具有僅閉合開關的簡化雙相除顫器電路的製作方法

2023-09-17 11:41:35 4

專利名稱：：具有僅閉合開關的簡化雙相除顫器電路的製作方法
技術領域：
：本發明涉及用於心臟復甦術的除顫器，本發明具體而言涉及能夠輸送雙相脈沖波形的除顫器。
背景技術：
：自動體外除顫器("AED")將高壓脈衝輸送到心臟，以便使患有心律失常，例如心室纖顫("VF")或未伴有明顯脈搏的室性心動過速("VT")的患者恢復正常節律和收縮功能。具有幾種類型的除顫器，包括手動除顫器、植入式除顫器和自動體外除顫器。AED與手動除顫器的區別在於AED可以被預編程以便自動分析心電圖("ECG")節律，從而判斷是否有必要進行除顫，並提供施予措施，例如電擊序列和心肺復甦("CPR")周期。AED復甦管理的電流標準是雙相波形。雖然無法完全理解精確的生理機理，但是已經進行了如下設想，即雙相脈衝的第二相使得剛被電擊波形的第一相極化過的心肌細胞發生去極化效應，並且該去極化以某種方式提供了更具治療化的波形。在雙相波形的施加中，AED向患者胸部上的一個電極片輸送高壓電荷，這導致電流從該電極片流到第二電極片。在該第一相的末端，對高壓輸出電路的H橋進行切換，以使得所施加的電壓反向，從而剩餘的高壓電荷和電流從第二電極輸送到患者，再到第一電極。臨床研究和經驗已經顯示理想的是在預定限制內保留多個用於約束雙相波形的參數。例如，正相(第一相)應當具有不太短的持續時間，並且第一相的持續時間與第二相的持續時間的比應當在預定範圍內。如果脈衝的相太短，那麼它將比心臟的細胞響應時間(即，時值)短，這樣限制了脈衝的效果。起始電壓電平到第一相末端處的電平的傾斜度不應當太大，以便能夠在第二相期間保持輸送明顯數量的輸送能量。在最初的起始電壓電平與最終的脈衝電壓電平之間還應當具有受控的關係。這些參數中的大多數受患者胸部阻抗的影響，其中具有不同阻抗的患者對給定脈衝作出的響應不同。相5應地，AED通常在輸送雙相脈衝之前或者在脈衝開始時測量患者胸部阻抗，並根據測量的阻抗來調整AED高壓電路的操作。由於在發生心搏停止時AED非常重要，因此理想的是它們的使用能夠被儘可能地廣泛普及。儘管已經通過批准不需處方就可合法出售AED促進了這一目的，但是也可以通過使用低成本的AED來促成這一目的。AED製造中的一個主要花費是高壓電路，尤其是H橋電路的電感器和開關設備，這必須快速地切換非常大的電流，這種特性使得這些設備的生產成本高昂。相應地，對於AED高壓電路的設計者而言，理想的是在不影響AED的安全性或功效的前提下儘可能地降低這些成本。
發明內容根據本發明的原理，提供了一種除顫器高壓電路，該除顫器高壓電路簡單、高效並且僅需要在雙相脈衝輸送期間閉合開關設備。所發明的電路通過使用兩個電容器來實現功效。當主電容器輸送第一脈衝相時，電容器的電流流到輸送第二脈衝相的第二電容器並對其充電。脈衝輸送的開始和停止由"僅閉合(make-only)"開關設備來控制，也就是說，脈衝輸送的開始和停止由只需要在脈衝輸送期間閉合的設備來控制。在附圖中，圖1示出了現有技術的簡單正弦除顫脈衝電路；圖2示出了圖1的電路所產生的波形；圖3示出了適於與本發明的高壓電路一起使用的AED;圖4以方框圖的形式示出了圖3的AED的主要功能子系統；圖5示出了根據本發明的原理構造的高壓電路；圖6示出的波形解釋了圖5的高壓電路在低阻抗患者情況下的操作；以及圖7示出的波形解釋了圖5的高壓電路在高阻抗患者情況下的操作。具體實施方式首先參照圖1，圖1以示意性方式示出了除顫單相脈衝電路10。存儲電容器12由高壓電源(未示出)充電，以向患者輸送除顫電擊，其中患者由患者阻抗R一代表。電容器12的典型值是10HF，額定電壓是7kV。電擊通過例如100mH的大電感器14輸送給患者，其中該電感器14具有由電阻器16代表的電阻。患者阻抗被二極體18和小電阻器20分流。電擊通過閉合開關22輸送。當電路10表現出臨界阻尼時，波形30將上升到峰值，然後在圖2中的虛線曲線34所示的相當長的時間段內逐漸減小。當臨界阻尼時，產生單相波形。電路10也可以被構造成是欠阻尼的，在這種情況下，最終的波形將上升、下降、下衝穿過x軸，並衰減到x軸，這有效地產生了如實線32所示的正弦雙相波形。這種電路可以在寬範圍的患者阻抗上表現出該雙相特性。圖1的除顫電路具有幾個優點。該電路簡單，只有很少的部件，因此實現起來不昂貴。在波形的施加期間，只需要閉合開關22，該開關22可以保持閉合直到脈衝施加結束。當有大電流流動時，閉合高壓電路的開關比斷開該開關更容易，這意味著可以使用一種更便宜的"僅閉合"開關。但是該電路也有一些缺點。其中一個缺點是需要大電感器，這會增加不期望的重量並且佔據小型可攜式AED中的大量空間。另一個缺點是需要將電容器12充電到相對高的電壓以進行電擊輸送。第三個缺點是電路的效率低，由於相當數量的能量被電路的分流支路分流而不能用於治療患者。典型地，電容器上存儲的能量的30%至40%通過該分流支路而不能用於治療患者。圖3示出了適於與本發明的高壓電路一起使用的AED310。AED310被容納在堅固的聚合物殼體312中，該聚合物殼體312保護殼體內部的電子線路並且還防止外行用戶免受電擊。一對電極片通過電導線與殼體312相連接。在圖3的實施例中，電極片放置在位於AED310頂側上的凹槽中的盒體314內。拉起手柄316，這允許去除電極片上方的塑料覆蓋物，從而可以訪問該電極片以便進行使用。AEP310的右側是用戶接口。小的就緒指示燈318向用戶通知AED已準備就緒。在該實施例中，在已經正確啟動AED並準備使用時，該就緒指示燈閃爍。就緒指示燈在AED使用過程中一直開啟，並且當OTCAED需要保養時，該就緒指示燈關閉或以警報顏色閃光。在就緒指示燈下面設置有開/關按鈕320。按下開/關按鈕，以開啟AED進行使用。為了關閉AED，用戶持續按下開/關按鈕一秒或一秒以上。當信息對於用戶可用時，信息按鈕322閃光。用戶按下信息按鈕以訪問該可用信息。當AED正在從患者獲取心跳信息時，警示燈324閃爍，並且當建議進行電擊吋，警示燈324會持續點亮，以警告用戶和其他人在這段時間內任何人都不準碰觸患者。在獲取心臟信號的同時與患者交互會將不需要的假象引入到所檢測的ECG信號中，從而應該避免。在AED通知用戶建議進行電擊時，按下電擊按鈕326以輸送電擊。位於AED側邊上的紅外埠328用於在AED與計算機之間傳輸數據。在患者已經被救助並且內科醫師希望將該AED事件數據下載到他或她的計算機以進行詳細分析時，該數據接口開始起作用。揚聲器313向用戶提供語音提示，以指導該用戶通過使用AED來治療患者。還提供了蜂鳴器330，當OTCAED需要保養時，例如需要更換電極片或新電池時，蜂鳴器330會"發出蜂鳴聲"。圖4是根據本發明原理構造的AED310的電子部件的簡化方框圖。ECG前端502連接到一對電極416，這對電極416被附著到正在接收治療的患者的胸部上。ECG前端502用於對由患者的心臟產生的電ECG信號進行放大、緩衝、濾波和數位化，以產生數位化的ECG採樣流。將該數位化的ECG採樣提供給控制器506，該控制器506進行分析以檢測VF、可電擊的VT或其它可電擊的節律。如果檢測出可電擊的節律，則控制器506向HV(高壓)輸送子系統508發送信號，以便進行充電來準備輸送電擊。然後按下電擊按鈕326，以通過電極416從HV輸送子系統508向患者輸送除顫電擊。可以將控制器配置成工作在除顫操作模式、心臟監控操作模式以及CPR暫停操作模式。耦合所述控制器506，以進一步從麥克風512接收輸入，從而產生音帶。優選地，將來自麥克風512的模擬音頻信號進行數位化以產生數位化的音頻採樣流，該數位化的音頻採樣流可以作為事件概要530的一部分存儲在存儲器518中。用戶接口514可以包括顯示器、音頻揚聲器313以及先前論述的諸如開/關按鈕320和電擊按鈕326等前面板按鈕，以用於提供用戶控制和視覺及聽覺提示。時鐘516向控制器506提供實時的時鐘數據，以為事件概要530中包含的信息打上時間戳。可以將存儲器518實現為板上RAM、可移除式存儲卡或者不同存儲技術的組合，並且所述存儲器518用於在患者治療期間編譯事件概要530時，數位化地存儲該事件概要530。事件概要530可以包括先前描述的數位化的ECG流、音頻採樣流以及其它事件數據流。HV輸送子系統由功率管理子系統137提供的高壓供電。整個AED由耦合到功率管理子系統137的電池126供電。功率管理子系統包括DC-DC變換器，以將低的電池電壓變換成對高壓子系統308的電容器充電所需的高壓，並且該功率管理子系統還為AED310的其它處理和電子部件提供具有適當電壓的功率。圖5示意性地示出了根據本發明原理構造的、適於在圖4的除顫器的高壓子系統308中使用的高壓雙相脈衝電路。圖5的電路包括主電容器112，該主電容器112由功率管理子系統137的V,電源137a提供的電壓V,進行充電，以便輸送除顫電擊。響應於電擊輸送信號S，通過閉合開關122來開始電擊的輸送。開關122通過電感器114和小電阻器116耦合到患者電極416中的第一電極。電感器114限制輸送到低阻抗患者的電流，而小電阻器116限制流經使用該小電阻器的電路支路的電流。電感器114和電阻器116的典型值分別是35mH和2Q。開關134耦合在兩個患者電極兩端。第二電容器120耦合到第二患者電極416以輸送第二脈衝相。從主電容器112到第二電容器120的電荷輸送路徑包括開關124、小電感器136和二極體132。電感器136的典型值是2mH。該電感器可以很小，這是因為它僅在如下所述的短時間段內切換到使用狀態，並且該電感器具有較小的電壓差。二極體132確保該路徑上的單方向電流流動。開關128耦合在電感器114和電阻器116的接合點與基準導電支路之間，該基準導電支路耦合到兩個電容器。對於這兩個電容器的典型值而言，主電容器112的典型值是50uF，而第二電容器120的典型值是140uF。主電容器112可以是與現在用於傳統AED的電容器大小相同的聚丙烯電容器，而第二電容器可以是相對便宜的電解電容器組。在該示例中，開關124、128和134由觸發的火花隙設備來實現。火花隙設備具有兩個電極，在兩個電極之間，施加電勢，並且當該電勢達到電極之間的電極間隔和電介質的臨界水平時，該設備就會由於電極之間產生9火花而放電。通過分別利用觸發脈衝Tr,、Tr2、以及丁1"3指示這些火花隙設備放電，從而使得這些火花隙設備可以可控地放電。觸發脈衝使火花隙中的氣體電離，從而產生放電。一些設備的觸發脈衝是電脈衝，而對於其他設備來說，觸發脈衝激勵紫外光源，該紫外光源利用紫外線能量來電離火花隙氣體。利用火花隙設備來代替傳統開關的優點是成本低並且在觸發火花隙設備時開關迅速。當將雙相脈衝輸送給患者時，在脈衝的第一相期間，波形的兩個相在橫跨患者胸部的兩個電極之間產生沿一個方向流動的電流，然後在第二相期間產生沿相反方向流動的電流。理論上，應該可以在第一相期間接收沿第一方向流動的電流，然後在第二相期間再使其沿相反的方向流回，從而加倍利用了電容器電荷，並因此產生了非常高效的AED。本發明的電路通過將這一理論付諸於實踐而產生了高效的AED。在圖5的電路的操作中，主電容器112由V,電源137a充電，以準備輸送電擊。第二電容器120在該準備期間不需要被充電，但是如果需要，可以在此時由V2電源137b將第二電容器120充電到如圖所示的較低電平。在脈衝的第一相期間，患者阻抗看到了兩個串聯耦合的電容器，並且該患者阻抗耦合在兩個電容器之間。當救助者按下電擊輸送按鈕136時，雙相脈衝的第一相開始，電流流過開關122、電感器114、電阻器116，經過患者Rpat並返回到第二電容器120，該第二電容器的下極板與主電容器112相耦合。因此，第二電容器120開始由主電容器112在雙相脈衝的第一相期間輸送的電荷充電。當期望結束脈衝的第一相併輸送第二相時，利用觸發脈衝Tr,觸發火花隙設備124，並且來自主電容器112的電流立即通過火花隙設備、電感器136和二極體132分流，以將電容器120迅速充電到較高的電平。這個來自主電容器的、旁路了患者阻抗Rpat的電流的分流將結束雙相脈衝的第一相。該電流的流動很短暫並且只能持續到己經由於輸送第一脈衝相而從其初始電荷電平降低的主電容器112的電壓電平與第二電容器120的上升電壓電平接近為止。電感器136很小，這是由於這種電荷傳輸的持續時間短並且由於兩個電容器的電壓差較小。在從主電容器到第二電容器的電荷的這種簡暫分流後，第二相通過觸發火花隙設備128而開始。隨著第二電容器120的電荷輸送到第二患者電極，電流現在沿著與第一相時的方向相反的方向流向患者。在雙相脈衝的第二相期間，電流路徑是從第二電容器120經過患者、小電阻器116和火花隙設備128並且返回到電容器120。同時，主電容器112上的剩餘電荷由從電容器112開始的、經過開關122、電感器114、火花隙設備128並且回到電容器112的電流所消耗。因此，在第二電容器輸送脈衝的第二相時，主電容器被放電。當期望終止雙相脈衝的第二相時，利用觸發脈衝Tr3觸發火花隙設備134。該火花隙設備通過旁路患者電極來結束到患者的能量輸送。電容器120上的剩餘電荷流經火花隙設備134、小電阻器116和火花隙設備128而返回到第二電容器120。在該放電期間，電阻器116限制了峰值電流流經該環路。在已經消耗了由電容器存儲的剩餘能量之後，斷開開關122(如果使用傳統的開關設備，那麼這與其他開關相同)並且該電路準備被充電以輸送另一個雙相脈衝。這樣，可以看到，通過簡單的電路並且通過使用只在脈衝輸送期間需要閉合的"僅閉合"開關來輸送受控的雙相脈衝，而不需要複雜和昂貴的H-橋。這種電路極其適用於低成本的AED。對於給出的患者阻抗而言，圖5所示的這種雙相脈衝輸送電路可以輸送下列可控的雙相脈衝tableseeoriginaldocumentpage11圖6示出了電路在30Q的患者的情況下的性能特性。曲線600示出了雙相脈衝，包括第一相(正相)600a和第二相(負相)600b。輸送到患者的電荷由曲線606表示，該曲線606在第一相期間快速地上升而在第二相期間速度要緩慢得多。在曲線拐點之後的第二相期間，曲線606的一部分方向朝下，這表示電流在第二相期間反向流動。曲線602表示主電容器112的電壓，主電容器112的電壓開始於它最初被充電的電壓電平，該電壓在600a表示的第一相期間下降，然後由於電流被分流到第二電容器120而在第二相期間繼續放電，並且在最終被放電之前的脈衝結束處變為負。曲線604表示第二電容器120的電壓，在該示例中，該第二電容器120初始沒有被充電。由於在第一相期間從第一電容器開始並經過患者流動的電流對該第二電容器進行充電，因此可以看到它的電壓開始升髙，在第二相開始時達到峰值，並且由於第二電容器輸送第二相而下降。圖7示出了電路在180Q的患者的情況下的性能特性。可以看到，雙向脈衝700的第一相700a的初始上升由於較大的患者阻抗而達到較低的幅值。在第二相700b的開始處也看到相同的特性。這些曲線更清楚地示出了在第一相結束附近的tx時刻發生的轉換，在該tx時刻，開關124閉合以向第二電容器120傳輸電荷，為第二相700b的開始做準備。可以看出，曲線702所示的主電容器112上的電壓在第一相期間平穩下降，直到開關124在tj寸刻閉合，在該時刻，由於電荷被傳輸到第二電容器，因此主電容器電壓更加迅速地下降。原因在於由於更大的患者阻抗，與圖6相比，在第一相期間輸送了更少的電荷。從第二電容器電壓曲線704可以看到，第二電容器120上電壓的相應快速上升，而在那之後在第二相704b期間，由於第二電容器在雙向脈衝的第二相期間輸送了電荷而下降。曲線706示出了輸送到患者的累積電荷，第二相期間的負斜率表示輸送波形在第二相期間的極性變化。當開關134閉合時，第二相700b結束，並且電容器上的剩餘能量被耗散。因而，可以看出，本發明的雙相脈衝輸送電路與標準的H-橋電路相比比較簡單，並且本發明的雙相脈衝輸送電路可以通過閉合"僅閉合"開關而在患者阻抗的全部範圍上受到控制，以產生具有期望特性的治療有效的雙相脈衝。開關的閉合使得雙相脈衝中的每一相在特殊控制時間開始和終止(縮短)，從而能夠輸送適於正被治療的、表現出給定患者阻抗的患者的雙相脈衝，以便進行治療。權利要求1、一種用於輸送雙相脈衝的高壓除顫器電路，包括高壓源；一對患者電極；電容器，其被耦合為由所述高壓源充電，以進行至少第一脈衝相的輸送，第一電容器以可控的方式耦合到所述一對患者電極中的第一個患者電極；以及多個開關，所述多個開關被耦合為用於控制所述雙相脈衝的所述相的持續時間，在所述雙相脈衝的輸送期間選擇性地閉合所述開關並且不斷開所述開關。2、如權利要求l所述的高壓除顫器電路，其中所述開關包括僅閉合開關。'3、如權利要求1所述的高壓除顫器電路，進一步包括第二電容器，其由所述開關中的至少一個控制以在所述雙相脈衝的第二相期間向患者電極輸送電流。4、如權利要求3所述的高壓除顫器電路，其中在第二脈衝相的輸送期間，所述第二電容器耦合到所述一對患者電極中的第二個患者電極。5、如權利要求1所述的高壓除顫器電路，其中所述多個開關包括第一開關，所述第一開關被閉合以開始所述第一脈衝相的輸送。6、如權利要求5所述的高壓除顫器電路，其中所述多個開關包括第二開關，所述第二開關被閉合以開始所述第二脈衝相的輸送。7、如權利要求6所述的高壓除顫器電路，其中所述多個開關包括第三開關，所述第三開關被閉合以終止所述第二脈衝相的輸送。8、如權利要求6所述的高壓除顫器電路，其中所述多個開關包括第三開關，所述第三開關被閉合以在所述第二脈衝相終止時對至少一個電容器放電。9、如權利要求3所述的高壓除顫器電路，其中所述多個開關包括被閉合以在所述第一脈衝相的大部分持續時間後從所述第一電容器向所述第二電容器傳輸電荷的開關。10、如權利要求1所述的高壓除顫器電路，其中所述開關中的至少一個包括觸發的火花隙設備。11、一種利用自動體外除顫器為對象除顫的方法，包括確定建議除顫電擊；以及通過如下方式經由一對患者電極輸送雙相脈衝利用高壓電源對第一電容器進行充電；閉合在所述第一電容器與一個所述患者電極之間的開關，以輸送第一脈沖相；閉合開關以終止所述第一脈衝相併開始第二脈衝相；以及閉合開關以終止所述第二脈衝相。12、如權利要求ll所述的方法，其中閉合開關以終止所述第一脈衝相併開始第二脈衝相的步驟進一步包括閉合一個開關以終止所述第一脈衝相併且閉合另一開關以開始所述第二脈衝相。13、如權利要求ll所述的方法，其中閉合開關以終止所述第二脈衝相的步驟進一步包括消耗存儲在電容器上的電荷。14、如權利要求ll所述的方法，進一步包括從所述第一電容器向第二電容器傳輸電荷，以利用所述第二電容器進行所述第二脈衝相的輸送。15、如權利要求ll所述的方法，其中閉合開關的多個步驟進一步包括觸發火花隙設備。全文摘要除顫器的雙相脈衝輸送電路包括兩個電容器，第一個電容器被充電以輸送雙相脈衝的第一相，第二個電容器被充電以輸送雙相脈衝的第二相。利用在輸送第一脈衝相期間流經患者的電流，提供第二電容器上的至少一部分電荷。提供開關來開始第一相、開始第二相，並終止第二相。在所示的電路中，提供分流電路路徑，以在輸送雙相脈衝的第二相之前，利用第一電容器至少部分對第二電容器充電。利用僅需要在脈衝輸送期間閉合的開關設備，可以完全控制所發明的電路。文檔編號A61N1/39GK101443076SQ200780017644公開日2009年5月27日申請日期2007年5月10日優先權日2006年5月16日發明者D·J·鮑爾斯申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司