WO2011057765A1 - Dispositif de mesure d'une activite de la moelle epiniere d'un vertebre - Google Patents

Dispositif de mesure d'une activite de la moelle epiniere d'un vertebre Download PDF

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WO2011057765A1
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spinal cord
probe
vertebra
measuring device
activity
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PCT/EP2010/006832
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Inventor
Alexandre Goguin
Frédéric LESAGE
Serge Rossignol
Habib Benali
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Universite Pierre Et Marie Curie (Paris 6)
Ecole Polytechnique
Universite De Montreal
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Definitions

  • the invention relates to a device for measuring the activity of the spinal cord of a vertebrate.
  • activity is meant here any variation of an optical, chemical or physical property of the spinal cord which can characterize in particular a neuronal reaction to a motor or cognitive act.
  • a motor act results from a set of energetic processes carrying a nerve signal via the spinal cord to the effector organs. Partial or total damage to the spinal cord leads to a degeneration of the nerve pathways that can no longer transmit signals to the spinal neurons underlying the lesion, which can lead to paralysis and an interruption of the ascending pathways to the nerve pathways. the brain that leads to an abolition of sensations.
  • HbO oxygenated hemoglobin
  • Hb deoxygenated
  • the neuronal tissues of the brain could thus be studied.
  • the technology used is too large to be placed on another part of the body or to be implanted chronically in a vertebrate. While a trepanation is enough to access the tissues
  • the known optical imaging device mainly comprises optical fibers whose use in the spinal cord is difficult because their geometry makes it difficult to integrate the fibers in a simple way to measure the hemodynamic response.
  • MRI Magnetic Resonance Imaging
  • the invention relates to an implantable device for measuring an activity of the spinal cord of a vertebrate while avoiding the aforementioned difficulties.
  • a device for measuring a spinal cord activity of a vertebrate comprising at least one chronically implantable main probe, the main probe being shaped to be attached to a spinous process of a vertebra and maintain in position on either side of the vertebra at least one emitter for emitting a wave capable of interacting with the spinal cord and at least one associated receptor for receiving the wave having interacted with the spinal cord and generated a signal representative of spinal cord activity.
  • the main probe is placed very simply by incising at the place of the vertebra concerned and by spreading the muscles on both sides of this vertebra so as to ride it. It remains then to fix the main probe to the vertebra by screwing or gluing it to the apophysis.
  • the intervention is simple and fast.
  • FIG 1 is a perspective view of a vertebra equipped with a main probe according to the invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the vertebra equipped with a main probe illustrated in FIG. 1;
  • FIG. 3 is a perspective view of the main probe illustrated in FIG. 1;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a vertebra equipped with a main probe and an associated auxiliary probe, according to the invention
  • FIG. 5 is a perspective view of the auxiliary probe illustrated in FIG.
  • the invention is illustrated in application to a cat vertebra. This application is of course not limiting.
  • the measuring device of the invention comprises a main probe 1 shaped to be fixed on an apophysis 2 of a vertebra 3.
  • the main probe 1 in infrared-transparent resin, is in the form of form of a jumper 4 having two wings 4a and 4b and a pallet 5 which protrudes from the rider 4.
  • This morphology allows a simplified surgical procedure, the surgeon having only to remove the muscles located on the sides of the vertebra 3 and to place the rider 4 on the apophysis 2 in the direction of the arrow shown in FIG. 1. In this position, the rider 4 overlaps the part of the vertebra forming the medullary canal and the pallet 5 extends opposite the apophysis 2.
  • the main probe 1 is then preferably fixed at the pallet 5 to the process 2, for example using a biocompatible adhesive, or using titanium screws.
  • the wing 4a carries an infrared transmitter 6 whose radiation passes through the spinal cord 7 of the vertebra and is captured, after its interaction with the medullary tissues, by an infrared receiver 8 carried by the other wing 4b.
  • the infrared radiation passes through the bone wall and interacts with the hemoglobin of the blood contained in the marrow 7, which makes it possible to follow a vascular activity of the marrow 7 when it is requested.
  • the receiver 8 transforms the received radiation into an electrical signal representative of this vascular activity, itself representative of a neuronal activity.
  • the main probe 1 comprises electronic means 9 for converting this electrical signal into digital data. These digital data are here stored in a memory and transmitted later.
  • the main probe 1 comprises an infrared transmitter 10 and an infrared receiver 11 to communicate by binary frame with an infrared transmitter-receiver remote from the main probe 1.
  • the digital data is transmitted in real time, without being stored .
  • the digital data thus generated are advantageously sent to a remote transmitter-receiver D to monitor the vascular activity of the spinal cord in response to stimulation thereof.
  • the transceiver may for example be associated with a external control box adapted to control actuators acting on the vertebrate body to overcome an insufficiency thereof.
  • the control box may be used to control a pump or implant delivering a chemical in response to the detection of marrow activity by means of the main probe.
  • the power supply of the main probe 1 is carried out here using a circuit outside the main probe 1 which provides a variable magnetic field thus causing the appearance of a current in an antenna 12 disposed here in the pallet 5.
  • the electronic means 9 are adapted to condition the potential induced in the antenna 12 to a potential directly usable by the main probe 1.
  • this potential for charging an onboard battery 13.
  • the remote transceiver D may be, associated with an auxiliary probe 14 implanted inside the vertebra 3, to be in direct contact with the spinal cord 7.
  • the surgeon performs a laminectomy of the vertebra, introduces the auxiliary probe 14 into the medullary canal and reconstitutes the vertebra with the aid of a polymer resin.
  • each probe comprises magnets 15, 16, the magnets of the same probe being of the same polarity, opposite that of the magnets of the other probe.
  • the thickness of the vertebra 3 is small enough that the magnets 15,16 attract through the bone wall and thus stabilize the auxiliary probe 14 relative to the main probe 1. This attachment is advantageous over a fixation with surgical threads in that it simplifies the operation surgical.
  • the auxiliary probe 14 can fulfill several functions:
  • the auxiliary probe 14 comprises a sensor 17 reacting to the presence of certain biological molecules in the cerebrospinal fluid by producing an electrical signal.
  • the auxiliary probe 14 comprises electronic means 18 for converting this signal into digital data.
  • the auxiliary probe 14 comprises a reservoir 19, provided with a membrane, for storing chemical compounds; a micromotor 20 cooperates with the membrane to selectively move it, which causes the expulsion of the chemical compounds in the spinal cord 7.
  • electrodes 21 may impose a local potential on the axons of the spinal cord 7 in contact with the spinal cord 7. the electrodes 21.
  • the transceiver D of the auxiliary probe 14 here comprises an infrared transmitter 22 and an infrared receiver 23 which communicate in a binary field with the infrared transmitter 10 and the infrared receiver 11 of the main probe 1.
  • no wired connection n is necessary between the two probes to transmit the data generated by the electronic means 18 or to receive commands from the main probe 1.
  • the supply of the auxiliary probe 14 is made wirelessly: according to a preferred device, a antenna 24 is in induction connection with the antenna 12 of the probe main 1.
  • the electronic means 18 are adapted to condition the potential induced in the antenna 24 to a potential directly usable by the auxiliary probe 14. Here, this potential is preferably used to charge an on-board battery.
  • the auxiliary probe must be miniaturized because of its implantation as close as possible to the spinal cord, a hypersensitive organ. Because of its size, the auxiliary probe is limited in autonomy and needs to be connected to a larger probe, here the main probe, to be fed regularly.
  • the communication between the auxiliary probe 14 and the main probe 1, as well as between the main probe 1 and a transceiver remote from the main probe 1, is done by infrared radiation, one can use any other communication mode such as RFID communication or even, in the case of the main probe 1 and the remote transceiver, a communication with son.
  • the main probe 1 had the same communication system to communicate with the auxiliary probe 14 and with the transceiver remote from the main probe, it will obviously be possible to propose a probe having two systems distinct communication.
  • a system for measuring spinal cord activity 7 has been described in the main probe 1 by emission of electromagnetic waves in the infrared, other known techniques such as the emission of ultrasonic waves.
  • the auxiliary probe is implanted inside the vertebra 3 to be in direct contact with the spinal cord 7, it will be more generally possible to implant the auxiliary probe in contact with any functional tissue.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de mesure d'une activité de la moelle épinière d'un vertébré, caractérisé en ce que le dispositif comporte au moins une sonde principale (1) conformée pour être fixée à une apophyse épineuse (2) d'une vertèbre (3) et maintenir en position de part et d'autre de la vertèbre au moins un émetteur (6) pour émettre une onde susceptible d' interagir avec la moelle épinière (7) et au moins un récepteur associé (8) pour recevoir l'onde ayant interagi avec la moelle épinière et générer un signal représentatif de l'activité de la moelle épinière.

Description

DISPOSITIF DE MESURE D'UNE ACTIVITE DE LA MOELLE EPINIERE D'UN VERTEBRE
L'invention concerne un dispositif de mesure d'une activité de la moelle épinière d'un vertébré.
Par activité on entend ici toute variation d'une propriété optique, chimique ou physique de la moelle épinière pouvant caractériser notamment une réaction neuronale à un acte moteur ou cognitif .
ARRIERE PLAN DE L' INVENTION
Un acte moteur résulte d'un ensemble de processus énergétiques acheminant un signal nerveux via la moelle épinière jusqu'aux organes effecteurs. Or une lésion partielle ou totale de la moelle épinière entraine une dégénérescence des voies nerveuses qui ne peuvent plus transmettre de signaux aux neurones spinaux sous-jacents à la lésion, ce qui peut conduire à une paralysie ainsi qu'à une interruption des voies ascendantes vers le cerveau qui mène à une abolition des sensations.
La compréhension des mécanismes d'acheminement du signal nerveux le long de la colonne vertébrale est nécessaire pour mettre au point des traitements thérapeutiques les plus efficaces possibles.
Il est connu qu'une variabilité dans la répartition en hémoglobine oxygénée (HbO) et désoxygénée (Hb) est observable près des vaisseaux et capillaires irriguant les régions neuronales du cortex et de la moelle épinière lors d'une activité cognitive ou motrice.
En se basant sur un dispositif d' imagerie optique permettant la détection de ces variations de volume et d'oxygénation sanguine, les tissus neuronaux de l'encéphale ont ainsi pu être étudiés. Cependant la technologie employée est de taille trop importante pour être placée sur une autre partie du corps ou pour être implantée de façon chronique chez un vertébré. Alors qu'une trépanation suffit pour accéder aux tissus
COPîE DE CO?*Fîï¾i¾TiON corticaux, l'accès aux tissus médullaires est plus délicat et nécessite une laminectomie . Enfin, le dispositif d'imagerie optique connu comporte majoritairement des fibres optiques dont l'utilisation dans la moelle épinière est délicate car leur géométrie rend difficile l'intégration des fibres de façon simple afin de mesurer la réponse hémodynamique.
Actuellement, le principal moyen d'étude de la moelle épinière dans son ensemble reste donc l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) qui permet une visualisation de la moelle et une analyse des tissus médullaires. L'étude restant cependant externe, l'activité neuronale perçue dans les tissus médullaires est brouillée et difficilement interprétable d'un patient à un autre.
OBJET DE L'INVENTION
L'invention a pour objet un dispositif implantable, permettant de mesurer une activité de la moelle épinière d'un vertébré tout en s ' affranchissant des difficultés précitées .
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
En vue de la réalisation de ce but, on propose selon l'invention un dispositif, de mesure d'une activité de la moelle épinière d'un vertébré comportant au moins une sonde principale implantable de façon chronique, la sonde principale étant conformée pour être fixée à une apophyse épineuse d'une vertèbre et maintenir en position de part et d'autre de la vertèbre au moins un émetteur pour émettre une onde susceptible d' interagir avec la moelle épinière et au moins un récepteur associé pour recevoir l'onde ayant interagi avec la moelle épinière et générer un signal représentatif de l'activité de la moelle épinière .
La sonde principale se place très simplement en incisant à l'endroit de la vertèbre concernée et en écartant les muscles de part et d'autre de cette vertèbre de sorte à chevaucher celle-ci. Il reste alors à fixer la sonde principale à la vertèbre en vissant ou en collant celle-ci à l'apophyse. L'intervention est simple et rapide .
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit en référence aux figures des dessins annexés parmi lesquelles :
-la figure 1 est une vue en perspective d'une vertèbre équipée d'une sonde principale selon l'invention ;
-la figure 2 est une vue en coupe transversale de la vertèbre équipée d'une sonde principale illustrée à la figure 1 ;
-la figure 3 est une vue en perspective de la sonde principale illustrée à la figure 1 ;
-la figure 4 est une vue en coupe transversale d'une vertèbre équipée d'une sonde principale et d'une sonde auxiliaire associée, selon l'invention ;
-la figure 5 est une vue en perspective de la sonde auxiliaire illustrée à la figure 4.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
L'invention est illustrée en application à une vertèbre de chat. Cette application n'est bien sûr pas limitative.
En référence aux figures 1 à 3, le dispositif de mesure de l'invention comporte une sonde principale 1 conformée pour être fixée sur une apophyse 2 d'une vertèbre 3. La sonde principale 1, en résine transparente aux infrarouges, se présente sous la forme d'un cavalier 4 comportant deux ailes 4a et 4b et d'une palette 5 qui s'étend en saillie du cavalier 4.
Cette morphologie permet une intervention chirurgicale simplifiée, le chirurgien n'ayant qu'à écarter les muscles situés sur les côtés de la vertèbre 3 et à poser le cavalier 4 sur l'apophyse 2 selon la direction de la flèche visible à la figure 1. Dans cette position, le cavalier 4 chevauche la partie de la vertèbre formant le canal médullaire et la palette 5 s'étend en regard de l'apophyse 2. La sonde principale 1 est alors fixée préférentiellement au niveau de la palette 5 à l'apophyse 2, par exemple à l'aide d'une colle biocompatible, ou encore à l'aide de vis en titane.
L'aile 4a porte un émetteur infrarouge 6 dont le rayonnement traverse la moelle épinière 7 de la vertèbre et est capté, après son interaction avec les tissus médullaires, par un récepteur infrarouge 8 porté par l'autre aile 4b. Le rayonnement infrarouge traverse la paroi osseuse et interagit avec l'hémoglobine du sang contenu dans la moelle 7, ce qui permet de suivre une activité vasculaire de la moelle 7 lorsqu' elle est sollicitée. Le récepteur 8 transforme le rayonnement reçu en un signal électrique représentatif de cette activité vasculaire, elle-même représentative d'une activité neuronale .
La sonde principale 1 comporte des moyens électroniques 9 pour transformer ce signal électrique en données numériques . Ces données numériques sont ici stockées dans une mémoire et transmises ultérieurement. A cet effet, la sonde principale 1 comporte un émetteur infrarouge 10 et un récepteur infrarouge 11 pour communiquer par trame binaire avec un émetteur-récepteur infrarouge distant de la sonde principale 1. Alternativement, les données numériques sont transmises en temps réel, sans être stockées.
Les données numériques ainsi générées sont avantageusement envoyées vers un récepteur-émetteur distant D pour suivre l'activité vasculaire de la moelle épinière en réponse à une stimulation de celle-ci. L'émetteur-récepteur peut par exemple être associé à un boîtier de contrôle externe adapté à commander des actionneurs agissant sur l'organisme du vertébré pour pallier une insuffisance de celui-ci. Par exemple, le boîtier de contrôle peut être utilisé pour commander une pompe ou un implant délivrant une substance chimique en réponse à la détection d'une activité de la moelle au moyen de la sonde principale.
L'alimentation électrique de la sonde principale 1 est réalisée ici à l'aide d'un circuit extérieur à la sonde principale 1 qui fournit un champ magnétique variable entraînant ainsi l'apparition d'un courant dans une antenne 12 disposée ici dans la palette 5. Les moyens électroniques 9 sont adaptés à conditionner le potentiel induit dans l'antenne 12 en un potentiel utilisable directement par la sonde principale 1. Ici, afin de permettre à la sonde de fonctionner même en étant éloignée de la source inductive, on utilise de préférence ce potentiel pour charger une batterie 13 embarquée.
En référence aux figures 4 et 5, et selon un aspect particulier de l'invention, l'émetteur-récepteur distant D peut être, associé à une sonde auxiliaire 14 implantée à l'intérieur de la vertèbre 3, pour être en contact direct avec la moelle épinière 7. Selon un mode d'implantation privilégié, une fois les muscles entourant la vertèbre écartés, le chirurgien pratique une laminectomie de la vertèbre, introduit la sonde auxiliaire 14 dans le canal médullaire et reconstitue la vertèbre à l'aide d'une résine polymère. En référence aux figures 3,4 et 5, et selon un mode de stabilisation privilégié, la stabilisation en position de la sonde auxiliaire 14 est assurée par liaison magnétique avec la sonde principale 1 : chaque sonde comporte des aimants 15,16, les aimants d'une même sonde étant d'une même polarité, opposée à celle des aimants de l'autre sonde. L'épaisseur de la vertèbre 3 est suffisamment faible pour que les aimants 15,16 s'attirent à travers la paroi osseuse et ainsi stabilisent la sonde auxiliaire 14 relativement à la sonde principale 1. Cette fixation est avantageuse par rapport à une fixation à l'aide de fils chirurgicaux en ce qu'elle simplifie l'opération chirurgicale.
La sonde auxiliaire 14 peut remplir plusieurs fonctions :
mesurer une activité neuronale de la moelle épinière 7. A cet effet, la sonde auxiliaire 14 comporte un capteur 17 réagissant à la présence de certaines molécules biologiques dans le liquide céphalo-rachidien en produisant un signal électrique. La sonde auxiliaire 14 comporte des moyens électroniques 18 pour transformer ce signal en données numériques.
- stimuler l'activité neuronale de la moelle épinière par des moyens chimique et/ou électrique. A cet effet, la sonde auxiliaire 14 comporte un réservoir 19, muni d'une membrane, pour stocker des composés chimiques ; un micromoteur 20 coopère avec la membrane pour déplacer sélectivement celle-ci, ce qui provoque l'expulsion des composés chimiques dans la moelle épinière 7. En outre, des électrodes 21 peuvent imposer un potentiel local aux axones de la moelle épinière 7 en contact avec les électrodes 21.
L'émetteur-récepteur D de la sonde auxiliaire 14 comporte ici un émetteur infrarouge 22 et un récepteur infrarouge 23 qui communiquent par trame binaire avec l'émetteur infrarouge 10 et le récepteur infrarouge 11 de la sonde principale 1. Ainsi, aucune liaison filaire n'est nécessaire entre les deux sondes pour transmettre les données générées par les moyens électroniques 18 ou pour recevoir des ordres de la sonde principale 1. De même, l'alimentation de la sonde auxiliaire 14 est réalisée sans fil : selon un dispositif privilégié, une antenne 24 est en liaison par induction avec l'antenne 12 de la sonde principale 1. Les moyens électroniques 18 sont adaptés à conditionner le potentiel induit dans l'antenne 24 en un potentiel utilisable directement par la sonde auxiliaire 14. Ici on utilise de préférence ce potentiel pour charger une batterie 25 embarquée.
On remarquera que la sonde auxiliaire doit être miniaturisée du fait de son implantation au plus près de la moelle épinière, organe hypersensible. De par sa taille, la sonde auxiliaire est limitée en autonomie et nécessite d'être reliée à une sonde de taille plus importante, ici la sonde principale, pour être alimentée régulièrement .
L'invention n'est pas limitée à ce qui vient d'être décrit et englobe toute variante entrant dans le cadre défini par les revendications.
En particulier, bien que l'on ait indiqué que la communication entre la sonde auxiliaire 14 et la sonde principale 1, ainsi qu'entre la sonde principale 1 et un émetteur-récepteur distant de la sonde principale 1 se faisait par rayonnement infrarouge, on pourra utiliser tout autre mode de communication comme la communication RFID ou bien encore, dans le cas de la sonde principale 1 et de l'émetteur-récepteur distant, une communication avec fils. En outre, bien qu'on ait indiqué que la sonde principale 1 comportait un même système de communication pour communiquer avec la sonde auxiliaire 14 et avec l'émetteur-récepteur distant de la sonde principale, on pourra bien évidemment proposer une sonde possédant deux systèmes de communication distincts .
Bien que l'on ait décrit dans la sonde principale 1 un système de mesure d'une activité de la moelle épinière 7 par émission d'ondes électromagnétiques dans l'infrarouge, on pourra employer d'autres techniques connues comme l'émission d'ondes ultrasonores. Bien que l'on ait décrit que la sonde auxiliaire était implantée à l'intérieur de la vertèbre 3 pour être en contact direct avec la moelle épinière 7, on pourra plus généralement implanter la sonde auxiliaire au contact de tout tissu fonctionnel.
En variante, il est envisageable de coupler la sonde auxiliaire à une pompe osmotique de type Alzet.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure d'une activité de la moelle épinière d'un vertébré, caractérisé en ce que le dispositif comporte au moins une sonde principale (1) conformée pour être fixée à une apophyse épineuse (2) d'une vertèbre (3) et maintenir en position de part et d'autre de la vertèbre au moins un émetteur (6) pour émettre une onde susceptible d' interagir avec la moelle épinière (7) et au moins un récepteur associé (8) pour recevoir l'onde ayant interagi avec la moelle épinière et générer un signal représentatif de l'activité de la moelle épinière .
2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, dans lequel la sonde principale est conformée en cavalier
(4) pour chevaucher la vertèbre, et comporte une palette
(5) qui s'étend pour être en regard de l'apophyse lorsque la sonde principale est en position sur la vertèbre.
3. Dispositif de mesure selon la revendication 1, dans lequel l'onde émise par l'émetteur (6) de la sonde principale et reçue par le récepteur (8) associé est un rayonnement infrarouge .
4. Dispositif de mesure selon la revendication 1, dans lequel la sonde principale comporte des moyens de communication (10,11) pour communiquer à distance avec au moins un émetteur-récepteur distant (D) , les moyens de communication comportant au moins un émetteur infrarouge (10) émettant des signaux vers l'émetteur-récepteur distant (D) et au moins un récepteur infrarouge (11) recevant des signaux de l'émetteur-récepteur distant (D) .
5. Dispositif de mesure selon la revendication 4, dans lequel l'émetteur-récepteur distant (D) est associé à au moins une sonde auxiliaire (14) placée en contact direct avec un tissu fonctionnel, notamment la moelle épinière, ladite sonde comportant des moyens de stimulation (19,20,21) du tissu fonctionnel et/ou des moyens de mesure (17) d'une activité du tissu fonctionnel.
6. Dispositif de mesure selon la revendication 5, dans lequel la sonde auxiliaire est prévue pour être placée en contact avec la moelle épinière, la sonde auxiliaire et la sonde principale comportant des moyens de stabilisation magnétique (15,16) de la sonde auxiliaire en position dans la vertèbre.
7. Dispositif de mesure selon la revendication 5, dans lequel les moyens de stimulation de la moelle épinière comportent des électrodes (21) pour imposer un potentiel local à des axones en contact avec les électrodes .
8. Dispositif de mesure selon la revendication 5, dans lequel les moyens de stimulation de la moelle épinière comportent un réservoir (19) qui stocke des molécules et qui est associé à des moyens (20) de libération progressive desdites molécules dans la moelle épinière .
9. Dispositif de mesure selon la revendication 5, dans lequel la sonde auxiliaire comporte des moyens inductifs pour recevoir une énergie électrique à distance, les moyens inductifs comportant au moins une antenne (24)
10. Dispositif de mesure selon la revendication 1, dans lequel la sonde principale comporte des moyens inductifs pour recevoir une énergie électrique à distance, les moyens inductifs comportant au moins une antenne (12) .
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