Asservissement de fréquence

Généralités

Certains patients présentent une insuffisance chronotrope avec une fréquence cardiaque qui ne s’adapte pas aux changements de leur activité physique. Cette incapacité d'augmenter leur fréquence cardiaque à l'effort peut être associée avec la survenue d’une symptomatologie type essoufflement, fatigue ou réduction de la capacité d'effort.

Pour pallier l’incapacité d’accélération physiologique à l’effort, les stimulateurs cardiaques modernes sont dotés de capteurs capables d’enregistrer un indicateur d’activité métabolique et d’accélérer la fréquence de stimulation en réponse. Le fonctionnement d'un stimulateur asservi ajoute un comportement dynamique de l’intervalle de stimulation/échappement : la fréquence de base est variable en fonction de l’indication d’effort fourni par un capteur spécifique. La programmation de l'asservissement est indiquée chez un patient présentant une insuffisance chronotrope, l'objectif étant d’assurer une augmentation de fréquence la plus physiologique possible correspondant au niveau de besoins métaboliques imposés par l’effort en cours.

Un stimulateur asservi est qualifié par la 4ème lettre du code international (R) : SSIR, DDDR, DDIR …

Chaque compagnie présente ses particularités en termes de capteur et de programmation de l’asservissement. Plusieurs types de systèmes ont été développés depuis les années 70, mais seuls trois sont utilisés dans les dispositifs actuels en fonction de la marque : la mesure d’activité physique à partir d’un quartz piézo-électrique ou à partir d’un accéléromètre, la ventilation-minute en utilisant la technique de bio-impédance et l'impédance intracardiaque.

Les critères de qualité d’un capteur d’asservissement sont les suivants :

  • l’information fournie doit être en relation directe avec le système sympathique ou avec l’activité physique du patient.
  • la relation entre l’amplitude du signal capteur et le niveau d’effort doit être linéaire.
  • la sensibilité du capteur doit être optimale pour une réactivité rapide du système.
  • la plage de variation du paramètre mesuré doit être suffisamment large pour être spécifique.
  • l’information fournie doit être reproductible.
  • le capteur doit être le plus petit possible pour être inclus dans le stimulateur sans augmentation de sa taille, et avoir une consommation d’énergie minimale.

Les avantages les plus importants des accéléromètres sont la simplicité, la fiabilité, une faible consommation d’énergie, l’utilisation de sondes traditionnelles, une excellente sensibilité du début d’effort, une bonne corrélation entre performance physique et accélération de fréquence, obtenue sous diverses conditions (marche, effort de vie courante). La réponse est également plus physiologique qu'avec un capteur piézo-électrique car moins sensible aux vibrations avec une meilleure relation avec le niveau d’effort. Il n'y a en revanche pas d'accélération sur un stress mental.

Les avantages spécifiques de la ventilation minute et de l'impédance intracardiaque sont l'utilisation de sondes traditionnelles (non dédiées), une meilleure réactivité que l'accéléromètre pour un stress mental et une bonne corrélation entre performance physique et accélération de fréquence pour des efforts moyens.

Spécificités

  1. L'asservissement de fréquence basé sur les données d'un accéléromètre est disponible sur les stimulateurs des 5 compagnies.
  2. Un asservissement en boucle fermée basé sur l'impédance intracardiaque est possible sur les stimulateurs Biotronik.
  3. Un asservissement en double capteur est possible sur les stimulateurs Boston Scientific et Sorin en ajoutant à l'accéléromètre les données de ventilation minute.     

BIOTRONIK

L'asservissement de fréquence peut s'appuyer sur un accéléromètre ou sur un mode spécifique dît CLS (closed loop stimulation); ces 2 capteurs fonctionnent indépendamment et ne peuvent pas être programmés simultanément:

Accéléromètre

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Différents paramètres sont programmables:

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  • le gain ou pente qui désignent le facteur par lequel le signal électrique est amplifié avant d’être traité; si le gain est augmenté, l'augmentation de fréquence est plus importante pour un même effort; quand l'ajustement automatique est programmé, si la fréquence maximale du capteur est atteinte 1 heure par jour (ou plus), le gain est alors décrémenté automatiquement d’une unité la nuit suivante ; si la fréquence maximale du capteur n’est pas atteinte au moins 30 minutes par jour pendant 7 jours consécutifs, le gain du capteur est alors incrémenté d’une unité;
  • le seuil du capteur permet de définir un seuil minimum des signaux utilisés pour la fréquence asservie; les signaux du capteur inférieurs à ce seuil n’influencent pas la  fréquence asservie; si la fréquence asservie est insuffisante en cas d’effort minime, il faut sélectionner un seuil de capteur plus faible et/ou ajuster le gain du capteur; 

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  • l’augmentation de fréquence détermine la pente de montée en fréquence de stimulation quand le signal du capteur indique une intensification de l’effort; différents réglages sont possibles: lent (=1cpm/cycle), moyen (=2cpm/cycle), rapide (=4cpm/cycle) et très rapide (=8cpm/cycle); un réglage de la vitesse de montée de 2cpm/cycle (moyen) signifie que la fréquence monte par exemple de 60 cpm à 150 cpm en 45 cycles;
  • la décroissance de la fréquence détermine la pente à laquelle la fréquence de stimulation diminue lorsque le signal du capteur indique que l’intensité de l’effort décroît; différents réglages sont possibles: très lent (=0,1cpm/cycle), lent (=0,2cpm/cycle), moyen (=0,4/cycle) et rapide (=0,8cpm/cycle); un réglage de la vitesse de décroissance de 0,5 cpm/cycle signifie que la fréquence baisse par exemple de 150 cpm à 60 cpm sur 180 cycles;

Capteur CLS

Les variations de l’impédance myocardique sont caractéristiques de l’évolution de la contraction ventriculaire, sont directement proportionnelles au degré d’effort cardiaque et peuvent être mesurées par une sonde ventriculaire non spécifique (ne nécessite pas une sonde dédiée). L'asservissement CLS (closed loop stimulation, stimulation en boucle fermée) est basé sur une adaptation de la fréquence cardiaque ciblant les variations d'impédance qui suivent la dynamique de contraction myocardique.

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Le capteur suit l'évolution de la courbe d’impédance intracardiaque mesurée pendant 250 ms après une contraction ventriculaire en utilisant des impulsions à faible amplitude. La stimulation en boucle fermée se calibre et s’adapte automatiquement, permet une adaptation aux efforts physiques et aux efforts mentaux.

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Réglages spécifiques: lorsque la distribution de fréquence n'est pas adaptée pour un patient, certains paramètres peuvent être optimisés.

Une fréquence cible est déterminée, laquelle dépend des paramètres prédéfinis de la fréquence minimale et de la fréquence CLS maximale. Le stimulateur contrôle l’asservissement de fréquence de façon à ce que 20% des événements de stimulation soient au dessus de cette fréquence cible.

Si la programmation de la dynamique CLS est modifiée, les valeurs de réglages programmées à la hausse entraînent un répartition de fréquence vers des fréquences supérieures et, à l’inverse, les valeurs programmées à la baisse entraînent une répartition de la fréquence avec des fréquences inférieures; chez les patients peu actifs, une dynamique faible est conseillée à la différence des patients très actifs (dynamique élevée); 

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Le contrôle de fréquence au repos limite la fréquence de stimulation pouvant être obtenue au repos (déterminé par l'accéléromètre) permettant d'obtenir une accélération sur un effort mental mais limitant une accélération trop importante et inopportune quand le patient est au repos.

BOSTON SCIENTIFIC

Les stimulateurs Boston Scientific sont équipés de 2 capteurs d'asservissement qui peuvent fonctionner séparément ou en association: un accéléromètre et la Ventilation Minute.

Accéléromètre          

L’accéléromètre dispose de différents réglages possibles : Arrêt, Marche, RTA uniquement (l'asservissement ne fonctionne que lors d'un repli) et Passif (il ne fournit aucune réponse en fréquence mais continue à recueillir des données relatives à la Tendance du Capteur).

Différents paramètres sont programmables pour optimiser la réponse en fréquence:

  • la pente de réponse détermine l’augmentation de fréquence en fonction des divers niveaux d’activité du patient; pente de réponse élevée: une activité moindre est nécessaire pour que la fréquence de stimulation atteigne la fréquence maximale asservie; pente de réponse faible: une activité plus importante est nécessaire pour que la fréquence de stimulation atteigne la fréquence maximale asservie;
  • le seuil d’activité représente le niveau d’activité qu’il faut dépasser pour que la fréquence de stimulation asservie s'accélère; ce paramètre doit empêcher les augmentations de fréquence suite à un mouvement parasite de faible intensité (balance nécessaire entre nécessité d'augmentation de la fréquence pour une activité modeste, telle la marche, mais absence d'accélération lorsque le patient est inactif); réglage bas: moins de mouvements sont nécessaires pour augmenter la fréquence de stimulation; réglage élevé: plus de mouvements sont nécessaires pour augmenter la fréquence de stimulation;
  • le temps de réaction détermine la vitesse à laquelle la fréquence de stimulation passe à un degré supérieur dès lors qu’une augmentation du niveau d’activité est détectée. La valeur sélectionnée détermine le temps nécessaire pour que la fréquence stimulée passe de la fréquence minimale à la fréquence maximale asservie pour un niveau d’activité maximum; temps de réaction court : résulte en une augmentation rapide de la fréquence de stimulation; temps de réaction long : résulte en une augmentation plus lente de la fréquence de stimulation;
  • le temps de récupération détermine le temps requis pour que la fréquence stimulée diminue de la fréquence maximale asservie à la fréquence minimale en absence d’activité; temps de récupération court: résulte en une diminution plus rapide de la fréquence de stimulation après réduction ou arrêt de l’activité du patient; temps de récupération long : résulte en une diminution plus lente de la fréquence de stimulation après réduction ou arrêt de l’activité du patient;

Ventilation minute (VM)

Le stimulateur peut utiliser l’impédance transthoracique pour mesurer la ventilation minute (produit de la fréquence respiratoire par le volume courant) et régler l'asservissement de fréquence. Toutes les 50 ms (20 Hz) environ, le dispositif envoie un courant d’excitation entre l’électrode annulaire OD et le boîtier (vecteur principal) ou l’électrode annulaire VD et le boîtier (vecteur secondaire). L’application du courant entre l’électrode annulaire et le boîtier génère un champ électrique à travers le thorax modulé par la respiration. L’impédance transthoracique est élevée durant l’inspiration et basse durant l’expiration, le dispositif mesure les modulations de tension qui en découlent.

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Un filtrage permet à l’algorithme de traiter les fréquences respiratoires pouvant atteindre 72 inspirations par minute. La forme d’onde filtrée est ensuite traitée afin d’obtenir la mesure du volume total.

Comme pour l'accéléromètre, la Ventilation Minute peut être programmée sur Marche, Arrêt, Passif et RTA Uniquement.

Différents paramètres sont programmables pour optimiser la réponse du capteur:

  • la pente de réponse correspond à la relation entre l’augmentation détectée de la VM et l’augmentation correspondante de la fréquence asservie; les valeurs plus importantes de la pente de réponse entraînent une fréquence asservie plus élevée pour un niveau de VM donné;
  • le seuil ventilatoire est un terme physiologique décrivant le moment durant l’épreuve d’effort où la fréquence respiratoire augmente plus rapidement que la fréquence cardiaque (un seuil parfois appelé seuil d’anaérobie ou seuil lactique). La pente de réponse contrôle la réponse en fréquence de la VM pour les fréquences capteur comprises entre la fréquence minimale et le seuil ventilatoire.
  • la réponse du seuil ventilatoire contrôle la réponse en fréquence de la VM lorsque la fréquence capteur est supérieure au seuil ventilatoire.

La relation physiologique entre la VM et la fréquence est approximativement bilinéaire: cette relation est une fonction relativement linéaire pour les efforts jusqu’au seuil ventilatoire. La pente devient moins prononcée aux niveaux d’effort supérieurs au seuil ventilatoire. Cette relation entre les deux pentes varie d’un individu à un autre et dépend de plusieurs facteurs tels le sexe, l’âge et la fréquence et l’intensité de l’effort.

Il est possible de programmer une pente au-dessus du seuil ventilatoire moins prononcée. La réponse du seuil ventilatoire est programmée sous la forme d’un pourcentage de la pente de réponse.

Ces 2 paramètres peuvent être programmés manuellement ou déterminés automatiquement 

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  • le niveau physique détermine automatiquement un seuil ventilatoire et une pente de réponse du seuil ventilatoire. Quand le niveau physique est augmenté, le seuil ventilatoire augmente et la pente de réponse du seuil ventilatoire diminue.

Combinaison double capteur

Quand l’Accéléromètre et le capteur VM sont tous les 2 programmés sur Marche pour l'asservissement, les deux fréquences capteur sont combinées afin de produire une réponse moyenne pondérée. La réponse combinée entre les 2 capteurs est de ce fait toujours égale à une des deux fréquences ou comprise entre les deux. À chaque fois que la réponse guidée par l’accéléromètre est inférieure à la réponse de la VM, la combinaison des capteurs est basée à 100 % sur la VM. Si la réponse de l’accéléromètre est supérieure à la réponse de la VM, la combinaison est au minimum basée à environ 80 % sur l’accéléromètre et 20 % sur la VM si la fréquence de l’accéléromètre se trouve au niveau de la fréquence minimale et au maximum basée à environ 40 % sur l’accéléromètre et 60 % sur la VM si la fréquence de l’accéléromètre se trouve au niveau de la fréquence maximale asservie.
 

MEDTRONIC

L'asservissement de fréquence est basé sur les données fournies par un accéléromètre.

Fréquences programmables

  • la fréquence d’activités quotidiennes (fréquence AQ) est la fréquence approximative que le patient doit atteindre lors d’exercices modérés et définit un palier qui aide à maintenir une fréquence de stimulation stable au cours des changements d’activités modérés telles que la marche ou les tâches ménagères.
  • la fréquence maximale asservie aux capteurs correspond à la limite supérieure de la fréquence indiquée par les capteurs atteinte lors d’exercices intenses.

Un contrôle indépendant de l’asservissement est assuré dans les deux gammes de fréquences AQ et d'effort intense. Le stimulateur maintient une commande de fréquence linéaire entre le signal du capteur d'activité et la fréquence indiquée par le capteur de la fréquence minimale jusqu'à la fréquence AQ. Il maintient une commande de fréquence linéaire indépendante dans la gamme de fréquences d'effort intense. Le système d’optimisation agit sur la pente de la relation linéaire dans les deux gammes de fréquence.

Points de consigne de l’asservissement

Les points de consigne définissent les 2 pentes caractéristiques de l’asservissement à double pente. Un point de consigne inférieur signifie qu’un nombre inférieur d’activités est nécessaire pour atteindre les fréquences maximales.

Le point de consigne AQ détermine le comptage pondéré d’activités qui entraîne la fréquence de stimulation vers la fréquence AQ.

Le point de consigne FM détermine le comptage pondéré d’activités qui entraîne la fréquence de stimulation vers la fréquence maximale asservie. 

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Asservissement manuel

Les points de consigne peuvent être programmés manuellement au cours d’une session patient avec réalisation d'un effort. La courbe reste constante jusqu’à ce que les paramètres soient reprogrammés.

Optimisation automatique de l’histogramme des fréquences

L’optimisation de l’histogramme des fréquences ajuste automatiquement l’asservissement du patient entre les visites au cabinet. Chaque jour, le dispositif recueille et enregistre les moyennes quotidiennes et à long terme du pourcentage de temps où la fréquence indiquée par le capteur du patient est à différentes fréquences de stimulation. Il utilise ensuite les paramètres Réponse AQ et Réponse à l’effort pour définir le pourcentage de temps où la fréquence de stimulation reste dans les gammes de fréquence AQ et d’effort respectivement. Sur la base de comparaisons quotidiennes, le dispositif ajuste le point de consigne AQ, le point de consigne FM ou les deux.

Ajustement du seuil d’activité

Si un patient présente un asservissement minimal à l’effort, le seuil d’activité peut nécessiter d’être reprogrammé à un réglage inférieur (plus sensible). Le réglage le plus sensible est "Bas". Inversement, si un patient présente une fréquence de stimulation élevée au repos, le seuil d’activité peut nécessiter d’être reprogrammé à un réglage supérieur (moins sensible). Le réglage le moins sensible est "Élevé".

Réglage de l’optimisation du profil de fréquence

II peut s’avérer nécessaire de reprogrammer les paramètres Réponse AQ pour modifier la vitesse à laquelle le patient atteint la fréquence AQ et Réponse à l’effort maximal pour modifier la vitesse à laquelle le patient atteint la fréquence maximale asservie. Dans les deux cas, une valeur inférieure diminue l’asservissement et une valeur supérieure l’augmente.

ABBOTT

L'asservissement de fréquence est basé sur les données fournies par un accéléromètre.

Lorsque le capteur est réglé sur Passif, les données du capteur sont enregistrées mais la fréquence n'est pas asservie.

Différents paramètres sont programmables:

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  • le seuil capteur correspond au niveau minimum du signal capteur qui permet d’augmenter la fréquence de stimulation; ce paramètre est programmable de 1 à 7 (plus la valeur est faible plus le seuil est sensible) ou en automatique; le réglage « Auto » ajuste automatiquement le paramètre de seuil au-dessus ou en dessous de la valeur correspondant au niveau capteur moyen mesuré (NCM, calcul de l’activité du patient au cours des 18 dernières heures écoulées). Un réglage Auto (+1) règle automatiquement le paramètre Seuil sur 3 si la valeur Niveau capteur moyen (NCM) est de 2. La valeur NCM est actualisée en permanence par les nouvelles données du capteur. Pour des patients peu actifs, il ne faut pas hésiter à utiliser un seuil plus sensible (Auto -0.5).

Il est possible d'effacer et de recalculer la valeur NCM en sélectionnant le bouton Réinitialiser Seuil auto : 

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  • la pente détermine l’augmentation de la fréquence de stimulation en fonction du niveau capteur; ce paramètre est programmable de 1 à 16 (plus la valeur est forte plus l’augmentation de fréquence est importante) ou en automatique; pour un asservissement un peu plus dynamique, il peut être utile de programmer une pente plus forte (Auto +2 ou Auto +3).

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  • le temps de réponse détermine la rapidité avec laquelle l’augmentation de fréquence est appliquée; le temps de réponse doit être rapide si le patient est peu actif; à l’inverse, il doit être prolongé chez les sujets très actifs (pour éviter des accélérations intempestives pour des gestes brusques qui ne correspondent pas à un effort soutenu);
  • le temps de récupération détermine la rapidité de retour à la fréquence de base après un effort;

SORIN

Les stimulateurs Sorin sont équipés de 2 capteurs pouvant fonctionner ensemble ou séparément: un accéléromètre et un capteur de ventilation minute (mesure de l’impédance transthoracique). 

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Quand les 2 capteurs sont utilisés:

La fréquence de stimulation est d’abord pilotée par l’accéléromètre (G), premier capteur à réagir en début d’effort. Puis, la ventilation minute (VM) prend le relais sur toute la durée de l’effort. Contrôle croisé des 2 capteurs: l'asservissement ne se poursuit que si les 2 capteurs sont actifs. Le capteur G détecte la fin de l’effort, la fréquence rejoint alors progressivement la fréquence de base.

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Toute accélération d’un capteur non confirmée par le deuxième provoque le retour à la fréquence de base. Dans l’exemple ci-dessus, une activation abusive du capteur G corrigée par la ventilation minute est schématisée.

Différents paramètres sont programmables:

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Si l’Asservissement est réglé sur RR figé :

  • Le niveau estimé de l’activité physique du patient est accessible et programmable
  • La réactivité du système est fixée de façon permanent

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Le réglage de l’Activité doit correspondre à l’activité physique du patient. Un patient sédentaire devrait avoir un réglage de son Activité sur Faible ou Très faible. Le système est alors très réactif. Une légère activité physique entraine une augmentation rapide de la fréquence de stimulation proche de la fréquence maximale de stimulation.

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Si l’Asservissement est réglé sur RR auto (RR = Rate Response) :

  • Le niveau estimé de l’activité physique du patient n’est pas accessible
  • La réactivité du système s’ajuste automatiquement en fonction de l’activité physique du patient

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Le système évalue en permanence le niveau d’activité physique du patient. Dans l’exemple suivant, le niveau de ventilation à l’effort a été augmenté suite un effort supérieur en termes de ventilation. Chaque effort supérieur au niveau actuel de ventilation conduit à une augmentation du paramètre Activité (c’est-à-dire qu’il tend vers la valeur Très élevée). A l’inverse, le niveau de ventilation à l’effort est automatiquement réduit de quelques pourcents chaque jour. Ainsi un patient qui devient inactif voit son paramètre Activité tendre spontanément vers la valeur Très faible en quelques jours. Le niveau de ventilation de repos correspond lui au niveau moyen de la ventilation de la journée. 

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