EP4380675A1 - Dispositif de stimulation neurale intrinsèquement équilibrée - Google Patents

Dispositif de stimulation neurale intrinsèquement équilibrée

Info

Publication number
EP4380675A1
EP4380675A1 EP22762126.5A EP22762126A EP4380675A1 EP 4380675 A1 EP4380675 A1 EP 4380675A1 EP 22762126 A EP22762126 A EP 22762126A EP 4380675 A1 EP4380675 A1 EP 4380675A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
current
anode
stimulation
conveyor
output
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22762126.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
David Guiraud
David Andreu
Milan DEMARCQ
Guy Cathebras
Sami Ajram
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique INRIA
Universite de Montpellier
Neurinnov SAS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique INRIA
Universite de Montpellier
Neurinnov SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique INRIA, Universite de Montpellier, Neurinnov SAS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4380675A1 publication Critical patent/EP4380675A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/3605—Implantable neurostimulators for stimulating central or peripheral nerve system
    • A61N1/36125—Details of circuitry or electric components

Definitions

  • the present invention relates to a current diverter for a neural stimulation current splitter.
  • the invention also relates to a neural stimulation current distributor comprising such a current diverter, a medical device comprising such a current distributor, a neuro-stimulation system comprising such a medical device and a neuro-stimulation method.
  • the invention applies to the field of functional electrical stimulation.
  • Functional electrical stimulation is a technique intended to provoke, inhibit or modulate a nervous message.
  • neural electrodes such as stimulation electrodes applied around a nerve (gutter electrode, or "cuff” in English) or through the nerve (intra fascicular electrode of LIFE type, from English “Longitudinal Intrafascicular Electrode” or TIME, from the English “transverse intrafascicular multichannel electrode”), are used to circulate an electric current, in particular an electric impulse, through the nerve, thus causing the generation (depolarization) or the blocking (hyperpolarization ) axonal action potentials.
  • This method can be generalized without difficulty to the stimulation of any nervous tissue, whether cerebral or spinal for example.
  • This neural stimulation aims to activate all or part of the nerve by injecting anodic or cathodic currents at the level of the neural electrodes. More specifically, during a first phase of operation, called “stimulating", the injection of a current into the nerve, comparable to an injection of charges, through at least two electrodes, causes a displacement of ions causing the appearance of an action potential in the nerve.
  • a medical device for neurostimulation having a simplified configuration with two electrode contacts intended for stimulation, as well as a reference contact acting as a potential reference.
  • the current delivered during the stimulating phase is represented, by way of example, by a first pulse starting at a time ti, of amplitude A and duration n.
  • this second phase of operation implements active balancing, by the recovery of charges in the medium, according to a predetermined time profile.
  • This profile is such that the quantity of charges recovered, accumulated over the duration of the second phase, is of the opposite value to that injected during the stimulating phase.
  • the current generated during this second phase is represented by a second pulse starting at a time t2, of amplitude -B, and of duration 12.
  • the amplitudes A and B are equal, as are the durations n and 12. In this way, a quantity of charges injected total overall zero on all of the two phases is guaranteed, in theory.
  • document WO 200627473 A1 proposes a medical device comprising a current distributor intended to produce such currents. Nevertheless, such a medical device does not give complete satisfaction.
  • Such a current distributor is subject to mismatches of the anodic and cathodic currents.
  • Such errors come, among other things, from errors in routing the setpoint current to the cathodic and anode current sources, errors which are not strictly identical by construction.
  • the difference between the incoming current on the first stimulation contact and the outgoing current on the second stimulation contact is absorbed by the reference contact. This therefore implies, first, that the current is not delivered in accordance with an expected target current and that the spatial distribution of the current in the nerve is not that desired (current leakage towards the reference contact). Second, due to this error, the second opposite stimulation phase (post-stimulating phase, as previously described in connection with Figure 1) cannot lead to a balance of charges on the different contacts.
  • the current error between cathodic and anodic current sources is also related to the difference in stabilization dynamics of the currents, which can induce large relative errors at short pulse widths.
  • the second current pulse whose absolute setpoint amplitude is equal to that of the first pulse, will present the same fault and its real amplitude will be unknown and therefore potentially different from the opposite of the amplitude of the first slot. This situation also results in the impossibility of balancing the charges injected and recovered on the various contacts.
  • An object of the invention is therefore to propose a current diverter for a neural stimulation current distributor presenting a risk of damage to the nerves which is lower, while presenting a simple architecture.
  • the subject of the invention is a current diverter of the aforementioned type, comprising:
  • a current amplifier with floating output comprising, on the one hand, a primary input terminal and a primary output terminal, and, on the other hand, a secondary input terminal and a secondary output terminal, the current amplifier with floating output being configured to make circulate, between the secondary input terminal and the secondary output terminal, an intermediate current depending on a reference current circulating between the terminal of primary input and primary output terminal;
  • anode reference dipole comprising an anode current input connected to the positive power supply bus and an anode current output connected to the secondary input terminal of the current amplifier with floating output;
  • At least one cathode reference dipole comprising a cathode current input connected to the secondary output terminal of the current amplifier with floating output, and a cathode current output connected to the negative supply bus;
  • each stimulation bridge comprising:
  • an anode current source connected between the positive power supply bus and the stimulation port, and configured to copy, with a respective anode gain, the intermediate current crossing an anode reference dipole associated among F at least one anode reference dipole ;
  • a cathodic current source connected between the stimulation port and the negative power supply bus, and configured to copy, with a respective cathodic gain, the intermediate current passing through an associated cathodic reference dipole among F at least one cathodic reference dipole .
  • a stimulation current splitter simplifies the design of an implantable stimulation device incorporating the current splitter, insofar as the integration of circuits intended to compensate, for each stimulation channel, of possible delays is not to be expected. It follows that the compactness of such a stimulation device is also improved.
  • the invention also applies to a configuration with several contacts, each connected to a corresponding stimulation port.
  • a synchronous distribution of the currents on some or all of the contacts of the electrode makes it possible to target a zone of the nerve more particularly, which is called selective stimulation.
  • the current diverter comprises one or more of the following characteristics, taken separately or according to all possible technical combinations:
  • Vi is a voltage between the primary input terminal and the primary output terminal
  • V2 is a voltage between the secondary input terminal and the secondary output terminal
  • Hu is a first predetermined coefficient, homogeneous with a resistance
  • H12 is a second predetermined, dimensionless coefficient
  • the current amplifier with floating output comprises at least one current conveyor comprising a current input port, a voltage input port and a current output port, the current conveyor preferably being a second-generation current conveyor exhibiting an operation governed by the relationship: where Ix, I Y and I z are respectively currents injected into the current input port, the voltage input port and the current output port; and Vx, V Y and Vz are voltages between, on the one hand, respectively, the current input port, the voltage input port and the current output port, and, on the other hand, a point reference having a predetermined electrical potential;
  • each current carrier is a metal-oxide gate field-effect transistor whose source forms the current input port, the gate forms the voltage input port and the drain forms the current output port;
  • the floating output current amplifier comprises a first current conveyor, a second current conveyor, a third current conveyor and a fourth current conveyor, the first current conveyor and the second current conveyor being identical, the third current conveyor and the fourth current conveyor being identical, the current input port of the first current conveyor being connected to the current input port of the fourth current conveyor, the current input port of the second current conveyor current being connected to the current input port of the third current conveyor, the current output port of the first current conveyor, the voltage input port of the first current conveyor and the voltage input port of the second current conveyor being connected to each other, the current output port of the fourth current conveyor, the voltage input port of the fourth current conveyor and the voltage input of the third current conveyor being connected together, the current output port of the first current conveyor being connected to the primary input terminal of the floating output current amplifier, the current output port of the fourth current carrier being connected to the primary output terminal of the floating output current amplifier, the current output port of the second current carrier being connected to the secondary input terminal of the output current amplifier floating, and the current output port of the third current conveyor being connected to the secondary output terminal of
  • the floating output current amplifier comprises a first current conveyor, a second current conveyor and a third current conveyor, the current input port of the first current conveyor being connected to the port voltage input port of the third current conveyor, the current output port of the first current conveyor, the voltage input port of the first current conveyor and the voltage input port of the second current conveyor being connected between them, the current input port of the second current conveyor being connected to the current input port of the third current conveyor, the current output port of the first current conveyor, the voltage input port of the first current conveyor and the voltage input port of the second current conveyor being connected to each other, the first predetermined coefficient Hn equaling 0, the second predetermined coefficient H12 equaling 1, and:
  • the current diverter also comprises a reference terminal intended to be connected, on the one hand, between the positive supply source and the supply source negative, and, on the other hand, to a potential reference, the reference terminal being, moreover, connected to the anode current output of each anode reference dipole by a respective anode load, and to the current input cathode of each cathode reference dipole by a respective cathode charge;
  • the corresponding anode reference dipole comprises a first anode transistor
  • the corresponding anode current source comprises at least a second anode transistor, each second anode transistor being connected to the first anode transistor to define, with the first anode transistor, a mirror of fluent ;
  • the corresponding cathode reference dipole comprises a first cathode transistor
  • the corresponding cathode current source comprises at least a second cathode transistor, each second cathode transistor being connected to the first cathode transistor to define, with the first cathode transistor, a mirror of fluent ;
  • the corresponding anode current source comprises at least one anode elementary source connected between the positive power supply bus and the stimulation port, each anode elementary source comprising a second anode transistor in series with an anode switching device; and or
  • the corresponding cathodic current source comprises at least one elementary cathodic source connected between the stimulation port and the negative power supply bus, each elementary cathodic source comprising a second cathodic transistor in series with a cathodic switching device, the value of the gain anode being a function of an on or off state of each anode switching device, and/or the value of the cathodic gain being a function of an on or off state of each cathode switching device;
  • the corresponding anode current source comprises a plurality of sources anode elements connected in parallel between the positive supply bus and the stimulation port;
  • the corresponding cathode current source comprises a plurality of elementary cathode sources connected in parallel between the stimulation port and the negative power supply bus.
  • the subject of the invention is a neural stimulation current distributor comprising a current diverter as defined above, and a programmable current generator connected between the primary input terminal and the primary output terminal of the current amplifier with floating output, the programmable current generator being configured to deliver the setpoint current according to a command which is applied to it.
  • the subject of the invention is an implantable medical device comprising a neural stimulation current splitter as defined above, a sequencer, and a plurality of contacts each connected to a respective stimulation port, the sequencer being configured to controlling, as a function of a command sequence received associated with a corresponding neurostimulation, each anode current source, respectively each cathode current source, to fix the value of the corresponding anode gain, respectively of the corresponding cathode gain, so that , at any time:
  • the implantable medical device comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or according to all possible technical combinations:
  • the implantable medical device further comprises a receiver connected to the input of the sequencer, the receiver being configured to receive, preferably via a wireless link, the command sequence, and to transmit the command sequence received to the sequencer;
  • the sequencer is configured to control each anode current source and each cathode current source, according to the setpoint current, so that:
  • the integral of a total current flowing between the positive supply bus and the negative supply bus during a stimulation time window is equal to the integral of the total current during a time window of return to equilibrium, the stimulation time window and the return to equilibrium time window being consecutive and distinct from each other;
  • the anodic gain of at least one anodic current source respectively the cathodic gain of at least one cathodic current source, has a zero value during one of the stimulation time window and the return time window. equilibrium, and a non-zero value during the other of the stimulation time window and the time window for returning to equilibrium;
  • sequencer is furthermore configured to control the programmable current generator in order to deliver the setpoint current according to the command sequence received;
  • the corresponding anode current source comprises at least one anode elementary source connected between the positive power supply bus and the stimulation port, each anode elementary source comprising a second anode transistor in series with an anode switching device; and or
  • the corresponding cathodic current source comprises at least one elementary cathodic source connected between the stimulation port and the negative power supply bus, each elementary cathodic source comprising a second cathodic transistor in series with a cathodic switching device, the sequencer being configured to control, as a function of the control sequence, an on or off state of each anode switching element to set the value of the anode gain, and/or to control an on or off state of each cathode switching element to set the value of the cathodic gain.
  • the subject of the invention is a neurostimulation system comprising an implantable medical device as defined above and a controller configured to determine each command sequence, and to transmit each determined command sequence to the implantable medical device, preferably via a wireless link.
  • the subject of the invention is a neuro-stimulation method implemented by means of the implantable medical device as defined above, the neuro-stimulation method comprising the steps:
  • FIG. 1 this figure is a graph representing a temporal profile of symmetrical biphasic stimulation.
  • FIG. 2- A is a graph representing the evolution, over time, of currents entering and leaving on two contacts of a state-of-the-art neurostimulation system, and illustrating a copying error
  • FIG. 2-B is a graph representing the evolution, over time, of currents entering and leaving on two contacts of a state-of-the-art neuro-stimulation system, and illustrating an error of time limit ;
  • Figure 3-A is a graph representing the evolution, over time, of an error between an incoming current on a first contact and an outgoing current on a second contact of a neuro-stimulation system of the state of the art, as well as the integral of this error, caused by the copying error of figure 2-A;
  • Figure 3-B is a graph representing the evolution, over time, of an error between the incoming current on the first contact and the outgoing current on the second contact of the neuro-stimulation system of the state of the art, as well as the integral of this error, caused by the delay error of Figure 2-B;
  • FIG. 4 is a schematic representation of a neurostimulation system according to the invention.
  • FIG. 5 is a schematic representation of a current distributor of the neurostimulation system of Figure 4.
  • FIG. 6 is a schematic representation of a current conveyor implemented in the current distributor of Figure 5;
  • FIG. 7 is a schematic representation of a first embodiment of a current amplifier of the current distributor of Figure 5;
  • FIG. 8 is a schematic representation of a second embodiment of the current amplifier of the current distributor of Figure 5.
  • FIG. 4 A neurostimulation system 1 according to the invention is illustrated by FIG. 4. Such a neurostimulation system is intended for the implementation of functional electrical stimulation (also called “neurostimulation”) in a patient. As shown in FIG. 4, the neuro-stimulation system 1 comprises a controller 4 and an implantable medical device 6 configured to cooperate together in order to provide the neuro-stimulation function.
  • functional electrical stimulation also called “neurostimulation”
  • the controller 4 is configured to determine a plurality of command sequences according to a targeted neurostimulation, and to transmit each command sequence to the implantable medical device 6, in order to control the operation of the implantable medical device 6.
  • command sequences relate to profiles of anodic gains, of cathodic gains and of setpoint current to be implemented in order to perform, for example, a predetermined motor function.
  • Such command sequences are intended to be translated, by the implantable medical device 6, into electrical impulses aimed at causing, inhibiting or modulating one or more nervous message(s) in the patient, in particular with a view to controlling a motor function of the patient.
  • the implantable medical device 6 is configured to deliver electrical impulses to one or more nerves of the patient according to the sequences received from the controller 4.
  • controller 4 and the implantable medical device 6 are configured to communicate with each other via a wireless link.
  • the controller 4 is preferably a nomadic device, for example a smartphone, having a minimal bulk and weight. In this way, the patient is able to wear the controller 4 permanently on him.
  • the implantable medical device 6 is intended to be implanted, in the body of the patient, and to interface with one or more nerves thereof, according to methods known in the field of the invention.
  • the implantable medical device 6 comprises a receiver 8, a sequencer 9 connected to the receiver 8, a neural stimulation current splitter 10 (also called “current splitter” hereafter) connected to the sequencer 9, and a plurality of contacts 12 each connected to current splitter 10.
  • the receiver 8 is configured to receive the command sequences from the controller 4, and to transmit the sequences received to the sequencer 9.
  • the receiver is configured to receive the command sequence via a wireless link through the patient's skin , represented in FIG. 4 by a chain line.
  • the sequencer 9 is configured to control the current distributor 10 according to each command sequence received.
  • the current distributor 10 is configured to apply to the contacts 12 electric currents whose temporal profile depends on the command carried out by the sequencer 9, and which is a function of the command sequence supplied by the controller 4.
  • the contacts 12 are conventionally known contacts in the field of the invention, and may be grouped into one or more stimulation electrodes (not shown).
  • the current splitter 10 comprises a programmable current generator 14 (also called a “generator”) and a current diverter 16 connected to the output of the generator 14.
  • a programmable current generator 14 also called a “generator”
  • a current diverter 16 connected to the output of the generator 14.
  • the generator 14 is configured to deliver a set current, according to a command carried out by the sequencer 9.
  • the current diverter 16 the architecture of which will now be described with reference to FIG. 5, is intended for shaping and routing the current pulses supplied by the generator 14.
  • the current diverter 16 comprises a positive supply bus 18 and a negative supply bus 20.
  • the current diverter 16 also comprises a current amplifier 22 with floating output, at least one anode reference dipole 24, at the at least one cathodic reference dipole 26.
  • the diverter of current 16 has at least two stimulation bridges 28.
  • the current diverter 16 also includes a reference terminal 31.
  • the positive power bus 18 is intended to be connected to a positive power source.
  • the negative power bus 20 is intended to be connected to a negative power source.
  • Current amplifier 22 is configured to deliver an intermediate current depending on a current applied to it as input.
  • the current amplifier 22 comprises, on the one hand, a primary input terminal 22E1 and a primary output terminal 22S1.
  • Generator 14 is connected between this primary input terminal 22E1 and this primary output terminal 22S1, so that the current applied at the input of current amplifier 22 is the setpoint current delivered by current generator 14.
  • the current amplifier 22 comprises, on the other hand, a secondary input terminal 22E2 and a secondary output terminal 22S2. More specifically, the current amplifier 22 is configured to circulate, between its secondary input terminal 22E2 and its secondary output terminal 22S2, said intermediate current when the setpoint current circulates between its primary input terminal 22E1 and its primary output terminal 22S1.
  • the current amplifier 22 is preferably a non-reciprocal current-balanced quadrupole.
  • the current amplifier 22 is configured so that the intermediate current is equal to the product of the reference current by a current amplifier gain H12.
  • the current amplifier 22 is configured so that the intermediate current is linked to the setpoint current by the relationship: /VA /Hn O iu 2 / ⁇ H 12 O VJ where Vi is a voltage between the primary input terminal 22E1 and the primary output terminal 22S 1;
  • V 2 is a voltage between the secondary input terminal 22E2 and the secondary output terminal 22S2;
  • Hu is a first predetermined coefficient, homogeneous with a resistance
  • H12 is a second predetermined, dimensionless coefficient, previously called “current amplifier gain”.
  • the relationship between the setpoint current and the intermediate current is an affine relationship.
  • the current diverter 16 also comprises a compensation device for the quiescent current of the current amplifier 22.
  • the anode reference dipoles 24 and the cathode reference dipoles 26 are intended to provide, at any time, two identical, synchronous copies of the intermediate current which circulates between the secondary input terminal 22E2 and the secondary output terminal 22S2 of the current amplifier 22.
  • each anode reference dipole 24 comprises an anode current input 24E connected to the positive supply bus 18 and an anode current output 24S connected to the secondary input terminal 22E2 of the current amplifier 22.
  • each cathode reference dipole 26 has a cathode current input 26E connected to the secondary output terminal 22S2 of the current amplifier 22, and a cathode current output 26S connected to the negative supply bus 20.
  • the intermediate current is able to flow from the positive supply bus 18 to the negative supply bus 20, through each anode reference dipole 24 to the current amplifier 22, then through each dipole cathode reference 26, and this as a function of the setpoint current flowing between the primary input terminal 22E1 and the primary output terminal 22S1 of the current amplifier 22.
  • Such a current diverter 16 is therefore such that the time profile of a first intermediate current flowing in the branch between the positive supply bus 18 and the secondary input terminal 22E2 is identical to the time profile of a second intermediate current circulating in the branch between the secondary output terminal 22S2 and the negative supply bus 20.
  • the addition of circuits intended to compensate for any delays between these two branches is not to be expected.
  • Each stimulation bridge 28 comprises a stimulation port 32 electrically connected to a respective contact 12, an anode current source 34 associated with a corresponding anode reference dipole 24, as well as a cathode current source 36 associated with a reference dipole cathode 26 corresponding.
  • anode current source 34 is connected between positive power bus 18 and stimulation port 32.
  • cathode current source 36 is connected between stimulation port 32 and negative power bus 20.
  • each anode current source 34 is configured to copy, with a respective anode gain K a , the intermediate current passing through the associated anode reference dipole 24 .
  • each cathodic current source 36 is configured to copy, with a respective cathodic gain K c , the intermediate current passing through the associated cathodic reference dipole 26.
  • the values of the anodic K a and cathodic K c gains are variable, as will emerge from what follows.
  • the corresponding anode current source 34 comprises at least a second anode transistor 40.
  • the corresponding anode reference dipole 24 comprises a first anode transistor 38, each second anode transistor 40 being connected to the first anode transistor 38 to define, with this one, a current mirror.
  • the corresponding cathode current source 36 preferably comprises at least one second cathode transistor 44.
  • the corresponding cathode reference dipole 26 comprises a first cathode transistor 42, each second cathode transistor 44 being connected to the first cathode transistor 42 to define, therewith, a current mirror.
  • each second anode transistor 40 is integrated in an anode elementary source 46 connected between the positive power supply bus 18 and the stimulation port 32.
  • an anode elementary source 46 comprises the second anode transistor 40 in series with a anode switching 48 capable of switching between an on state and an off state.
  • each second cathode transistor 44 is integrated in an elementary cathode source 50 connected between the stimulation port 32 and the negative power supply bus 20.
  • Such an elementary cathode source 50 comprises the second cathode transistor 44 in series with a member cathodic switching 52 also capable of switching between an on state and an off state.
  • each elementary anode source 46 (respectively cathode 50) is brought to copy or not the intermediate current passing through the reference dipole anode 24 (respectively cathode 26) associated with the corresponding anode current source 34 (respectively cathode 36), depending on a state of its anode switching member 48 (respectively cathode 52).
  • the corresponding anode current source 34 comprises a plurality of elementary anode sources 46 connected in parallel between the positive power supply bus 18 and the stimulation port 32.
  • the corresponding cathode current source 36 advantageously comprises a plurality of elementary cathode sources 50 connected in parallel between the stimulation port 32 and the negative power supply bus 20.
  • each anode switching device 48 (respectively cathode 52) of a given anode current source 34 (respectively cathode 36) allows a modification, in the time, of the value of the gain K a of said anode current source 34 (respectively of the gain K c of said cathode current source 36).
  • sequencer 9 is configured to control the current distributor 10 according to each command sequence received.
  • sequencer 9 is intended to control the value of the gain of each anode current source 34 and each cathode current source 36 of the current diverter 16, according to the command sequence received from the controller 4, and this so as to supply, to each contact 12, a current in accordance with a neurostimulation to be carried out corresponding to said command sequence.
  • the sequencer 9 is also configured to control the programmable current generator 14 so that said programmable current generator 14 delivers the setpoint current according to the command sequence received from the controller 4. More specifically, the sequencer 9 is configured to control, depending on the command sequence received from the controller 4, each anode current source 34 to set the value of the corresponding anode gain K a , and each cathode current source 36 to set the value of the corresponding cathodic gain K c .
  • the sum of the currents leaving towards the patient is equal to the sum of the currents entering from the patient, so that leakage currents are avoided.
  • the sequencer 9 is configured to control an on or off state of each anode switching device 48 corresponding to fix the value of the anodic gain K a . More precisely, for the anode current source 34 considered, the anode gain K a is likely to take several values between 0 and a respective maximum anode gain, depending on the number of anode switching elements 48 in an on state.
  • an anode current source 34 comprises a single anode elementary source 46
  • the anode gain K a is equal either to 0, or to the respective maximum anode gain, depending on the on or off state of the anode switching device 48.
  • the sequencer 9 is configured to control an on or off state of each corresponding cathodic switching device 52 to set the value of the gain cathode K c . More precisely, for the cathodic current source 36 considered, the cathodic gain K c is capable of taking several values between 0 and a maximum cathodic gain, depending on the number of cathodic switching elements 52 in an on state.
  • a cathodic current source 36 comprises a single elementary cathodic source 50
  • the cathodic gain K c is equal either to 0, or to the respective maximum cathodic gain, depending on the on or off state of the cathodic switching device 52.
  • sequencer 9 is configured to control each anode current source 34 and each cathode current source 36, according to the value of the setpoint current, so that:
  • the integral of a total current flowing between the positive supply bus 18 and the negative supply bus 20 during a stimulation time window is equal to the integral of the total current during a window time of return to equilibrium, the stimulation time window and the time window of return to equilibrium being consecutive and distinct from each other;
  • the anodic gain K a of at least one anode current source 34 respectively the cathodic gain K c of at least one cathodic current source 36, has a zero value during one of the stimulation time window and the time window for returning to equilibrium, and a non-zero value during the other of the stimulation time window and the time window for returning to equilibrium.
  • Reference terminal 31 is intended to be connected between the positive power source and the negative power source.
  • the reference terminal 31 is connected to the anode current output of each anode reference dipole 24 through a respective anode load, and to the input of cathodic current of each cathodic reference dipole 26 by a respective cathodic load.
  • the current amplifier 22 comprises at least one current conveyor 54 as illustrated by FIG. 6.
  • a current conveyor 54 comprises a current input port X, a voltage input port Y and a Z current output port.
  • the current conveyor 54 is a second generation current conveyor having an operation governed by the relationship: where Ix, I Y and I z are respectively currents injected into the current input port X, the voltage input port Y and the current output port Z; And
  • Vx, V Y and Vz are voltages between, on the one hand, respectively, the current input port X, the voltage input port Y and the current output port Z, and, on the other hand , a reference point having a predetermined electric potential.
  • each current carrier 54 is a gated field effect transistor metal-oxide whose source forms the current input port X, the gate forms the voltage input port Y and the drain forms the current output port Z.
  • the current amplifier 22 comprises a first current conveyor 54a, a second current conveyor 54a', a third current conveyor 54b' and a fourth current conveyor 54b.
  • the first current conveyor 54a and the second current conveyor 54a' are identical.
  • the third current conveyor 54b' and the fourth current conveyor 54b are identical.
  • this circuit is connected in the following way to the inputs and outputs of the current amplifier 22:
  • the current output port Z of the fourth current conveyor 54b is connected to the primary output terminal 22S 1;
  • the current amplifier 22 comprises a first current conveyor 54a, a second current conveyor 54b and a third current conveyor 54c.
  • the Z current output port of the first current conveyor 54a, the Y voltage input port of the first current conveyor 54a and the Y voltage input port of the second current conveyor 54b are connected to each other.
  • the second predetermined coefficient H12 i.e. the current amplifier gain
  • the first predetermined coefficient Hu is 0.
  • this circuit is likely to be connected in two different ways to the inputs and outputs of the current amplifier 22.
  • the current output port Z of the first current conveyor 54a is connected to the primary output terminal 22S 1;
  • the stimulation electrodes are connected to specific nerves of the patient, so that each contact 12 is applied to a corresponding nerve or a predetermined area of a corresponding nerve.
  • command sequences are recorded in the controller 4. These command sequences relate to profiles of anodic gains, cathodic gains and setpoint current to be implemented to perform, for example, a predetermined motor function.
  • the controller 4 sends to the sequencer 9 of the implantable medical device the command sequence corresponding to the desired neurostimulation.
  • sequencer 9 controls both the current generator 14 and the anode and cathode current sources 34, 36 of the current distributor 10 so that:
  • the set current is injected between the primary input terminal 22E1 and the primary output terminal 22S1 of the current amplifier 22, the anodic gain K a of at least one first stimulation bridge 28 being non-zero, and the cathodic gain K c of at least one second stimulation bridge 28 being non-zero;
  • the setpoint current is injected between the primary input terminal 22E1 and the primary output terminal 22S 1 of the current amplifier 22, the anodic gain K a of at least a third stimulation bridge being non-zero, and the cathodic gain K c of at least a fourth stimulation bridge being non-zero.
  • stimulation time window and the equilibrium return time window are consecutive and distinct from each other.
  • the integral of the total current flowing between the positive supply bus 18 and the negative supply bus 20 during the stimulation time window is equal to the integral of the total current during the stimulation time window. return to balance.
  • the fourth stimulation bridge is the first stimulation bridge
  • the third stimulation bridge is the second stimulation bridge

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Abstract

L'invention concerne un aiguilleur de courant comportant : − un bus d'alimentation positive (18) et un bus d'alimentation négative (20); − un amplificateur de courant à sortie flottante (22) configuré pour faire circuler, en sortie, un courant intermédiaire dépendant d'un courant de consigne circulant appliqué en entrée; − au moins un dipôle de référence anodique (24) connecté entre le bus d'alimentation positive (18) et l'amplificateur de courant à sortie flottante (22); − au moins un dipôle de référence cathodique (26) connecté entre l'amplificateur de courant à sortie flottante (22) et le bus d'alimentation négative (20); et − au moins deux ponts de stimulation (28), chaque pont de stimulation (28) comportant une source de courant anodique (34) et une source de courant cathodique (36) chacune configurée pour copier le courant intermédiaire.

Description

DISPOSITIF DE STIMULATION NEURALE INTRINSÈQUEMENT ÉQUILIBRÉE
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention concerne un aiguilleur de courant pour un répartiteur de courant de stimulation neurale.
L’invention concerne également un répartiteur de courant de stimulation neurale comprenant un tel aiguilleur de courant, un dispositif médical comprenant un tel répartiteur de courant, un système de neuro-stimulation comprenant un tel dispositif médical et un procédé de neuro- stimulation.
L’invention s’applique au domaine de la stimulation électrique fonctionnelle.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
La stimulation électrique fonctionnelle est une technique destinée à provoquer, inhiber ou moduler un message nerveux. Pour ce faire, des électrodes neurales, telles que des électrodes de stimulation appliquées autour d’un nerf (électrode gouttière, ou « cuff» en anglais) ou au travers du nerf (électrode intra fasciculaire de type LIFE, de l’anglais « Longitudinal Intrafascicular Electrode » ou TIME, de l’anglais « transverse intrafascicular multichannel electrode »), sont utilisées afin de faire circuler un courant électrique, notamment une impulsion électrique, à travers le nerf, provoquant ainsi la génération (dépolarisation) ou le blocage (hyperpolarisation) de potentiels d’action axonaux. Cette méthode se généralise sans difficulté à la stimulation de tout tissu nerveux, qu’il soit cérébral ou spinal par exemple.
Cette stimulation neurale a pour objectif d’activer tout ou partie du nerf par l’injection de courants anodiques ou cathodiques au niveau des électrodes neurales. Plus précisément, au cours d’une première phase de fonctionnement, dite « stimulante », l’injection d’un courant dans le nerf, assimilable à une injection de charges, à travers au moins deux électrodes, entraîne un déplacement d’ions causant l’apparition d’un potentiel d’action dans le nerf. On considère, à titre d'exemple, un dispositif médical de neuro- stimulation, présentant une configuration simplifiée avec deux contacts d'électrode destinés à la stimulation, ainsi qu'un contact de référence faisant office de référence de potentiel.
Sur la figure 1, le courant délivré au cours de la phase stimulante est représenté, à titre d’exemple, par un premier créneau démarrant à un instant ti, d’amplitude A et de durée n.
Dans cette configuration simplifiée, cela signifie qu'au créneau de courant entrant d'amplitude A sur le premier contact correspond un créneau simultané de courant sortant de même amplitude A sur le deuxième contact.
Puis, au cours d’une deuxième phase de fonctionnement, postérieure à la première, l’équilibre électrique local du nerf est rétabli. Par exemple, cette deuxième phase de fonctionnement met en œuvre un équilibrage actif, par le recouvrement de charges dans le milieu, suivant un profil temporel prédéterminé. Ce profil est tel que la quantité de charges recouvrée, cumulée sur la durée de la deuxième phase, est de valeur opposée à celle injectée pendant la phase stimulante.
Sur cette même figure 1 , le courant généré au cours de cette deuxième phase est représenté par un deuxième créneau démarrant à un instant t2, d’amplitude -B, et de durée 12.
Dans cette configuration simplifiée, cela signifie qu'au créneau de courant sortant d'amplitude B sur le premier contact correspond un créneau simultané de courant entrant de même amplitude B sur le deuxième contact.
Dans la plupart des applications, les amplitudes A et B sont égales, de même que les durées n et 12. De cette façon, une quantité de charges injectées totale globalement nulle sur l’ensemble des deux phases est garantie, en théorie.
De manière plus générale, il peut exister plusieurs phases, et plusieurs formes de profils, mais la contrainte spécifiant que, globalement, la quantité de charges injectées par stimulus, soit égale à zéro demeure.
Par exemple, le document WO 200627473 Al propose un dispositif médical comprenant un répartiteur de courant destiné à produire de tels courants. Néanmoins, un tel dispositif médical ne donne pas entière satisfaction.
En effet, un tel répartiteur de courant est sujet à des mésappariements des courants anodiques et cathodiques. De telles erreurs proviennent, entre autres, d’erreurs d’acheminement du courant de consigne vers les sources de courant cathodiques et anodiques, erreurs qui ne sont pas strictement identiques par construction.
Sur la figure 2- A, et dans l’exemple simplifié à deux contacts de stimulation et un contact de référence mentionné ci-dessus, ces erreurs sont illustrées par une différence d’amplitude, en valeur absolue, entre le créneau de courant sortant au niveau du premier contact (trait continu) et le créneau de courant entrant simultanément au niveau du deuxième contact (trait discontinu).
Dans cette situation, la différence entre le courant entrant sur le premier contact de stimulation et le courant sortant sur le deuxième contact de stimulation est absorbée par le contact de référence. Cela implique donc, premièrement, que le courant n'est pas délivré conformément à un courant cible attendu et que la répartition spatiale du courant dans le nerf n'est pas celle désirée (fuite de courant vers le contact de référence). Deuxièmement, en raison de cette erreur, la deuxième phase de stimulation opposée (postérieure à la phase stimulante, comme décrit précédemment en lien avec la figure 1) ne saurait conduire à un équilibre des charges sur les différents contacts.
L’erreur de courant entre les sources de courant cathodiques et anodiques est également liée à la différence de dynamique de stabilisation des courants, ce qui peut induire des erreurs relatives importantes aux largeurs d’impulsion courtes.
Sur la figure 2-B, et dans l’exemple simplifié à deux contacts de stimulation et un contact de référence mentionné ci-dessus, de telles erreurs sont illustrées par une différence de pente entre, d’une part, les fronts montant et descendant d’un créneau de courant entrant au niveau du premier contact (trait continu) et, d’autre part, les fronts montant et descendant d’un créneau correspondant sortant simultanément au niveau du deuxième contact (trait discontinu).
Dans cette situation également, la différence (aux instants de transition) entre courant entrant sur le premier contact et courant sortant sur le deuxième contact est absorbée par le contact de référence. Cela conduit donc, de manière analogue à la situation de la figure 2-A, à une différence entre courant cible et courant réellement injecté. La quantité de charge injectée et recouvrée sur les deux contacts de stimulation n'est également pas la même ; le rééquilibrage théorique des charges est donc d’autant moins précis.
A titre illustratif, l'évolution de l'erreur (trait plein) entre courant entrant sur le premier contact et courant sortant sur le deuxième contact dans les situations des figures 2A et 2B est illustrée par les figures 3-A et 3-B respectivement. Dans la configuration à deux contacts de stimulation et un contact de référence, cette erreur correspond au courant absorbé par le contact de référence. L’intégrale de cette erreur dans le temps est également représentée (trait discontinu).
Si on se place dans une autre configuration de stimulation simplifiée, comportant uniquement deux contacts de stimulation sans contact de référence, la situation est légèrement différente mais les problématiques finales demeurent. En effet, lors des stimulations déséquilibrées illustrées par la figure 2, la différence entre courant entrant sur le premier contact et courant sortant sur le deuxième contact n'est pas absorbée par un autre contact de référence et c'est donc le contact pour lequel la valeur absolue en courant est la plus faible qui impose la valeur des courants entrant et sortant. Ce type de situation entraîne donc une saturation des sources de courant non souhaitée et un courant réellement délivré inconnu. Enfin, lors d'une deuxième phase destinée à équilibrer les charges sur les deux contacts, le deuxième créneau de courant, dont l'amplitude de consigne absolue est égale à celle du premier créneau, présentera le même défaut et son amplitude réelle sera inconnue et donc potentiellement différente de l’opposé de l'amplitude du premier créneau. De cette situation résulte également une impossibilité d'équilibrer les charges injectées et recouvrées sur les différents contacts.
De manière globale, ceci a un impact direct et important sur les problèmes évoqués ci- dessus. En effet, de telles erreurs induisent non seulement une imprécision sur la répartition entre courants entrant et sortant, essentiellement aux amplitudes faibles, pouvant dégrader les performances en sélectivité, mais aussi une incertitude sur la quantité de charges injectées, notamment aux fortes amplitudes, pouvant induire un déséquilibre important. Plus précisément, une charge résiduelle inconnue, égale à la différence entre les intégrales des courants sortant et entrant, est indéterminée, et ne saurait donc être intrinsèquement compensée par des phases de fonctionnement supposées parfaites.
Bien qu’un couplage capacitif au niveau des contacts permette, au travers d’une décharge passive, un rééquilibrage des charges, une erreur importante de ce déséquilibre nécessite de rendre plus fréquente cette décharge (et donc de limiter la fréquence de stimulation). En outre, chaque décharge est susceptible de comporter des pics de courants plus importants pouvant induire des effets non désirés ou sous-optimaux.
Or, l’aiguilleur de courant de l’état de la technique n’intègre pas de caractéristiques permettant une correction de ce défaut par construction, c’est-à-dire de manière intrinsèque.
Bien que les configurations simplifiées de stimulation décrites ci-dessus soient des configurations bipolaires (deux contacts de stimulation, avec/sans référence), ce phénomène est également présent et ses conséquences sont encore plus prononcées et problématiques dans un contexte de stimulation multipolaires (plusieurs contacts délivrant des courants sortants et plusieurs contacts délivrant des courants entrants, de manière simultanée), qui est généralement le contexte de la stimulation sélective.
Un but de l’invention est donc de proposer un aiguilleur de courant pour répartiteur de courant de stimulation neurale présentant un risque d’endommagement des nerfs qui soit moindre, tout en présentant une architecture simple.
RÉSUMÉ
A cet effet, l’invention a pour objet un aiguilleur de courant du type précité, comportant :
- un bus d’alimentation positive destiné à être raccordé à une source d’alimentation positive, et un bus d’alimentation négative destiné à être raccordé à une source d’alimentation négative ;
- un amplificateur de courant à sortie flottante comportant, d’une part, une borne d’entrée primaire et une borne de sortie primaire, et, d’autre part, une borne d’entrée secondaire et une borne de sortie secondaire, l’amplificateur de courant à sortie flottante étant configuré pour faire circuler, entre la borne d’entrée secondaire et la borne de sortie secondaire, un courant intermédiaire dépendant d’un courant de consigne circulant entre la borne d’entrée primaire et la borne de sortie primaire ;
- au moins un dipôle de référence anodique comprenant une entrée de courant anodique connectée au bus d’alimentation positive et une sortie de courant anodique connectée à la borne d’entrée secondaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante ;
- au moins un dipôle de référence cathodique comprenant une entrée de courant cathodique connectée à la borne de sortie secondaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante, et une sortie de courant cathodique connectée au bus d’alimentation négative ; et
- au moins deux ponts de stimulation, chaque pont de stimulation comportant :
• un port de stimulation ;
• une source de courant anodique connectée entre le bus d’alimentation positive et le port de stimulation, et configurée pour copier, avec un gain anodique respectif, le courant intermédiaire traversant un dipôle de référence anodique associé parmi F au moins un dipôle de référence anodique ; et
• une source de courant cathodique connectée entre le port de stimulation et le bus d’alimentation négative, et configurée pour copier, avec un gain cathodique respectif, le courant intermédiaire traversant un dipôle de référence cathodique associé parmi F au moins un dipôle de référence cathodique.
En effet, grâce à une telle architecture, la génération d’un stimulus précis et équilibré est rendue possible. En d’autres termes, le retard et l’erreur d’amplitudes entre le courant sortant par un premier contact et le courant entrant par un deuxième contact correspondant est fortement réduit, et ce de façon intrinsèque. Le risque d’accumulation de charges dans le nerf est donc également réduit. Il en résulte un système de neuro- stimulation plus sûr.
En outre, le recours à un tel répartiteur de courant de stimulation simplifie la conception d’un dispositif de stimulation implantable embarquant le répartiteur de courant, dans la mesure où l’intégration de circuits destinés à compenser, pour chaque canal de stimulation, d’éventuels retards n’est pas à prévoir. Il en résulte que la compacité d’un tel dispositif de stimulation est également améliorée.
L’invention s’applique également à une configuration à plusieurs contacts, chacun connecté à un port de stimulation correspondant. Dans ce cas, une répartition synchrone des courants sur une partie ou la totalité des contacts de l’électrode permet de cibler plus particulièrement une zone du nerf, ce que l’on appelle la stimulation sélective.
Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, l’aiguilleur de courant comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniques possibles :
- l’amplificateur de courant à sortie flottante est un quadripole non réciproque équilibré en courant configuré de sorte que le courant intermédiaire soit relié au courant de consigne par une relation de proportionnalité, de préférence par la relation : vÔ = Hii O IM
I2 / \H12 0/ \V2/ où Vi est une tension entre la borne d’entrée primaire et la borne de sortie primaire ;
V2 est une tension entre la borne d’entrée secondaire et la borne de sortie secondaire ;
11 est le courant de consigne ;
12 est le courant intermédiaire ;
Hu est un premier coefficient prédéterminé, homogène à une résistance ; et
H12 est un deuxième coefficient prédéterminé, sans dimension ;
- l’amplificateur de courant à sortie flottante comporte au moins un convoyeur de courant comprenant un port d’entrée de courant, un port d’entrée de tension et un port de sortie de courant, le convoyeur de courant étant, de préférence, un convoyeur de courant de seconde génération présentant un fonctionnement régi par la relation : où Ix, IY et Iz sont respectivement des courants injectés dans le port d’entrée de courant, le port d’entrée de tension et le port de sortie de courant ; et Vx, VY et Vz sont des tensions entre, d’une part, respectivement, le port d’entrée de courant, le port d’entrée de tension et le port de sortie de courant, et, d’autre part, un point de référence présentant un potentiel électrique prédéterminé ;
- chaque convoyeur de courant est un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde dont la source forme le port d’entrée de courant, la grille forme le port d’entrée de tension et le drain forme le port de sortie de courant ;
- l’amplificateur de courant à sortie flottante comprend un premier convoyeur de courant, un deuxième convoyeur de courant, un troisième convoyeur de courant et un quatrième convoyeur de courant, le premier convoyeur de courant et le deuxième convoyeur de courant étant identiques, le troisième convoyeur de courant et le quatrième convoyeur de courant étant identiques, le port d’entrée de courant du premier convoyeur de courant étant connecté au port d’entrée de courant du quatrième convoyeur de courant, le port d’entrée de courant du deuxième convoyeur de courant étant connecté au port d’entrée de courant du troisième convoyeur de courant, le port de sortie de courant du premier convoyeur de courant, le port d’entrée de tension du premier convoyeur de courant et le port d’entrée de tension du deuxième convoyeur de courant étant connectés entre eux, le port de sortie de courant du quatrième convoyeur de courant, le port d’entrée de tension du quatrième convoyeur de courant et le port d’entrée de tension du troisième convoyeur de courant étant connectés entre eux, le port de sortie de courant du premier convoyeur de courant étant connecté à la borne d’entrée primaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante, le port de sortie de courant du quatrième convoyeur de courant étant connecté à la borne de sortie primaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante, le port de sortie de courant du deuxième convoyeur de courant étant connecté à la borne d’entrée secondaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante, et le port de sortie de courant du troisième convoyeur de courant étant connecté à la borne de sortie secondaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante ;
- l’amplificateur de courant à sortie flottante comprend un premier convoyeur de courant, un deuxième convoyeur de courant et un troisième convoyeur de courant, le port d’entrée de courant du premier convoyeur de courant étant connecté au port d’entrée de tension du troisième convoyeur de courant, le port de sortie de courant du premier convoyeur de courant, le port d’entrée de tension du premier convoyeur de courant et le port d’entrée de tension du deuxième convoyeur de courant étant connectés entre eux, le port d’entrée de courant du deuxième convoyeur de courant étant connecté au port d’entrée de courant du troisième convoyeur de courant, le port de sortie de courant du premier convoyeur de courant, le port d’entrée de tension du premier convoyeur de courant et le port d’entrée de tension du deuxième convoyeur de courant étant connectés entre eux, le premier coefficient prédéterminé Hn valant 0, le deuxième coefficient prédéterminé H12 valant 1, et :
• le port de sortie de courant du premier convoyeur de courant étant connecté à la borne d’entrée primaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante,
• le port d’entrée de tension du troisième convoyeur de courant étant connecté à la borne de sortie primaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante,
• le port de sortie de courant du deuxième convoyeur de courant étant connecté à la borne d’entrée secondaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante, et
• le port de sortie de courant du troisième convoyeur de courant étant connecté à la borne de sortie secondaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante, ou :
• le port d’entrée de tension du troisième convoyeur de courant étant connecté à la borne d’entrée primaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante,
• le port de sortie de courant du premier convoyeur de courant étant connecté à la borne de sortie primaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante,
• le port de sortie de courant du troisième convoyeur de courant étant connecté à la borne d’entrée secondaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante, et
• le port de sortie de courant du deuxième convoyeur de courant étant connecté à la borne de sortie secondaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante ;
- l’aiguilleur de courant comprend également une borne de référence destinée à être connectée, d’une part, entre la source d’alimentation positive et la source d’alimentation négative, et, d’autre part, à une référence de potentiel, la borne de référence étant, en outre, connectée à la sortie de courant anodique de chaque dipôle de référence anodique par une charge anodique respective, et à l’entrée de courant cathodique de chaque dipôle de référence cathodique par une charge cathodique respective ;
- pour chaque pont de stimulation :
• le dipôle de référence anodique correspondant comprend un premier transistor anodique, et la source de courant anodique correspondante comporte au moins un deuxième transistor anodique, chaque deuxième transistor anodique étant connecté au premier transistor anodique pour définir, avec le premier transistor anodique, un miroir de courant ; et
• le dipôle de référence cathodique correspondant comprend un premier transistor cathodique, et la source de courant cathodique correspondante comporte au moins un deuxième transistor cathodique, chaque deuxième transistor cathodique étant connecté au premier transistor cathodique pour définir, avec le premier transistor cathodique, un miroir de courant ;
- pour chaque pont de stimulation :
• la source de courant anodique correspondante comporte au moins une source élémentaire anodique connectée entre le bus d’alimentation positive et le port de stimulation, chaque source élémentaire anodique comprenant un deuxième transistor anodique en série avec un organe de commutation anodique ; et/ou
• la source de courant cathodique correspondante comporte au moins une source élémentaire cathodique connectée entre le port de stimulation et le bus d’alimentation négative, chaque source élémentaire cathodique comprenant un deuxième transistor cathodique en série avec un organe de commutation cathodique, la valeur du gain anodique étant fonction d’un état passant ou non passant de chaque organe de commutation anodique, et/ou la valeur du gain cathodique étant fonction d’un état passant ou non passant de chaque organe de commutation cathodique ;
- pour chaque pont de stimulation :
• la source de courant anodique correspondante comporte une pluralité de sources élémentaires anodiques connectées en parallèle entre le bus d’alimentation positive et le port de stimulation ; et/ou
• la source de courant cathodique correspondante comporte une pluralité de sources élémentaires cathodiques connectées en parallèle entre le port de stimulation et le bus d’alimentation négative.
En outre, l’invention a pour objet un répartiteur de courant de stimulation neurale comprenant un aiguilleur de courant tel que défini ci-dessus, et un générateur de courant programmable connecté entre la borne d’entrée primaire et la borne de sortie primaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante, le générateur de courant programmable étant configuré pour délivrer le courant de consigne en fonction d’une commande qui lui est appliquée.
En outre, l’invention a pour objet un dispositif médical implantable comprenant un répartiteur de courant de stimulation neurale tel que défini ci-dessus, un séquenceur, et une pluralité de contacts chacun connecté à un port de stimulation respectif, le séquenceur étant configuré pour commander, en fonction d’une séquence de commande reçue associée à une neuro- stimulation correspondante, chaque source de courant anodique, respectivement chaque source de courant cathodique, pour fixer la valeur du gain anodique correspondant, respectivement du gain cathodique correspondant, de sorte que, à chaque instant :
• pour chaque pont de stimulation, l’un parmi le gain anodique et le gain cathodique correspondants soit nul ; et
• la somme des gains anodiques et la somme des gains cathodiques, pris sur l’ensemble des ponts de stimulation, soient égales.
Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, le dispositif médical implantable comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniques possibles :
- le dispositif médical implantable comprend, en outre, un récepteur connecté en entrée du séquenceur, le récepteur étant configuré pour recevoir, de préférence via une liaison sans fil, la séquence de commande, et pour transmettre la séquence de commande reçue au séquenceur ;
- le séquenceur est configuré pour commander chaque source de courant anodique et chaque source de courant cathodique, en fonction du courant de consigne, de sorte que :
• l’intégrale d’un courant total circulant entre le bus d’alimentation positive et le bus d’alimentation négative au cours d’une fenêtre temporelle de stimulation soit égale à l’intégrale du courant total au cours d’une fenêtre temporelle de retour à l’équilibre, la fenêtre temporelle de stimulation et la fenêtre temporelle de retour à l’équilibre étant consécutives et distinctes l’une de l’autre ; et
• le gain anodique d’au moins une source de courant anodique, respectivement le gain cathodique d’au moins une source de courant cathodique, présente une valeur nulle durant l’une parmi la fenêtre temporelle de stimulation et la fenêtre temporelle de retour à l’équilibre, et une valeur non nulle durant l’autre parmi la fenêtre temporelle de stimulation et la fenêtre temporelle de retour à l’équilibre ;
- le séquenceur est, en outre, configuré pour commander le générateur de courant programmable afin de délivrer le courant de consigne en fonction de la séquence de commande reçue ;
- pour chaque pont de stimulation :
• la source de courant anodique correspondante comporte au moins une source élémentaire anodique connectée entre le bus d’alimentation positive et le port de stimulation, chaque source élémentaire anodique comprenant un deuxième transistor anodique en série avec un organe de commutation anodique ; et/ou
• la source de courant cathodique correspondante comporte au moins une source élémentaire cathodique connectée entre le port de stimulation et le bus d’alimentation négative, chaque source élémentaire cathodique comprenant un deuxième transistor cathodique en série avec un organe de commutation cathodique, le séquenceur étant configuré pour commander, en fonction de la séquence de commande, un état passant ou non passant de chaque organe de commutation anodique pour fixer la valeur du gain anodique, et/ou pour commander un état passant ou non passant de chaque organe de commutation cathodique pour fixer la valeur du gain cathodique. En outre, l’invention a pour objet un système de neuro- stimulation comprenant un dispositif médical implantable tel que défini ci-dessus et un contrôleur configuré pour déterminer chaque séquence de commande, et pour transmettre chaque séquence de commande déterminée au dispositif médical implantable, de préférence via une liaison sans fil.
En outre, l’invention a pour objet un procédé de neuro-stimulation mis en œuvre au moyen du dispositif médical implantable tel que défini ci-dessus, le procédé de neurostimulation comprenant les étapes :
- au cours d’une fenêtre temporelle de stimulation, injection du courant de consigne entre la borne d’entrée primaire et la borne de sortie primaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante, le gain anodique d’au moins un premier pont de stimulation étant non nul, et le gain cathodique d’au moins un deuxième pont de stimulation étant non nul ; et
- au cours d’une fenêtre temporelle de retour à l’équilibre, injection du courant de consigne entre la borne d’entrée primaire et la borne de sortie primaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante, le gain anodique d’au moins un troisième pont de stimulation étant non nul, et le gain cathodique d’au moins un quatrième pont de stimulation étant non nul, l’intégrale d’un courant total circulant entre le bus d’alimentation positive et le bus d’alimentation négative au cours de la fenêtre temporelle de stimulation étant égale à l’intégrale du courant total au cours de la fenêtre temporelle de retour à l’équilibre, la fenêtre temporelle de stimulation et la fenêtre temporelle de retour à l’équilibre étant consécutives et distinctes l’une de l’autre.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
- La figure 1 cette figure est un graphe représentant un profil temporel de stimulation biphasique symétrique.
- la figure 2- A est un graphe représentant l’évolution, au cours du temps, de courants entrant et sortant sur deux contacts d'un système de neuro- stimulation de l’état de la technique, et illustrant une erreur de recopie ; en outre, la figure 2-B est un graphe représentant l’évolution, au cours du temps, de courants entrant et sortant sur deux contacts d'un système de neuro-stimulation de l’état de la technique, et illustrant une erreur de délai ;
- La figure 3-A est un graphe représentant l’évolution, au cours du temps, d’une erreur entre un courant entrant sur un premier contact et un courant sortant sur un deuxième contact d'un système de neuro-stimulation de l’état de la technique, ainsi que l'intégrale de cette erreur, causée par l’erreur de recopie de la figure 2- A ; en outre, la Figure 3-B est un graphe représentant l’évolution, au cours du temps, d’une erreur entre le courant entrant sur le premier contact et le courant sortant sur le deuxième contact du système de neuro-stimulation de l’état de la technique, ainsi que l'intégrale de cette erreur, causée par l’erreur de délai de la figure 2-B ;
- La figure 4 est une représentation schématique d’un système de neuro- stimulation selon l’invention ;
- La figure 5 est une représentation schématique d’un répartiteur de courant du système de neuro- stimulation de la figure 4 ;
- La figure 6 est une représentation schématique d’un convoyeur de courant mis en œuvre dans le répartiteur de courant de la figure 5 ;
- La figure 7 est une représentation schématique d’un premier mode de réalisation d’un amplificateur de courant du répartiteur de courant de la figure 5 ; et
- La figure 8 est une représentation schématique d’un deuxième mode de réalisation de de l’amplificateur de courant du répartiteur de courant de la figure 5.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Un système de neuro- stimulation 1 selon l’invention est illustré par la figure 4. Un tel système de neuro- stimulation est destiné à la mise en œuvre d’une stimulation électrique fonctionnelle (encore appelée « neurostimulation ») chez un patient. Comme cela apparaît sur la figure 4, le système de neuro-stimulation 1 comprend un contrôleur 4 et un dispositif médical implantable 6 configurés pour coopérer ensemble afin d’assurer la fonction de neurostimulation.
Plus précisément, le contrôleur 4 est configuré pour déterminer une pluralité de séquences de commande en fonction d’une neuro- stimulation visée, et pour transmettre chaque séquence de commande au dispositif médical implantable 6, et ce afin de piloter le fonctionnement du dispositif médical implantable 6. Comme cela ressortira de la suite de cette description, de telles séquences se rapportent à des profils de gains anodiques, de gains cathodiques et de courant de consigne à mettre en œuvre pour réaliser, par exemple, une fonction motrice prédéterminée.
De telles séquences de commande sont destinées à être traduites, par le dispositif médical implantable 6, en impulsions électriques visant à provoquer, inhiber ou moduler un ou des message(s) nerveux chez le patient, notamment en vue de commander une fonction motrice du patient. En d’autres termes, le dispositif médical implantable 6 est configuré pour délivrer des impulsions électriques à un ou plusieurs nerfs du patient en fonction des séquences reçues depuis le contrôleur 4.
Avantageusement, le contrôleur 4 et le dispositif médical implantable 6 sont configurés pour communiquer entre eux via une liaison sans fil.
Pour assurer l’autonomie du patient, le contrôleur 4 est, de préférence, un appareil nomade, par exemple un smartphone, présentant un encombrement et un poids minimaux. De cette façon, le patient est apte à porter le contrôleur 4 en permanence sur lui.
Le dispositif médical implantable 6 est destiné à être implanté, dans le corps du patient, et à s’interfacer avec un ou plusieurs nerfs de celui-ci, selon des modalités connues dans le domaine de l’invention.
Le dispositif médical implantable 6 comprend un récepteur 8, un séquenceur 9 connecté au récepteur 8, un répartiteur 10 de courant de stimulation neurale (également appelé « répartiteur de courant » par la suite) connecté au séquenceur 9, et une pluralité de contacts 12 chacun connecté au répartiteur de courant 10. Le récepteur 8 est configuré pour recevoir les séquences de commande issues du contrôleur 4, et pour transmettre les séquences reçues au séquenceur 9. De préférence, le récepteur est configuré pour recevoir la séquence de commande via une liaison sans fil à travers la peau du patient, représentée sur la figure 4 par un trait mixte.
Le séquenceur 9 est configuré pour commander le répartiteur de courant 10 en fonction de chaque séquence de commande reçue.
En outre, le répartiteur de courant 10 est configuré pour appliquer aux contacts 12 des courants électriques dont le profil temporel dépend de la commande réalisée par le séquenceur 9, et qui est fonction de la séquence de commande fournie par le contrôleur 4. Enfin, les contacts 12 sont des contacts classiquement connus dans le domaine de l’invention, et sont susceptibles d’être regroupés en une ou plusieurs électrodes de stimulation (non représentées).
Une description détaillée du séquenceur 9 sera donnée ultérieurement, une fois le répartiteur de courant 10 décrit.
Comme illustré par la figure 4, le répartiteur de courant 10 comprend un générateur 14 de courant programmable (également appelé « générateur ») et un aiguilleur de courant 16 connecté en sortie du générateur 14.
Le générateur 14 est configuré pour délivrer un courant de consigne, en fonction d’une commande réalisée par le séquenceur 9.
En outre, l'aiguilleur de courant 16, dont l’architecture va maintenant être décrite en référence à la figure 5, est destiné à la mise en forme et à l’aiguillage des impulsions de courant fournies par le générateur 14.
Architecture de l'aiguilleur de courant 16
L'aiguilleur de courant 16 comporte un bus d’alimentation positive 18 et un bus d’alimentation négative 20. L'aiguilleur de courant 16 comprend également un amplificateur de courant 22 à sortie flottante, au moins un dipôle de référence anodique 24, au moins un dipôle de référence cathodique 26. En outre, l'aiguilleur de courant 16 comporte au moins deux ponts de stimulation 28.
De préférence, l'aiguilleur de courant 16 comprend également une borne de référence 31.
Bus d’alimentation
Le bus d’alimentation positive 18 est destiné à être raccordé à une source d’alimentation positive. En outre, le bus d’alimentation négative 20 est destiné à être raccordé à une source d’alimentation négative.
Amplificateur de courant
L’amplificateur de courant 22 est configuré pour délivrer un courant intermédiaire dépendant d’un courant qui lui est appliqué en entrée.
L’amplificateur de courant 22 comporte, d’une part, une borne d’entrée primaire 22E1 et une borne de sortie primaire 22S1. Le générateur 14 est connecté entre cette borne d’entrée primaire 22E1 et cette borne de sortie primaire 22S1, de sorte que le courant appliqué en entrée de l’amplificateur de courant 22 est le courant de consigne délivré par le générateur de courant 14.
L’amplificateur de courant 22 comporte, d’autre part, une borne d’entrée secondaire 22E2 et une borne de sortie secondaire 22S2. Plus précisément, l’amplificateur de courant 22 est configuré pour faire circuler, entre sa borne d’entrée secondaire 22E2 et sa borne de sortie secondaire 22S2, ledit courant intermédiaire lorsque le courant de consigne circule entre sa borne d’entrée primaire 22E1 et sa borne de sortie primaire 22S1.
L’amplificateur de courant 22 est, de préférence, un quadripole non réciproque équilibré en courant.
Avantageusement, l’amplificateur de courant 22 est configuré de sorte que le courant intermédiaire soit égal au produit du courant de consigne par un gain d’amplificateur de courant H12. Par exemple, dans le cas où l’amplificateur de courant 22 est un quadripole non réciproque équilibré en courant, l’amplificateur de courant 22 est configuré de sorte que le courant intermédiaire soit relié au courant de consigne par la relation : /VA /Hn O i u2 / \H12 O VJ où Vi est une tension entre la borne d’entrée primaire 22E1 et la borne de sortie primaire 22S 1 ;
V2 est une tension entre la borne d’entrée secondaire 22E2 et la borne de sortie secondaire 22S2 ;
11 est le courant de consigne ;
12 est le courant intermédiaire ;
Hu est un premier coefficient prédéterminé, homogène à une résistance ; et
H12 est un deuxième coefficient prédéterminé, sans dimension, précédemment appelé « gain d’amplificateur de courant ».
Alternativement, la relation entre le courant de consigne et le courant intermédiaire est une relation affine. Dans ce dernier cas, l’aiguilleur de courant 16 comprend également un organe de compensation du courant de repos de l’amplificateur de courant 22.
Une description détaillée de l’architecture de l’amplificateur de courant 22 sera fournie ultérieurement.
Dipôles de référence
Les dipôles de référence anodiques 24 et les dipôles de référence cathodiques 26 sont destinés à fournir, à tout instant, deux copies identiques, synchrones, du courant intermédiaire qui circule entre la borne d’entrée secondaire 22E2 et la borne de sortie secondaire 22S2 de l’amplificateur de courant 22.
Plus précisément, chaque dipôle de référence anodique 24 comprend une entrée de courant anodique 24E connectée au bus d’alimentation positive 18 et une sortie de courant anodique 24S connectée à la borne d’entrée secondaire 22E2 de l’amplificateur de courant 22. Par ailleurs, chaque dipôle de référence cathodique 26 comporte une entrée de courant cathodique 26E connectée à la borne de sortie secondaire 22S2 de l’amplificateur de courant 22, et une sortie de courant cathodique 26S connectée au bus d’alimentation négative 20. De cette façon, le courant intermédiaire est apte à circuler du bus d’alimentation positive 18 vers le bus d’alimentation négative 20, à travers chaque dipôle de référence anodique 24 jusqu’à l’amplificateur de courant 22, puis à travers chaque dipôle de référence cathodique 26, et ce en fonction du courant de consigne circulant entre la borne d’entrée primaire 22E1 et la borne de sortie primaire 22S1 de l’amplificateur de courant 22.
Un tel aiguilleur de courant 16 est donc tel que le profil temporel d’un premier courant intermédiaire circulant dans la branche entre le bus d’alimentation positive 18 et la borne d’entrée secondaire 22E2 est identique au profil temporel d’un deuxième courant intermédiaire circulant dans la branche entre la borne de sortie secondaire 22S2 et le bus d’alimentation négative 20. Il en résulte que l’addition de circuits destinés à compenser d’éventuels retards entre ces deux branches n’est pas à prévoir.
Ponts de stimulation
Chaque pont de stimulation 28 comporte un port de stimulation 32 électriquement relié à un contact 12 respectif, une source de courant anodique 34 associée à un dipôle de référence anodique 24 correspondant, ainsi qu’une source de courant cathodique 36 associée à un dipôle de référence cathodique 26 correspondant.
Plus précisément, pour chaque pont de stimulation 28, la source de courant anodique 34 est connectée entre le bus d’alimentation positive 18 et le port de stimulation 32. De façon symétrique, la source de courant cathodique 36 est connectée entre le port de stimulation 32 et le bus d’alimentation négative 20.
En outre, chaque source de courant anodique 34 est configurée pour copier, avec un gain anodique Ka respectif, le courant intermédiaire traversant le dipôle de référence anodique 24 associé. De la même façon, chaque source de courant cathodique 36 est configurée pour copier, avec un gain cathodique Kc respectif, le courant intermédiaire traversant le dipôle de référence cathodique 26 associé. Les valeurs des gains anodique Ka et cathodique Kc sont variables, comme cela ressortira de ce qui suit.
De préférence, et comme cela apparaît sur la figure 5, pour chaque pont de stimulation 28, la source de courant anodique 34 correspondante comporte au moins un deuxième transistor anodique 40. Dans ce cas, le dipôle de référence anodique 24 correspondant comprend un premier transistor anodique 38, chaque deuxième transistor anodique 40 étant connecté au premier transistor anodique 38 pour définir, avec celui-ci, un miroir de courant.
De façon similaire, pour chaque pont de stimulation 28, la source de courant cathodique 36 correspondante comporte, de préférence, au moins un deuxième transistor cathodique 44. Dans ce cas, le dipôle de référence cathodique 26 correspondant comprend un premier transistor cathodique 42, chaque deuxième transistor cathodique 44 étant connecté au premier transistor cathodique 42 pour définir, avec celui-ci, un miroir de courant.
Du fait d’une telle architecture symétrique, des déphasages indésirables entre les sources de courant anodiques 34 et les sources de courant cathodiques 36 insérées dans le circuit, lors du fonctionnement du système de neuro-stimulation 1, sont évités. Pour les mêmes raisons, des différences de comportements entre ces deux sources de courant 34, 36 (par exemple des disparités dans les temps d’établissement des courants) sont également évitées, en particulier si des composants électroniques identiques sont utilisés.
De préférence, chaque deuxième transistor anodique 40 est intégré dans une source élémentaire anodique 46 connectée entre le bus d’alimentation positive 18 et le port de stimulation 32. Une telle source élémentaire anodique 46 comprend le deuxième transistor anodique 40 en série avec un organe de commutation anodique 48 propre à commuter entre un état passant et un état bloqué.
De préférence encore, chaque deuxième transistor cathodique 44 est intégré dans une source élémentaire cathodique 50 connectée entre le port de stimulation 32 et le bus d’alimentation négative 20. Une telle source élémentaire cathodique 50 comprend le deuxième transistor cathodique 44 en série avec un organe de commutation cathodique 52 également propre à commuter entre un état passant et un état bloqué.
De cette façon, chaque source élémentaire anodique 46 (respectivement cathodique 50) est amenée à recopier ou non le courant intermédiaire traversant le dipôle de référence anodique 24 (respectivement cathodique 26) associé à la source de courant anodique 34 (respectivement cathodique 36) correspondante, suivant un état de son organe de commutation anodique 48 (respectivement cathodique 52).
Avantageusement, pour chaque pont de stimulation 28, la source de courant anodique 34 correspondante comporte une pluralité de sources élémentaires anodiques 46 connectées en parallèle entre le bus d’alimentation positive 18 et le port de stimulation 32. De façon similaire, pour chaque pont de stimulation 28, la source de courant cathodique 36 correspondante comporte, avantageusement, une pluralité de sources élémentaires cathodiques 50 connectées en parallèle entre le port de stimulation 32 et le bus d’alimentation négative 20.
Ceci est avantageux, dans la mesure où la commande sélective de l’état passant ou bloqué de chaque organe de commutation anodique 48 (respectivement cathodique 52) d’une source de courant anodique 34 (respectivement cathodique 36) donnée autorise une modification, dans le temps, de la valeur du gain Ka de ladite source de courant anodique 34 (respectivement du gain Kc de ladite source de courant cathodique 36).
Séquenceur 9
Les organes du répartiteur de courant étant désormais décrits, une description détaillée du séquenceur 9 va maintenant être fournie.
Comme indiqué précédemment, le séquenceur 9 est configuré pour commander le répartiteur de courant 10 en fonction de chaque séquence de commande reçue.
Plus précisément, le séquenceur 9 est destiné à commander la valeur du gain de chaque source de courant anodique 34 et chaque source de courant cathodique 36 de l’aiguilleur de courant 16, en fonction de la séquence de commande reçue depuis le contrôleur 4, et ce de façon à fournir, à chaque contact 12, un courant conforme à une neuro- stimulation à réaliser correspondant à ladite séquence de commande.
Le séquenceur 9 est également configuré pour commander le générateur de courant programmable 14 afin que ledit générateur de courant programmable 14 délivre le courant de consigne en fonction de la séquence de commande reçue depuis le contrôleur 4. Plus précisément, le séquenceur 9 est configuré pour commander, en fonction de la séquence de commande reçue depuis le contrôleur 4, chaque source de courant anodique 34 pour fixer la valeur du gain anodique Ka correspondant, et chaque source de courant cathodique 36 pour fixer la valeur du gain cathodique Kc correspondant.
Pour des raisons d’équilibre de quantité de charges, une telle commande requiert qu’à chaque instant, les conditions suivantes soient remplies :
- pour chaque pont de stimulation 32, l’un parmi le gain anodique Ka et le gain cathodique Kc correspondants soit nul ; et
- la somme des gains anodiques Ka, pris sur l’ensemble des ponts de stimulation 32, soit égale à la somme des gains cathodiques Kc, également pris sur l’ensemble des ponts de stimulation 32.
De cette façon, à tout instant, la somme des courants sortant vers le patient est égale à la somme des courants entrant depuis le patient, de sorte que des courants de fuite sont évités.
Avantageusement, dans le cas où au moins une source de courant anodique 34 comporte une pluralité de sources élémentaires anodiques 46 telles que décrites ci-dessus, le séquenceur 9 est configuré pour commander un état passant ou non passant de chaque organe de commutation anodique 48 correspondant pour fixer la valeur du gain anodique Ka. Plus précisément, pour la source de courant anodique 34 considérée, le gain anodique Ka est susceptible de prendre plusieurs valeurs entre 0 et un gain anodique maximal respectif, selon le nombre d’organes de commutation anodiques 48 dans un état passant.
Par ailleurs, si une source de courant anodique 34 comporte une seule source élémentaire anodique 46, le gain anodique Ka est égal soit à 0, soit au gain anodique maximal respectif, selon l’état passant ou bloqué de l’organe de commutation anodique 48.
Similairement, dans le cas où au moins une source de courant cathodique 36 comporte une pluralité de sources élémentaires cathodiques 50 telles que décrites ci-dessus, le séquenceur 9 est configuré pour commander un état passant ou non passant de chaque organe de commutation cathodique 52 correspondant pour fixer la valeur du gain cathodique Kc. Plus précisément, pour la source de courant cathodique 36 considérée, le gain cathodique Kc est susceptible de prendre plusieurs valeurs entre 0 et un gain cathodique maximal, selon le nombre d’organes de commutation cathodiques 52 dans un état passant.
Par ailleurs, si une source de courant cathodique 36 comporte une seule source élémentaire cathodique 50, le gain cathodique Kc est égal soit à 0, soit au gain cathodique maximal respectif, selon l’état passant ou bloqué de l’organe de commutation cathodique 52.
Selon un autre aspect avantageux, le séquenceur 9 est configuré pour commander chaque source de courant anodique 34 et chaque source de courant cathodique 36, en fonction de la valeur du courant de consigne, de sorte que :
- l’intégrale d’un courant total circulant entre le bus d’alimentation positive 18 et le bus d’alimentation négative 20 au cours d’une fenêtre temporelle de stimulation soit égale à l’intégrale du courant total au cours d’une fenêtre temporelle de retour à l’équilibre, la fenêtre temporelle de stimulation et la fenêtre temporelle de retour à l’équilibre étant consécutives et distinctes l’une de l’autre ; et
- le gain anodique Ka d’au moins une source de courant anodique 34, respectivement le gain cathodique Kc d’au moins une source de courant cathodique 36, présente une valeur nulle durant l’une parmi la fenêtre temporelle de stimulation et la fenêtre temporelle de retour à l’équilibre, et une valeur non nulle durant l’autre parmi la fenêtre temporelle de stimulation et la fenêtre temporelle de retour à l’équilibre.
De cette façon, toutes les charges locales créées au cours de la fenêtre temporelle de stimulation sont annulées au cours de la fenêtre temporelle de retour à l’équilibre.
Borne de référence
La borne de référence 31 est destinée à être connectée entre la source d’alimentation positive et la source d’alimentation négative.
En outre, la borne de référence 31 est connectée à la sortie de courant anodique de chaque dipôle de référence anodique 24 par une charge anodique respective, et à l’entrée de courant cathodique de chaque dipôle de référence cathodique 26 par une charge cathodique respective.
Enfin, la borne de référence 31 est destinée à être connectée, via un contact de référence correspondant, à une zone prédéterminée du patient formant une référence de potentiel.
Grâce à une telle borne de référence 31, et une fois le contact de référence connecté au patient, un équipotentiel, c’est-à-dire un potentiel commun au dispositif médical implantable 6 et au corps humain, est défini. De cette façon, toute tension flottante est supprimée.
Architecture de l’amplificateur de courant 22
L’architecture de l’amplificateur de courant 22 va maintenant être décrite en référence aux figures 6 à 8.
De préférence, l’amplificateur de courant 22 comporte au moins un convoyeur de courant 54 tel qu’illustré par la figure 6. Un tel convoyeur de courant 54 comprend un port d’entrée de courant X, un port d’entrée de tension Y et un port de sortie de courant Z.
De préférence encore, le convoyeur de courant 54 est un convoyeur de courant de seconde génération présentant un fonctionnement régi par la relation : où Ix, IY et Iz sont respectivement des courants injectés dans le port d’entrée de courant X, le port d’entrée de tension Y et le port de sortie de courant Z ; et
Vx, VY et Vz sont des tensions entre, d’une part, respectivement, le port d’entrée de courant X, le port d’entrée de tension Y et le port de sortie de courant Z, et, d’autre part, un point de référence présentant un potentiel électrique prédéterminé.
Le recours à un convoyeur de courant de seconde génération est avantageux, dans la mesure où la valeur du courant IY est nulle, ce qui simplifie la conception de l’amplificateur de courant 22.
Par exemple, chaque convoyeur de courant 54 est un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde dont la source forme le port d’entrée de courant X, la grille forme le port d’entrée de tension Y et le drain forme le port de sortie de courant Z.
Selon un mode de réalisation préféré, illustré par la figure 7, l’amplificateur de courant 22 comprend un premier convoyeur de courant 54a, un deuxième convoyeur de courant 54a’ , un troisième convoyeur de courant 54b’ et un quatrième convoyeur de courant 54b.
Dans ce cas, le premier convoyeur de courant 54a et le deuxième convoyeur de courant 54a’ sont identiques. En outre, le troisième convoyeur de courant 54b’ et le quatrième convoyeur de courant 54b sont identiques. Par ailleurs, et comme cela apparaît sur la figure :
- le port d’entrée de courant X du premier convoyeur de courant 54a est connecté au port d’entrée de courant X du quatrième convoyeur de courant 54b ;
- le port d’entrée de courant X du deuxième convoyeur de courant 54a’ est connecté au port d’entrée de courant X du troisième convoyeur de courant 54b’ ;
- le port de sortie de courant Z du premier convoyeur de courant 54a, le port d’entrée de tension Y du premier convoyeur de courant 54a et le port d’entrée de tension Y du deuxième convoyeur de courant 54a’ sont connectés entre eux ; et
- le port de sortie de courant Z du quatrième convoyeur de courant 54b, le port d’entrée de tension Y du quatrième convoyeur de courant 54b et le port d’entrée de tension Y du troisième convoyeur de courant 54b’ sont connectés entre eux.
En outre, ce circuit est connecté de la façon suivante aux entrées et sorties de l’amplificateur de courant 22 :
- le port de sortie de courant Z du premier convoyeur de courant 54a est connecté à la borne d’entrée primaire 22E1 ;
- le port de sortie de courant Z du quatrième convoyeur de courant 54b est connecté à la borne de sortie primaire 22S 1 ;
- le port de sortie de courant Z du deuxième convoyeur de courant 54a’ est connecté à la borne d’entrée secondaire 22E2 ; et
- le port de sortie de courant Z du troisième convoyeur de courant 54b’ est connecté à la borne de sortie secondaire 22S2. Une telle architecture présente l’avantage d’être symétrique entre les entrées et les sorties.
Une autre architecture possible pour l’amplificateur de courant 22 est illustrée par la figure 8.
Dans ce cas, l’amplificateur de courant 22 comprend un premier convoyeur de courant 54a, un deuxième convoyeur de courant 54b et un troisième convoyeur de courant 54c.
Comme cela apparaît sur la figure :
- le port d’entrée de courant X du premier convoyeur de courant 54a est connecté au port d’entrée de tension Y du troisième convoyeur de courant 54c ;
- le port de sortie de courant Z du premier convoyeur de courant 54a, le port d’entrée de tension Y du premier convoyeur de courant 54a et le port d’entrée de tension Y du deuxième convoyeur de courant 54b sont connectés entre eux ;
- le port d’entrée de courant X du deuxième convoyeur de courant 54b est connecté au port d’entrée de courant X du troisième convoyeur de courant 54c ; et
- le port de sortie de courant Z du premier convoyeur de courant 54a, le port d’entrée de tension Y du premier convoyeur de courant 54a et le port d’entrée de tension Y du deuxième convoyeur de courant 54b sont connectés entre eux.
Dans ce cas, le deuxième coefficient prédéterminé H12 (c’est-à-dire le gain d’amplificateur de courant) vaut 1. En outre, le premier coefficient prédéterminé Hu vaut 0.
En outre, ce circuit est susceptible d’être connecté de deux manières différentes aux entrées et sorties de l’amplificateur de courant 22.
Par exemple :
- le port de sortie de courant Z du premier convoyeur de courant 54a est connecté à la borne d’entrée primaire 22E1 ;
- le port d’entrée de tension Y du troisième convoyeur de courant 54c est connecté à la borne de sortie primaire 22S 1 ;
- le port de sortie de courant Z du deuxième convoyeur de courant 54b est connecté à la borne d’entrée secondaire 22E2 ; et
- le port de sortie de courant Z du troisième convoyeur de courant 54c est connecté à la borne de sortie secondaire 22S2.
Alternativement :
- le port d’entrée de tension Y du troisième convoyeur de courant 54c est connecté à la borne d’entrée primaire 22E1 ;
- le port de sortie de courant Z du premier convoyeur de courant 54a est connecté à la borne de sortie primaire 22S 1 ;
- le port de sortie de courant Z du troisième convoyeur de courant 54c est connecté à la borne d’entrée secondaire 22E2 ; et
- le port de sortie de courant Z du deuxième convoyeur de courant 54b est connecté à la borne de sortie secondaire 22S2.
F onctionnement
Le fonctionnement du système de neuro- stimulation 1 va maintenant être décrit.
Dans un premier temps, les électrodes de stimulation sont connectées à des nerfs spécifiques du patient, de sorte que chaque contact 12 est appliqué à un nerf correspondant ou une zone prédéterminée d’un nerf correspondant. En outre, des séquences de commande sont enregistrées dans le contrôleur 4. Ces séquences de commande se rapportent à des profils de gains anodiques, de gains cathodiques et de courant de consigne à mettre en œuvre pour réaliser, par exemple, une fonction motrice prédéterminée.
Lorsqu’une neuro- stimulation de tout ou partie des nerfs auxquels sont raccordés les contacts 12 est requise, le contrôleur 4 envoie au séquenceur 9 du dispositif médical implantable la séquence de commande correspondant à la neuro- stimulation recherchée.
Dans ce cas, le séquenceur 9 contrôle à la fois le générateur de courant 14 et les sources de courants anodiques et cathodiques 34, 36 du répartiteur de courant 10 de sorte que :
- au cours d’une fenêtre temporelle de stimulation, le courant de consigne soit injecté entre la borne d’entrée primaire 22E1 et la borne de sortie primaire 22S1 de l’amplificateur de courant 22, le gain anodique Ka d’au moins un premier pont de stimulation 28 étant non nul, et le gain cathodique Kc d’au moins un deuxième pont de stimulation 28 étant non nul ; et
- au cours d’une fenêtre temporelle de retour à l’équilibre postérieure à la fenêtre temporelle de stimulation, le courant de consigne soit injecté entre la borne d’entrée primaire 22E1 et la borne de sortie primaire 22S 1 de l’amplificateur de courant 22, le gain anodique Ka d’au moins un troisième pont de stimulation étant non nul, et le gain cathodique Kc d’au moins un quatrième pont de stimulation étant non nul.
Plus spécifiquement, la fenêtre temporelle de stimulation et la fenêtre temporelle de retour à l’équilibre sont consécutives et distinctes l’une de l’autre.
En outre, l’intégrale du courant total circulant entre le bus d’alimentation positive 18 et le bus d’alimentation négative 20 au cours de la fenêtre temporelle de stimulation est égale à l’intégrale du courant total au cours de la fenêtre temporelle de retour à l’équilibre.
Par exemple, si l’aiguilleur de courant 16 comprend seulement deux ponts de stimulation, le quatrième pont de stimulation est le premier pont de stimulation, et le troisième pont de stimulation est le deuxième pont de stimulation.

Claims

REVENDICATIONS Aiguilleur de courant (16) pour répartiteur de courant de stimulation neurale, l’aiguilleur de courant (16) étant caractérisé en ce qu’il comporte :
- un bus d’alimentation positive (18) destiné à être raccordé à une source d’alimentation positive, et un bus d’alimentation négative (20) destiné à être raccordé à une source d’alimentation négative ;
- un amplificateur de courant à sortie flottante (22) comportant, d’une part, une borne d’entrée primaire (22E1) et une borne de sortie primaire (22S1), et, d’autre part, une borne d’entrée secondaire (22E2) et une borne de sortie secondaire (2S1), l’amplificateur de courant à sortie flottante (22) étant configuré pour faire circuler, entre la borne d’entrée secondaire (22E2) et la borne de sortie secondaire (22S2), un courant intermédiaire dépendant d’un courant de consigne circulant entre la borne d’entrée primaire (22E1) et la borne de sortie primaire (22S1) ;
- au moins un dipôle de référence anodique (24) comprenant une entrée de courant anodique connectée au bus d’alimentation positive (18) et une sortie de courant anodique connectée à la borne d’entrée secondaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante (22) ;
- au moins un dipôle de référence cathodique (26) comprenant une entrée de courant cathodique connectée à la borne de sortie secondaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante (22), et une sortie de courant cathodique connectée au bus d’alimentation négative (20) ; et
- au moins deux ponts de stimulation (28), chaque pont de stimulation (28) comportant :
• un port de stimulation (32) ;
• une source de courant anodique (34) connectée entre le bus d’alimentation positive (18) et le port de stimulation (32), et configurée pour copier, avec un gain anodique respectif, le courant intermédiaire traversant un dipôle de référence anodique (24) associé parmi l’au moins un dipôle de référence anodique (24) ; et • une source de courant cathodique (36) connectée entre le port de stimulation (32) et le bus d’alimentation négative (20), et configurée pour copier, avec un gain cathodique respectif, le courant intermédiaire traversant un dipôle de référence cathodique (26) associé parmi F au moins un dipôle de référence cathodique (26). Aiguilleur de courant (16) selon la revendication 1, dans lequel l’amplificateur de courant à sortie flottante (22) est un quadripole non réciproque équilibré en courant configuré de sorte que le courant intermédiaire soit relié au courant de consigne par une relation de proportionnalité, de préférence par la relation : vi Hii O IM i ^H12 O VJ où V i est une tension entre la borne d’entrée primaire et la borne de sortie primaire ; V2 est une tension entre la borne d’entrée secondaire et la borne de sortie secondaire ;
11 est le courant de consigne ;
12 est le courant intermédiaire ;
Hu est un premier coefficient prédéterminé, homogène à une résistance ; et H12 est un deuxième coefficient prédéterminé, sans dimension. Aiguilleur de courant (16) selon la revendication 2, dans lequel l’amplificateur de courant à sortie flottante (22) comporte au moins un convoyeur de courant (54) comprenant un port d’entrée de courant, un port d’entrée de tension et un port de sortie de courant, le convoyeur de courant étant, de préférence, un convoyeur de courant de seconde génération présentant un fonctionnement régi par la relation : où Ix, IY et Iz sont respectivement des courants injectés dans le port d’entrée de courant, le port d’entrée de tension et le port de sortie de courant ; et
Vx, VY et Vz sont des tensions entre, d’une part, respectivement, le port d’entrée de courant, le port d’entrée de tension et le port de sortie de courant, et, d’autre part, un point de référence présentant un potentiel électrique prédéterminé. Aiguilleur de courant (16) selon la revendication 3, dans lequel chaque convoyeur de courant (54) est un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde dont la source forme le port d’entrée de courant, la grille forme le port d’entrée de tension et le drain forme le port de sortie de courant. Aiguilleur de courant (16) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l’amplificateur de courant à sortie flottante (22) comprend un premier convoyeur de courant (54a), un deuxième convoyeur de courant (54a’), un troisième convoyeur de courant (54b’) et un quatrième convoyeur de courant (54b), le premier convoyeur de courant et le deuxième convoyeur de courant étant identiques, le troisième convoyeur de courant et le quatrième convoyeur de courant étant identiques, le port d’entrée de courant du premier convoyeur de courant étant connecté au port d’entrée de courant du quatrième convoyeur de courant, le port d’entrée de courant du deuxième convoyeur de courant étant connecté au port d’entrée de courant du troisième convoyeur de courant, le port de sortie de courant du premier convoyeur de courant, le port d’entrée de tension du premier convoyeur de courant et le port d’entrée de tension du deuxième convoyeur de courant étant connectés entre eux, le port de sortie de courant du quatrième convoyeur de courant, le port d’entrée de tension du quatrième convoyeur de courant et le port d’entrée de tension du troisième convoyeur de courant étant connectés entre eux, le port de sortie de courant du premier convoyeur de courant étant connecté à la borne d’entrée primaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante (22), le port de sortie de courant du quatrième convoyeur de courant étant connecté à la borne de sortie primaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante (22), le port de sortie de courant du deuxième convoyeur de courant étant connecté à la borne d’entrée secondaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante (22), et le port de sortie de courant du troisième convoyeur de courant étant connecté à la borne de sortie secondaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante (22). Aiguilleur de courant (16) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l’amplificateur de courant à sortie flottante (22) comprend un premier convoyeur de courant (54a), un deuxième convoyeur de courant (54b) et un troisième convoyeur de courant (54c), le port d’entrée de courant du premier convoyeur de courant étant connecté au port d’entrée de tension du troisième convoyeur de courant, le port de sortie de courant du premier convoyeur de courant, le port d’entrée de tension du premier convoyeur de courant et le port d’entrée de tension du deuxième convoyeur de courant étant connectés entre eux, le port d’entrée de courant du deuxième convoyeur de courant étant connecté au port d’entrée de courant du troisième convoyeur de courant, le port de sortie de courant du premier convoyeur de courant, le port d’entrée de tension du premier convoyeur de courant et le port d’entrée de tension du deuxième convoyeur de courant étant connectés entre eux, le premier coefficient prédéterminé Hn valant 0, le deuxième coefficient prédéterminé H12 valant 1, et :
- le port de sortie de courant du premier convoyeur de courant étant connecté à la borne d’entrée primaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante (22),
- le port d’ entrée de tension du troisième convoyeur de courant étant connecté à la borne de sortie primaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante (22),
- le port de sortie de courant du deuxième convoyeur de courant étant connecté à la borne d’entrée secondaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante (22), et
- le port de sortie de courant du troisième convoyeur de courant étant connecté à la borne de sortie secondaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante (22), ou : 33
- le port d’ entrée de tension du troisième convoyeur de courant étant connecté à la borne d’entrée primaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante (22),
- le port de sortie de courant du premier convoyeur de courant étant connecté à la borne de sortie primaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante (22),
- le port de sortie de courant du troisième convoyeur de courant étant connecté à la borne d’entrée secondaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante (22), et
- le port de sortie de courant du deuxième convoyeur de courant étant connecté à la borne de sortie secondaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante (22). Aiguilleur de courant (16) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant également une borne de référence (31) destinée à être connectée, d’une part, entre la source d’alimentation positive et la source d’alimentation négative, et, d’autre part, à une référence de potentiel, la borne de référence (31) étant, en outre, connectée à la sortie de courant anodique de chaque dipôle de référence anodique (24) par une charge anodique respective, et à l’entrée de courant cathodique de chaque dipôle de référence cathodique (26) par une charge cathodique respective. Aiguilleur de courant (16) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel, pour chaque pont de stimulation (28) :
- le dipôle de référence anodique (24) correspondant comprend un premier transistor anodique (38), et la source de courant anodique (34) correspondante comporte au moins un deuxième transistor anodique (40), chaque deuxième transistor anodique (40) étant connecté au premier transistor anodique (38) pour définir, avec le premier transistor anodique (38), un miroir de courant ; et
- le dipôle de référence cathodique (26) correspondant comprend un premier transistor cathodique (42), et la source de courant cathodique (36) 34 correspondante comporte au moins un deuxième transistor cathodique (44), chaque deuxième transistor cathodique (44) étant connecté au premier transistor cathodique (42) pour définir, avec le premier transistor cathodique (42), un miroir de courant. Aiguilleur de courant (16) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel, pour chaque pont de stimulation (28) :
- la source de courant anodique (34) correspondante comporte au moins une source élémentaire anodique (46) connectée entre le bus d’alimentation positive (18) et le port de stimulation (32), chaque source élémentaire anodique (46) comprenant un deuxième transistor anodique (40) en série avec un organe de commutation anodique (48) ; et/ou
- la source de courant cathodique (36) correspondante comporte au moins une source élémentaire cathodique (50) connectée entre le port de stimulation (32) et le bus d’alimentation négative (20), chaque source élémentaire cathodique (50) comprenant un deuxième transistor cathodique (44) en série avec un organe de commutation cathodique (52), la valeur du gain anodique étant fonction d’un état passant ou non passant de chaque organe de commutation anodique (48), et/ou la valeur du gain cathodique étant fonction d’un état passant ou non passant de chaque organe de commutation cathodique (52). Aiguilleur de courant (16) selon la revendication 9, dans lequel, pour chaque pont de stimulation (28) :
- la source de courant anodique (34) correspondante comporte une pluralité de sources élémentaires anodiques (46) connectées en parallèle entre le bus d’alimentation positive (18) et le port de stimulation (32) ; et/ou
- la source de courant cathodique (36) correspondante comporte une pluralité de sources élémentaires cathodiques (52) connectées en parallèle entre le port de stimulation (32) et le bus d’alimentation négative (20). Répartiteur de courant de stimulation neurale (10) comprenant un aiguilleur de courant (16) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, et un générateur de 35 courant programmable (14) connecté entre la borne d’entrée primaire (22E1) et la borne de sortie primaire (22S1) de l’amplificateur de courant à sortie flottante (22), le générateur de courant programmable (14) étant configuré pour délivrer le courant de consigne en fonction d’une commande qui lui est appliquée. Dispositif médical implantable (6) comprenant un répartiteur de courant de stimulation neurale (10) selon la revendication 11, un séquenceur (9), et une pluralité de contacts (12) chacun connecté à un port de stimulation (32) respectif, le séquenceur (9) étant configuré pour commander, en fonction d’une séquence de commande reçue associée à une neuro- stimulation correspondante, chaque source de courant anodique (34), respectivement chaque source de courant cathodique (36), pour fixer la valeur du gain anodique correspondant, respectivement du gain cathodique correspondant, de sorte que, à chaque instant :
- pour chaque pont de stimulation (28), l’un parmi le gain anodique et le gain cathodique correspondants soit nul ; et
- la somme des gains anodiques et la somme des gains cathodiques, pris sur l’ensemble des ponts de stimulation, soient égales. Dispositif médical implantable (6) selon la revendication 12, comprenant, en outre, un récepteur (8) connecté en entrée du séquenceur (9), le récepteur (8) étant configuré pour recevoir, de préférence via une liaison sans fil, la séquence de commande, et pour transmettre la séquence de commande reçue au séquenceur (9). Dispositif médical implantable (6) selon la revendication 12 ou 13, dans lequel le séquenceur (9) est configuré pour commander chaque source de courant anodique (34) et chaque source de courant cathodique (36), en fonction du courant de consigne, de sorte que :
- l’intégrale d’un courant total circulant entre le bus d’alimentation positive (18) et le bus d’alimentation négative (20) au cours d’une fenêtre temporelle de stimulation soit égale à l’intégrale du courant total au cours d’une fenêtre temporelle de retour à l’équilibre, la fenêtre temporelle de stimulation et la fenêtre temporelle de retour à l’équilibre étant consécutives et distinctes l’une de l’autre ; et 36
- le gain anodique d’au moins une source de courant anodique (34), respectivement le gain cathodique d’au moins une source de courant cathodique (36), présente une valeur nulle durant l’une parmi la fenêtre temporelle de stimulation et la fenêtre temporelle de retour à l’équilibre, et une valeur non nulle durant l’autre parmi la fenêtre temporelle de stimulation et la fenêtre temporelle de retour à l’équilibre. Dispositif médical implantable (6) selon l’une quelconque des revendications 12 à
14, dans lequel le séquenceur (9) est, en outre, configuré pour commander le générateur de courant programmable (14) afin de délivrer le courant de consigne en fonction de la séquence de commande reçue. Dispositif médical implantable (6) selon l’une quelconque des revendications 12 à
15, dans lequel dans lequel, pour chaque pont de stimulation (28) :
- la source de courant anodique (34) correspondante comporte au moins une source élémentaire anodique (46) connectée entre le bus d’alimentation positive (18) et le port de stimulation (32), chaque source élémentaire anodique (46) comprenant un deuxième transistor anodique (40) en série avec un organe de commutation anodique (48) ; et/ou
- la source de courant cathodique (36) correspondante comporte au moins une source élémentaire cathodique (50) connectée entre le port de stimulation (32) et le bus d’alimentation négative (20), chaque source élémentaire cathodique (50) comprenant un deuxième transistor cathodique (44) en série avec un organe de commutation cathodique (52), le séquenceur (9) étant configuré pour commander, en fonction de la séquence de commande, un état passant ou non passant de chaque organe de commutation anodique (48) pour fixer la valeur du gain anodique, et/ou pour commander un état passant ou non passant de chaque organe de commutation cathodique (52) pour fixer la valeur du gain cathodique. Système de neuro- stimulation (1) comprenant un dispositif médical implantable (6) selon l’une quelconque des revendications 12 à 16 et un contrôleur (4) configuré pour déterminer chaque séquence de commande, et pour transmettre chaque 37 séquence de commande déterminée au dispositif médical implantable (6), de préférence via une liaison sans fil. Procédé de neuro-stimulation mis en œuvre au moyen du dispositif médical implantable (6) selon l’une quelconque des revendications 12 à 16, le procédé de neuro-stimulation comprenant les étapes :
- au cours d’une fenêtre temporelle de stimulation, injection du courant de consigne entre la borne d’entrée primaire et la borne de sortie primaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante (22), le gain anodique d’au moins un premier pont de stimulation (28) étant non nul, et le gain cathodique d’au moins un deuxième pont de stimulation (28) étant non nul ; et
- au cours d’une fenêtre temporelle de retour à l’équilibre, injection du courant de consigne entre la borne d’entrée primaire et la borne de sortie primaire de l’amplificateur de courant à sortie flottante (22), le gain anodique d’au moins un troisième pont de stimulation (28) étant non nul, et le gain cathodique d’au moins un quatrième pont de stimulation (28) étant non nul, l’intégrale d’un courant total circulant entre le bus d’alimentation positive (18) et le bus d’alimentation négative (20) au cours de la fenêtre temporelle de stimulation étant égale à l’intégrale du courant total au cours de la fenêtre temporelle de retour à l’équilibre, la fenêtre temporelle de stimulation et la fenêtre temporelle de retour à l’équilibre étant consécutives et distinctes l’une de l’autre.
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