Cas utilisateurs

Étude de la communication intracorporelle pour les stimulateurs cardiaques sans fil

Les stimulateurs cardiaques sans fil (LCP pour Leadless Cardiac Pacemakers) sont devenus une technologie de pointe pour la gestion du rythme cardiaque. Chez MicroPort CRM, la simulation numérique est utilisée pour optimiser la communication entre les systèmes LCP multi-nœuds.

Par Dixita Patel
Mai 2021

Les progrès récents de la technologie des stimulateurs cardiaques comprennent désormais une électronique améliorée et des batteries plus petites, ce qui rend possible le développement de stimulateurs cardiaques sans fil (LCP). Un LCP est un générateur et un système d'électrodes autonomes (ressemblant à une capsule) qui élimine le besoin de sondes de poche ou transveineuses, souvent à l'origine de dysfonctionnements. Les LCP actuellement sur le marché stimulent un seul endroit du cœur, mais pour les patients qui ont besoin d'une stimulation plus importante que celle d'une chambre unique, un système LCP multi-nœuds (figure 1) peut être utilisé. Les systèmes LCP multi-nœuds nécessitent une synchronisation entre tous les dispositifs implantés pour fonctionner correctement. Cependant, les techniques de communication standard utilisées peuvent être inadaptées en raison de contraintes relatives à la consommation d'énergie et à la taille.

Pour rendre le système et la communication plus efficaces, les chercheurs de MicroPort CRM utilisent la simulation pour étudier les défis de conception de la communication galvanique intracorporelle (IBC). L'IBC fournit une solution optimisée en termes de puissance et facilite la communication entre les dispositifs, ce qui permet de mieux synchroniser les systèmes LCP multi-nœuds.

Émetteurs-récepteurs de communication intracorporelle pour les applications LCP

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

Mirko Maldari, ingénieur en électronique chez MicroPort CRM, et son équipe ont proposé une nouvelle méthodologie pour caractériser davantage ces types de canaux de communication. "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 M. Maldari. Dans le cadre de leurs recherches, une étude in vivo a été réalisée à l'aide d'un système composé de deux capsules qui ont été 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.

Analyse de l'affaiblissement de la propagation de l’IBC par la simulation

L'équipe de MicroPort à collaboré avec Synopsys Inc., une société d'automatisation de la conception électronique, en utilisant le logiciel Synopsys Simpleware™ pour développer un modèle de torse humain importable dans le logiciel COMSOL Multiphysics^® (Figure 3). 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 approximative des cavités cardiaques a été construite pour distinguer le muscle cardiaque du sang. M. Maldari précise : "Il était important pour mon application que ces caractéristiques soient incluses car elles ont des propriétés électriques différentes." 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 à l'aide de l'interface Electric Currents du module AC/DC, un produit complémentaire de COMSOL Multiphysics^®, pour calculer l'atténuation du canal dans une gamme de fréquences comprise entre 40 KHz et 20 MHz. Les résultats de la Figure 4 montrent les positions de la capsule de l'oreillette droite (RA) du scénario le plus défavorable (perpendiculaire) et du scénario le plus favorable (parallèle). Le meilleur scénario montre une tension différentielle plus élevée à travers le dipôle de réception. Les niveaux d'atténuation des deux scénarios sont visibles sur la Figure 5, où la différence est de ~11 dB. De 40 kHz à 20 MHz, l'atténuation diminue de ~5 dB dans les deux cas. À partir des résultats, Maldari et son équipe ont pu vérifier que la position et l'orientation relatives des capsules ont un impact important sur l'atténuation du canal.

Pour MicroPort, il était important d'estimer les niveaux d'atténuation avant de préparer le prototype. "En tant que chercheurs et scientifiques, nous essayons de réduire le nombre d'essais sur les animaux, et la simulation a permis cela," indique M. 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 galvanique IBC et d'optimiser les émetteurs-récepteurs pour les systèmes LCP.

Projets futurs pour l’IBC

Les projets futurs de MicroPort prévoient des études supplémentaires, où 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 sera étudié. Cela les aidera à mettre en évidence la différence d'atténuation entre les périodes diastoliques et systoliques. Pour l'instant, les chercheurs 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.