FR2607015A1

FR2607015A1 - Method and device for external cardiac stimulation

Info

Publication number: FR2607015A1
Application number: FR8700268A
Authority: FR
Inventors: Alan Henry Belgard; Paul Maurice Zoll; Ross Holman Zoll
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-12-14
Filing date: 1987-01-13
Publication date: 1988-05-27
Anticipated expiration: 2007-01-13
Also published as: FR2607015B1

Abstract

The pain produced by external electrical cardiac stimulation can be reduced by using electrodes 10, 20 fitted with elements 12 coming into contact with the skin, which are non-metallic elements with a large surface area and high impedance. A pulse generator 22 is furthermore used with these electrodes, which generator supplies a constant current without transient points, during an extended pulse, with a duration greater than 5 ms.

Description

PROCèDE ET DISPOSITIF DE STIMULATION CARDIAÇUE E-XTERNE
La présente invention oenoerne la stimulation cardiaque externe.E-XTERNAL HEART STIMULATION PROCESS AND DEVICE
The present invention provides external cardiac stimulation.

La stimulation électrique externe est une technique bien établie, non traumatisante puisqu'elle ne nécessite pas de pénétration dans l'organisme, qui provoque des battements de coeur effectifs pour la réanimation d'urgence de patients se trouvant dans un état d'arrêt de l'activité ventriculaire.Mais, la douleur produite par la stimulation électrique externe de patients conscients a empêché son utilisation généralisée pour la stimulation cardiaque t#r#oraire. La technique qui est la plus largement utilisée à l'heure actuelle pour la stimulation cardiaque temporaire fait intervenir la procédure de mise en place d'un cacheter cardiaque, avec introduction dans l'organisme on place dans le coeur un fil métallique constituant une électrode temporaire. External electrical stimulation is a well-established, non-traumatic technique since it does not require penetration into the body, which causes effective heartbeats for emergency resuscitation of patients in a state of cessation of activity, but the pain produced by external electrical stimulation of conscious patients has prevented its widespread use for cardiac pacing. The technique which is most widely used at present for temporary cardiac stimulation involves the procedure of placing a cardiac seal, with introduction into the body is placed in the heart a metal wire constituting a temporary electrode .

L'inventeur a constaté que la douleur intense qui résulte de la stimulation de nerfs sensoriels locaux pendant la stimulation cardiaque électrique externe peut être éliminée dans une large mesure par l'utilisation d'électrodes ayant des éléments de contact avec la peau non métalliques et de grande surface, ayant des impédances relativement élevées. Il a également constaté que l'inconfort, résultant de fortes contractions des muscles attachés au squelette près des électrodes, peut être réduit en utilisant un générateur d'impulsions électriques qui produit un courant de sortie sensiblement constant et élimine ainsi les pointes de courant élevé qui entrainent des contractions des muscles attachés au squelette, et ce sans affecter la stimulation cardiaque.Il a également trouvé qu'on oeut réduire le courant nécessaire pour la stimulation cardiaque d'environ 30 à 50 %, sans augmenter la contraction de ces muscles du squelette, en augmentant la durée des impulsions de stimulus de 2 ms à 5 à 40 ms. Par conséquent, l'invention se caractérise notamment en ce qu'on produit une stimulation cardiaque électrique externe avec des électrodes comportant des éléments de contact avec la peau, non métalliques, de grande surface et à impédance élevée, - et avec un générateur d'impulsions qui applique aux électrodes une impulsion de courant constant d'une durée supérieure à 5 ms (de préférence 20 à 40 ms).Dans des modes de réalisation avantageux, une inductance est placée près des électrodes pour éliminer les pointes de courant transitoires il existe des moyens destinés à permettre de faire varier la durée de l'impulsion ; un potentiomètre est placé près des connexions des électrodes pour faire varier l'amplitude de l'impulsion ; les diamètres des éléments venant en contact avec la peau sont compris entre 6 et 10 cm pour l'électrode antérieure et entre 8 et 15 cm pour l'électrode postérieure les impédances sont supérieures à 1000 ohms ; les électrodes sont constituées par un disque en métal mince fixé d'un côté a l'élément non métallique venant en contact avec la peau, et connecté de l'autre côté à un conducteur; l'élément venant en contact avec la peau est une feuille d'éponge à base de cellulose d'une épaisseur approximative de 6,4 mm ; le disque est réalisé en acier inoxydable ; et le disque est couvert d'une matière isolante en caoutchouc aux silicones du côté duquel est établie la connexion électrique. The inventor has found that the intense pain which results from stimulation of local sensory nerves during external electrical heart stimulation can be largely eliminated by the use of electrodes having non-metallic skin contact elements and large area, with relatively high impedances. He also found that the discomfort, resulting from strong contractions of the muscles attached to the skeleton near the electrodes, can be reduced by using an electrical pulse generator which produces a substantially constant output current and thus eliminates the high current spikes which lead to contractions of the muscles attached to the skeleton, without affecting cardiac stimulation. He also found that we can reduce the current required for cardiac stimulation by about 30 to 50%, without increasing the contraction of these skeletal muscles. , increasing the duration of stimulus pulses from 2 ms to 5 to 40 ms. Consequently, the invention is characterized in particular in that an external electrical cardiac stimulation is produced with electrodes having non-metallic skin contact elements, of large surface area and with high impedance, - and with a generator. pulses which apply a constant current pulse of more than 5 ms duration (preferably 20 to 40 ms) to the electrodes. In advantageous embodiments, an inductor is placed near the electrodes to eliminate transient current peaks means for varying the duration of the pulse; a potentiometer is placed near the electrode connections to vary the amplitude of the pulse; the diameters of the elements coming into contact with the skin are between 6 and 10 cm for the anterior electrode and between 8 and 15 cm for the posterior electrode the impedances are greater than 1000 ohms; the electrodes consist of a thin metal disc fixed on one side to the non-metallic element coming into contact with the skin, and connected on the other side to a conductor; the element coming into contact with the skin is a cellulose-based sponge sheet with an approximate thickness of 6.4 mm; the disc is made of stainless steel; and the disc is covered with an insulating silicone rubber material on the side of which the electrical connection is established.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels
La figure 1 est une représentation schématique en perspective, partiellement arrachée, d'une électrode correspondant à l'invention ;
La figure 2 est un schéma synoptique montrant les électrodes connectées à un générateur d'impulsions qui est lui-même connecté à un moniteur cardiaque et à des circuits de commande de rythme;
La figure 3 est un schéma des circuits du générateur d'impulsions.The invention will be better understood on reading the following description of an embodiment, given by way of non-limiting example. The following description refers to the accompanying drawings in which
Figure 1 is a schematic perspective view, partially broken away, of an electrode corresponding to the invention;
FIG. 2 is a block diagram showing the electrodes connected to a pulse generator which is itself connected to a heart monitor and to rhythm control circuits;
Figure 3 is a diagram of the pulse generator circuits.

La figure 1 représente une électrode antérieure 10 de 8 cm de diamètre constituée par de l'éponge de cellulose 12 de 6,4 mm d'épaisseur fixée sur une face d'un disque en acier inoxydable mince 14 qui est connecté électriquement à un fil isolé 16 et dont l'autre surface est couverte par une couche isolante en caoutchouc au silicone 18. La couche isolante couvre également les bords du disque 14. L'électrode postérieure 20 (non représentée sur la figure t) est identique à l'électrode 10, à l'exception du fait qu'elle a 12 cm de diamètre. Figure 1 shows an anterior electrode 10 8 cm in diameter consisting of cellulose sponge 12 6.4 mm thick fixed on one side of a thin stainless steel disc 14 which is electrically connected to a wire insulated 16 and the other surface of which is covered by an insulating layer of silicone rubber 18. The insulating layer also covers the edges of the disc 14. The posterior electrode 20 (not shown in FIG. t) is identical to the electrode 10, except for the fact that it is 12 cm in diameter.

En se reportant à la figure 2, on voit les électrodes fixées sur le torse d'un patient et connectées électriquement à un générateur d'impulsions 22. Le signal d'entrée du générateur d'impulsions 22 est un signal de déclenchement (environ 10 V) qui est fourni par des circuits de commande de rythme 24 qui sont d'un type bien connu. Dans un mode synchrone, les signaux QRS des battements du coeur, provenant dùnmoni- teur cardiaque classique 26, commandent le signal de déclenchement ; dans un mode asynchrone, les signaux de déclenchement sont fournis à un rythme uniforme réglable; un interrupteur (non représenté) permet également à l'opérateur de déclencher les signaux manuellement ; et enfin, il existe des moyens destinés à générer un ou plusieurs signaux selon n'importe quelle configuration temporelle complexe désirée.Une commande réglable de limite de rythme dans le mode synchrone évite une stimulation rapide par des signaux de synchronisation QRS à - rythme élevé, et elle permet également de ne produire des stimuli qu'après deux ou trois, ou plus, signaux de synchronisation QRS. Le générateur d'impulsions 22, qu'on envisagera en détail ci-dessous, comprend de façon générale un amplificateur de déclenchement 28, un multivibrateur monostable de définition de largeur d'impulsion, 30, un oscillateur 32, un amplificateur 34, un transformateur d'isolement 36, et un circuit de sortie 38 qui comprend un redresseur, un atténuateur et un filtre. Referring to Figure 2, we see the electrodes attached to the torso of a patient and electrically connected to a pulse generator 22. The input signal from the pulse generator 22 is a trigger signal (about 10 V) which is supplied by timing control circuits 24 which are of a well known type. In a synchronous mode, the QRS signals of the heartbeat, from a conventional cardiac monitor 26, control the trigger signal; in an asynchronous mode, the trigger signals are supplied at an adjustable uniform rate; a switch (not shown) also allows the operator to trigger the signals manually; and finally, there are means intended to generate one or more signals according to any complex time configuration desired. An adjustable rhythm limit control in the synchronous mode prevents rapid stimulation by high-rate QRS synchronization signals, and it also makes it possible to produce stimuli only after two or three or more QRS synchronization signals. The pulse generator 22, which will be considered in detail below, generally comprises a trigger amplifier 28, a monostable pulse width definition multivibrator, 30, an oscillator 32, an amplifier 34, a transformer isolation 36, and an output circuit 38 which includes a rectifier, an attenuator and a filter.

La figure 3 montre les circuits du générateur d'impulsions 22. La moitié inférieure de la figure montre des éléments logiques CMOS qui sont utilisés pour commander les étages de sortie, et la moitié supérieure de la figure montre les étages de sortie, comprenant l'amplificateur 34, le transformateur 36 et le circuit de sortie 38, ainsi que leur source de tension régulée. Les éléments logiques CMOS sont alimentés par une batterie de 9 V, 40, et les étages de sortie sont alimentés par six batteries de 6 V, du type utilisé pour ltéclai- rage, qui sont désignées de façon générale par la référence 41 et sont connectées en série pour donner 36 V. Le générateur d'impulsions 22 comporte des commandes marche/arr#t 42 (a) et 42 (b), accouplées mécaniquement, qui concernent respectivement les éléments logiques CMOS et les étages de sortie. Figure 3 shows the circuits of the pulse generator 22. The lower half of the figure shows CMOS logic elements which are used to control the output stages, and the upper half of the figure shows the output stages, including the amplifier 34, transformer 36 and output circuit 38, as well as their regulated voltage source. The CMOS logic elements are powered by a 9 V battery, 40, and the output stages are powered by six 6 V batteries, of the type used for lighting, which are generally designated by the reference 41 and are connected in series to give 36 V. The pulse generator 22 comprises on / off commands # t 42 (a) and 42 (b), mechanically coupled, which relate respectively to the CMOS logic elements and the output stages.

En considérant la partie inférieure de la figure 3, on voit que le signal de déclenchement entre au point 44. Des diodes 46 protègent l'entrée de déclenchement. On utilise l'amplificateur de déclenchement 28 pour obtenir une transition nette pour le signal de déclenchement, et cet amplificateur est constitué par des inverseurs il, i2 qui sont connectés dans une boucle de réaction positive. Un multivibrateur monostable de définition de largeur d'impulsion, 30, est constitué par une porte NON-OU G1, un inverseur I3, une résistance 48 et un condensateur. Son signal de sortie consiste en une impulsion uniforme de largeur déterminée. Avec la résistance et le condensateur particulier qui sont représentés sur la figure 3, on obtient une impulsion de 40 ms.Pour protéger le patient contre des courants de fuite et des défauts des composants, le signal de sortie dirigé vers le patient est transmis par couplage par transformateur. Pour être transmise par le transformateur 36, l'impulsion de 40 ms est tout d'abord convertie par l'oscillateur 32 en un signal carré à 2 kHz, puis ce signal est redressé et filtré après avoir été transmis par le transformateur. La sortie du multivibrateur 30 est connectée à l'oscillateur 32 par l'inverseur I4. Considering the lower part of FIG. 3, it can be seen that the trigger signal enters at point 44. Diodes 46 protect the trigger input. Trigger amplifier 28 is used to obtain a clear transition for the trigger signal, and this amplifier is constituted by inverters il, i2 which are connected in a positive feedback loop. A monostable pulse width definition multivibrator, 30, is constituted by a NOR gate G1, an inverter I3, a resistor 48 and a capacitor. Its output signal consists of a uniform pulse of determined width. With the resistance and the particular capacitor which are represented on figure 3, one obtains a pulse of 40 ms. To protect the patient against leakage currents and component faults, the output signal directed towards the patient is transmitted by coupling by transformer. To be transmitted by the transformer 36, the 40 ms pulse is firstly converted by the oscillator 32 into a square signal at 2 kHz, then this signal is rectified and filtered after being transmitted by the transformer. The output of the multivibrator 30 is connected to the oscillator 32 by the inverter I4.

L'oscillateur 32 est constitué par des portes G2, G3 et par un inverseur I5 eet il comporte deux points de sortie, 50, 52, avec des signaux de sortie déphasés de 1800 l'un par rapport à l'autre. Le point 52 est connecté à l'inverseur i et
5 le point 50 est connecté à l'oscillateur 32 par la porte G4.The oscillator 32 is constituted by gates G2, G3 and by an inverter I5 e and it has two output points, 50, 52, with output signals phase shifted by 1800 relative to each other. Point 52 is connected to inverter i and
5 point 50 is connected to oscillator 32 through gate G4.

En considérant la partie supérieure de la figure 3, on voit qu'une alimentation régulée à 24 V est branchée entre des points 54 et 56 et est constituée par les batteries 41, un condensateur 58, un régulateur de tension 60 et un transistor T1. L'amplificateur 34 applique une amplification identique aux signaux en opposition de phase présents aux points 50, 52, au moyen des transistors T2, T3, T4 et T5. Considering the upper part of FIG. 3, it can be seen that a power supply regulated at 24 V is connected between points 54 and 56 and is constituted by the batteries 41, a capacitor 58, a voltage regulator 60 and a transistor T1. Amplifier 34 applies identical amplification to the signals in phase opposition present at points 50, 52, by means of transistors T2, T3, T4 and T5.

Ces signaux amplifiés sont appliqués, en compagnie de la tension d'alimentation régulée de 24 V, aux enroulements primaires d'un transformateur isolateur et élévateur dans le rapport 10/1, 36. Les enroulements secondaires du transformateur 36 sont connectés à un redresseur 59 qui est connecté aux électrodes 10, 20 par l'intermédiaire d'un potentiomètre 62 (5kn , 5W)et d'un filtre 64, constitué par un condensateur et une inductance 66 (un enroulement de transformateur avec un noyau de fer et une inductance de 0,33 H).These amplified signals are applied, together with the regulated supply voltage of 24 V, to the primary windings of an isolating and raising transformer in the ratio 10/1, 36. The secondary windings of transformer 36 are connected to a rectifier 59 which is connected to the electrodes 10, 20 via a potentiometer 62 (5kn, 5W) and a filter 64, consisting of a capacitor and an inductor 66 (a transformer winding with an iron core and an inductor 0.33 H).

Le filtre 64 produit une impulsion de courant à variation progressive ayant une amplitude suffisamment unifcrme, et l'inductance de ce filtre élimine les pointes de courant transitoire initial qui résultent de la capacité des électrodes 10, 20.The filter 64 produces a progressive variation current pulse having a sufficiently uniform amplitude, and the inductance of this filter eliminates the initial transient current peaks which result from the capacitance of the electrodes 10, 20.

Le tableau suivant indique les composants qui sont utilisés dans le circuit représenté sur la figure 3. The following table shows the components that are used in the circuit shown in Figure 3.

Tableau des composants I1, I2, I49 I5 4069
G1, G2, G3, G4 4001
T1, T3 T5 2N 1724
Régulateur 60 LM 340
T2, T4 2N 2108
Diodes 46 Texas Instruments 59
D1, D2 1N 4000
Redresseur 59 Motorola R0804
On va maintenant décrire l'utilisation du dispositif.Component table I1, I2, I49 I5 4069
G1, G2, G3, G4 4001
T1, T3 T5 2N 1724
60 LM 340 regulator
T2, T4 2N 2108
Diodes 46 Texas Instruments 59
D1, D2 1N 4000
Rectifier 59 Motorola R0804
We will now describe the use of the device.

On humecte tout d'abord ltéponge 12 (et l'éponge correspondante sur l'électrode 20) avec de l'eau du robinet. Selon une variante, on peut utiliser sur les éponges un électrolyte faible tel que du bicarbonate de sodium, ou un gel.First of all, the sponge 12 (and the corresponding sponge on the electrode 20) is moistened with tap water. Alternatively, a weak electrolyte such as sodium bicarbonate, or a gel can be used on the sponges.

L'humidité ou le gel assure un bon contact électrique avec la peau du patient sur une zone étendue, sans trop diminuer la résistance de l'électrode. On positionne les électrodes 10, 20 sur la poitrine du patient (près du coeur, dans le quatrième ou le cinquième espace intercostal gauche) et dans le dos (en position sous-scapulaire, c'est-à-dire sous ltomoplate) respectivement, pour réduire la stimulation des muscles. Dans le cas de la réanimation d'urgence à partir d'un état d'arrêt ventriculaire ou de bradycardie, les circuits de commande de rythme 24 fonctionnent en mode asynchrone, et des stimuli sont appliqués à un rythme uniforme réglable de 30 à 200 par minute.Lorsqu'on utilise le mode synchrone des circuits 24 (par exemple pendant des tests physiologiques), le stimulus est produit avec un retard réglable uniforme à la suite du signal de synchronisation QRS provenant du moniteur cardiaque 26. Indépendamment du mode dans lequel se trouvent les circuits de commande de rythme 24, le générateur d'impulsions 22 fournit la même impulsion uniforme pour chaque signal de déclenchement appliqué à l'entrée.The humidity or the gel ensures good electrical contact with the patient's skin over a wide area, without reducing the resistance of the electrode too much. The electrodes 10, 20 are positioned on the patient's chest (near the heart, in the fourth or fifth left intercostal space) and in the back (in the subscapular position, that is to say under the tomoplate) respectively, to reduce muscle stimulation. In the case of emergency resuscitation from a ventricular arrest or bradycardia state, the rhythm control circuits 24 operate in asynchronous mode, and stimuli are applied at a uniform rhythm adjustable from 30 to 200 per When the synchronous mode of circuits 24 is used (for example during physiological tests), the stimulus is produced with a uniform adjustable delay following the QRS synchronization signal from the cardiac monitor 26. Regardless of the mode in which find the timing control circuits 24, the pulse generator 22 provides the same uniform pulse for each trigger signal applied to the input.

Le potentiomètre 62 fait fonction de commande d'amplitude réglable et permet l'adaptation aux divers seuils des patients individuels. L'impulsion de sortie maximale appliquée au patient est de 140 mA dans 2000 ohms, avec une impédance de source de 50C ohms. The potentiometer 62 acts as an adjustable amplitude control and allows adaptation to the various thresholds of the individual patients. The maximum output pulse applied to the patient is 140 mA in 2000 ohms, with a source impedance of 50C ohms.

On utilise une largeur d'impulsion supérieure à 20 ms pour réduire le courant nécessaire à la stimulation cardiaque à des niveaux réduisant l'inconfort pour le patient. A pulse width greater than 20 ms is used to reduce the current required for pacing to levels that reduce patient discomfort.

Dans d'autres modes de réalisation, on peut remplacer la résistance 48 par un potentiomètre pour faire varier la largeur d'impulsion, par exemple entre 2 et 40 ms. On peut utiliser d'autres éléments non métalliques, comme de la gaze, à la place de l'éponge 12. In other embodiments, the resistor 48 can be replaced by a potentiometer to vary the pulse width, for example between 2 and 40 ms. Other non-metallic elements, such as gauze, can be used in place of the sponge 12.

De plus, bien que les diamètres d'électrode de 8 cm et 12 cm soient optimaux pour un adulte moyen, on peut les faire varier respectivement entre 6 et 10 cm et entre 8 et 15 cm, pour s'adapter à différentes tailles de patients et à diverses sensibilités relatives à la stimulation nerveuse et à la contraction musculaire. Une augmentation du diamètre de l'électrode réduit la stimulation nerveuse mais augmente le volume de muscle susceptible d'être contracté, et inversement. In addition, although the electrode diameters of 8 cm and 12 cm are optimal for an average adult, they can be varied respectively between 6 and 10 cm and between 8 and 15 cm, to adapt to different patient sizes. and various sensitivities related to nerve stimulation and muscle contraction. An increase in the diameter of the electrode reduces nerve stimulation but increases the volume of muscle likely to be contracted, and vice versa.

Enfin, au lieu d'utiliser des électrodes séparées pour le moniteur cardiaque 26, on peut obtenir directement un signal de battements cardiaques à partir des électrodes de stimulation 10, 20. Finally, instead of using separate electrodes for the cardiac monitor 26, a heartbeat signal can be obtained directly from the stimulation electrodes 10, 20.

il va de soi que de nombreuses autres modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. It goes without saying that many other modifications can be made to the device and to the method described and shown, without going beyond the ambit of the invention.

Claims

1. An external electrical cardiac stimulation device, without penetration into the body, comprising: a pair of electrodes (10,20) intended to be brought into contact with the skin; a pulse generator (22) electrically connected to the electrodes and means (24) for activating the pulse generator to supply pulses of cardiac stimulation to a patient, characterized in that the pain caused by the use of the device cardiac stimulation in conscious patients is markedly reduced

- by controlling the shape of the pulses so that they are at constant current without current peak

- by widening the pulses so that they have a duration greater than 5 ms, with a corresponding reduction in the general current level; and

- by providing the electrodes with a non-metallic electrolyte for contact with the skin, carried by a support and distributed over an area of contact with the skin enlarged so as to apply a low current density to the patient.

2. Device according to claim 1, characterized in that the electrodes further comprise a metal layer (14) placed at uniform distance from the contact surface with the skin of said electrolyte and in electrical contact with said electrolyte and in that the generator of pulses is electrically connected to the metallic layer.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the electrolyte comprises a gel.

4. Device according to claim 3, characterized in that the support part comprises a sponge impregnated with the gel.

5. Device according to claim 2, characterized in that each of the electrodes further comprises an insulating material (18) covering the exposed surfaces and the edges of the metal layer and in that the device further comprises a pair of electric wires each connected to one of the metal layers to transmit the pulses from the pulse generator.

6. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the contact surface with the skin has an area at least equal to 28 cm2.

7. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that one of the electrodes is intended to be fixed on the chest and the other is provided to be fixed on the back.

8. Device according to claim 7, characterized in that the electrode intended to be fixed to the chest has an area of contact with the skin at least equal to 28 cm2 while the electrode intended to be fixed to the back has an area contact with the skin at least equal to 50 cm2.

9. Device according to claim 8, characterized in that the chest electrode has a contact area with the skin from 28 to 70 cm2 while the back electrode has a contact area with the skin from 50 to 175 cm2.

10. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the pulse duration is between 20 and 40 ms.