FR2973709A1 - Dispositif electro-stimulateur optimise - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif électro-stimulateur comprenant au moins deux paires d'électrodes ((E11,E12), (E21,E22), (E31,E32), (E41,E42)) chacune associée à un générateur en H (G1,G2,G3,G4) pilotant les polarités des paires d'électrodes ((E11,E12), (E21,E22), (E31,E32), (E41,E42)) entre une polarité positive, une polarité négative et une polarité nulle, un générateur de courant (lb) mutualisé, un module de génération de forme d'impulsion (la) mutualisé et un organe pilote (2) mutualisé programmé pour émettre des commandes optoélectroniques, vers le module de génération de forme d'impulsion (la) et le générateur de courant (lb), pour contrôler la forme et l'intensité des impulsions générées périodiquement sur une ligne de base (LB) et, vers chacun des générateurs en H (G1,G2,G3,G4), pour connecter un des générateurs en H (G1,G2,G3,G4) à la ligne de base (LB) et ainsi envoyer les impulsions sur la paire d'électrode correspondante, les connexions étant réalisées séquentiellement sur les paires d'électrodes ((E11,E12), (E21,E22), (E31,E32), (E41,E42)) par multiplexage temporel de commutateurs optoélectroniques.

Description

Titre de l'invention « Dispositif électro-stimulateur optimisé ».

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des dispositifs électro-stimulateurs comprenant au moins deux paires d'électrodes chacune associée à un générateur en H pilotant les polarités des paires d'électrodes ont une polarité positive, une polarité négative et une polarité nulle. Chaque paire d'électrode est positionnée sur deux points du corps d'un patient définissant un milieu. La figure 1 montre le principe de fonctionnement des dispositifs électrostimulateurs de l'art antérieur. Dans un tel dispositif électro-stimulateur, chaque paire d'électrodes E11, E12 est associée à un générateur en H, G1. Un générateur en H est constitué par quatre commutateurs Cl à C4 constituant les branches verticales du H et un récepteur qui en est la branche horizontale où se trouve le milieu M à stimuler. Si l'on ferme deux premiers commutateurs, les deux autres restants ouverts, le courant passe de la gauche vers la droite au sein du récepteur. Si l'on ferme alors les deux commutateurs précédemment ouverts et que l'on ouvre les deux autres, le courant passe de la droite vers la gauche au sein du récepteur. Le générateur en H permet donc de piloter les polarités d'un récepteur quelconque, ici dans l'application des dispositifs électro-stimulateurs un milieu biologique M. Il est largement utilisé dans le dispositif électro-stimulateur, le récepteur étant dans ce cas une paire d'électrodes. Le générateur G1 est alors connecté entre une ligne de polarisation LP et une ligne de base LB. Il est aussi associé, par sa ligne de base LB, à un module de génération de forme d'impulsion lia et à un générateur de courant iib permettant d'appliquer des impulsions particulières aux deux électrodes de la paire et ainsi de générer une stimulation dans le milieu M sur lequel les électrodes sont disposées. Un dispositif de commande 10 commande avantageusement le module de génération de forme lia et le générateur de courant iib pour que la paire d'électrodes E11, E12 associée au générateur G1 soit en mesure de réaliser des séquences d'électro-stimulation.

Le dispositif selon la figure 1 fonctionne bien et ne pose pas de problème tant qu'il n'y a qu'une seule paire d'électrodes. Quand on augmente le nombre de paires d'électrodes, il faut totalement séparer celles-ci pour éviter des courants parasites entre électrodes de paires différentes. Une telle exigence est négligée par certains constructeurs. Cela est gênant car cela provoque des sensations désagréables pour le patient, parfois même des stimulations parasites. Il faut donc une alimentation isolée par paire avec, à chaque fois, un générateur de courant et un module de génération de forme. L'utilisation de circuits optoélectroniques permet d'assurer l'isolement électrique des paires d'électrodes. L'ensemble obtenu est complexe puisqu'une pluralité de générateurs de courant associé chacun à un module générateur de forme doit être utilisée. Il est en outre délicat d'équilibrer les paires d'électrodes, ce qui demande d'importants et fréquents réglages. Dans la pratique, ces dispositifs multi-électrodes sont donc très délicats d'utilisation. En outre, ils sont, bien sûr, chers car les éléments principaux sont dupliqués.

Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de palier les inconvénients des dispositifs électro-stimulateurs connus en proposant un dispositif électrostimulateur comprenant au moins deux paires d'électrodes chacune associée à un générateur en H pilotant les polarités des paires d'électrodes entre une polarité positive, une polarité négative et une polarité nulle, un générateur de courant mutualisé, un module de génération de forme d'impulsion mutualisé et un organe pilote mutualisé programmé pour émettre des commandes optoélectroniques, vers le module de génération de forme d'impulsion et le générateur de courant, pour contrôler la forme et l'intensité des impulsions générées périodiquement sur une ligne de base et, vers chacun des générateurs en H, pour connecter un des générateurs en H à la ligne de base et ainsi envoyer les impulsions sur la paire d'électrode correspondante, les connexions étant réalisées séquentiellement sur les paires d'électrodes par multiplexage temporel de commutateurs optoélectroniques. Le dispositif électro-stimulateur selon l'invention utilise le principe du multiplexage temporel qui est, jusque-là, inconnu dans ce domaine. L'invention utilise le constat que le courant ne passe effectivement dans une paire que pendant 2 à 10 % du temps qui est la conclusion d'une étude au cours de laquelle les divers courants en électrothérapie ont été étudiés. L'invention propose ainsi d'utiliser les 90 % du temps restant pour alimenter d'autres paires. L'invention consiste donc à mutualiser l'alimentation des paires. Selon l'invention, en un instant donné, l'alimentation est connectée à une seule paire d'électrodes par l'intermédiaire du générateur en H correspondant. L'invention permet donc de mutualiser le contrôle d'intensité et le contrôle de forme. Dans son fonctionnement le dispositif est donc tel qu'une première paire est connectée, typiquement en fermant des commutateurs de son générateur en H, avant que l'impulsion de courant qu'il doit fournir à l'électrode soit générée par les éléments mutualisés puis la paire est déconnectée en ouvrant tous les commutateurs de son générateur. Une autre paire est alors connectée en réutilisant, par exemple, le même contrôle d'intensité et le même contrôle de forme.

Avantageusement, le dispositif selon l'invention comprend quatre paires d'électrodes. Cela permet un fonctionnement plus sûr car cela permet de multiplier les zones de traitement tout en laissant au moins 50 % du temps de séance disponible, ce qui réduit considérablement les risques éventuels de courant parasites résiduels. Il est très avantageux de disposer d'une alimentation unique mutualisée car cela permet une reproductibilité optimale des impulsions sur les différentes électrodes. On est en effet assuré d'une symétrie parfaite entre les paires sans aucun réglage.

L'utilisation des commandes optoélectroniques pour mettre en oeuvre le multiplexage temporel permet de mettre en oeuvre une liaison directe et simple entre un microprocesseur de l'organe pilote mutualisé et les éléments fonctionnels du dispositif que sont les éléments d'alimentation et les générateurs en H. Une telle liaison directe donne des possibilités étendues pour la forme de l'impulsion. Il est possible en outre de mettre en oeuvre un retour simple et direct d'information pour gérer la sécurité du dispositif. En effet, la liaison directe permise selon l'invention fiabilise et simplifie les systèmes de sécurité par ailleurs connus. En effet, avec l'invention, quelle que soit la paire d'électrode posant problème, le défaut est détecté avec un système unique. La programmation de l'organe pilote mutualisé permet donc de séquencer le fonctionnement des paires d'électrodes qui sont placées dans une architecture très simple d'un point de vue matériel. Cette architecture est permise grâce à la mise en oeuvre du multiplexage temporel par programmation de l'organe pilote mutualisé. Selon des caractéristiques particulières de l'invention, le module de génération de forme est apte à générer, sous la commande du pilote, des courants en forme de vague se caractérisant par la présence d'un front montant, d'une crête ou plateau et d'un front descendant. Ce type de forme d'impulsion est typiquement utilisé dans le dispositif électro-stimulateur.

Dans une réalisation avantageuse, le dispositif est relié à une sonde cardiaque détectant les pulsations cardiaques et synchronisant les stimulations avec celles-ci. Cette réalisation, rendue possible par l'invention grâce à la mutualisation de l'organe pilote, est particulièrement intéressante. Elle permet de lier, selon les principes connus par ailleurs par l'homme du métier, le fonctionnement d'un seul groupe d'éléments de génération des impulsions de courant aux pulsations cardiaques. Auparavant, il était nécessaire de connecter la sonde cardiaque à chacun des groupes d'éléments permettant l'alimentation des électrodes. Selon une caractéristique avantageuse, l'organe pilote est apte à émettre une commande de sécurité. L'invention concerne aussi un procédé de contrôle de plusieurs paires d'électrodes destiné à être implémenté au sein de l'organe pilote d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes comprenant les étapes de : - envoi de commandes de formes d'impulsions vers le module de génération de formes, - envoi de commandes d'intensité vers le générateur de courant, - envoi de commandes d'activation et de polarité des électrodes connectant séquentiellement un des générateurs en H à la ligne de base. Le procédé engendre les événements fonctionnels suivants : - pour le module de génération de forme, application d'une impulsion de la forme commandée sur la ligne de base, - pour le générateur de courant, application d'un courant d'intensité commandée sur la ligne de base, - pour le générateur connecté à la ligne de base, établissement de la polarité, - pour les électrodes connectées, émission de la stimulation.

Un tel procédé permet la mise en oeuvre de l'architecture très simple selon l'invention et un très bon comportement du dispositif électro-stimulateur. En effet, les stimulations sont parfaitement reproductibles et similaires sur chacune des paires car générées par les mêmes éléments de génération de courant mutualisé. Selon une implémentation préférée, les différentes étapes du procédé selon l'invention sont déterminées par des instructions de programmes d'ordinateurs. En conséquence, l'invention vise aussi un programme d'ordinateur sur un support d'informations, ce programme étant susceptible d'être mis en oeuvre dans un ordinateur, ce programme comportant des instructions adaptées à la mise en oeuvre des étapes du procédé selon l'invention. Ce programme peut utiliser n'importe quel langage de programmation, et être sous la forme de code source, code objet, ou de code intermédiaire entre code source et code objet, tel que dans une forme partiellement compilée, ou dans n'importe quelle autre forme souhaitable. L'invention vise aussi un support d'informations lisible par un ordinateur, et comportant des instructions d'un programme d'ordinateur tel que mentionné ci-dessus.

Le support d'informations peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un CD ROM ou une ROM de circuit microélectronique, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple une disquette (floppy disc), un disque dur, une mémoire flash, une clé USB etc. D'autre part, le support d'informations peut être un support transmissible tel qu'un signal électrique ou optique, qui peut être acheminé via un câble électrique ou optique, par radio ou par d'autres moyens. Le programme selon l'invention peut être en particulier téléchargé sur un réseau de type Internet.

Alternativement, le support d'informations peut être un circuit intégré dans lequel le programme est incorporé, le circuit étant adapté pour exécuter ou pour être utilisé dans l'exécution du procédé en question.

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif.

Sur les figures : - la figure 1 illustre le principe de fonctionnement d'un dispositif électrostimulateur tel que connu de l'art antérieur ; - la figure 2 montre schématiquement la structure d'un dispositif électrostimulateur selon l'invention ; - les figures 3A, 3B et 3C montrent les trois états fonctionnels des générateurs en H commandés grâce aux commandes optoélectroniques selon l'invention ; - la figure 4 montre un détail du générateur en H, tel qu'utilisé dans un dispositif électro-stimulateur selon l'invention ; - la figure 5 montre un schéma analogique permettant la mise en oeuvre des commandes optoélectroniques.

Description détaillée d'un mode de réalisation La figure 2 montre l'architecture d'un dispositif électro-stimulateur selon l'invention. Selon l'invention, au moins deux paires d'électrodes, ici quatre (E11, E12), (E21, E22), (E31, E32), (E41, E42), sont associées à quatre générateurs en H distincts, G1 à G4, tous reliés à une ligne de base notée LB. Cette ligne de base est connectée à un générateur de courant lb et à un module de génération de forme la.

L'ensemble formé par les générateurs en H, G1 à G4, le générateur de courant lb et le module de génération de forme la sont reliés à un organe pilote 2 par l'intermédiaire de commandes optoélectroniques 3a et 3b. Les commandes optoélectroniques 3a permettent de mettre les générateurs G1, G2, G3 et G4, chacun dans un des états représentés sur les figures 3A, 3B et 3C. Sur la figure 3A, les commandes optoélectroniques auxquelles le générateur G est soumis sont telles que l'ensemble des commutateurs Cl à C4 sont non passants. Ainsi le générateur se comporte de manière à ce qu'aucun courant ne circule dans le milieu M.

Sur la figure 3B, les commutateurs Cl et C4 sont passants. Dès qu'un courant circule sur la ligne de base LB, cela engendre la circulation d'un courant I dans le milieu M, situé entre la ligne de polarisation LP et la ligne de base LB. Le courant I circule dans un premier sens, de gauche à droite. Sur la figure 3C, ce sont les commutateurs C2 et C3 qui sont passants et un courant I circule dans le sens opposé à celui observé sur la figure 3B dans le milieu, soit de droite à gauche. L'utilisation des commandes optoélectroniques permet de commander indépendamment chacun des générateurs en H de manière simple. La figure 4 montre une structure analogique détaillée d'une branche passante comprenant les deux commutateurs C2 et C3 d'un générateur en H. Il s'agit d'un détail de la figure 5 suivante où une structure analogique de commande des générateurs en H est présentée. L'architecture représentée sur la figure 2 présente l'avantage de mutualiser le générateur de courant lb et le module de génération de forme la sur la ligne de base LB. Cet ensemble formé des deux éléments la et lb permet de produire des courants de différentes intensités en forme de vagues. Cette forme permet de couvrir la plupart des courants présentant un intérêt en électrostimulation. La forme en « vague » provient du mode de génération qui utilise un circuit de type RC à la charge, c'est-à-dire en montée, et à la décharge, c'est-à-dire en descente.

Avantageusement, un temps de plateau est inséré entre la charge et la décharge. Les temps de montée et de descente peuvent être différents ou même nuls, ce qui autorise les formes rectangulaires. Le temps de plateau est surtout utile pour les impulsions bi-phasiques en stimulation musculaire. Une vague se caractérise donc par un front montant, une crête ou plateau et un front descendant. La figure 5 montre un circuit analogique permettant le contrôle de stimulation entre quatre électrodes bleue B, verte V, jaune J et rouge R et leur électrode neutre N. Ces électrodes sont pour cela connectées par paires aux bornes des récepteurs de quatre générateurs G1 à G4 placés entre une ligne de polarisation LP et une ligne de base LB. Les modifications de paramètres autorisées par la structure analogique représentée sur la figure 5 permet de générer la plupart des formes ou de s'en approcher. Les modifications de paramètres sont contrôlées par commandes optoélectroniques.

L'architecture analogique présentée sur cette figure permet de générer une forme particulière à partir de commandes de formes FO à F8. Elle permet aussi le contrôle d'intensité de courant par des commandes d'intensité du courant généré IO à I6. Des commandes optoélectroniques placées en amont du circuit de la figure 5 permettent de faire circuler un courant dans une des branches IO à I6 et FO à F7.

Les courants accessibles sont typiquement d'une intensité maximale de 100 milliampères sur 1200 Ohm ou 60 milliampères sur 2000 Ohms. Cette caractéristique permet à la fois l'utilisation d'électrodes de contact « autocollantes » pour les stimulations fortes ou « d'éponges » dans les applications de kinésithérapie. Les courant circulant dans les branches FO à F8 permettent de commander les caractéristiques de fonctionnement d'un transistor T qui génère la forme de la vague obtenue sur la ligne de base LB. En fonction des valeurs de résistances RO à R7 présentes sur chacune des branches des commandes FO à F7, il sera possible d'accéder à des temps de montée de 0 à 4,8 millisecondes, des plateaux de 0 à 2 millisecondes et des temps de descente de 0 à 4,8 millisecondes par exemple. D'autres valeurs pourront également être appliquées en fonction des besoins. Ces caractéristiques de montée et de descente sont fonction d'un transistor T placé sur la ligne de base LB. Le transistor T, typiquement un transistor de type bipolaire haute tension, introduit en effet une contrainte de circulation du courant sur la ligne de base LB en fonction du courant de polarisation. Cela permet de faire varier l'intensité brutalement pour obtenir un signal rectangulaire ou plus progressivement pour obtenir d'autres formes. Une succession de vagues de même polarité sera appelée « salve » et, pour éviter les dangers du courant continu, toute salve sera suivie d'une salve de polarité inverse pour obtenir une moyenne nulle. La fréquence des signaux, par ailleurs réglable, permet de couvrir l'ensemble des besoins de la stimulation antalgique à basse fréquence à la stimulation musculaire à fréquence élevée en passant par les stimulations permettant des renforcements divers.

Les salves sont généralement de 1 à 15 vagues, la fréquence varie entre un Hertz et 96 Hertz en général. Le dispositif électro-stimulateur selon l'invention pourra permettre de réaliser des temps de travail, pendant lesquels la stimulation a lieu, alternés avec des temps de repos, correspondant à une pause des stimulations. Cela est particulièrement utile pour la stimulation musculaire. Typiquement, les temps de travail pourront être de 2 à 30 secondes ou permanents. Les temps de repos pourront être de 0 à 30 secondes, au besoin. Pour certaines applications, optionnellement, un système de capteur cardiaque 4, représenté sur la figure 2 relié au microcontrôleur 2 par des pointillés, pourra permettre de synchroniser les courants avec le rythme cardiaque du patient. Cela augmente l'efficacité du traitement à l'adaptant, au plus près, à la physiologie de celui-ci. Le dispositif selon l'invention doit être considéré comme un « macromodule » ou « macro-composant » pilotable par n'importe quel système capable de communiquer avec lui par une liaison de type RS232. Tous les paramètres transmis sont contrôlés en cohérence et en sécurité avant d'être utilisés par le macro-module ce qui en fait à la fois un système fiable souple et sécurisé. De manière générale, les dispositifs de sécurité autonomes du macro-module concernent les sur-intensités et les sous-intensités accidentelles, l'intensité maximale autorisée sur chaque paire ainsi que la puissance moyenne ne pouvant jamais dépasser 0.8 Watts par paire. On remarque enfin que diverses mises en oeuvre peuvent être réalisées selon les principes de l'invention.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif électro-stimulateur comprenant au moins deux paires d'électrodes ((E11,E12), (E21,E22), (E31,E32), (E41,E42)) chacune associée à un générateur en H (G1,G2,G3,G4) pilotant les polarités des paires d'électrodes ((E11,E12), (E21,E22), (E31,E32), (E41,E42)) entre une polarité positive, une polarité négative et une polarité nulle, un générateur de courant (lb) mutualisé, un module de génération de forme d'impulsion (la) mutualisé et un organe pilote mutualisé (2) programmé pour émettre des commandes optoélectroniques (3a,3b), vers le module de génération de forme d'impulsion (la) et le générateur de courant (lb), pour contrôler la forme et l'intensité des impulsions générées périodiquement sur une ligne de base (LB) et, vers chacun des générateurs en H (G1,G2,G3,G4), pour connecter un des générateurs en H (G1,G2,G3,G4) à la ligne de base (LB) et ainsi envoyer les impulsions sur la paire d'électrode correspondante, les connexions étant réalisées séquentiellement sur les paires d'électrodes ((Ell,E12), (E21,E22), (E31,E32), (E41,E42)) par multiplexage temporel de commutateurs optoélectroniques (C1,C2,C3,C4).
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module de génération de forme (la) est apte à générer, sous la commande de l'organe pilote (2), des courants en forme de vague se caractérisant par la présence d'un front montant, d'une crête ou plateau et d'un front descendant.
3. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce le dispositif est relié à une sonde cardiaque (4) détectant les pulsations cardiaques et synchronisant les stimulations avec celles-ci.
4. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe pilote (2) est apte à émettre une commande de sécurité.
5. 5. Procédé de contrôle de plusieurs paires d'électrodes ((E11,E12), (E21,E22), (E31,E32), (E41,E42)) destiné à être implémenté au sein de l'organe pilote (2) d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes comprenant les étapes de :- envoi de commandes de formes d'impulsions vers le module de génération de formes (la), - envoi de commandes d'intensité vers le générateur de courant (lb), - envoi de commandes d'activation et de polarité des électrodes connectant séquentiellement un des générateurs en H (G1,G2,G3,G4) à la ligne de base (LB).
6. 6. Programme d'ordinateur comportant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé selon la revendication 5 lorsque ledit programme est exécuté par un microprocesseur de l'organe pilote (2).
7. 7. Support d'enregistrement lisible par un microprocesseur de l'organe pilote (2) sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé selon la revendication 5.15