Brevet FR3083123A1 — publié le 20200103

PROCEDE ET SYSTEME DE STIMULATION ELECTRIQUE NEURO-MUSCULAIRE Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine de la 5 stimulation électrique neuro-musculaire consistant à provoquer le déclenchement de la contraction musculaire par des impulsions électriques. Les impulsions sont générées par un appareil et transmises par des électrodes placées sur la peau à proximité directe des muscles à stimuler. Les impulsions imitent le 10 potentiel d'action provenant du système nerveux central, provoquant une rétroaction biologique («biofeedback») sensitive musculaire, notamment une contraction des muscles. La stimulation électrique neuro-musculaire est 15 généralement utilisée comme intervention thérapeutique pour le renforcement musculaire. Elle peut être utilisée pour augmenter la force d'un muscle lésé ou sain. Elle est généralement utilisée sur les muscles superficiels des bras, de la ceinture scapulaire, périnéale ou abdominale, des jambes et du bas du dos. Une lésion 20 isolée avec des réductions spécifiques de la force musculaire, telles que la faiblesse du quadriceps ou des paradorsaux lombaires ou des muscles pelviens est la dégradation la plus habituelle traitée par NMS («neuromuscular electrical stimulation») pour permettre la contraction des muscles 25 paralysés suite à une lésion du système nerveux central, d'origine médullaire pouvant provoquer une paraplégie, ou d'origine cérébrale (accident vasculaire cérébral AVC) pouvant provoquer une hémiplégie ou encore originaire d'autres troubles neuromoteurs. Elle est également utilisée dans le domaine du 30 sport pour l'entraînement des muscles et leur récupération après l'effort. Les fibres nerveuses sont activées ou excitées par un faible courant appliqué par des électrodes positionnées sur 2 la peau au-dessus du nerf lorsqu'il est superficiel. Les courants sont des chocs électriques uniques, très brefs (de quelques centaines de microsecondes) et d'une intensité de quelques millièmes d'ampère. Il est ainsi créé artificiellement un influx 5 nerveux, qui est un courant électrique propagé jusqu'au muscle. La neurostimulation est parfois associée à l'électromyographie (EMG) consistant à enregistrer les potentiels électriques émis par un muscle lors de sa contraction volontaire. L'EMG de surface donne accès aux muscles 10 superficiels. Lors d'une contraction faible, on observe quelques potentiels d'unités motrices battant à basse fréquence. Lors d'une contraction plus forte, on observe un phénomène de recrutement temporel et spatial. L'amplitude de l'EMG est proportionnelle à la force de contraction délivrée par le muscle. 15 Les appareils utilisant l'EMG pour contrôler une stimulation électrique d'un muscle donné, nécessitent de placer sur ledit muscle soit cinq électrodes différentes et spécifiques, dont deux électrodes pour la stimulation électrique et trois électrodes pour l'EMG, soit une combinaison d'au moins 20 trois électrodes, dont deux électrodes actives pour la stimulation et pour la mesure EMG et une électrode de référence mise à la masse et à la terre. Les électrodes utilisées dans ce type d'appareil doivent fournir une répartition électrique uniforme sur la peau 25 d'une personne sous la surface entière de l'électrode, autrement dit une densité de courant constante par unité de surface de l'électrode pour assurer un couplage correct. En raison des courbes naturelles propres au corps humain, il est évident que les électrodes doivent non seulement être souples pour adhérer 30 parfaitement aux contours de la peau sous l'électrode, mais également pour s'accommoder aux mouvements relatifs de la peau de la personne. 3 Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique la demande de brevet internationale W02016171161décrivant un exemple connu de dispositif de stimulation électrique musculaire délivrant une stimulation électrique à un muscle. La stimulation électrique comprend la répétition alternée d'une première période d'émission dans laquelle une cinquième onde de salve (20 Hz) est émise, laquelle sert à titre de premier signal électrique provoquant la tétanie incomplète et/ou la tétanie complète du 10 muscle, et d'une seconde période d'émission dans laquelle une seconde onde de salve (4 Hz) est émise, laquelle sert à titre de second signal électrique provoquant la contraction du muscle. On connaît aussi la demande de brevet EP3261709 décrivant un autre exemple de dispositif de stimulation 15 électrique fonctionnelle et de mesure d'électromyogramme comprenant : - au moins une paire d'électrodes actives destinées à être posées sur la peau d'un utilisateur; - au moins un module de stimulation apte à générer 20 des impulsions électriques; - au moins un module de mesure apte à recevoir des impulsions électriques; - une unité de contrôle et de traitement relié électriquement auxdits modules de stimulation et de mesure, 25 ladite unité de contrôle et de traitement étant apte à contrôler les impulsions électriques générées par ledit module de stimulation et à traiter les impulsions électriques reçues par ledit module de mesure et une station de commutation reliée électriquement auxdits modules de stimulation et de mesure, à 30 ladite unité de contrôle et de traitement et à ladite paire d'électrodes actives. La station de commutation commande la connexion de la paire d'électrodes actives avec, soit, le module de stimulation, dans le cas où la paire d'électrodes actives doit 4 être utilisée pour stimuler un muscle de l'utilisateur, soit, le module de mesure, dans le cas où la paire d'électrodes actives doit être utilisée pour mesurer la réaction du muscle, ladite station de commutation étant apte à momentanément mettre en court 5 circuit et à la masse ladite paire d'électrodes actives pour éliminer toute tension résiduelle au niveau desdites électrodes actives. On connaît encore par le brevet français FR2793946 un dispositif pour le déclenchement automatique des impulsions électriques par un électro-neuro-stimulateur destiné à être monté au niveau de l'embout d'exsufflation intra-buccal porté par un utilisateur. Le signal électrique de commande de l'électro-neuro-stimulateur est activé par un embout sonore sous l'action du souffle provenant de l'exsufflation, propre à induire le déclenchement des impulsions de l'électro-neurostimulateur. Inconvénients de l'art antérieur Pour des séances de rééducations, par exemple il est nécessaire de déclencher une séquence de stimulation électrique impulsionnelle de manière synchrone avec le rythme respiratoire, par exemple pour des exercices d'électro-neuro-stimulation abdominale ou périnéale concomitante, par délivrance d'impulsions électriques au niveau des muscles abdominaux ou de la musculature périnéale, générant un effet tétanisant trophique polyvalent tant sur l'abdomen pour une musculation abdominale, que sur le périnée pour une rééducation périnéale. La solution décrite dans le brevet FR2793946 prévoit le déclenchement de la séquence de stimulation électrique par le signal sonore produit par un embout buccal au moment de l'expiration. Cette solution est peu précise et prend en compte une information indirecte : le fait d'expiration n'est pas toujours liée à l'excitation musculaire. 5 Solution apportée par l'invention Afin de remédier à cet inconvénient, l'invention concerne selon son acception la plus générale un procédé de stimulation musculaire consistant à appliquer par 5 l'intermédiaire d'électrodes cutanées des séquences d'impulsions caractérisé en ce que le déclenchement d'une séquence d'impulsions est commandé par la détection d'un signal physiologique d'un sujet par rétroaction biologique, la fréquence des impulsions étant comprise entre 0,5 Hz et 200 Hz. 10 Les stimulations sont soit de type électrique et appliquées par des électrodes formées par des éléments conducteurs de courant électrique, soit de type mécanique, sous la forme de stimulation vibratoire transcutanée de 30 à 100 H appliquées par des électrodes constituées dans ce cas par des 15 transducteurs, par exemple des transducteurs piézoélectriques. Le terme d'électrode recouvre, au sens du présent brevet, les deux types d'applicateurs, à savoir un conducteur électrique ou un transducteur vibratoire électromécanique. Selon des variantes indépendantes ou combinées entre 20 elles : - ledit signal physiologique est détecté par une deuxième série d'électrodes cutanées différente d'une première série d'électrodes pour l'application de ladite séquences d'impulsions. 25 - ledit signal physiologique est détecté par la série d'électrodes cutanées utilisée pour l'application de ladite séquence d'impulsions, le procédé comportant une étape pour extraire du signal de mesure les informations corrélées à ladite séquence d'impulsions. 30 - le déclenchement et le maintien d'une séquence d'impulsions est commandé par la détection d'une activité musculaire en réponse d'une action du patient, en l'absence de stimulation, par des électrodes cutanées détectant un signal 6 électromyographique de surface, la fréquence des impulsions étant comprise entre 0,5 Hz et 200 Hz. - le procédé commande l'enregistrement de l'activité musculaire simultanément au passage de la stimulation. 5 - ladite détection d'une activité musculaire correspond à la contraction d'un premier groupe musculaire et en ce que ladite séquence d'impulsions est appliquée à un deuxième groupe musculaire. - ladite détection d'une activité musculaire 10 correspond à la contraction d'un premier groupe musculaire et en ce que ladite séquence d'impulsions et d'enregistrement de l'activité musculaire est appliquée à un deuxième groupe musculaire. - il comporte une étape de déclenchement d'une 15 séquence d'impulsions commandée par la détection d'une activité musculaire involontaire en l'absence de stimulation et en l'absence d'action du patient, par des électrodes cutanées détectant un signal électromyographique de surface, la fréquence des impulsions étant inférieure à 10 Hz. 20 - l'énergie des impulsions est fonction des caractéristiques des signaux électromyographiques détectés. - les impulsions électriques sont régulées en tension et en courant en fonction des caractéristiques des signaux électromyographiques détectés. 25 comporte l'acquisition d'un signal d'électromyographique et un traitement pour annuler dans le signal électrocardiogramme la composante correspondant audit signal d'électromyographique. - il comporte en outre la génération d'un signal 30 sonore fonction du signal électromyographique détecté. - il comporte en outre la commande d'une source lumineuse au moment de la stimulation. L'invention concerne également un système de 35 stimulation musculaire pour la mise en oeuvre du procédé selon 7 l'invention qui précède caractérisé en ce qu'il comporte au moins une électrode de stimulation et deux électrodes de détection et un calculateur commandant la génération d'une séquence impulsionnelle de stimulation avec une fréquence comprise entre 5 0,5 Hz et 200 Hz, après la détection d'une activité musculaire en l'absence d'une stimulation. Selon des variantes indépendantes ou combinées entre elles : - Le système comporte en outre un capteur inertiel multidirectionnel solidaire d'une électrode cutanée. - il comporte une pluralité de sorties délivrant le même signal EMG, pour le raccordement d'une pluralité d'électrodes pour rééduquer simultanément plusieurs ensembles musculaires. - il comporte des moyens de communication radiofréquence pour la transmission des informations de stimulation et de détection des signaux physiologiques à un équipement distant. - il comporte des moyens de stimulation vibratoire transcutanée de 30 à 100 Hz. Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif 30 de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où : - la figure 1 représente une vue schématique d'un système pour la mise en oeuvre de l'invention - la figure 2 représente une vue du schéma de principe d'un générateur pour un équipement selon l'invention. 10 15 20 25 8 Cadre général de l'invention L'invention concerne de façon générale un procédé et un système de stimulation musculaire ou nerveuse par l'application par l'intermédiaire d'électrodes cutanées de 5 séquences d'impulsions électriques. Le but de l'électrostimulation musculaire (ESM) est de créer des contractions musculaires par une stimulation externe, afin notamment de rééduquer des défaillances du 10 contrôle par le système nerveux central et périphérique d'un patient. L'électrostimulation musculaire envoie des impulsions électriques externes qui agissent au travers de la peau. Dans les deux cas, le muscle réagit et se contracte. L'invention s'applique aussi à l'électrostimulation du nerf vague. 15 Les principaux avantages de l'utilisation de l'électrostimulation sont les suivants : . Pendant l'électrostimulation, toutes les fibres musculaires travaillent simultanément, ce qui en fait une forme 20 d'entraînement et de rééducation très efficace - le groupe musculaire ou nerveux à traiter peut être déterminé sélectivement par l'apposition des électrodes cutanées. L'invention concerne plus particulièrement 25 l'utilisation de l'électrostimulation pour la rééducation, pour la récupération de la pleine maîtrise du contrôle musculaire. Pour cela, le déclenchement de l'électrostimulation doit être corrélé avec une initiative volontaire du patient. Dans l'art antérieur, il a été proposé de prendre en 30 compte indirectement une telle initiative volontaire en incitant le patient à souffler dans un sifflet. Cette action induit l'activation de certains muscles à rééduquer, et se traduit aussi par l'émission synchrone d'un son qui sert de facteur déclenchant de la séquence de stimulation. 9 L'invention consiste à détecter non pas un tel son indirectement corrélé à la volonté du patient, mais un signal physiologique par un ou plusieurs capteurs bioélectriques cutanés. Ces signaux sont notamment : 5 - Des signaux d'électrocardiogramme (ECG) qui mesurent l'activité cardiaque - Des signaux d'électromyogramme (EMG) qui mesurent la tension des muscles - Des signaux d'électroencéphalogramme (EEG) qui mesurent les 10 signaux électriques résultant de l'activité des neurones du cerveau, soit au niveau du scalp, soit par le biais d'électrodes implantées directement dans le cerveau - Des signaux de magnétoencéphalographie (MEG) qui mesurent les signaux magnétiques résultant de l'activité cérébrale 15 - Des signaux électrodermaux correspondant à la conductivité de la peau. L'invention consiste à positionner sur le patient des capteurs cutanés permettant la détection des signaux physiologiques choisis, à traiter le signal électrique détecté 20 et à commander le déclenchement d'une séquence d'impulsions en fonction du résultat de ce traitement, par exemple par le dépassement d'un seuil. La séquence des signaux d'électro-simulation présente une fréquence des impulsions comprise entre 0,5 Hz et 25 200 Hz. Si le signal physiologique est un signal ECG, le niveau électrique est de l'ordre du millivolt. Le traitement du signal comprend une amplification, un filtrage et un 30 échantillonnage, par exemple à une fréquence d'échantillonnage comprise entre 5 et 15 kHz. Un filtrage numérique permet d'éliminer les signaux de hautes fréquences secondaires à l'activité musculaire autre que cardiaque et aux interférences des appareils électriques. Un 10 filtre basse fréquence permet de diminuer les ondulations de la ligne de base secondaire à la respiration. Dans le cas de la détection de signaux d'électromyographie de surface (EMG de surface), les électrodes 5 qui recueillent le signal sont placées directement sur la peau au regard du muscle à étudier. Cette détection consiste à enregistrer l'activité électrique des muscles et des nerfs. Description d'un exemple de système de stimulation 10 La figure 1 illustre l'utilisation d'un système de stimulation pour la mise en oeuvre de l'invention. Il comprend un boîtier (1) électronique comportant un circuit électronique de mesure et de pilotage des impulsions électriques appliquées par l'intermédiaire d'électrodes, ainsi 15 qu'un jeu d'électrodes. Ces électrodes comprennent : - un patch (2) présentant à sa surface deux électrodes de mesure (3, 4). Ces électrodes sont reliées à l'entrée de mesure du signal EMG, et sont placées sur la zone 20 des muscles expirateurs du patient - une paire d'électrodes de stimulation abdominale (5 ; 6) - une paire d'électrodes de stimulation pelvienne (7 ; 8) 25 - une électrode référentielle de masse (9). Le boîtier électronique (1) communique par ailleurs avec des équipements informatiques connectés, par exemple un ordinateur (10), une tablette (11) ou un téléphone cellulaire (12) pour recevoir les informations acquises et traitées par le 30 boîtier (1) et pour transmettre des paramètres de réglage. 11 Description du circuit électronique La figure 2 représente une vue schématique du circuit électronique. Il comprend une batterie (20) qui alimente un circuit 5 générateur et contrôleur de tension (21). Ce circuit (21) reçoit en entrée la mesure de la résistance transcutanée mesurée par les électrodes de mesure (3, 4) et produit une tension de commande Wats' tel que : V,0'1 = R3,4 x ',tir, X 1,2 10 Où - R3,4 désigne la résistance transcutanée mesurée par les électrodes de mesure (3, 4). Cette valeur est typiquement de l'ordre de 500 ohms - Isfim désigne le niveau de courant de stimulation 15 paramétré par le praticien. Cette tension alimente un circuit composé de 4 commutateurs électroniques, notamment de 4 thyristors (22 à 25) qui permet de commander le passage de la tension de stimulation soit dans un sens, lorsque les interrupteurs (23 et 25) sont 20 fermés, ou dans le sens inverse lorsque les interrupteurs (22 et 24) sont fermés. Ce pont de thyristors est relié à un circuit de délestage (26) contrôlant la tension Vdelest pour que Vtotal = Vstim Vdélest 25 Où Vstim désigne le niveau de tension absorbée par le patient à travers les électrodes au regard du courant qui est paramétré par le praticien. Cette tension dépend du comportement complexe de l'impédance des tissus de l'individu, le circuit global déleste 30 et limite la tension applicable pour éliminer les pics de tensions issus de cette relation complexe. L'élément complexe classique produira un pic initial qui redescendra vers la tension nominale. Ce pic est à la fois désagréable et peu maîtrisable, Ce montage le fait disparaitre ou le limite fortement. 12 Ce circuit de délestage (26) est relié à un contrôleur de courant (28) par l'intermédiaire d'un fusible (27). Ce contrôleur de courant (28) pilote une pente de 5 courant par rapport à la consigne, pour une évolution temporelle avec une première période d'augmentation du courant, puis de maintien à un plateau de courant, puis de baisse du courant jusqu'à REVENDICATIONS1 - Système de stimulation musculaire caractérisé en ce qu'il comporte au moins une électrode cutanée de stimulation et deux électrodes de détection et un calculateur commandant la génération d'une séquence impulsionnelle de stimulation avec une fréquence comprise entre 0,5 Hz et 200 Hz, après la détection d'une activité musculaire en l'absence d'une stimulation. 2 - Système de stimulation musculaire selon la 10 revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte en outre un capteur inertiel multidirectionnel solidaire d'une électrode cutanée. 3 - Système de stimulation musculaire selon la 15 revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de sorties délivrant le même signal EMG, pour le raccordement d'une pluralité d'électrodes pour rééduquer simultanément plusieurs ensembles musculaires. 20 4 - Système de stimulation musculaire selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de communication radiofréquence pour la transmission des informations de stimulation et de détection des signaux physiologiques à un équipement distant. 25 5 - Système de stimulation musculaire selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de stimulation vibratoire transcutanée de 30 à 100 Hz. 30 6 - Système de stimulation musculaire selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième série d'électrodes cutanées pour la détection dudit signal physiologique, différente d'une première série d'électrodes pour l'application de ladite séquences d'impulsions. 14 7 - Système de stimulation musculaire selon la revendication 1 caractérisé en ce ladite série d'électrodes cutanées est utilisée pour la détection dudit signal 5 physiologique et pour l'application de ladite séquence d'impulsions, ledit système mettant en oeuvre un procédé comportant une étape pour extraire du signal de mesure les informations corrélées à ladite séquence d'impulsions. 8 - Système de stimulation musculaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'énergie des impulsions est fonction des caractéristiques des signaux électromyographiques détectés. 9 - Système de stimulation musculaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que les impulsions électriques sont régulées en tension et en courant en fonction des caractéristiques des signaux électromyographiques détectés.20