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Étude de la communication intracorporelle pour un stimulateur cardiaque sans fil

Publié le 29 mars 2022 par Patrick RENARD
Source : Comsol
Figure 1 - Dispositif LCP multi-nœuds avec deux capsules implantées.

Le fabricant français MicroPort CRM utilise le logiciel de simulation Comsol Multiphysics pour étudier la communication intracorporelle entre les capsules d'un stimulateur cardiaque sans fil innovant. Une approche qui permet d'optimiser le système en réduisant le nombre d'essais sur animaux.

Grâce aux progrès technologiques en matière d'électronique et de batteries, il est devenu possible de développer des stimulateurs cardiaques sans fil (LCP, pour Leadless Cardiac Pacemakers). Ce type de dispositif médical est un générateur d'impulsions électriques qui se présente sous la forme d'une capsule autonome implantée directement dans le cœur. Cela élimine le besoin de poche sous-cutanée et de fils conducteurs transveineux, souvent à l'origine de dysfonctionnements.

Les LCP actuellement disponibles sur le marché stimulent un seul endroit du cœur. Pour les patients ayant besoin d'une stimulation plus importante, au-delà d'une seule cavité cardiaque, il faut disposer d'un système LCP multi-nœuds. Pour fonctionner correctement, celui-ci nécessite une synchronisation entre les différentes capsules implantées. Or, les techniques de communication standard peuvent être inadaptées en raison de contraintes relatives à la consommation d'énergie et à la taille.

C'est pourquoi MicroPort CRM a choisi de faire appel à une communication intracorporelle (IBC pour Intrabody Communication) galvanique pour développer son système LCP multi-nœuds. L'IBC fournit en effet une solution optimisée en termes de puissance pour faciliter la communication entre éléments implantés et permet ainsi une synchronisation efficace des systèmes LCP multi-nœuds. Les concepteurs de la société utilisent la simulation numérique pour étudier les défis de conception que représente ce mode de communication, dans le but d'optimiser le système.

Les mêmes électrodes pour la stimulation et la communication

La communication intracorporelle est une méthode de communication en champ proche qui utilise une paire d'électrodes pour envoyer une impulsion à travers le tissu corporel à destination d'une seconde paire d'électrodes qui capte le signal. Cette méthode fonctionne avec une très faible puissance. Par ailleurs, aucune antenne supplémentaire n'est nécessaire car les électrodes utilisées pour la stimulation fournissent également le champ électrique pour la communication.

L'équipe de Mirko Maldari, ingénieur en électronique chez MicroPort CRM, a proposé une nouvelle méthodologie pour caractériser ces types de canaux de communication.

Figure 2 - Prototype de LCP pour les études du canal de l'IBC.

« Avec l'IBC, comme les électrodes sont utilisées pour communiquer [à la place des bobines et des antennes], nous pouvons optimiser à la fois la consommation d'énergie et la taille », explique Mirko Maldari. Dans le cadre des recherches de l'équipe, une étude in vivo a été réalisée avec un système composé de deux capsules implantées dans l'oreillette droite et le ventricule droit du cœur d’un animal, comme le montre la figure 1. D'autres analyses ont été effectuées à l'aide du logiciel Comsol Multiphysics pour mesurer l'atténuation du canal et estimer la quantité de puissance dissipée dans le tissu.

Figure 3 - Modèle CAO du torse importé dans Comsol Multiphysics.

Analyse de l'affaiblissement de propagation par simulation

L'équipe de MicroPort a collaboré avec Synopsys Inc, une société spécialisée dans l'automatisation de la conception électronique, de façon à pouvoir utiliser le logiciel Synopsys Simpleware pour développer un modèle de torse humain importable dans le Comsol Multiphysics. Le modèle est basé sur un fantôme humain validé par la Fondation IT'IS de Zurich ; plus précisément, le modèle "Duke", qui représente un homme de 34 ans.

Le modèle géométrique a été créé pour inclure les organes, les muscles, les os, les tissus mous et le cartilage. Après importation dans Comsol Multiphysics, une version approximée des cavités cardiaques a été construite pour distinguer le muscle cardiaque du sang. « Il était important pour notre application que ces caractéristiques soient incluses car elles ont des propriétés électriques différentes », précise Mirko Maldari. L'équipe a ensuite conçu deux capsules LCP identiques dans Comsol Multiphysics pour estimer les niveaux d'atténuation du canal intracardiaque.

Les capsules ont été étudiées selon deux orientations différentes, toutes deux à une distance de canal de 9 cm. Les simulations ont été réalisées selon une approche quasi-statique pour calculer l'atténuation du canal dans une gamme de fréquences comprise entre 40 kHz et 20 MHz. Pour ce faire, les ingénieurs ont utilisé l'interface Electric Currents du module AC/DC, un produit complémentaire de Comsol.

Figure 4 - Scénarios avec les capsules perpendiculaires et parallèles.

La figure 4 montre les positions de la capsule de l'oreillette droite selon le scénario le plus défavorable (perpendiculaire à la capsule du ventricule droit) et le scénario le plus favorable (parallèle). La simulation montre des niveaux d'atténuation des deux scénarios qui diminuent d'environ 5 dB entre 40 kHz et 20 MHz dans les deux cas, avec une différence d'environ 11 dB (en tout point de la plage de fréquence), à la faveur du scénario "parallèle". Celui-ci aboutit en effet, logiquement, à une tension différentielle plus élevée à travers le dipôle de réception. Avec ces résultats, Maldari et son équipe ont pu vérifier dans quelle mesure la position et l'orientation relatives des capsules ont un impact sur l'atténuation du canal.

Pour MicroPort, il était important d'estimer les niveaux d'atténuation avant de préparer le prototype. "En tant que scientifiques, nous essayons de réduire le nombre d'essais sur les animaux, et la simulation a permis cela", indique Mirko Maldari. "C'est un outil puissant pour estimer le comportement des signaux au sein des tissus biologiques avant de les étudier expérimentalement." L'utilisation de la simulation a permis à l'équipe de définir des modèles précis pour la communication IBC galvanique et d'optimiser les émetteurs-récepteurs des systèmes LCP.

D'autres études à mener autour de l’IBC

Les projets futurs de MicroPort prévoient des études supplémentaires sur l'effet de certains paramètres d'entrée, tels que la taille des électrodes et les longueurs des dipôles, sur un ensemble plus complet de paramètres de champ électrique. Cela aidera l'entreprise à mettre en évidence la différence d'atténuation entre les périodes diastoliques et systoliques.

Pour l'instant, les ingénieurs travaillent à la conception d'un récepteur à très faible puissance pour la synchronisation du LCP. Ce nouveau récepteur pourrait constituer une innovation révolutionnaire pour les stimulateurs cardiaques à double chambre.


www.comsol.fr

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