CN101031333A - 具有用于经皮起搏的开关模式电源的去纤颤器 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于向患者提供去纤颤能量和起搏能量的去纤颤器。在提供去纤颤能量时，由电荷电容器存储电能，并且随后把所存储的能量耦合到患者以便提供去纤颤脉冲。为了向患者提供起搏能量，由电能电路产生电能，所述电能被所述电荷电容器过滤并且被提供给患者以作为起搏能量。由控制器监视被提供给患者的起搏能量的大小，该控制器基于起搏能量的大小来调节电能的产生，以便为患者提供适当的起搏能量。

Description

具有用于经皮起搏的开关模式电源的去纤颤器

本发明总体涉及一种用于向患者提供治疗电能的设备和方法，更具体来说，本发明涉及用于向患者提供去纤颤能量和起搏能量的设备。

每天有数以千计的美国人成为心脏急病的受害者。心脏急病通常没有警兆，并且常常侵袭没有心脏病史的人。最为常见的心脏急病是心脏骤停(“SCA”)。据估计，单单在美国每天就有超过1000人成为心脏骤停的受害者。当心脏停止供血时会发生SCA。通常来说，SCA是由于心脏中的异常电活动而造成的，其导致异常的心节律(心律不齐)。作为所述异常心节律当中的一种，室颤(“VF”)是由心脏中的异常并且非常快速的电活动导致的。在VF期间，心脏无法有效地供血。由于在VF期间无法再有效地供血，因此在所述急病发作之后的存活几率随着时间的推移而减小。在脑缺氧4到6分钟之后可能发生脑损伤。可以通过利用去纤颤器对患者的心脏施加电击来治疗VF。所述电击(在被称作“去纤颤”的过程中)清除心脏的异常电活动，这是通过对临界质量的心肌细胞进行去极化，从而允许恢复自发的有组织的心肌去极化以及恢复规则的心跳。

可以利用低电压起搏脉冲来治疗通常不是立即有生命危险的其他形式的异常心节律，比如心搏徐缓(缓慢心率)和心动过速(快速心率)，所述低电压脉冲帮助心脏的自然起搏器。与去纤颤器不同，通常在不间断的时间段内以低得多的电压电平持续施加起搏脉冲，而去纤颤器则在通常很短的时间间隔内施加几千伏特的脉冲以便中断室颤。因此，对于长时间以低电压操作的起搏器的要求与去纤颤器不相容，所述去纤颤器在高得多的电压电平下非周期地操作。虽然所述两种装置的类似的功能性(向心脏提供电疗)使得组合的去纤颤器/起搏器监视器非常有吸引力，但是所涉及的电压电平、能量使用和时间帧的不同特性导致组合的装置对于所述两个功能具有分离的电路。使用分离的电路必然会增大组合的去纤颤器/起搏器的重量、尺寸并且提高其成本。例如，当前可以获得的具有起搏能力的去纤颤器通常包括两个电源、两个电容器以及两个控制机构，其中一个用于高电压去纤颤脉冲，另一种用于较低能量的起搏脉冲。

尽管有上述障碍，但是仍然开发出了具有组合的去纤颤和起搏特征的相当紧凑的监视器。例如，在Leyde的美国专利No.6,104,953中描述了一种具有去纤颤和起搏特征的紧凑装置。如该Leyde专利中所描述的那样，使用单个电源来提供起搏能量或去纤颤能量。根据其中描述的一个实施例，一个去纤颤器包括电源、电容器以及控制从该电容器向患者提供高电压去纤颤脉冲或者较低电压的起搏脉冲的控制电路。在去纤颤模式中，在产生高电压去纤颤脉冲的过程中，一个诸如GTO或IGBT的半导体装置被操作为开关。在起搏模式中，所述电容器被充电到预定电压电平(比如100-300伏特)，并且通过在线性模式下操作为控制装置的所述半导体装置来提供由该电容器存储的能量，以便调节施加到患者的起搏电流(其在10-200mA的范围内)。需要一个感测电路来感测所提供的起搏电流，并且一个控制电路响应于所感测到的电流来调节所述半导体装置，以便持续施加所需电流。例如在该Leyde专利中描述的去纤颤器内使用线性放大器设计可能导致对于大多数患者来说提供起搏电流的效率较低。结果，提供能量以便为用于起搏目的的电容器充电的电池的使用寿命受到损害。因此，需要一种能够以更为高效的方式提供去纤颤脉冲或起搏脉冲的系统，并且需要具有很高的电路共性以便减小组合系统的尺寸、重量并且降低其成本。

本发明针对一种能够向患者提供去纤颤脉冲或者起搏电流波形的去纤颤器。在一个所示实施例中，一个充电电路对高电压存储电路充电，以便提供高电压去纤颤脉冲。在起搏模式下，该充电电路的操作受到控制，以便把所述存储电路充电到起搏所需的较低电压，并且该存储电路用来对充电电流进行过滤。由一个低电压测量电流感测所述起搏电流，该测量电路控制所述充电电路的操作。因此，许多系统组件被用在全部两种操作模式下，从而不再那么需要分离的去纤颤和起搏电路。

在附图中：

图1是其中可以利用本发明的实施例的去纤颤器的功能方框图。

图2是根据本发明的一个实施例的能量提供系统的功能方框图。

图3是根据本发明的一个实施例的图2所示的能量提供系统的示意图。

图1示出了去纤颤器100，其中可以利用本发明的实施例。去纤颤器100包括治疗提供系统112，其能够通过电极连接器120和电极122向患者提供电能脉冲。如下面将更详细解释的那样，治疗提供系统112可以向患者提供高电压去纤颤脉冲或者较低电压的起搏电流。去纤颤器100还包括电源114，该电源由诸如可拆除电池116的能量源供电。电源114向治疗提供系统112以及去纤颤器100的其他组件供电。在去纤颤器100中还包括微处理器118，其用于控制去纤颤器100的各组件的操作。

控制器126耦合到微处理器118，以便把微处理器118与去纤颤器100的其他组件进行接口。控制器126还控制许多去纤颤器功能，其中包括用户接口控制和去纤颤器100的许多内部操作。控制器126可以为实现为门阵列、定制专用集成电路(ASIC)或者其他控制逻辑体系结构及其任意组合。提供单独的控制器126允许微处理器118集中于其他任务。在该去纤颤器的替换实施例中，控制器126的功能可以被包括在由微处理器118执行的操作中，或者可以由分立的逻辑电路组件或者单独的专用处理器所取代。心电图(ECG)电路124通过电极122获取患者的ECG信号并对其进行处理，并且将所述信号经由控制器126发送给微处理器18。

去纤颤器100还包括存储器装置130(比如可移动个人计算机存储卡国际协会(“PCMCIA”)卡、安全数字卡或闪存)以及用户接口组件，所述用户接口组件例如是麦克风132、音频扬声器134、LCD显示面板136以及一组按钮控制器138。本领域技术人员将理解，多个其他组件可以被包括在去纤颤器100内(例如系统监视器和相关的状态指示器)，但是图1中并没有示出以免模糊对本发明实施例的描述。

图2是根据本发明的一个实施例的治疗提供系统112的高级别功能方框图。在该实施例中，所述电源包括耦合到电池116的高电压(HV)充电器电路202。该HV充电器电路202优选地是一个开关模式电源，其具有反驰式变压器配置。在标题为“SYSTEM AND METHODFOR CHARGING A CAPACITOR USING A CONSTANTFREQUENCY CURRENT WAVEFORM”的美国专利No.6,417,649中描述了这种HV充电器电路的一个例子，这里合并其内容以作参考。当去纤颤器100处于去纤颤模式下以便提供去纤颤能量给患者时，该HV充电器电路202响应于由控制器126(图1)产生的充电控制命令208对治疗提供系统112的电容器204充电。该电荷电容器204包括用来存储将被提供给患者的高电压去纤颤能量的一个或多个电容器。优选地，该电荷电容器被充电到超过2000伏特，以便提供1100-1300焦耳的去纤颤能量。通过电荷提供开关206来控制提供存储在电荷电容器204中的能量以用于去纤颤。该电荷提供开关206响应于来自控制器126的电击控制信号210而向电极122A和B提供去纤颤脉冲。

所述HV充电器电路202还能够通过所述电荷提供开关206提供起搏电流。正如下面将详细描述的那样，在利用提供起搏电流的HV充电器电路202进行起搏的过程中，电荷电容器204被用作过滤器。在起搏期间，该HV充电器电路202和电容器204的电流输出被测量电路212监视，该测量电路212提供表示起搏电流的大小的感测信号214。该感测信号214被提供给控制器126，该控制器126调节该HV充电器电路202的输出，以便提供所需的起搏电流电平。该测量电路212耦合到控制器126以便接收测量控制信号216，该测量控制信号针对提供感测信号214(在起搏期间)还是旁路测量电路212(去纤颤期间)进行控制。

图3是根据本发明的一个实施例的去纤颤器和起搏系统的示意方框图。HV充电器电路202包括反驰式变压器322，其具有连接到电源控制电路324的初级线圈L1。该电源控制电路324连接到电池116，该电池充当DC电流源。该电源控制电路324可以是任何公知的功率开关电路，其在变压器322的初级线圈L1两端提供具有可控占空比的交变电流信号。典型地，该电源控制电路包括到地的场效应晶体管(FET)开关(未示出)，其向变压器322的初级线圈L1施加一系列电流脉冲。该开关由控制器126控制，从而在初级线圈L1两端产生具有所需占空比的交变电流信号。反驰式变压器322在该变压器的输出端(次级线圈L2)步进式地把电压提升到更高电压的a.c.信号。二极管318耦合到变压器322的次级线圈L2，其对在该次级线圈L2处产生的a.c.信号进行整流，从而导致由HV充电器电路202产生一系列正电流脉冲。电荷电容器204耦合在HV充电器电路202的输出的两端，从而在去纤颤期间被充电，并且在起搏期间被用作过滤器电容器。电荷提供开关206响应于由控制器126(图2)产生的一个或多个电击控制信号210把电荷电容器204连接到电极122A和122B。在图3所示的实施例中，电荷提供开关206被实现为H形桥，其把电荷电容器204电耦合到电极122A和122B。

在本发明的替换实施例中，可以使用电荷提供开关206的替换设计。在所示实施例中的H形桥包括开关302、304、310和312，以便控制电荷电容器204与电极122A、122B之间的电连接。应当理解，电荷提供开关206的H形桥例如可以被控制来向电极122施加单相或双相去纤颤脉冲。

如本领域中已知的那样，由HV充电器电路202产生的正电流脉冲可以被用来在放电之前把电容器204充电到一个高电压电平，或者可以被用来提供基本上稳定的电流(其中正电流脉冲被持续施加到电荷电容器204)。由HV充电器电路202把所述电容器充电到一个高电压电平，以便向患者提供去纤颤能量。该HV充电器电路202还可以被用来提供起搏电流，于是该电荷电容器204充当过滤器电容器。在提供起搏电流时，控制器126控制HV充电器电路202的电流输出，这是通过基于由测量电路212提供到该控制器的感测信号214的大小来调节施加在变压器322的初级线圈L1两端的电流脉冲的占空比。该测量电路212包括一对串联耦合的电阻器330、332以及并联耦合在电荷电容器204与电荷提供开关206之间的MOSFET开关340。图3中示出的开关340是作为FET装置，其具有耦合在该FET的源极和漏极两端的二极管。然而，在不背离本发明的范围的情况下可以使用替换的开关设计。电阻器330和332分别在该FET装置和电流感测电阻器两端提供对应于该测量电路的最小负载。由于测量电路212只需要在产生低电压起搏电流的起搏期间激活，因此可以有利地完全用低电压组件来构造该测量电路。

在施加去纤颤能量的过程中，控制器126激活开关340，以便旁路电阻器330、332。然而，在施加起搏电流的过程中，该控制器打开开关340，从而迫使返回电流流经电阻器330、332以用于感测。在测量节点334处进行电压测量，以便向控制器126提供一个值，该值可以被用来计算提供给患者的起搏电流的大小。如前面所讨论的那样，基于所述测量，控制器126可以控制电源控制电路324，以便调节用于所述反驰式变压器的驱动信号占空比，因而调节HV充电器电路202的输出电流。

在操作中，在确定应当向患者提供去纤颤脉冲之后，电荷电容器204被充电到一个高电压，该高电压足以提供适当的去纤颤能量级。所述去纤颤能量可以以单相或双相脉冲的形式提供。如前所述，在图3中示出的电荷提供开关206的实施例可以由控制器126控制，以便向电极122A和122B提供单相或双相去纤颤脉冲。例如，为了从电荷电容器204向电极122A和122B提供双相脉冲，开关302和312闭合并且开关304和310打开。这样就把电极122A连接到电荷电容器204，并且把电极122B连接到地。随后，为了反转去纤颤脉冲的极性，开关302和312打开并且开关304和310闭合，以便把电极122A连接到地并且把电极122B连接到电荷电容器204。

当去纤颤器100被用于提供起搏电流时，所述控制器打开开关340，从而该控制器126可以确定感测电阻器332两端的电压降，并且因而确定提供给患者的起搏电流的大小(患者阻抗)，开关302和312闭合并且开关304和310打开，以便允许在一个方向上提供通过患者的电流。控制器126还控制电源控制器324，从而使得由HV充电器电路202输出的电流脉冲足以提供适当的起搏电流。电荷电容器204充当过滤器电容器，以便平滑由HV充电器电路202输出的脉冲电流。由于被提供给患者的基本上是DC起搏电流，因此由控制器126使用测量电流212来监视该电流的大小。如果被提供给患者的起搏电流的大小大于或者小于适当的量，则控制器126控制电源控制器324的占空比，以便相应地调节由HV充电器电路202输出的脉冲电流。对于低患者阻抗，使用低占空比来产生低起搏电流，对于较高的患者阻抗，使用较高的占空比来产生较高的起搏电流。实际上，用于去纤颤的电路被低电压测量电路212和控制器126中的适当控制软件增强，以便提供起搏功能。

在图3所示的实施例中，电荷提供开关206也可以被用来反转起搏电流，从而减小在电极122A和B中引入的任何偏移电压。例如，可以通过接通开关元件302和312而在一个方向上提供高能量、短持续时间的起搏脉冲，随后可以通过接通开关元件304和310而在相反方向上提供电压更低、持续时间更长的第二起搏脉冲。按照需要，所述起搏电流波形可以是双极的或双相的。

Claims (20)

1、一种具有去纤颤模式和起搏模式的治疗设备，包括：

电源；

电容电路；

耦合到该电源的可控充电电路，其适于在去纤颤模式下把该电容电路充电到去纤颤电压电平；

患者电极；

耦合到该电容电路和该患者电极的能量提供电路，其在去纤颤模式和起搏模式下把能量从该电容电路提供到该患者电极；

测量电路，其响应于在起搏模式期间提供的能量而产生起搏控制信号；以及

响应于该起搏控制信号并且耦合到该充电电路的控制电路，其用来控制该充电电路以便在起搏模式下产生起搏电流。

2、权利要求1的治疗设备，其中，所述电容电路适于在起搏模式下过滤所述起搏电流。

3、权利要求1的治疗设备，其中，所述控制电路用来控制所述充电电路的占空比。

4、权利要求3的治疗设备，其中，所述控制电路包括响应于输入信号而产生输出信号的变压器，

其中，所述控制电路用来控制所述变压器输入信号的占空比。

5、权利要求1的治疗设备，其中，所述测量电路在去纤颤模式期间被禁用。

6、权利要求1的治疗设备，其中，所述测量电路包括感测电阻器，该感测电阻器耦合到所述电容电路，以便作为在起搏模式期间提供的所述起搏电流的度量而产生所述起搏控制信号。

7、权利要求1的治疗设备，其中，所述控制电路还包括软件程序，该软件程序响应于所述起搏控制信号而在起搏模式期间确定电荷控制信号。

8、权利要求1的治疗设备，其中，所述测量电路包括低电压组件的电路。

9、权利要求1的治疗设备，其中，所述充电电路适于在去纤颤模式下把所述电容电路充电到超过1000伏特的去纤颤电压电平，并且在起搏模式下被控制成把该电容电路充电到低于1000伏特的电压。

10、权利要求1的治疗设备，其中，所述电源包括电池。

11、一种去纤颤器，包括：

患者电极；

用于提供功率的电源；

耦合到该电源和所述电极以便选择性地提供去纤颤脉冲和起搏脉冲的能量提供系统，该能量提供系统被配置成产生电能、存储该电能以及把所存储的电能耦合到所述患者电极以便提供去纤颤脉冲，并且该能量提供系统还被配置成产生电能以及把所产生的电能耦合到所述患者电极以便提供起搏脉冲；以及

耦合到该能量提供系统的控制器，其被配置成监视所提供的起搏脉冲的大小，并且基于所提供的起搏脉冲的大小来调节由该能量提供系统产生的所述电能的大小。

12、权利要求11的去纤颤器，其中，所述能量提供系统包括：

被配置成产生电能的功率电路；

耦合到该功率电路的电容器；以及

耦合到所述患者电极和该电容器的输出电路，该输出电路被配置成提供由该电容器存储的所述能量以作为去纤颤脉冲，以及提供由该电容器过滤的所述电能以作为起搏脉冲。

13、权利要求11的去纤颤器，其中，所述功率电路包括具有反驰式变压器的开关模式电源。

14、权利要求13的去纤颤器，其中，所述控制器响应于所提供的起搏脉冲的大小而控制所述反驰式变压器的操作。

15、权利要求14的去纤颤器，其中，所述控制器响应于所提供的起搏脉冲的大小而控制所述反驰式变压器的输入信号的占空比。

16、权利要求11的去纤颤器，其中，所述输出电路被配置成提供所述去纤颤能量以作为双相脉冲。

17、权利要求12的去纤颤器，还包括测量电路，该测量电路耦合到所述输出电路以便产生输出信号，该输出信号的大小指示所提供的起搏脉冲。

18、权利要求17的去纤颤器，其中，所述测量电路包括低电压组件的电路。

19、一种用于从组合的去纤颤/起搏设备向患者提供去纤颤脉冲或起搏电流的方法，包括：

在去纤颤模式下把电容器充电到去纤颤电压电平；

在去纤颤模式下把由该电容器存储的去纤颤能量提供给患者；

在起搏模式下监视被提供给患者的起搏电流；以及

在起搏模式下基于所监视的起搏电流来控制对该电容器的充电，以便产生起搏电流源。

20、权利要求19的方法，其中，所述控制还包括控制对所述电容器进行充电的占空比，以便产生所需的起搏电流。