1'appele rampe-contrôle Q(t)=Et t le temps.Sur la figure 11 je dessine le bloc de contrôle du débit sanguin Q.Une tension de référence E commande en boucle fèrmèe un bloc dèrivateur qui donne à sa sortie un signal de commande dit en rampe Q(t)=E t le temps.Un bloc Log(67) fait LogQ(t).Les signaux P(t) et F(t) sont envoyés au bloc Q-Contrôle.Deux Blocs font LogP(t) et LogF(t) ( 68),( 70).Mais on a la relation linéaire LogQ=LogP + LogF.Je pose LogP=X et LogF=Y.Ce qui donne I'équation d'une droite sur le plan Y X LogQ(t)=X +Y,ou bien La droite Y= - X + LogQ(t)fïgl2 de pente I.A 1 instant t le bloc Q- contrôle recoit les informations sur les conditions initiales Xo,Yo,élabore la rampe et la droite.Ce bloc calcule le point suivant avec l'accroissement -1,pente de la droite,dY/dX= - 1. X(t)= X + dX,Y(t)=Y + dY.Ce bloc délivre en fin les signaux de référence Pc=X(t) et Fc=Y(t). L'accroissement en fréquence est prioritaire dX.Je définis une quantité dépendant de l'athlète que j appéle Perf,Perf=dX.Et alors X=X+dX et pour Y la pression Y= - X +LogQ(t).Et des relations Y=LogPc(t) et X=LogFc(t) le Q-Contrôle dèlivre les signaux de rèfèrence Pc(t)=ExpY et Fc(t)=ExpX.0 est cette stratégie de contrôle du dèbit sanguin que j adopte qui consiste à augmenter la frèquence cardia-que en diminuant la pression et pour un temps d'effort individuel temporisè sur un temps donnè T par le bloc qui s'arrete après ce temps en ouvrant le circuit avec une trappe,en fin d'èffort. Sur la figure 14 je dèssine le design extèrieur du simulateur cardiaque avec 5 blocs de fonction de recherche d investigation qui sont: I)Le Bloc 1 qui offre 1' investigation du Modèle Pacemaker V11 en faisant varier les IO paramètres cardiaques avec des potentiomètres. 2)Le bloc 2 qui offre en investigation la stimulation èlectrique du modèle pacemaker VIl. 3)Le bloc 3 qui offre en investigation le cour artificiel VI1. 4)le bloc 4 qui offre en investigation le contrôle de débit sanguin. 5) Le bloc 5 qui offre en investigation La Rèentrance. Le simulateur cardiaque permet de simuler ces phènomènes cardiaques connus et non connus: 1)sinus rythme et troubles 2)dissociation SA 3)tachycardies Fs Fo Fs Fv 4)bradycardies Fs Fo Fs Fv 5)fibrillation auriculaire Fo Fs Fo Fv 6)flutter auriculaire 7)dissociation AV et blocks 8)tachycardie ventriculaire Fv Fs Fv Fo. 8; 9)troubles du canal de his avec le retard de his This programmable. 10)les phénomènes de rèentrance 11)il délivre les signaux électrocardiogrammes ECG,PQRST en histogramme. Les phénomènes de rèentrance sont dèssinès en figure.La rèentrance est un phènomène ou il existe un canal qui ramène par exemple le signal Vhis(t) au au niveau des oreillettes pour créer une tachycardie. Les cartes électroniques analogiques sont réalisées en composants discrets en Amplificateurs opèrationnels. Le coeur artificiel VII peut piloter dans les opérations chirurgicales cardiaques le coeur artificiel de Monties( 15) ou le Jarvick.Pour cela une phase d apprentissage adapte le signal électrocardiogramme ECG,PQRST, la respiration R et la pression du patient en figure.Cette adaptation est reussie si le coeur artificiel VII délivre le meme signal électrocardiogramme ECG,PQRST, la merne respiration R et la meme pression P. Cette adaptation fait que le coeur artificiel VIl rythme selon le fonctionnement du Coeur droit et gauche du patient. Le retard de his est reprèsentè par un bloc électronique à fonction de transfert F( p)= (l+Tlp)./( 1+Thisp). Le coeur artificiel VIl est connectè à un micro ordinateur PC en figure pour acquérir les signaux de vibration électrique du sinus,des 2 oreillettes,des 2 ventricules, du his,de la respiration,des fréquences cardiaques droite et gauche,de la prèssion du 20 aortique du sang et du débit sanguin en exercice.Le PC peut acquérir le signal électrocardiogramme ou bien le fabriquer et visualiser sur ècran. Le temps est alors bien different entre 2004 et la conférence donnée le 24 mai 1928 par Balth Van Der Pol invité pour prèsenter son simulateur cardiaque fait en tubes èlectroniques.Le texte intégral est publié dans 1 Onde Electrique 1928. REVENDICATIONS 1)Cette prèsente invention est caractèrisèe en ce qu elle comporte un dispositif èlectronique simulant le fonctionnement global du coeur avec un circuit coeur droit, un circuit coeur gâuche,un circuit pour la respiration et un circuit pour la pression aortique. 2)Les oscillateurs à relaxation des diffèrentes parties du coeur c'est à dire le sinus, les 2 oreillettes et les 2 ventricules sont remplacés par modèle de cellule cardiaque dit modèle pacemaker VII traduite en carte èlectronique à composants discrets en amplifi_ cateurs opèrationnels. Tandisque les cellules contractiles A et V sont remplacèes par des modèles non pacemaker VII. 3)Un dispositif électronique de simulation du contrôle du débit sanguin Q en exer- cice. 4)Un dispositif électronique simulant les phènomènes de rèentrance gauche et droite. 5)Un dispositif èlectronique qui dèlivre le signal électrocardiogramme ECG,PQRST. 15 en histogramme. 6)Le coeur artificiel VII peut piloter le coeur artificiel de Jarvick ou Monties en opèration chirurgicale cardiaque,adaptant le signal ECG,la respiration et la pression du patient,correspondant au règlage des paramètres cardiaques.Ce qui correspond au réglage du coeur droit et gauche. ,qui rythme le battement du coeur du patient. 20 7)Un dispositif électronique qui permet de détecter la fréquence cardiaque des signaux vibratoires. 8)Le coeur artificiel VI1 est connectable vers un micro ordinateur PC pour visualiser les signaux cardiaques.