NOTE D'APPLICATION : Explication de la Stimulation Isolée

Le terme stimulation fait référence à la délivrance d'une forme d'énergie à un tissu biologique afin de provoquer une réponse observable.

Bien que l'énergie utilisée dans la stimulation puisse être chimique, thermique, mécanique ou électrique, cette discussion se concentrera sur la stimulation électrique. La stimulation électrique des tissus biologiques implique la délivrance de courant et de tension au site de stimulation. Les deux quantités sont liées par la loi d'Ohm :

V=IR

Où V est la tension appliquée, I est le courant et R est la résistance électrique du tissu et/ou des électrodes de stimulation. Cette équation simple montre que si la tension est constante, le flux de courant diminuera si la résistance tissu/électrode augmente, et augmentera si la résistance diminue.

Plus couramment, la résistance du tissu diffère d'un échantillon à l'autre, et la résistance des électrodes change avec le courant appliqué au fil du temps dans un processus appelé polarisation.

Types de dispositifs de stimulation

Stimulateurs à tension constante - Dans la délivrance d'énergie électrique aux tissus biologiques, les dispositifs de stimulation peuvent maintenir soit le courant, soit la tension constante pendant le processus de stimulation. Les dispositifs qui maintiennent la tension constante à une valeur définie par l'utilisateur et laissent le courant être déterminé par la loi d'Ohm sont connus sous le nom de stimulateurs à tension constante.

Stimulateurs à courant constant - Les dispositifs qui maintiennent le courant constant à une valeur définie par l'utilisateur pendant le processus de stimulation et laissent la tension être déterminée par la loi d'Ohm sont appelés stimulateurs à courant constant.

Les stimulateurs à courant constant sont préférés pour deux raisons :

• Premièrement, le courant est la quantité qui stimule la plupart des tissus excitable.
• Deuxièmement, les électrodes de stimulation ont tendance à augmenter leur résistance au fur et à mesure de la stimulation, tout comme certains tissus. Un stimulateur à courant constant "détectera" ce changement de résistance et fournira la tension nécessaire pour maintenir la livraison du courant au taux défini.

Il y a évidemment une limite à la tension qu'un stimulateur à courant constant peut fournir. Si la résistance de la préparation devient infinie, comme cela pourrait arriver si l'un des électrodes de stimulation est retiré du tissu, le stimulateur ne pourrait pas générer une tension infinie pour compenser.

La tension maximale qu'un stimulateur à courant constant peut fournir est appelée tension de conformité. Une fois cette tension de conformité atteinte, toute augmentation supplémentaire de la résistance du tissu entraînera une baisse du courant délivré.

Les isolateurs WPI des séries 300 et DLS offrent une tension de conformité de 100V avec un bruit très faible. Les isolateurs de stimulation, comme leur nom l'indique, isolent également un stimulus donné de la terre. Dans un contexte de conception d'instrument, la plupart des gens pensent à l'isolation de la terre en ce qui concerne la sécurité électrique. Du point de vue de l'enregistrement biologique, d'autres problématiques se posent. Considérez le circuit de la Figure 1.

Le stimulateur dans ce cas est une batterie avec un interrupteur ; le courant quitte la borne positive de la batterie, circule dans le câble de stimulation, traverse le tissu, et 100 % du courant délivré revient à la borne négative de la batterie. Cette figure montre également un voltmètre dans la préparation.

Les tensions générées par le tissu en conséquence du stimulus sont enregistrées par rapport à l'électrode de masse du voltmètre.

Dans la figure 2, la batterie est remplacée par un stimulateur alimenté sur secteur. Même si la source de stimulation et le voltmètre ont des électrodes de masse séparées, elles représentent le même point électrique. Pour cette raison, une partie significative du courant de stimulation revient à la masse par le câble de masse du voltmètre.

Artefact DC - Si les courants sont importants, ou si les tensions que vous essayez de mesurer sont très faibles, la chute de tension I x R à travers la résistance de l'électrode de masse du voltmètre s'ajoutera à la tension enregistrée du tissu et sera vue comme un artefact DC.

Artefact AC - Le couplage capacitif entre le circuit du voltmètre et le circuit isolé peut induire un courant dans la masse du voltmètre. Le courant induit circulera transitoirement à travers la résistance de la masse du voltmètre, et sa chute de tension I x R sera vue comme un pic transitoire avant et après toute impulsion de courant délivrée par la source de courant. Ceci est appelé un artefact AC.

La raison principale pour laquelle les chercheurs utilisent une source de courant isolée est de minimiser les artefacts. Mais, que se passe-t-il si vous n'enregistrez pas ? Il n'y a pas de masse de voltmètre pour produire un artefact observable. Si vous prenez un moment pour considérer les exemples ci-dessus, l'artefact a été minimisé ou éliminé en contrôlant le chemin du courant de stimulation.

Stimulation isolée / Isolateurs de stimulus

Connaître le chemin du courant peut être crucial en stimulation physiologique. Considérez le chemin du courant dans la figure 3. L'animal représenté par le chat mal dessiné est fixé dans un cadre stéréotaxique.

Le cadre est mis à la terre. L'animal touche le cadre en plusieurs points. La figure 3 montre le modèle de batterie et d'interrupteur d'un stimulateur. Ici, comme précédemment, tout le courant qui quitte le côté positif de la batterie doit revenir au côté négatif. 100 % du courant de stimulation doit passer entre les électrodes de stimulation. Dans ce cas, le chemin ainsi que la quantité exacte de courant délivrée sont connus.

La figure 4 montre la même configuration expérimentale sauf que la batterie a été remplacée par une source de tension alimentée par le secteur. Le courant de stimulation retourne maintenant à la masse par de nombreuses voies. La quantité de courant qui circule vers la masse est déterminée par la résistance entre la source et chacun des points de masse et est calculée comme un réseau résistif en utilisant les lois de Kirchhoff. De nombreuses zones non intentionnelles de l'animal peuvent être stimulées.

Dans le monde réel, nous ne pouvons pas utiliser une batterie et un interrupteur, surtout si les durées de courant sont de l'ordre de la milliseconde. Des dispositifs électroniques tels que des générateurs d'impulsions et des ordinateurs sont utilisés pour générer le timing, et des isolateurs pilotés par ces dispositifs sont utilisés pour délivrer la stimulation.

En connectant un isolateur (même alimenté par batterie) à un générateur d'impulsions alimenté par le secteur, vous connectez la masse isolée de l'isolateur à la masse secteur du générateur d'impulsions. À moins que la connexion électrique entre les deux appareils ne soit réalisée sans utiliser de connexion mécanique entre eux, vous rompez l'isolation.

C'est ce qui fait d'un isolateur un isolateur. Le contact non mécanique entre les machines qui constitue la barrière d'isolation peut être réalisé de deux manières.

• À l'origine, les isolateurs étaient isolés par transformateur. Les ondes d'impulsion étaient appliquées à l'enroulement primaire d'un transformateur, tandis que la stimulation réelle était dérivée de l'enroulement secondaire. Le transfert était réalisé par induction. Cette approche souffrait de deux inconvénients. Les dispositifs ne pouvaient pas transmettre de courant continu, donc aucune stimulation isolée à tension constante ne pouvait être réalisée. L'approche par transformateur présente également une capacité intrinsèquement plus élevée. Cela signifie que bien que la résistance entre les bobines primaire et secondaire soit très élevée, la haute capacité produit un artefact en courant alternatif qui est inacceptablement important comparé à d'autres techniques d'isolation.
• L'isolation optique est le deuxième schéma populaire. Le domaine s'est presque entièrement standardisé sur celui-ci. En termes simples, l'onde d'impulsion d'entrée alimente une lumière qui éclaire à travers la barrière une cellule photoélectrique qui produit l'onde de stimulation. Il y a eu d'innombrables variations sur ce thème, et il est utilisé pour isoler les amplificateurs d'enregistrement ainsi que les stimulateurs.

Les isolateurs de WPI (Tous sont optiques)

Activé par des commandes logiques conventionnelles de niveau logique, Modèle A365 peut être déclenché par n'importe quel générateur d'impulsions, stimulateur ou sortie d'ordinateur. Un signal sonore retentit lorsqu'un circuit d'électrode ouvert est détecté ou lorsque la conformité du système est atteinte. Un second signal sonore optionnel retentit lorsqu'un signal est appliqué à l'entrée. Un interrupteur de test est également prévu pour vérifier la charge de la batterie. Les courants de stimulation sont réglés à l'aide d'un bouton de commande à trois chiffres et d'un commutateur de plage à trois positions. Le courant de sortie suit les réglages de contrôle à mieux que 1%. Le courant de sortie est indépendant de la charge ; une tension suffisante pour faire passer le courant désiré à travers la charge est automatiquement développée, sous réserve uniquement des limites de conformité. Modèle A365 produit un courant jusqu’à 10 milliampères, en trois plages, avec une conformité supérieure à 100V. La polarité de sortie est déterminée par un interrupteur trois positions en façade (+/-/off). Le courant bipolaire est commuté par la forme d’onde de commande, définissant des impulsions alternées positives ou négatives. Le rechargeable A365R est fourni avec un accumulateur nickel-métal hydrure. A362 Un chargeur de batterie est nécessaire avec le A365R.

Le stimulateur/isolateur Isostim™ est désormais disponible avec des batteries NiMH en version rechargeable. Il combine la facilité d’utilisation et la précision des stimulateurs de la série 300 de WPI avec la puissance de sortie d’un isolateur de stimulus. Le mode externe/CC convertit l’Isostim™ en isolateur de stimulus passif.

Le modèle A320D est alimenté par des piles alcalines 9 volts facilement disponibles (incluses). Le A320R rechargeable est fourni avec un accumulateur nickel-cadmium qui offre 10 à 12 heures de fonctionnement avant recharge. Le chargeur A362 doit être utilisé avec le A320R.

WPI propose également un isolateur de stimulus à courant élevé, qui combine isolation optique et générateur de courant ±100 mA. Le modèle A365 délivre des courants positifs, négatifs ou bipolaires. Le connecteur d’entrée est un BNC standard, permettant d’utiliser des signaux de toute source – comme les lignes D/A ou E/S d’un ordinateur.

La version rechargeable A385 n’est pas adaptée à la stimulation transcutanée, et le chargeur système A382 doit recharger les batteries. Des voyants et des alarmes sonores informent constamment l’utilisateur de l’état de charge des batteries.

L’isolateur de stimulus linéaire WPI modèle A395, également disponible en version rechargeable, reproduira une forme d’onde programmée de n’importe quelle forme ou polarité. Fonctionnant sur batterie et isolé photoélectriquement de la tension d’entrée, l’instrument régénère en courants de sortie les formes d’onde originales fournies par votre convertisseur D/A ou générateur de signaux.

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