Généralités
- Définition du seuil de stimulation
- Chronaxie et rhéobase
- Paramètres influençant le seuil de stimulation
- Influence de la configuration d’électrode sur le seuil et l’impédance
- Influence de la polarité
- Influence de la forme d’onde de stimulation
- Le concept d'Autoseuil et d'Autocapture
Définition du seuil de stimulation
Le seuil de stimulation correspond à la plus petite impulsion électrique, délivrée en dehors de toutes les périodes réfractaires naturelles, capable d’engendrer la propagation d’une dépolarisation. Il peut être mesuré en tension (volts) ou en largeur d’impulsion (millisecondes).
Chronaxie et rhéobase
La relation de Lapicque, relation tension-durée, ou encore chronaxie-rhéobase, décrit la relation non linéaire de la tension au seuil par rapport à la durée d’impulsion. L’amplitude au seuil de stimulation augmente significativement avec la diminution de la durée d’impulsion (en pratique en deçà de 0.2 ms). Tous les points définis par leur tension et durée d’impulsion, situés au-dessus de la courbe, sont associés avec une stimulation efficace, à l’inverse de ceux situés au-dessous.
La rhéobase est la plus petite tension efficace pour une durée d’impulsion infinie (en pratique, supérieure à 2 ms).
La chronaxie est la plus petite durée d’impulsion efficace pour une tension double de la rhéobase. L’énergie consommée est minimale pour une durée d’impulsion correspondant à la chronaxie.
Chronaxie et rhéobase qualifient électriquement une électrode de stimulation. Aujourd’hui, les valeurs de chronaxie se situent entre 0.3 et 0.4 ms quelle que soit la sonde utilisée ; cette valeur correspond à la valeur de largeur d’impulsion nominale habituelle des stimulateurs. La chronaxie est souvent plus longue sur les électrodes de stimulation ventriculaire gauche.
Le seuil de stimulation est habituellement plus faible lorsque la tension est graduellement diminuée que lorsqu’elle est graduellement augmentée: c’est l’effet Wedensky.
Paramètres influençant le seuil de stimulation
Les activités
L’accélération de la fréquence cardiaque peut diminuer le seuil. A l’exercice, le seuil peut diminuer légèrement à cause des catécholamines. Le sommeil et les phases postprandiales l’augmentent.
Les médicaments et les désordres métaboliques
Glucocorticoïdes, épinéphrine, éphédrine et isoprotérénol diminuent le seuil, à l’inverse du propranolol, vérapamil, spirinolactone, quinidine, et amiodarone. Les antiarythmiques de classe IC (flécaïnide et propafénone) peuvent l’augmenter de façon considérable. Toute modification de thérapeutique médicale doit en théorie conduire à la vérification du seuil de stimulation.
Hyperkaliémie, hypoxie, hypercapnie, hyperglycémie, acidose ou alcalose métabolique augmentent le seuil de stimulation.
Le degré de fibrose
A l’implantation, le traumatisme direct de l’électrode sur l’endocarde créé un courant de lésion et une élévation de seuil qui ne durera que quelques minutes. Avant l’utilisation de sondes à élution de stéroïdes, une élévation des seuils de stimulation dans les 6 premières semaines suivant l’implantation était fréquemment observée en raison du phénomène inflammatoire induit par le traumatisme de l’électrode. Durant cette période, des valeurs élevées d’amplitude de stimulation étaient programmées pour garantir une marge de sécurité suffisante. Depuis l’apparition des sondes à élution de stéroïdes, le niveau des seuils de stimulation reste stable dès la phase post-implantatoire permettant la programmation d’une tension nominale de stimulation de 2,5 Volts.
A plus long terme et en raison d’une réaction inflammatoire chronique à corps étranger, un tissu de fibrose se développe au voisinage de l’électrode au contact de l’endocarde, ce qui éloigne l’électrode des cellules myocardiques excitables. Le seuil de stimulation a donc tendance à augmenter avec le temps, même si les sondes modernes offrent des seuils bien plus stables que par le passé. Cette élévation possible des seuils conduit alors à la programmation d’énergies de stimulation plus élevées et donc à une réduction de durée de vie de la batterie. Dans ce cadre, il est possible d’utiliser un algorithme d’adaptation automatique de l’énergie délivrée qui permet la stimulation du myocarde juste au-dessus du seuil de stimulation avec surveillance permanente cycle à cycle ou quotidienne de l’efficacité.
Influence de la configuration d’électrode sur le seuil et l’impédance
La taille, la forme et le matériau de l’électrode influencent le seuil de stimulation. La densité de courant appliquée à l’électrode distale gagne à être la plus élevée possible pour réduire le seuil. Cette densité de courant est maximale aux berges de l’électrode. Ainsi une électrode sphérique est associée à un seuil plus élevé qu’une électrode annulaire.
Compte tenu de la formule E = U2 x t /Z, plus l’impédance de stimulation est élevée, moindre est la consommation de courant. L’impédance de stimulation représente la somme des forces qui s’opposent au flux de courant dans un circuit électrique.
Elle est constituée de 3 résistances ohmiques :
- résistance du conducteur (qui doit être la plus faible possible, car le courant dépensé à vaincre cette résistance est perdu en pure perte et en chaleur) ;
- résistance de l’électrode (qui doit être la plus élevée possible, pour réduire la consommation de courant et allonger la durée de vie de pile). Elle est d’autant plus élevée que le rayon de l’électrode est petit, ce qui augmente la densité de courant et réduit le seuil de stimulation ;
- l’impédance de polarisation qui doit être la plus faible possible.
Une surface poreuse avec une grande surface microscopique recouvre l’électrode pour 1) conserver un petit rayon de courbure et ainsi augmenter sa résistance 2) réduire l’impédance de polarisation.
Influence de la polarité
Une stimulation cathodique engendre un seuil plus bas qu’une stimulation anodique.
En effet, la stimulation cathodique crée une diminution de la différence de potentiel transmembranaire des cardiomyocytes, alors qu’une stimulation anodique crée une hyperpolarisation, suivie d’une dépolarisation, avec augmentation de la quantité d’énergie nécessaire.
De plus, les périodes réfractaires naturelles sont plus courtes lors d’une stimulation anodique, ce qui est associé avec un risque arythmogène théorique plus élevé, surtout en situation à risque comme l’ischémie ou l’hypoxie.
L’anode d’une sonde de stimulation est théoriquement flottante; le risque de stimulation anodique est donc très faible mais est observée lorsque l’anode est au contact de la paroi et que l’amplitude de stimulation est élevée. Dans la majorité des cas, une stimulation bipolaire correspond donc à une stimulation cathodique.
Le seuil de stimulation unipolaire est en général plus faible qu’en stimulation bipolaire.
Influence de la forme d’onde de stimulation
La stimulation antibradycardique est réalisée par des stimuli monophasiques. Un seuil de stimulation monophasique est plus faible qu’un seuil de stimulation biphasique.
Le concept d'Autoseuil et d'Autocapture
La détermination du seuil de stimulation est d’une importance majeure, car la programmation de la tension et de la durée d’impulsion conditionne la marge de sécurité et détermine la consommation énergétique de la prothèse et donc la rapidité d’usure des batteries. Il est généralement recommandé de programmer une marge de sécurité de 100 % qui correspond à une tension double du seuil. Cette marge de sécurité est destinée à prendre en compte les variations circadiennes du seuil de stimulation influencé variablement d’un sujet à l’autre par le sommeil, la prise de repas, l’activité physique, la fièvre…
Il est possible de programmer aujourd'hui dans tous les stimulateurs modernes une fonction de mesure automatique du seuil ventriculaire plus ou moins associée à une adaptation automatique de l'amplitude de stimulation avec vérification cycle à cycle de l'efficacité de la capture (modèle de l'Autocapture permettant de délivrer des amplitudes très proches du seuil avec stimulation de sécurité à haute amplitude si perte de capture) ou adaptation pour des durées prolongées après réalisation planifiée de contrôles de seuil mais sans vérification cycle à cycle (modèle de l'Autoseuil nécessitant des marges plus importantes).