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1. (WO1986003593) PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETERMINATION DE CARACTERISTIQUES CARDIO-VASCULAIRES PAR VOIE EXTERNE ET LEUR APPLICATION AUX CARDIOPATHIES
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Procédé et dispositif de détermination de caractéristiques cardic-vasculaires par voie externe et leur application aux cardiopathies

Dans de nombreuses maladies cardiovasculaires, il est utile d'être à même de connaître le cycle hémodynamique d'un patient pour déterminer le traitement à lui appliquer et l'évolution de celui-ci. L'estimation clinique de l'état hémodynamique d'un patient conduit fréquemment à des erreurs de sorte que dans des cas graves, notamment dans le cas de patients ventilés mécaniquement, on est conduit à effectuer une cathétérisation cardiaque qui permet de vérifier rapidement l'évolution d'une thérapeutique. C'est ainsi qu'on utilise de plus en plus la cathétérisation dans des unités de soins intensifs pour contrôler le débit cardiaque de patients, en particulier par le procédé dit de "thermo-dilution".

Ce procédé ne donne pas une information instantanée sur l'écoulement sanguin ni sur l'écoulement à partir du ventricule gauche, ce qui est très regrettable étant donné que les tonus veineux et sympathiques peuvent varier simultanément et de façon imprévisible. Par ailleurs, il est connu que les méthodes d'examen telles que la cathétérisation ne sont pas sans risque.

La présente invention crée un nouveau procédé qui rend possible de connaître d'une manière instantanée des caractéristiques essentielles telles que le débit cardiaque, la vitesse d'écoulement du sang, en particulier dans l'aorte, l'accélération au début de la systole et, par conséquent, il devient possible d'intervenir de manière très rapide, ce qui est déterminant pour certains patients, notamment pour des patients ventilés mécaniquement et atteints d'affections graves.

Conformément à l'invention, le procédé pour la détermination de caractéristiques cardio-vasculaires par voie externe, dans lequel on met en oeuvre l'effet Doppler, est caracté risé en ce qu'on détermine la section d'un vaisseau sanguin, en ce qu'on détermine la distance séparant une section sensiblement transversale du vaisseau d'une partie de la surface corporelle du patient, en ce qu'on émet à l'intérieur d'intervalles de temps réguliers des salves d'ultrasons, en ce qu'on recueille l'écho Doppler desdites salves à un intervalle de temps correspondant à la distance séparant le vaisseau de la partie de la surface corporelle du patient, en ce qu'on convertit les échos successivement recueillis en signaux Doppler directionnels, en ce qu'on convertit lesdits signaux Doppler directionnels en signaux numériques, en ce qu'on mémorise alternativement un nombre de signaux numériques qui est une puissance de 2 dans deux mémoires-tampons pendant des intervalles de temps d'échantillonnage sucessifs de courte durée, en ce qu'on traite alternativement par transformation de Fourier et en temps réel les signaux numériques provenant successivement de l'une et l'autre mémoirestampons pour établir un spectre de fréquences et. d'amplitudes correspondant à chaque temps d'échantillonnage, et en ce qu'on calcule la fréquence moyenne

Fmoy = ε (A2.F)
ε A2
pour obtenir une courbe fonction du temps dont chaque période est l'image d'une systole.

L'invention s'étend aussi à un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, dispositif qui par sa réalisation peut être réalisé sous un faible volume et à un prix peu élevé étant donné la spécificité de ses composants prévus pour remplir uniquement un nombre restreint de fonctions bien que dans des temps très brefs, et ainsi la miniaturisation qu'il est possible de réaliser du dispositif rend possible de le mettre en oeuvre même en dehors d'unités de soins intensifs. De plus, les informations que procure le dispositif peuvent être obtenues pour la plupart en lecture directe, par exemple sur un écran cathodique tout en permet tant, éventuellement, des enregistrements graphiques à des moments caractéristiques d'un traitement ou lors de l'évolution brusque de l'état du patient.

Conformément à cette seconde disposition de l'invention, le dispositif comporte un transducteur pour l'émission de salves d'ultrasons à intervalles de temps réguliers et pour la réception de l'écho Doppler en résultant,un circuit directionnel pour l'obtention de signaux Doppler directionnels, un convertisseur analogique numérique relié au circuit Doppler directionnel, deux mémoires-tampons reliées au convertisseur analogique numérique et recevant alternativement un nombre de points significatifs images du signal Doppler directionnel, un calculateur relié aux deux mémoires-tampons et traitant successivement les données illustratives des points emmagasinés dans lesdites mémoires-tampons pour la formation d'un spectre d'amplitudes et de fréquences illustrant respectivement la moitié de.s points significatifs emmagasinés à chaque fois dans chacune des mémoires-tampons, une première mémoire pour emmagasiner les amplitudes et fréquences caractéristiques du spectre et un ordinateur relié à ladite mémoire pour effectuer au moins le calcul
ε(A2. F)
Fmoy =
ε A2
et transmettre le résultat dudit calcul à un moyen d'affichage.

L'invention trouve une application particulièrement importante dans l'établissement des caractéristiques cardiovasculaires, en particulier au niveau de l'aorte ascendante. Conformément à cette troisième disposition de l'invention, pour la détermination des caractéristiques cardio-vasculaires de l'aorte ascendante, le transducteur est disposé dans la fosse sus-sternale en arrière du manubrium en étant dirigé vers le bas pour intercepter un tronçon de l'aorte ascendante proche des valvules sigmoïdes.

Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit.

Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est représentée, à titre d'exemple non limitatif, au dessin annexé.

La fig. 1 est un schéma synoptique du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de détermination de caractéristiques cardio-vasculaires, objet de l'invention.

La fig. 2 est un schéma anatomique explicatif.

La fig. 3 illustre deux courbes pour l'obtention d'un signal Doppler.

La fig. 4 est un schéma illustrant une phase de traitement du procédé de l'invention.

La fig. 5 illustre de façon schématique un spectre obtenu par transformation de Fourier à partir des signaux Doppler illustrés schématiquement à 1a fig. 3.

La fig. 6 est une courbe illustrative de caractéristiques cardio-vasculaires obtenues selon l'invention en temps réel.

La fig. 7 est une courbe illustrant une représentation tridimensionnelle obtenue selon l'invention.

La fig. 8 illustre la représentation, dite tridimensionnelle, obtenue des caractéristiques cardio-vasculaires déterminées selon l'invention à partir des courbes de 1a fig. 6.

Les fig. 9 et 9a sont des représentations vectorielles illustrant la vitesse des globules sanguins dans un vaisseau pendant un temps d'échantillonnage défini en relation avec 1a fig. 3.

Aux fig. 1 et 2, 1 désigne un transducteur pour l'émission de salves de signaux et la réception de signaux Doppler à travers une porte 2 menant à un circuit de traitement 3 de formation de signaux Doppler directionnels, c'est-à-dire tous positifs et compris par exemple entre 0 et 7 KHz.

L'ensemble transducteur 1, porte 2 et circuit 3 est réglé comme l'illustre la fig. 3 pour obtenir tout d'abord des échantillons Doppler, c'est-à-dire que dans des intervalles de temps successifs T, T1 ... Tn, par exemple de 10 -4s, on émet tout d'abord une salve d'impulsions à haute fréquence par exemple à 4 MHz pendant un temps t.

La fréquence des salves d'impulsions est choisie compte tenu de la vitesse approximative connue des globules sanguins, généralement comprise entre 0 et 150 cm/s dans l'aorte ascendante pendant une systole pour que le signal Doppler, c'est-à-dire la différence entre la fréquence émise et la fréquence reçue, soit une fréquence directionnelle comprise de préférence dans les fréquences audibles, par exemple entre 0 et 7 KHz, comme indiqué ci-dessus.

Pour une détermination des caractéristiques cardio-vasculaires au niveau de l'aorte ascendante, on procède comme illustré à la fig. 2. A cette figure, 4 désigne le ventricule gauche du coeur, 5 les valvules sigmoïdes et 6 l'aorte ascendante.

Pour permettre de déterminer les caractéristiques notamment d'accélération, de vitesse et de débit dans la partie amont de l'aorte ascendante, on applique le transducteur 1 au niveau de la fosse sus-sternale 7, c'est-à-dire en arrière du manubrium 8 du patient et on maintient ladite tête 1a pour que son axe soit sensiblement vertical et dirigé vers le bas comme illustré par l'axe 9, afin que ledit axe soit approximativement concentrique à une coupe transversale 10 de la partie de l'aorte ascendante se trouvant à proximité des valvules sigmoïdes.

Une étude anatomique peut d'ailleurs être effectuée pour chaque patient concerné avant l'examen au moyen d'une observation échographique permettant de situer la coupe 10 à environ 6 cm de la fosse sus-sternale 7 et, de même, la section aortique au niveau de la coupe 10 est normalement connue par des tables ou facilement déterminée par l'observation échographique.

Lorsque la position de la coupe 10 a été choisie correctement, on règle le temps t1 devant s'écouler entre la fin de la salve d'impulsions à haute fréquence émise pendant le temps t et l'ouverture de la porte 2 permettant de recevoir l'écho Doppler.

Dans la pratique et dans l'exemple considéré de la coupe 10, le temps t1 est par exemple compris entre 60 et 80 μs , la porte 2 demeurant ensuite ouverte pendant un temps t 2 compris par exemple entre 1 et 3 μs. Ainsi que l'illustre la fig. 3, ledit temps t 2 représente le temps d'échantillonnage de la fréquence Doppler.

Dans la pratique et compte tenu des indications numériques données dans ce qui précède, la coupe 10 présente un diamètre d'environ 3 cm et une épaisseur comprise entre 0,75 et 2,25 mm lorsque le niveau auquel l'écho doit être apprécié est distant de 4,5 à 6 cm de la partie émettrice réceptrice de la tête 1a du transducteur.

Le signal Doppler directionnel provenant du circuit 3 est appliqué à un convertisseur analogique numérique 11 destiné à charger alternativement deux mémoires-tampons 12 et 13 qui sont reliées à un calculateur de traitement 14 dans lequel lesdites mémoires-tampons sont déchargées alternativement comme cela est illustré schématiquement à la fig. 4.

Dans le cas de l'exemple numérique énoncé dans ce qui précède, on réalise la conversion analogique numérique de façon que chaque mémoire-tampon 12, 13 reçoive successivement un nombre entier de points, qui soit une puissance de 2 et, de préférence, chaque mémoire reçoit 128 points constituant l'image numérique du signal Doppler correspondant à un laps de temps d'échantillonnage de 5 ms.

Le calculateur de traitement 14 comporte un logiciel de calcul 14a faisant qu'il effectue une transformation de
Fourier pour chacune des données rec;ues alternativement de l'une et l'autre mémoires dans des laps de temps d'échantillonnage successifs de 5 ms.

La fig. 5 montre que le calculateur de traitement 14 établit pendant chaque laps de temps de 5 ms un spectre de 64 valeurs de fréquence F et de 64 valeurs d'amplitude A.

Les valeurs des fréquences et des amplitudes ainsi calculées pendant chaque laps de temps de 5 ms sont stockées dans des mémoires 15 d'amplitudes et de fréquences reliées à un ordinateur 16 (fig. 1) qui, dans l'exemple décrit dans ce qui suit, est conçu pour exécuter deux types de calculs et qui peut, par conséquent, être constitué sous la forme d'une unité spécifique à ces seuls types de calculs, ce qui permet de le réaliser sous forme réduite et à relativement bon marché.

L'ordinateur 16 recevant les données des mémoires 15 effectue à partir de chaque spectre conforme à celui de la fig. 5 un calcul de fréquence moyenne en temps réel, c'est-à-dire au fur et à mesure de l'établissement de chaque spectre.

Le calcul des fréquences moyennes correspond à la formule
ε (A2.F)
Fmoy =
ε A2
Les résultats du calcul ci-dessus permettent de tracer une courbe de fréquences moyennes en fonction du temps, c'est- à-dire une courbe qui est une image dans le temps notamment de l'accélération et de la vitesse du sang au cours de chaque systole au niveau de la coupe 10 de la fig. 2.

Ce qui précède montre que le front avant de chaque impulsion I de la courbe de la fig. 6 correspond à l'accélération que subit le sang au début de la systole, le front avant de ladite courbe étant ainsi une illustration très importante de l'état cardiaque puisque l'accélération que subit le sang dans l'aorte ascendante à proximité des valvules sigmoïdes est une image de la contractilité du muscle cardiaque.

La surface de chaque impulsion I correspond par ailleurs au volume du sang éjecté pendant la systole, ce volume pouvant ainsi être facilement calculé par l'ordinateur 16 qui n'a à effectuer que l'intégrale de chaque impulsion.

Etant donné que la section de l'aorte est également connue comme cela est expliqué dans ce qui précède, le produit de la vitesse par cette section peut également être exécuté facilement par l'ordinateur pour connaître le débit sanguin à chaque systole.

La courbe de la fig. 6 étant une courbe de fréquences en fonction du temps et cette courbe délimitant avec précision les sytoles et diastoles successives, les durées de ces dernières sont également déterminées d'une manière simple.

Comme l'illustre la fig. 1, l'ordinateur 16 est normalement relié à un écran 17 permettant d'afficher en permanence les caractéristiques calculées par l'ordinateur.

Un clavier 18 est associé à l'ordinateur 16 pour permettre à l'opérateur d'emmagasiner en mémoire pendant un temps plus ou moins long, par exemple 5 à 7 secondes, les coordonnées de la courbe de la fig. 6 et de permettre ainsi ensuite de faire un tracé au moyen d'un scripteur 19 des données de la courbe de la fig. 6 qui ont été gelées dans une mémoire pendant le temps choisi ci-dessus.

On voit par ce qui précède que, par les moyens décrits, l'invention permet, par exemple à chaque période cardiaque, de connaître le volume sanguin éjecté au cours de la systole, de connaître le temps d'éjection, la vitesse sanguine maximale, l'accélération sanguine maximale et le débit cardiaque, résultats qui permettent à leur tout d'apprécier l'état cardio-vasculaire et notamment les caractéristiques de contractilité du muscle.

Le procédé de l'invention s'étend également à la détermination et à la visualisation des différences de vitesse des glovules sanguins dans le vaisseau étudié en faisant apparaître les résultats obtenus sous la forme d'un tracé tri-dimensionnel qui apparaît ainsi à la manière d'une représentation en relief. Pour cela et comme le montre la fig. 7, les spectres d'amplitudes et de fréquences de la mémoire 15 sont transférés dans l'ordinateur 16 pour y être stockés et traités en temps différés, c'est-à-dire que la succession de données d'amplitudes et de fréquences permet à partir de la courbe selon la fig. 5 de tracer à l'issue de chaque temps d'échantillonnage de 5 ms une premier enveloppe du spectre comme cela est illustré par la courbe E1 de la fig. 7.

L'ordinateur 16 est programmé pour calculer puis tracer ensuite l ' enveloppe E2 du spectre du second temps d ' échantillonnage de 5 ms. Le traçage de la courbe E2 et des suivantes s'effectue selon des coordonnées décalées dans le temps de mesures régulières, images du temps d'échantillonnage de 5 ms comme indiqué à la fig. 7. Le calcul du tracé des courbes E1 , E2 ... En des enveloppes des spectres successifs est réalisé comme le montre la fig. 7 pour que seules apparaissent les parties des enveloppes non cachées par les enveloppes précédentes.

La représentation tridimensionnelle qui est ainsi obtenue et qui est illustrée à la fig. 8 de façon à correspondre au temps T de la fig. 6 fait apparaître de cette manière, suivant l'axe des amplitudes les vitesses vectoreilles, illustrées aux fig. 9 et 9a, des globules sanguins entre les parois aortiques 20 au cours des trois systoles illustrées dans ledit temps T, les mesures selon l'axe des amplitudes A correspondant aux informations données dans la représentation antérieurement connue des variations dans l'échelle des gris.

De la même façon qu'exposé dans ce qui précède, le tracé tridimensionnel décrit est obtenu en agissant sur le
clavier 18 de l'ordinateur 16 pour geler dans la mémoire principale de celui-ci les données des spectres successifs à 64 amplitudes et 64 fréquences des mémoires 15 pendant un temps, par exemple d'environ 10 secondes ou davantage, pour permettre ensuite et en temps différé le traçage tridimensionnel sur un laps de temps significatif correspondant par exemple à un cycle respiratoire, ce qui permet ensuite à l'observateur d'apprécier les cycles cardiaques compte tenu des interférences produites sur la circulation aortique dans les cours des cycles respiratoires.

L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation représenté et décrit en détail, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. En particulier, ce qui est décrit dans ce qui précède peut être mis en oeuvre pour la détermination des caractéristiques vasculaires d'autres vaisseaux, notamment d'autres artères.