FR2534812A1 - Etage de sortie a couplage en continu pour stimulateur biologique a signal rapide - Google Patents

Abstract

UN ETAGE DE SORTIE A COUPLAGE EN CONTINU PARTICULIEREMENT AVANTAGEUX POUR L'UTILISATION DANS UN STIMULATEUR CARDIAQUE IMPLANTABLE. AFIN D'ASSURER UN EQUILIBRAGE DE CHARGE AU NIVEAU DES INTERFACES ELECTRODEELECTROLYTE, LES ELECTRODES SONT COURT-CIRCUITEES MUTUELLEMENT APRES QU'UNE IMPULSION DE STIMULATION A ETE PRODUITE. NON SEULEMENT ON EVITE L'UTILISATION D'UN CONDENSATEUR DE COUPLAGE VOLUMINEUX, MAIS LA CHARGE ACCUMULEE SE DISSIPE EN UN TEMPS BEAUCOUP PLUS COURT, CE QUI REDUIT A UN MINIMUM LA PERIODE "AVEUGLE" DU CYCLE DE DETECTION.

Description

La présente invention concerne des étages de sortie pour stimulateurs biologiques, et plus précisément des étages de sortie à couplage en continu pour délivrer des signaux à variation rapide, tels que ceux qui sont produits par un stimulateur cardiaque.

Dans un stimulateur cardiaque typique, une charge est accumulée dans un ou plusieurs condensateurs. Lorsqu'une impulsion de stimulation doit être produite, les condensateurs d'accumulation de charge sont raccordés en série aux conducteurs de l'élec- trode de stimulation et de ltélectrode indifférente, les condensateurs se déchargeant, à travers ces conducteurs et les interfaces électrode/électrolyte, dans les tissus du malade (en général, l'une au moins ou - bien que cela ne soit pas nécessaire - les deux électrodes sont placées au voisinage immédiat du tissu cardiaque.) Puis le condersateur, qui est relié directement à l'élec- trode de stimulation, se recharge à travers l'alimentation à pile et l'électrode de stimulation. Il est généralement admis, comme objectif de projetage, qu'il ne soit pas délivré de charge nette au coeur. Etant donné que le #courant moyen à travers un condensateur est nul, la disposition d'un couplage en courant alternatif garantit qu'il n'y aura pas de passage de courant net à travers l'électrode de stimulation.

l'utilisation d'un couplage en courant alternatif de ce genre présente au moins deux inconvénients majeurs. En premier lieu, outre qu'il est coûteux, le condensateur de couplage est volumineux et contribue à l'encombrement et au poids du stimulateur. Ce n'est pas un inconvénient grave dans le cas de stimulateurs biologiques externes (stimulateurs cardiaques ou de tout autre type).

disais l'autre inconvérient est aussi bien le fait de stimulateurs de tissus biologiques externes (par stimulateur externe, on entend un appareil qui est à l'extérieur du corps, nais qui envoie un signal sur des conducteurs qui peuvent être internes).

Mu noins dans le cas d'un stimulateur cardiaque, les conducteurs d'électrodes sont également utilisés pour détecter l'activité électrique dans le coeur. Le potentiel sur l'électrode de stimulation varie brusquement au début d'une impulsion de stimulation, puis il revient lentement en l'état initial, tandis que 'lé condensateur relié à l'électrode se recharge. Pendant ce processus de recharge, des signaux d'activité cardiaque peuvent être masqués.Dans le cas typique, le potentiel sur ltélectrode de stimulation, par rapport à l'électrode indifférente (terre), peut être de plusieurs centaines de millivolts pendant le cycle de charge, alors que l'activité cardiaque du coeur peut se traduire par un signal de plusieurs millivolts seulement. les filtres utilisés avec des circuits de détection de stimulateurs cardiaques typi aues sont conçus pour rejeter le signal de courant de charge, tout en atténuant au minimum des signaux qui reflètent une activité cardiaque. Mais il existe ordinairement une période "aveugle11 au début du cycle de détection, immédiatement à la suite de la production d'une impulsion de stimulation. Cette période peut durer 50 à 100 millisecondes et elle peut être encore plus longue.

le problème 'est pas particulièrement grave dans le cas d'une stimulation monocavitaire, car l'activité cardiaque doit être ignorée par le circuit détecteur pendant la "période réfractaire" du coeur, qui est typiquement au moins aussi longue que la période aveugle. Nais le problème peut être beaucoup plus sérieux dans le cas d'un stimulateur bicavitaire, dans lequel il ne peut pas être prévu des paires d'électrodes complèter3ent indépendantes pour les deux cavités et où il peut arriver que l'activité cardiaque dans l'une des cavités du coeur doive être détectée peu après qutulze impulsion a été appliquée à l'autre cavité; dans un tel cas, une charge rapide est importante, afin de réduire la durée de la période aveugle.

Certes, il existe des stimulateurs de tissus qui sont équipés d'étages de sortie à couplage en continu. Un stimulateur de croissance osseuse, par exemple, applique un courant continu à une zone de fracture où l'on veut que la croissance csseuse soit accentuée. Il va de soi qu'un étage de sortie à courant continu est obligatoire dans un tel cas. les stimulateurs de tissus ici considérés sont ceux qui appliquent des signaux à variation rapide, à savoir un signal quelconque (de courant alternatif, par impulsion, etc.) qui varie de façon appréciable (de minière à avoir un effet biologique) en moins de 10 secondes.

Un stimulateur typique de ce genre est le stimulateur cardiaque, dans lequel des impulsions de stimulation sont produites à une cadence de l'ordre d'une par seconde.

La présente invention a pour but général de fournir un étage de sortie à couplage en continu pour un stimulateur biologique à signal rapide, de manière à éliminer la nécessité d'un condensateur de couplage et les inconvénients qui sty rattachent.

En dépit des inconvénients précités de l'emploi d'un condensateur de couplage, le fait par exemple d'omettre le condensateur de couplage de sortie mérite presque l'anathème de la part des spécialistes des stimulateurs cardiaques. Voir par exemple
Fisher et al., "Pacemaker Failures Characterized by Continuous
Direct Curent Leakage, The American Journal of Cardiology, juin 1976. L'idée qu un capaciteur de couplage est obligatoire, est tellement enracinée dans les esprits des projeteurs de stimulateurs cardiaques, qu'apparemment on ne se pose guère la question, m8me maintenant, de savoir si le condensateur est réellement nécessaire. Or, une analyse approfondie remet en question, non seulement la nécessité du condensateur de couplage, mais aussi sa capacité de remplir le rôle qu'il est censé avoir.

Dans tout stimulateur biologique à signal rapide, l'électro- de de stimulation au moins est implantée au voisinage immédiat des tissus à stimuler. L'électrode indifférente peut être implantée tout près, ou elle peut être implantée dans des tissus à distance. Isatis le courant du signal s'écoule nécessairement entre les électrodes.Ce qui se produit, c'est qu'un courant d'électrons dans les conducteurs des électrodes se transfor#ae & j un con#nt n' ions aux interfaces avec l'électrolyte du corps (les liquides physiologiques sont salins par nature). L pédance équivalente au niveau d'une interface électrode/électrolyte n'est pas du m#:'e type que celle du tissu biologique #ui-mêrne entre les électrodes, cette dernière pouvant être représentée comme une résistance discrète. A l'interface de chaque électrode, l'impédance est réellement un réseau RC distribue - c'est-à-dire un nombre infini de résistances montées en série, avec un condensateur effectif monté en parallèle sur chaque résistance.C'est le circuit équivalent que parcourt une impulsion de courant de stimulation et la capacitance distribuée se charge. Afin de réduire à un minimum les effets électrochimiques, il ne doit pas y a avoir de transfert de charge nette aux tissus. Cela exige que la charge accumulée à l'interface electrode/électrolyte soit récupérée. le condensateur de couplage, en assurant qu'il n'y aura pas de passage de courant net, donne théoriquement lieu à une récupération totale de la charge.

Toutefois, un passage de courant net égal à zéro à travers le condensateur de couplage - ou les conducteurs d'électrodes, puisqu'ils sont en série avec le condensateur - n'est pas réel lenrent la chose importante à prendre en considération. En théorie, une charge est accumulée dans la capacitance distribuée à chaque interface électrode/électrolyte, et cette charge est récupérée à la suite de l'impulsion de stimulation, lorsque le condensateur d'accumulation de charge est rechargé au moyen de la pile et qu'un courant passe dans le sens opposé le long des conducteurs d'électrodes. Nais le fait qu'il n'y a pas de courant net à travers le condensateur de couplage ne veut pas dire qu'il ne s'est pas produit de courant d'ions dans le tissu stimulé.

A un niveau purement abstrait, on considèrera le cas d'une impulsion de courant de 10 milliampères, durant une seconde, qui est délivrée à travers les électrodes. On supposera en outre que le passage de courant dans le sens inverse puisse être commandé activement, de telle manière qu'il ait la même durée et la même grandeur. Un signal de courant à onde rectangulaire syrétriaue passerait à travers les électrodes, le courant moyen à travers le condensateur de couplage étant nul. Lorsque le courant passe dans un sens, une charge est accumulée dans la capacitance distribuée aux interfaces électrode/électrolyte. Iíais cette charge nty "séjourne" pas jusqu'à ce qu'elle soit récupérée par un courant qui passe dans le sens opposé.Au lieu de cela, une partie de la charge se disperse hors de la capacitance distribuée, par-t court le tissu biologique et est irrémédiablement "perdue". Lorsqu'une impulsion de -courant identique est amenée à passer dans le sens opposé, la charge résiduelle dans la capacitance distribuée est récupérée. Mais étant donné qu'une partie de la charge initiale s'est dispersée, le reste de la charge "récupérée" doit être retrouvé ailleurs dans le tissu. Le courant net à travers le condensateur de couplage est nul, mais il y a en fait deux courants d'ions ~"indésirés" dans le tissu - l'un qui est dû à la dispersion initiale et l'autre qui est dû à la "récupération" compensatrice de la charge qui a été perdue.La dispersion initiale est indésirable, mais on ne gagne rien à essayer de régler le problème en le compliquant par un courant d'ions supplémentaire à travers le tissu. Aucun dommage produit par la dispersion n'est compensé; au lieu de cela, le courant d'ions compensateur ne fait qu'accentuer le dommage. La charge nette à travers le condensateur de couplage est nulle, mais le courant d'ions net ou trans-' fert de charge ne l'est pas. C'est vraiment un cas où deux maux ne font pas un bien.

En bref, le meilleur "bilan de charge" possible (transfert de charge nette minimal) dans le tissu n'est pas nécessairement réflété par un passage de courant net égal à zéro à travers les électrodes.

On considèrera maintenant un autre exemple, dans lequel il n'est pas fait usage d'un condensateur de couplage, c'est-#-dire que l'étage de sortie est couplé en direct aux électrodes, exemple qui illustre les principes de l'invention. Une impulsion de stimulation peut avoir une aiaplitude de 10 milliampères et une curée de 0,5 millisecondes. On supposera qu'au lieu de laisser un conr?#ensateur de couplage se recharger à travers les électrodes jusqu'à ce que le produit courant-temps ou intégrale soit égal à 5 milliampères-millisecondes, les conducteurs d'électrodes sont court-circuités mutuellement.Des expériences ont montrez que quelque 99 % de la charge délivrée à travers les électrodes au cours de l'impulsion de stimulation sont récupérés pendant les 8 premières millisecondes à la suite du court-circuitage des électrodes par les conducteurs. Cela signifie que le passage de courant net dans le tissu n'est que de l'ordre de 1 ffi du courant d'impulsion de crête.

Dans le cas où un condensateur de couplage est utilisé, la récupération de la charge est relativement lente, du fait que le retour du condensateur de couplage à l'alimentation à pile s'effectue ordinairement par l'intermédiaire d'une résistance.

Pendant la période relativement longue de récupération de la charge, par exemple de 100 millisecondes, une partie de la charge dans la capacitance distribuée continue à se dissiper, ce qui fait que cette charge ne peut être "récupérée" que par un courant d'ions supplémentaire dans le tissu, vers la fin du processus de récupération de la charge.C'est le condensateur lui-m8me qui provoque ce courant d'ions indésirable, car la seule manière de parvenir à un passage de courant net égal à zéro à travers le condensateur est qu'il se produise un courant d'ions supplémentaire afin de compenser la charge qui s'est dissipée à partir de la capacitance distribuée. Mais si les conducteurs d'électrodes sont mutuellement court-circuités, il se produit une rapide décharge de la capacitance distribuée à travers le court-circuit.

1.

La décharge est suffisammenX rapide pour que, comme on l'a indiqué ci-dessus, 99 % environ de la charge sont récupérés en l'espa- ce de 8 millisecondes. Bien que 1 # environ de la charge se soit dissipé à partir de la capacitance distribuée et ait produit ses dommages, non seulement il y a moins de dissipation du fait que la décharge de la capacitance distribuée est rapide, mais les dommages ne sont pas réparés en provoquant un mourant d'ions, parfaite:#ent inutile, dans le tissu en sens opposé.

Il n'y a pas de raison impérative pour maintenir les électrodes court-circuitées pendant plus de 8 millisecondes dans ce case On ne peut pas récupérer plus de 99 % de la charge initiale : au cours des 8 premières millisecondes, 1 VQ environ de la charge initiale s'est dissipé et ne peut pas être récupéré.

Le courant qui passe en sens inverse tombe à un bas niveau au moment où les 8 millisecondes se sont écoulées. Il peut donc n'y avoir aucune raison de maintenir les électrodes court-circuitées plus longtemps, encore que cela ne fasse pas de mal puisque des électrodes court-circuitées ne peuvent pas provoquer de courant d'ions inutile (la récupération de la charge est passive, et non active).Cela signifie que, non seulement on évite l'utilisation d'un condensateur de couplage, coûteux et volumineux, mais que le temps "aveugle" est considérablement réduit (dans le con- texte d'un stimulateur cardiaque); dès que le circuit de courtcircuitage - ou tout autre dispositif utilisé pour intercomlecter les électrodes et permettre la dissipation passive de la charge - est mis hors service, les électrodes peuvent servir à détecter l'activité cardiaque, sans que le signal résultant ne soit masqué par le passage du courant de recharge du condensateur de sortie (bien qu'il persiste toujours une composante de tension d'interface, due à la charge non récupérable).

Naturellement, les électrodes peuvent être maintenues courtcircuitées de cette manière pendant plus longtemps que 9 millisecondes, afin d'introduire une période réfractaire "automatique" de durée voulue; dans le cas d'un stimulateur cardiaque à inhibition ventriculaire (vvi) typique, le circuit de détection ne doit pas répondre à l'activité cardiaque pendant quelque chose comme 50 millisecondes après qu'une impulsion de stimulation a été produite et le circuit de court-circuitage pour la récupération de la charge est un dispositif commode pour invalider le circuit de détection.En général, on envisage, suivant la présente invention, de court-circuiter les électrodes pendant 0,01 à 400 millisecondes. les petites durées au bas de cette gamme peuvent s'appliquer à un court-circuitage répétitif à l'intérieur d'une salve d'impul sions étroites ou faisant suite par intermittence à une impul- sion avec des périodes de détection intercalaires. En particulier dans le cas d'un stimulateur cardiaque, on préfère une durée de 8 à 50 millisecondes pour la période de court-circuitage.

l'invention est particulièrement intéressante dans son application à des dispositifs implantables, dans lesquels l'élimination d'un composant quelconque, et notamment d'un condensateur volumineux, est désirable. D'autre part, on comprendra aisément que l'invention est extreement avantageuse dans le cas d'un stimulateur cardiaque typique qui est équipé d'une seule source de potentiel. Dans les cas où il est prévu deux sources de polarites opposées, on pourrait penser qu'il est possible d'éviter l'emploi d'un condensateur de couplage en commutant les deux sources de potentiel sur l'électrode de stimulation; l'une des sources servirait à commander l'application d'une impulsion à l'électrode de stimulation et l'autre serait 'ensuite utilisée pour commander la décharge active de la capacitance distribuée.Nais les stimulateurs cardiaques classiques ne sont pas équipés de deux sources : il n'est utilisé qu'une source d-'une seule polarité et on considérait qu'un condensateur de couplage était nécessaire à des fins de compensation de charge. n n'est en fait ni nécessaire, ni même souhaitable, pour les raisons données ci-dessus.

Tout cela n1 implique pas que l'emploi de condensateurs peut être évité. En fait, dans la forme de réalisation choisie à titre d'illustration de la présente invention, on utilise deux gros condensateurs. L'un de ces condensateurs, de 5 à 15 L typiquement, est monté en parallèle sur la pile, afin de stabiliser les bus de potentiel. Ce condensateur n'a rien à voir avec la délivrance d'impulsions de stimulation ou avec la récupération de la charge et stil est utilisé, c'est pour que les transitoires résultant des impulsions de stimulation n'affectent pas l'alimentation des autres circuits du stimulateur. Un second condensateur, de 15 ç typiquement, sert à accumuler la charge qui doit être délivrée lors de l'application d'une impulsion de stimulation.

Une pile ordinaire utilisée dans un stimulateur cardiaque n'est pas en mesure de fournir le courant relativement fort qui est nécessaire pour une impulsion de stimulation. La technique classique pour obtenir ce courant relativement fort consiste à charger un condensateur d'accumulation à partir de la pile, et à décharger rapidement le condensateur dans les conducteurs d'électrodes toutes les fois qu'une impulsion de stimulation stimpose. n est ici fait également usage d'un tel condensateur, mais il ne s'agit pas d'un condensateur de couplage :: en effet, bien qu'il délivre directement une impulsion de stimulation à l'électrode de. stimulation, la charge n'est pas récupérée à travers lui à la fin de l'impulsion Le condensateur ne se recharge pas à travers les électrodes entre les impulsions de stimulation
Au lieu de cela, le condensateur se charge de nouveau,- en préparation d'une autre impulsion de stimulation, à travers un circuit du stimulateur q1i net fait pas intervenir un passage de courant à travers les conducteurs d'électrodes.La compensation de la charge est effectuée par court-circuitage mutuel des deux électrodes. le condensateur d'accumulation ne remplit pas le rôle de condensateur de couplage, car tous les courants qui parcourent le conducteur de stimulation ne passent pas à travers -lui.

Un stimulateur cardiaque classique de l'état antérieur de la technique comprend souvent un circuit "douEleur de tension".

Un tel circuit implique 1?utilisation de deux gros condensateurs d'accumulation (en plus du troisième condensateur de filtres monté en parallèle sur la pile). les deux condensateurs sont chargés séparément au potentiel de la pile, l'un des condensateurs étant un condensateur de couplage et étant donc chargé à travers les conducteurs d'électrodes pour des raisons de compensation de charge. Lorsqu'unie impulsion de stimulation 'est nécessaire et si l'on désire une impulsion de double grandeur, les deux condensateurs sont raccordés en série aux conducteurs d'électrodes.Dans la forme de réalisation décrite à titre d'illustra- tion de l'invention, il est également pris des dispositions pour un doublage de la tension; Nais au lieu d'utiliser deux gros codensateurs d'accumulation de 30 F, il n' est utilisé qu'un composant de 15 F, en combinaison avec un petit condensateur de "pompage", typiquement de 0,1 F qui règle, aux bornes du condensateur d'accumulation, un potentiel égal au double de l'alimentation de la pile.Le résultat net en est qu'on peut supprimer un gros condensateur et que l'autre peut être réduit à la moitié. Mais même si lton utilisait deux gros condensateurs pour obtenir un doublage de la tension, le fait qu'on n'utilise ni l'un ni l'autre pour commander la compensation de charge évite un courant d'ions indésirable dans les tissus biologiques.

En d'autres termes, il vaut mieux, d'un point de vue physiologi que prévoir un couplage en continu même si cela ne se traduit pas par une réduction nette des composants, sans parler du fait que l'emploi du couplage en courant continu permet de réduire considérablement la durée de la période aveugle.

Une expérience effectivement menée a consisté à placer les électrodes dans une solution saline à 9 g/litre pour simuler le tissu biologique. Des impulsions de 10 milliampères, durant une demi-milliseconde, ont été produites à une cadence d'une par seconde, et le courant net dans les conducteurs a été mesuré pour différentes périodes de court-circuitage à la suite de l'application de chaque impulsion. Le tableau suivant indique le courant net, c'est- < -dire le déséquilibre de charge, pour différentes périodes de court-circuitage.

Période de court-circuitage Courant net
1 ms 1,40
1,75 ms 0,62 UA
2 ms 0,44 yA
2,75 ms 0,15 9
3,2 ms 0,13 o
5 ms 0,07 FA
8 ms 0,04 o
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée qui suit, donnée en référence aux dessins ci-annexés.

La fig. 1 représente la forme de réalisation choisie à titre d'illustration de l'invention.

La fig. 2 représente une partie de l'étage de sortie à couplage en alternatif d'un stimulateur typique de l'état antérieur de la technique.

L'étage de sortie du stimulateur de l'état antérieur de la technique, représenté sur la fig. 2, comprend une source de potentiel de 3 volts 72, avec un condensateur de filtrage 68 monté en parallèle sur elle. les deux bus de tension assurant l'alimentation du circuit du stimulateur sont désignés par V+ et V-; le condensateur 68 a typiquement une valeur de 5 à 15 et son emploi est nécessaire, conne on lla vu ci-dessus, pour des raisons autres que la délivrance des impulsions de stimulation ou l'équilibrage de la charge.

Le reste du circuit représenté sur la fig. 2 est l'étage 'de sortie proprement dit : les circuits servant à la détection de l'activité cardiaque et à la synchronisation des impulsions de stimulation n'ont pas été représentés. Entre des impulsions de stimulation, les deux transistors ll et 19 sont maintenus à l'état bloqué. le condensateur 15 se charge entre les deux bus de potentiel, à travers des résistances 13 et 17, le côté droit du condensateur étant négatif par rapport à son côté gauche bien avant qutil n'y ait besoin de produire une impulsion de stimulation.En même temps, un condensateur 25 est lui aussi chargé activement à travers une résistance 23, les conducteurs des électrodes de stimulation et indifférente, les deux électrodes et le tissu cardiaque. C'est pendant cette période que la charge est récupérée à partir de la capacitance distribuée au niveau de l'interface électrode/électrolyte, le côté droit du condensateur 25 se chargeant à un potentiel négatif par rapport à son côté droit. Une diode Zener 70 est la diode classique de protection pour éviter qu'un potentiel excessif n'apparaisse entre les deux électrodes, et il n'y a pas lieu de la considérer davantage ici.

Lorsqu'unie impulsion de stimulation doit être délivrée, une impulsion positive est appliquée à la base du transistor 11. le transistor passe à 11 état de conduction et court-circuite à travers lui le côté gauche du condensateur 15 vers le bus de tension négative. le pas de potentiel négatif est transmis, à travers le condensateur 15, à l'émetteur du transistor 19, ce qui fait que ce transistor passe également à l'état de conduction. les condensateurs 15 et 25 sont désormais raccordés en série entre les électrodes indifférente et de stimulation et une impulsion négative est appliquée à l'électrode de stimulation pour stimuler le coeur.

A la fin de l'impulsion, le transistor'll passe à l'état de blocage et, de la sorte, le transistor 19 passe lui aussi à l'état de blocage. le condensateur 15 se recharge alors à travers les résistances 13 et 17, tandis que le condensateur 25 se recharge à travers la résistance 25 et le tissu cardiaque (la résistance 23 a typiquement une valeur de 15E; celle-ci ne doit pas être trop élevée, sinon il faudrait trop de temps pour charger le condensateur 25). Cette technique de charge de chacun des condensateurs au plein potentiel d'alimentation, puis de leur raccordement en série lorsqu'une impulsion de stimul'ation doit être délivrée, se traduit par une amplitude de l'impulsion qui est double de l'amplitude de la pile.Chacun des condensateurs a une valeur de 30 , les deux condensateurs ayant donc une capacitance équivalente de 15 y lorsqu'ils sont connectés en série pour délivrer une impulsion de stimulation.

le condensateur 25 remplit deux fonctions. En premier lieu, c'est l'un des deux condensateurs d'accumulation utilisés pour obtenir un doublage de tension et accumuler une charge suîfisa~te pour une forte impulsion de courant. En second lieu, le condensateur 25 sert de condensateur de couplage en courant alternatif.

Etant donné que le courant net à travers le condensateur doit être nul, le passage de courant net à travers les électrodes est forcément nul. Nais comme on l'a vu précédemment, en dépit dufait qu'un condensateur de couplage était jugé nécessaire, il n'en résulte pas un équilibrage de la charge.En fait, alors quin équilibre parfait de la charge n'est pas possible en raison de la dissipation à partir de la capacitance distribuée au niveau de chaque interface électrode/électrolyte, le condensateur 25 donne lieu en réalité à un courant d'ions inutile au niveau des interfaces électrode/électrolyte. Pour obtenir un passage de courant net égal à zéro, on provoque un transfert net de charge plus important que celui qui se produirait autrement.

On pourrait penser que le condensateur 25 est nécessaire pour une autre raison, à savoir empêcher l'application d'un potentiel de courant continu ininterrompu à l'électrode de stimulation en cas de défaillance des transistors de commutation du stimulateur. Blais les commutateurs sont d'habitude plus fiables que le condensateur, en particulier dans le cas d'un stimulateur à circuit intégré.

le stimulateur de la fig. 1 est représenté sous une forme plus complète que le stimulateur de l'état antérieur de la technique qui apparaît sur la fig. 2 : tous les composants nécessaires pour un stimulateur en ordre de arche ont été représentés, bien que certains de ces composants soient indiqués sous forme schématique par blocs, pour la raison qu'ils sont bien connus des spécialistes. Bes électrodes de stimulation et indifférente sont reliées à des conducteurs respectifs 6-6, 64, la même diode Zener 70 étant placée entre elles.A la différence de la résistance 23 de la fig. ls la résistance 62 est un composant de haute impédance, typiquement 100K, car elle ne sert pas# pour recharger m1 condensateur d'accumulation, le condensateur 68 de la fig. 1 a la même fonction que le condensateur 68 de la fig. 2 : c1 est un condensateur de filtre pour l'alimentation de 3 volts. le condensateur 36 de la fig. 2 est le condensateur d'accumulation qui provoque la délivrance d'une impulsion de stimulation lorsqu'il se décharge. Toute la charge délivrée à l'électrode de stimulation provient de ce condensateur. Ainsi, alors que deux condensateurs 15 et 25 de 30 f sont utilisés dans le circuit de l'état antérieur de la technique représenté sur la fig. 2, donnant une capacitance série équivalente de 15 , le conuensateur 36 a besoin d'avoir une valeur de 15 ç seuleruent. Ce condensateur, qui est chargé au double du potentiel de 12 pile comme on le verra ci-après, délivre une impulsion de courant de stimulation de même forme que celle des deux condensateurs de 30 F dans le circuit de la fig. 2.Le cordensateur 30 de la fig. 1 est un très petit condensateur de "pompage" de 0,1 g. Comme on le verra, ce condensateur sert à amener par pompage le condensateur 36 à un potentiel qui est égal au double de celui de l'alimentation.

L'amplificateur 48 est un amplificateur de détection classique qui répond à l'activité cardiaque dans le coeur; il détecte un battement naturel du coeur. le signal de sortie du rythmeur 50 est normalement bas. Le stimulateur fonctionne "à la demande" (mode VVI), en ce sens qu'une impulsion de stimulation n'est produite que quand elle est nécessaire.Si le rythmeur 50 est récolé de manière à assurer une cadence de stimulation de 60 battemente par minute, le signal de sortie du rythmeur restera bas tant que des battements naturels du coeur sont détectés au moins une fois par' seconde. Mais toutes les fois qu'une seconde s'écoule sans au'un battement naturel du coeur ne soit survenu, le signal de sortie du rythasur 50 devient haut pendant 0,5 millisecondes. n en résulte la production d'une impulsion de stimulation.

Tant que le coeur bat normalement et que le signal de sortie du rythmeur est bas, le signal de sortie de l'inverseur 14 est haut, afin de valider l'une des entrées d'une porte NON-ET 12.

l'autre entrée de la porte est raccordée à la sortie d'un oscillateur de 1 kHz 10. Ainsi, le signal de sortie de la porte 12 présente alternativement des impulsions hautes et basses à la fréquence de 1 kHz. lorsque le signal de sortie de la porte est bas, le transistor 20 est maintenu à l'état de conduction et les transistors 18A, 183 sont maintenus à l'état de blocage. Ces deux derniers transistors constituent une porte de transmission classique, un inverseur 16 régissant l'application de niveaux de potentiel opposés aux bornes de cette porte. la sortie de la porte 12 est également reliée# ta l'entrée d'un translateur de niveau 40. Ce dispositif classique opère en délivrant un potentiel bas à sa sortie lorsque son signal d'entrée (le signal de sortie de la porte 12) est bas.Ainsi, lorsque le transistor 20 est à l'état de conduction et les transistors 18A, 183 à l'état de blocage, le translateur de niveau et l'inverseur 42 ont pour effet que les transistors 32A, 32B restent à l'état de conduction et que les transistors 34A, 34B restent à l'état de blocage.

Ainsi, à partir du bus d'alimentation positif, le courant parcourt le transistor 20, le condensateur 30 et les transistors 32A, 32B vers le bus négatif, le condensateur 30 se chargeant et son côté gauche devenant positif par rapport à son côté droit.

La seule raison pour prévoir le trarslateur de niveau 40 est la suivante . afin de lettre complètement à l'état bloqué le transistor 343 à canal , il faut que sa gâchette soit maintenue au potentiel le plus négatif du circuit. Le potentiel le plus négatif n'est pas forcément celui du bus V-, puisque le condensateur 36 se charge au double du potentiel de l'alimentation à pile et qu'en conséquence, le côté inférieur du condensateur devient encore plus négatif que le potentiel V- sur le bus néga- tif.Pour cette raison, le potentiel au côté inférieur du condensateur 36 est appliqué au translateur de niveau 40; lorsque le signal de sortie de la porte NON-ET 12 est bas, le signal de sortie du translateur de niveau est toujours le plus négatif des deux potentiels négatifs appliqué à ses entrées - soit le potentiel V-, soit le potentiel du côté inférieur du condensateur 36.

Lorsque le signal de sortie de la# porte NON-ET 12 est haut, le signal de sortie du translateur de niveau 40 est à un potentiel égal à celui du bus V+.

les signaux de sortie du translateur de niveau et de lin- verseur 42 maintiennent à l'état de blocage la porte de transmission constituée par les dispositifs 34A, 34B, lorsque la porte de transmission constituée par les dispositifs 32A, 32B est à l'état de conductîçn. Ainsi, pendant la charge du condensateur 30, ce condensateur 30 n'est pas couplé au condensateur 36.

Pendant une demi-periode sur deux du çonctionlzement de l'oscillateur, le signal de sortie de la porte 12 est haut. le haut potentiel appliqué à la gâchette du dispositif 20 maintient celui-ci à l'état de blocage. A ce moment, les dispositifs 32A, 32B sont également à l'état de blocage et ce sont maintenant les dispositifs 18A, 18B, 34A et 343 qii sont à l'état de conduction. En conséquence* il existe, entre les bus V+ et V-, une
Jonction en série comprenant les condensateurs 30, 36 et deux portes de transmission. La charge du condensateur 30 est transférée au condensateur 36 et la tension aux bornes de ce dernier s'élève. La montée s1 effectue par pas successifs.Pendant une demi-période sur deux, le condensateur AO est chargé. Entre ces demi-périodes, la charge du condensateur 30 est transférée au condensateur 36. Du fait que le condensateur 30 est chargé de telle manière que son extrémité de gauche devienne positive par rapport à son extrémité de droite, chaque fois que la charge est délivrée au condensateur 36, 11 extrémité inférieure #de celui#-ci devient négative par rapport à son extrémité supérieure. Les variations de tension aux bornes du condensateur 36 deviennent de plus en plus petites au fur et à mesure que le condensateur 36 se charge, mais le condensateur 36 se charge' au double de l'alimentation à pile en beaucoup moins de temps qu'une seconde.

Lorsque le circuit amplificateur de détection décide qu'une impulsion de stimulation s1 impose, le signal de sortie du rythmeur 50 devient haut pendant 0,5 millisecondes. Le signal de sortie de l'inverseur 14 devient bas et le signal de sortie de la porte 12 devient haut. Celui-ci provoque à son tour le passage au niveau haut du signal de sortie du translateur de niveau 40, pour valider l'une des entrées de la porte 44. L'autre entrée de cette porte est reliée directement à la sortie du rytnrneur 50, ce qui fait que le signal de sortie de la porte 44 devient haut pendant 0,5 millisecondes. Btant donné que la sortie de la porte est raccordée à la gâchette du. transistor 38, te dernier passe à ltétat de conduction et la charge du condensateur d'accumulation 36 est délivrée à travers ce dispositif à l'électrode de stimula tion, le courant parcourant le tissu cardiaque et l'électrode indifférente vers l'alimentation V+. La durée de l'impulsion, pendant laquelle le condensateur 36 se décharge, est de 0,5 millisecondes, puisque c'est le temps pendant lequel le signal de sortie de la porte 44 reste haut On notera que le transistor 38 est un dispositif 50N, ce qui veut dire que sa résistance en conduction" est 50 fois plus petite que les résistances en conduction" des autres transistors jusqu'ici considérés.Une très faible résistance des conducteurs d'électrodes est souheita- ble au moment où une impulsion de stimulation doit être appliquée au coeur du patient, et c'est la raison pour laquelle le transistor 38 est un gros dispositif.

Pendant le temps où une impulsion de stimulation est délivrée' le signal de sortie de la porte 12 est haut. Ainsi, le condensateur 36 est connecté non seulement au conducteur de l'électrode de stimulation par l'intermédiaire du transistor 38, mais aussi au bus d'alimentation négatif par l'interrlédiaire de la porte de transmission 34A, 343, du condensateur 30 et de la porte de transmission 18A, 183. Nais cela n'a aucune importance, Car le courant qui est détourné du conducteur de l'électrode de stimulation vers la condensateur 30 est négligeable, en raison de la dimension relativement petite du condensateur 30.

Un générat##eur d'impulsions 46 est déclenché au niveau du# flanc arrière de l'impulsion positive de 0,5 millisecondes qui est appliquée à son entrée. Lorsque le générateur dtimpulsions est déclenché, il produit une impulsion négative dont la durée fixe le temps pendant lequel les conducteurs d'électrodes 64, 66 sont court-circuités mutuellement, de telle manière que la charge accumulée dans la capacitance distribuée au niveau des interfaces électrode/électrolyte puisse être récupérée. Le signal de sortie du générateur d'impulsions est appliqué à la gâchette du transistor 60 et lorsque le signal de sortie du générateur dsir.pulsions devient bas, ce dispositif passe à l'état de conduction.Le transistor est lui aussi largement dimensionné : il présente une impédance "en conduction" très basse, de telle manière que la décharge de la capacitance distribuée, ou récu pérabicn de la charge, se rroduise le plus rapidement possible à travers les conducteurs d'électrodes court-circuités. Dès que le signal de sortie du générateur d'impulsions redevient haut, le transistor 60 passe à l'état de blocage. La durée du court cîrcuitage des conducteurs d'électrodes est indépendante de la recharge du condensateur 36.A la fin de l'impulsion de stimulation de 0,5 millisecondes, le signal de sortie de la porte 44 devient bas, ce qui fait que le transistor 38 passe à l'état de blocage. Cela isole les deux conducteurs d'électrodes du reste du circuit, qui commence immédiatement à recharger par pompage le condensateur 36 en préparation d'une autre impulsion de stimulation.

On notera que tandis que les deux conducteurs d'électrodes sont court-circuités mutuellement, l'amplificateur de détection 48 est invalidé. Bien qu'on ne l'ait pas indiqué, il est entendu que cet amplificateur répond aux différences de potentiel entre le conducteur de stimulation et le conducteur indifférent~, et ia détection est inhibée tandis que ces conducteurs sont courtcircuités mutuellement.Dars un stimulateur opérant à la demande de type classique, une période réfractaire absolue d'environ 100'mîllisecondes est souhaitable : l'amplificateur de détection ne doit pas "déceler" une activité cardiaque qui résulte de l'impulsion de stimulation elle-meme et il ne faut pas non plus que cette impulsion de stimulation soit détectée et interprétée comme un battement naturel du coeur.La com#tnde de la période réfractaire est "automatique", en ce sens qu'il n'y a lieu de prévoir aucun circuit supplémentaire pour invalider l'amplificateur de détection, tandis que les conducteurs sont court-circuités mutuel liment. Pour un stimulateur W I classique, la durée de l'impulsion à la sortie du générateur d'impulsions 46 pourra être reliée à une valeur aussi élevée que DOO Dillisecondes. Dans d'autre cas où une courte période réfractaire est souhaitée, l'impulsion sera plus brève. Comme on l'a exposé précédemment, une impulsion dont la durée est aussi courte que 8 millisecondes donne encore lieu à une récupération pratiquement totale de la charge.

Il convient de souligner l'importance d'une basse impédance "en conduction" pour le transistor 60. I;ême si le transistor est maintenu à l'état de conduction pendant 300 millisecondes, ce que l'on désire, c'est une récupération rapide de la charge. Comme on l'a vu, l'un des problèmes posés par les circuits des stimu lateurs de l'état antérieur de la technique est que pendant la récupération effective de la charge, il se produit une dissipation à partir de la capacitance distribuée et que la charge qui se dissipe ne peut pas être récupérée.Les circuits de l'état antérieur de la technique provoquent sans nécessité un courant inverse d'ions qui ne sert en réalité à rien d'autre qu'à établir un courant net égal à zéro à travers les électrodes, ce qui n'a aucune utilité en soi. Dans le cas du circuit de la fig. b bien qu'une charge non dissipée à partir de la capacitance distribuée au niveau des interfaces électrode/électrolyte ne donne pas lieu à un courant inverse d'ions, inutilement compensateur, du fait que le processus d'équilibrage de la charge est passif (courtcircuitage des électrodes) plutôt qu)'actif, il est néanmoins désirable de réduire à un minimum la dissipation de la charge.

C'est la raison pour laquelle le court-circuitage le plus efficace des conducteurs d'électrodes est souhaitable, et cela est obtenu en prévoyant une très basse impédance "en conduction" pour le dispositif 60.

Les commutateurs 38 et 60 doivent avoir tous deux des impédances "en conduction" de moins de 200 ohms. les commutateurs, de même que la pompe du condensateur, sont-décrits en détail dans la demande de brevet en attente de la même Demanderesse n ...

déposée à la même date que la présente et intitulée "Etage de sortie à couplage en continu pour stimulateur biologique à signal rapide", demande de brevet qui est ici incluse à titre de référence.

L'invention a été décrite à propos d'une forme de réalisation particulière, mais il est bien entendu que cette forme de réslisation n'est qu'une illustration de l'application des principes de l'invention. De nombreuses modifications peuvent y être apportées et d'autres dispositifs peuvent être conçus, sans que lton s'écarte pour autant de l'esprit et de la portée de l'invention.

Claims (27)

REVENDICATIONS

1. Stimulateur cardiaque, comprenant une alimentation à pile, une paire d'électrodes (IND, STIM) pour appliquer une impulsion de stimulation au coeur du patient, des moyens (48) raccordés à l'une au moins de ces électrodes pour détecter l'activité cardiaque, des moyens (36) condensateurs d'accumulation (15-25), des moyens (50, 38, 44) qui répondent aux moyens détecteurs en décidant de la nécessité dune impulsion de stimulation et, en réponse à cette décision, en connectant les-moyens condensateurs d'accumulation (36) aux électrodes pour appliquer une impulsion de stimulation au coeur du patient, des moyens (10, 12, 20, 16, 18A, 18B, 30, 32A, 32B, 34A, 34B) pour charger les moyens condensateurs d'accumulation à partir de l'alimentation à pile à la suite de l'application d'une impulsion de stimulation au coeur du patient, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (46, 60) qui interviennent à la suite de l'application dlune impulsion de stimulation au coeur du patient en couplant directement les électrodes l'une à l'autre et indépendamment de l'alimentation à pile, afin de permettre que la charge accumulée dans les interfaces entre les électrodes et les tissus du malade en conséquence de l'impulsion de stimulation soit récupérée dans une large mesure à travers les électrodes.

2. Stimulateur cardiaque selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de couplage (46, 60) interviennent pendant-une durée se situant dans la plage de 0,01 à 400 millisecondes.

3. Stimulateur cardiaque selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de connexion (38) déconnectent les moyens condensateurs (36) d'accumulation des électrodes en même temps que l'intervention des moyens de couplage (60), de telle manière que les moyens condensateurs d'accumulation puissent être chargés à partir de l'alimentation à pile, pendant que la charge accumulée dans le coeur du patient est récupérée travers les électrodes.

4. Stimulateur cardiaque selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de couplage (60) court-circuitent mutuellement les électrodes.

5. Stimulateur cardiaque, comprenant des moyens à électrodes (IND, STIM) pour délivrer un courant de stimulation au coeur d'un patient, des moyens (48) pour détecter l'activité du coeur, des moyens de commande (36, 50, 38, 44) qui répondent aux moyens détecteurs en décidant de la nécessité d'un courant de stimulation et, en réponse à cette décision, en provoquant le passage d'un courant de stimulation à travers les moyens à électrodes, caractérisé par des moyens (46, 60) qui interviennent à la suite de l'opération des moyens de commande en rendant possible une décharge passive de la capacitance distribuée dans le coeur du patient.

6. Stimulateur cardiaque selon la revendication 5i caractérisé en ce que les moyens (46, 60) rendant possible la décharge interviennent pendant une durée se situant dans la plage de 0,01 à 400 millisecondes.

7. Stimulateur cardiaque selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens à électrodes sont constitués par deux électrodes et en ce que les moyens (46, 60) rendant possible la décharge interviennent en court-circuitant mutuellement ces deux électrodes.

8. Stimulateur cardiaque selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est alimenté à partir d'une seule source de potentiel (72) et en ce que les moyens de commande (36, 30, 38, 44) agissent en ne faisant passer le courant à travers les moyens à électrodes que dans un seul sens.

9. Stimulateur cardiaque selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens détecteurs (48) sont connectés aux moyens à électrodes et sont mis dans l'incapacité de détecter l'activité du coeur pendant que les moyens (46, 60) rendant possible la décharge interviennent.

10. Stimulateur cardiaque selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens (46, 60) rendant possible la.

décharge interviennent pendant une durée se situant dans la plage de 0,01 à 400 millisecondes.

11. Stimulateur cardiaque selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens à électrodes sont constitués par deux électrodes (IND, STIM) et en ce que les moyens rendant possible la décharge interviennent en court-circuitant mutuellement ces deux électrodes.

12. Stimulateur cardiaque selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il est alimenté à partir d'une seule source de potentiel (?2) 'et en ce que les moyens de commande (36, 50, 38, 44) agissent en ne faisant passer le courant à travers les moyens à électrode que dans un seul sens.

13. Stimulateur de tissus biologiques, destiné à appliquer un signal à variation rapide à un site qui doit subir un minimum de transfert net de charge, comprenant des moyens à électrodes (IND, STIM) pour appliquer un courant de stimulation audit site, des moyens de commande (48, 36, 50, 38, 44) pour provoquer le passage d'un courant de stimulation à couplage en continu et à variation rapide à travers les moyens à électrodes, et des moyens (46, 60) qui interviennent à la suite de l'opération des moyens de commande en rendant possible une décharge passive de la capacitance distribuée au niveau dudit site.

14. Stimulateur de tissus biologiques selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens (46, 60) rendant possible la décharge interviennent pendant une durée se situant dans la plage de 0,01 à 400 millisecondes.

15. Stimulateur de tissus biologiques selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens à électrodes sont constitués par deux électrodes et en ce que les moyens (46, 60) rendant possible la décharge interviennent en court-circuitant mutuellement ces deux électrodes.

16. Stimulateur de tissus biologiques selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il est alimenté à partir d'une seule source de potentiel (72) et en ce que les moyens de commande (48, 36, 50, 38, 44) agissent en ne faisant passer le courant a travers les moyens a électrodes que dans un seul sens.

17. Stimulateur de tissus biologiques selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens de commande (48, 36, 50, 38, 44) sont mis dans l'incapacité d'opérer pendant que les moyens rendant possible la décharge interviennent.

18. Stimulateur de tissus biologiques selon la revendication 17, caractérisé en ce que les moyens (46, 60) rendant possible la décharge interviennent pendant une durée se situant dans la plage de 0,01 a 400 millisecondes.

19. Stimulateur de tissus biologiques selon la revendication 18, caractérisé en ce que les moyens électrodes sont constitués par deux électrodes, et en ce que les moyens (46, 60) rendant possible la décharge interviennent en court-circuitant mutuellement ces deux électrodes.

20. Stimulateur de tissus biologiques selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il est alimenté à partir d'une seule source de potentiel (77) et en ce que les moyens de commande (48, 36, 50, 38, 44) agissant en ne faisant passer le courant a travers les moyens à électrodes que dans un seul sens.

21. Circuit de sortie pour un stimulateur de tissus biologiques destiné a stimuler un site pour lequel on désire un faible transfert net de charge, comprenant une paire d'élect rodes (IND, STIM) pour faire passer un courant a travers ledit site, des moyens (36) accumulateurs de charge, des moyens (38) pour connecter les moyens accumulateurs de charge en série avec la paire d'électrodes lorsqu'un courant de stimulation doit être délivré, et des moyens (60) pour coupler les électrodes entre elles a la suite de l'intervention des moyens connecteurs.

22. Circuit de sortie selon la revendication 21, caractérisé en ce que les moyens (38) de connexion sont montés entre les moyens d'accumulation de charge et l'une des électrodes, et en ce que les moyens de couplage (60) couplent l'autre des électrodes au point de jonction entre les moyens de connexion et la première électrode.

23. Circuit de sortie selon la revendication 22, caractérisé en ce que les moyens de couplage (60) interviennent pendant une durée se situant dans la plage de 0,01 a 400 millisecondes.

24. Circuit de sortie selon la revendication 23, caractérisé en ce que le stimulateur est alimenté à partir d'une seule source de potentiel (72) et en ce que les moyens d'accu- mulation de charge (36) ne sont connectés aux électrodes que quand le courant passe a travers les électrodes dans un sens.

25. Circuit de sortie selon la revendication 22, caractérisé en ce que le stimulateur est alimenté à partir d'une seule source de potentiel (72) et en ce que les moyens d'accumulation de charge (36) ne sont connectés aux électrodes que quand le courant passe à travers les électrodes dans un sens

26. Circuit de sortie selon la revendication 21, caractérisé en ce que les moyens de couplage (60) interviennent pendant une durée se situant dans la plage de 0,1 à 400 millisecondes.

27. Circuit de sortie selon la#revendication 21, caractérisé en ce que le stimulateur est alimenté à partir d'une seule source de potentiel (72) et en ce que les moyens d'accumulation de charge (36) ne sont connectés aux électrodes que quand le courant passe à travers les électrodes dans un sens.