FR 2643561 A1 19900831 FR 8900227 A 19890106 1 2643561 STIMULATIONS NEURALES OU TISSULAIRES BIOLOGIQUES PAR FIBRES OPTIOUES EN SYSTEMES PROTHÉTIOUES DE RÉHABILITATION ET DE TRAITEMENT. Description générale Toute stimulation neurale ou de tissus biologique, par exemple, musculaires, cardiaque, nodohisien venant à être déficiente ou absente soit par lésions, soit par diminution de conduction, soit par insuffisance du système excitateur amont peut trouver dans la présente invention un appareillage prothétique de stimulation ou de conduction. Cet appareillage apporte à tout tissu biologique l'information et l'énergie utile à son 1 0 fonctionnement soit en assurant la liaison amont aval d'un tissu lésé ou peu fonctionnel dans une région située entre ces deux points (commande prothétique interne), soit en apportant une information d'une autre provenance (commande prothétique externe). Dans le cas o il s'agit de fibres neurosensorielles déficientes car comprimées ou sectionnées en partie ou en totalité, le système peut soit réaliser le transfert des stimulations 1 5 d'une section amont à une section aval, soit donner lieu aux stimulations neurales nécessaires pour éviter la dégénérescence des fibres nerveuses et des tissus situés en aval de la lésion. Le système avec son procédé assure les interfaces neuromusculaires, les interfaces sensorielles (auditives, olfactives, visuelles) les interfaces dans une neurorégulation, les interfaces agissant aux niveaux des centres somesthésiques et de la douleur, ainsi que les 2 0 stimulations glandulaires. Le procédé par son mécanisme est applicable dans la conduction nodohisienne et dans la stimulation tissulaire cardiaque. La présente invention (Fig. 1), présente la possibilité d'apporter au système neural l'information et l'énergie utiles à son fonctionnement et à son excitation. Cette énergie et cette information proviennent d'une ou plusieurs sources lumineuses (Fig.1,1) modulées (Fig.1l,2) 2 5 en fonction de la stimulation amont (Fig. 1,3). Le rayonnement émis est ensuite couplé à l'aide d'une optique (Fig.1,4) dans une ou plusieurs fibres optiques (Fig.1,5) qui en assurent le transport. Le couplage des fibres optiques avec le système nerveux aval (Fig.1,9) peut se faire de deux façons: soit l'extrémité de la fibre est nue ou protégée par un matériau biocompatible 2 2643561 transparent de forme adaptée et le couplage se fait via des effets photoniques (Fig.1l,6), par exemple photochirmiques ou thermiques pris séparément ou à la fois. - soit l'extrémité de la fibre est équipée d'un optogénérateur de courant (Fig.1,7) constit.a: par une cellule photovoltaïque réalisée sur un semiconducteur, Silicium, Arsénure de Gallium, Tellure de Cadmium-Mercure.... ou tout autre matériau approprié et d'un système d'électrodes (Fig.1,8) réalisées en matériau conducteur biocompatible (Platine, Titane....) et le couplage se fait via des effets électroniques. Ces aspects de photoexcitation, de thermoexcitation, d'électrostimulation peuvent intervenir soit isolément, soit associés dans une répartition spatiale extraneurale, périneurale ou 1 0 endoneurale, de même elle peut être extra, péri ou endotissulaire de manière plus générale. La stimulation amont, dont est fonction la modulation de la lumière peut provenir, soit fibres nerveuses coupées ou partiellement lésées dont l'activité est détectée au travers d'un système de capteurs et d'interface électronique, soit d'une source externe dont l'information est totalement ou partiellement correlée avec un système physique ou électrophysiologique d'excitation 1 5 naturel, ou de synthèse par micro- électronique ou micro-informatique. Ces systèmes physiques d'excitations peuvent être des ondes électromagnétiques, des ondes acoustiques, des ondes lumineuses, des ondes thermiques, des effluves stimulantes telles qu'olfactives, ou des gradients physico-chimiques. Oreille optoélectronique La présente invention sera présentée sous un de ses aspects en stimulations neurales intervenant en oreille artificielle "oreille optoélectronique", ce qui ne remet pas en cause le fait que la présente invention est applicable dans ses principes partiels ou globaux à d'autres réhabilitations. Dans le cas de l'oreille optoélectronique (Fig. 2), la stimulation externe est liée aux ondes 2 5 acoustiques (Fig.2,10) dans le domaine des fréquences auditives et autres si cela est nécessaire. L'information contenue dans l'onde acoustique est analysée spectralement, numériquement ou analogiquement en ses composantes fréquencielles soit par FFT, soit par filtres (Fig.2,11). Les paramètres résultants, intensité, fréquence, temps, barycentre des structures acoustiques (phonèmes et autres), aspects mélodies, voisement, etc... modulent (Fig.2, 2) une ou des 3 2643561 sources lumineuses (diodes électroluminescentes, diodes lasers ou autres sources (Fig.2,1) dont les temps de réponse et les intensités émises sont compatibles avec la dynamique des paramètres analysés. L'énergie lumineuse correspondante est véhiculée par fibres optiques (Fig.2,5) jusqu'aux récepteurs neurosensoriels en l'occurrence dans ce cas, l'organe de Corti (Fig.2,12), dont il est inutile de décrire les mécanismes neurosensoriels auditifs. Dans cet exemple d'excitation des fibres nerveuses auditives, les fibres optiques peuvent produire, soit une excitation extracochléaire mono ou multicanaux, soit intracochléaire mono ou multicanaux. Dans ce dernier cas, on constatera les avantages de cette invention par rapport aux systèmes existants. Ces avantages sont explicités par la suite. 1 O De cette invention résulte un nouveau type d'implants cochléaire pour l'exemple rapporté, cet exemple n'est pas limitatif, les autres procédés d'application explicités au début conservent toutes leurs potentialités innovantes. En ce qui concerne l'implant cochléaire, il existe actuellement un grand nombre de systèmes développés à partir d'un réseau de conducteurs en fil de platine iridiée recouvert de Téflon avec des électrodes au bout référencées principalement 1 5 dans les brevets Bertin, Chouard, McLeod, Weber, MIXM... Comme nous l'avons décrit notre système est tout à fait innovant par le fait que les fibres optiques (Fig.2,5) véhiculant l'information et l'énergie excitatrice sont totalement indépendantes entre elles. Il n'y a pas de couplage capacitifs interfils, (pas de couplage interfils par le milieu ionisé hydroconducteur o sont plongés ces fils, ou effets capacitifs de surfaces en regards). De plus l'utilisation d'une excitation des fibres nerveuses de type photonique, ou l'utilisation d'un photodétecteur couplé à une paires d'électrodes excitatrices permet d'éviter les problèmes liés à l'accumulation des charges que l'on rencontre dans les systèmes implantés actuellement. De plus notre système est de réalisation et de coût de revient très significativement inférieur aux systèmes existants. 2 5 Par ailleurs le système permet d'augmenter de manière importante le nombre d'électrodes implantées. La dimension des fibres optiques, 100 microns de diamètre ou inférieur, leurs revêtements en Téflon matière biocompatible, ou en Kevlar, en font un matériau implantologique idéal. L'augmentation de ce nombre d'électrodes implantées ou de fibres implantées permet une meilleure couverture et une meilleure disposition spatiale des implants en relation avec les terminaisons spécifiques le long de la rampe tympanique si celle-ci est utilisée comme voie d'accès. La présente invention, en utilisant les fibres optiques exploitées en parallèles, avec leurs terminaisons optogénératrices de courants ou ses autres potentialités, perme: comme on le verra dans les descriptifs correspondants, d'utiliser une plus grande et meilleure surface de contact entre le milieu hydroconducteur endolymphatique ou extracellulaire des fibres nerveuses. Le système présente, comme on le verra en description, une configuration morphologique présentant des reliefs de gardé périélectrodes ou périfibres en matière isolante comme par exemple le silicone médical biocompatible permettant d'éviter le contact direct de l'électrode ou 1 0 de la zone active de stimulation avec les terminaisons nerveuses, qui dans le cas d'électrodes métalliques ou de matériaux conducteurs peut altérer ces terminaisons, les liquides ionisés assurent la conduction. Ces systèmes de garde peuvent être de formes toroldales, semi toroidales, cylindriques, semi cylindriques, annulaires, spiculées ou autres formes. Dans chacun des cas, ces formes peuvent être présentes dans leur totalité ou en partie, voire 1 5 supprimées. Au contact métal des terminaisons nerveuses, des interactions peuvent apparaître avec altération de l'ensemble. Les systèmes de gardes en matériaux biocompatibles assurent une meilleure isolation des sections de liquides endolymphatiques en regard des terminaisons nerveuses. 2 0 Dans le cas o la terminaison de la fibre optique et du coupleur optogénérateur de courant ou d'énergie se fait sur des électrodes en platines iridiées ou autres matériaux conducteurs, Titane par exemple, le système et le procédé d'innovation font que l'on peut avoir pour électrode une importante charge massique en platine iridiée avec des surfaces d'électrodes plus significativement importantes que dans les systèmes existants, ce qui augmente le potentiel 2 5 d'activité de stimulation de l'électrode et la durée de vie de celle-ci qui est, comme nous le savons, appelée à une dissolution fonction du courant d'excitation utilisé et du milieu. Couplage avec l'extérieur Le couplage avec le milieu extérieur peut être classiquement fait à partir de couplage mutuel électromagnétique (Fig.2, 13i ou parfois très simplement par aboutissement des fibres à l'extérieur, dans ce cas l'origine des fibres est groupée en un faisceau, celui-ci est inséré dans une terminaison annulaire (Fig.3), cylindrique taraudée ou non, ou autre. en Titane afin d'aboutir à l'extérieur soit par le conduit auditif externe, soit dans la région mastoidienne au travers de ce tunnel en Titane (Fig.3,14) dont l'ostéo-intégration ou l'insertion musculaire est banale. Le même procédé est applicable à d'autres tissus biologiques. Cette approche permet l'accès à chacune de ces fibres et une meilleure adaptation des différentes fibres implantées à la pathologie considérée. L'optimisation de l'action de ces éléments se fait par des procédures externes autorisant des moyens plus importants que dans le cas de systèmes électroniques implantés sous cutanés et intégrés dans la région osseuse 1 0 mastoidienne ou autre. Dans un second temps après optimisation il est possible de passer en structure totalement implantée dont le descriptif, dans le cas de l'oreille optoélectronique, correspond à celui présenté Fig.2. Description du porte électrodes 1 5 Une oreille optoélectronique, comme toutes les autres prothèses envisageables avec ce procédé est donc composée de n fibres, chacune étant associée à ses éléments d'extrémité. En vue de transmettre correctement l'excitation au système nerveux ou musculaire aval, la répartition spatiale des extrémités des n fibres et des électrodes éventuellement associées, est primordiale. Cette répartition est assurée par un porte électrode que nous allons maintenant 2 0 décrire. Dans ce porte électrode (Fig.4 et Fig.8), la répartition des électrodes présente une identité suivant une génératrice dans le cas d'un modèle cylindrique ou tronc conique ou hélicoïdal, (Fig.4). Une configuration spatiale donnée en Fig 4 à 7 montre comment est assurée la liaison 2 5 fibre optique (Fig.4,5) optogénérateur et électrode en matériau conducteur biocompatible, Platine iridiée ou Titane (par exemple) (Fig.4 et 5,AB,C... et Fig. 8,T). Les électrodes en matériau ci-dessus cité, sous forme de disques percés (Fig. 4 et 7) suivant une répartition de trous concentriques de diamètre correspondant à la terminaison de la fibre optique permettent de recevoir ces terminaisons suivant un ordre donné, permettant 6 2643561 d'optimiser le remplissage de la cavité (rampe tympanique par exemple) de fibres optiques. On a en Fig (7,E) un schéma de ce type de remplissage. Le diamètre de ces disques peut être constant ou décroissant depuis la base jusqu'au sommet, les disques les plus profonds étant de diamètre de plus en plus petit, permettant une pénétration intracochléaire plus aisée. La répartition des fibres sur ces disques (Fig.7), se fait de manière que la première fibre, la plus éloignée, est associée à un trou de position P. se trouvant le long de la circonférence du disque (Fig. 7,A). On peut envisager d'avoir une ou deux fibres ou plusieurs fibres sur un même disque, si n est ce nombre, le positionnement des fibres sur le disque n 2 se fait décalé de n trous (Fig. 7,B,C,D) et ainsi de suite pour les autres disques. 1 0 Les dimensions respectives des différents diamètres vont réaliser un système conique donnant une meilleure flexibilité au porte électrode décrit. Ces disques conducteurs, au nombre de 2 par fibres quand on travaille en bipolaire ou éventuellement 2 portions du même disque isolées électriquement, sont séparés par une surface o un disque très fin, en matière isolante biocompatible obtenue, par exemple, par moulage ou 1 5 tout autre dépôt (Fig. 6). Ces surfaces isolantes débordent des disques électrode pour constituer des anneaux ou systèmes de gardes (Fig.4,I) et (Fig.5,J) évitant le contact direct entre l'électrode et le système nerveux comme cela a été décrit précédemment. Chaque électrode (Fig.4 et 5, A,B,C,D) est donc prise en sandwich entre deux éléments isolants (Fig.4 et 5,I,J). 2 0 Deux électrodes seront séparées par un espace libre (Fig.4 et 5) ou partiellement rempli de matériau isolant, de consistance très molle, rendant le système flexible, compressible, extensible à la manière d'un accordéon (Fig.5 et 6,K). Un exemple de structure de cet espace est réalisé par moulage suivant les moules donnés en Fig.6,L,M,N etc... il pourra être protégé de différente manière tel que par exemple le contre moulage est donné en Fig (6,K) représentant ce 2 5 qui est relatif à ce qui est décrit par la figure 6,K o lon a de manière croissante avec la position des disques une injection croissante et un espace croissant d'injection de matière isolante biocompatible depuis la fibre associée au disque le plus petit jusqu'au disque le plus grand, assurant par ailleurs une zone d'étanchéité des jonctions de la fibre ou des différentes fibres, (Fig.4,K) et (Fig.6,K). Les éléments de moulage correspondants à L,M,N de la figure 6 donnent lieux aux espaces V des figures 4 et 5. Cet exemple que l'on a donné pour l'excitation endocochléaire dont la forme est bien particulière, est directement appliqué à l'excitation neurale ou tissulaire quelconque de géométrie plane ou de surface gauche quelconque. Dans ce cas les Fig.8 et 9, montrent un exemple de structuration des positions d'électrodes permettant une excitation de type damier (Fig.8), les fibres optiques avec leurs terminaisons et les générateurs photovoltaïques sont représentées en Fig (8,A,B,C,D...) les électrodes en Platines Titanes ou autres matériaux conducteurs biocompatibles (Fig.8,T). Chacune de ces électrodes est constituée par 2 éléments (Fig.8,A) séparés par un isolant (Fig.8,E), celui-ci isole les pôles électriques de l'optogénérateur 1 0 (Fig.8,G). Constitué lui-même de pôle positif et négatif isolés électriquement, d'autres aspects d'excitations sont à considérer, elles relèvent de l'application ou de l'implantation directe des fibres dans le tissu biologique avec une répartition qui est fonction des stimulations nécessaires au tissu Fig (8, U). La figure 10 montre comme pour l'exemple d'utilisation endocochléaire, une répartition spatiale des fibres. REVENDICATIONS 1) Le dispositif comprend un système de détection et de codage de l'information amont, caractérisé en ce qu'il est relié à une ou plusieurs sources lumineuses (laser ou autre), modulées par l'information codée. Ces sources sont couplées à des fibres optiques, qui transportent l'information jusqu'à la cible biologique à exciter. A l'autre extrémité ces fibres sont terminées soit par une optique qui oriente le flux lumineux sur la cible biologique, soit par une cellule photovoltaïque reliée ou non à des électrodes biocompatibles assurant la conversion lumière courant. Ce système permet de soumettre les tissus biologiques à stimuler (Tissus neurologique 1 0 cardiaque, musculaire, somesthésique, sensoriel et glandulaire) à une excitation de nature thermique, électrique, photofonique ou photochimique. 2/ Ce dispositif, selon la revendication 1, est caractérisé en ce qu'il comporte une ou plusieurs sources d'excitations lumineuses lasers ou autres modulées par les variations électromagnétiques, électriques, acoustiques, lumineuses, thermiques, gradient physico- 1 5 chimiques, effluves gazeuses, simulant les nécessités de fonctionnement du tissu biologique. 3/ Ce dispositif selon les revendication 1 et 2 est caractérisé, en ce qu'il comprend une ou un faisceau de fibres optiques recouvertes de matériaux biocompatibles pour transférer l'information et l'énergie nécessaire au système neural ou aux tissus biologiques. 4/ Ce dispositif selon les revendications 1,2,3 est caractérisé en ce que la ou les fibres 2 0 peuvent présenter une extrémité nue ou protégée par un matériau biocompatible transparent. Le couplage avec le tissu aval fera alors appel à des effets photoniques: photoIonique, photochimiques ou thermiques. / Ce dispositif selon les revendications 1,2,3 est caractérisé en ce que les fibres peuvent être terminées par un optogénérateur assurant la conversion lumièrecourant de l'énergie et de 2 l'information qui sont alors couplées au tissu aval au moyen d'électrodes. 6/ Ce dispositif, selon les revendications 1,2,3,5 est caractérisé en ce qu'il comporte, associées aux structures voltaïques, des électrodes en matériaux conducteurs et biocompatibles tels que platine iridium ou titane inclus dans des éléments séparateurs en matériaux isolants biocompatibles pour transférer l'énergie électrique de ces structures et l'excitation aux tissus 9 2643561 biologiques. 7/ Ce dispositif, selon les revendications 1,2,3,4,5,6, est caractérisé en ce qu'il comporte des reliefs en matériaux isolants biocompatibles périélectrodes ou périfibres pour adapter le contact de ces fibres et de ces électrodes aux nécessités physiologiques du tissus biologiques. 8/ Ce dispositif, selon les revendications I à 7, est caractérisé en ce qu'il comprend une configuration spatiale des électrodes permettant d'optimiser le positionnement des fibres et leurs nombres par un décalage approprié et décrit. 9/ Ce dispositif, selon les revendications 1 à 8 est caractérisé en ce qu'il comprend entre les terminaisons du réseau, électrodes ou fibres, des espaces libres, ou partiellement remplis de 1 0 matériaux non conducteurs de consistances très molles rendant le système très flexible, compressible, extensible. 1O/ Ce dispositif, selon les revendications 1 à 9 est caractérisé par son utilisation, en système prothétique de traitements ou de réhabilitation des tissus biologiques. 11/ Ce dispositif, selon la revendication 1, est utilisé en système prothétique de 1 5 réhabilitation, de traitement, de stimulation ou de compensation de conduction biologique.