CN101378804B - 高能效除颤限流器 - Google Patents

Abstract

用于除颤脉冲的限流器由除颤脉冲供电并在电流过量情况存在时将电流供应路径切换为打开和闭合。由限流器的感应电阻器感测电流过量情况。由电感器提供受控的电流，该电感器在电流过量情况下提供在预定电流水平附近的范围内变化的电流。该限流器几乎不消耗除颤脉冲的能量，从而将除颤器产生的绝大部分能量提供给了患者。

Description

高能效除颤限流器

本发明涉及用于使心跳停止的患者苏醒过来的除颤器，尤其涉及防止向患者提供过量除颤电流的电路。

自动体外除颤器(“AED”)向心脏提供高电压脉冲以便使正在经历心律失常例如心室纤颤(“VF”)或室性心动过速(“VT”)的患者恢复正常的节律和收缩功能。存在若干种的除颤器，包括手动除颤器、植入式除颤器和自动体外除颤器。AED与手动除颤器的不同之处在于AED是预先编程来自动分析心电图(“ECG”)节律，以确定是否有必要进行除颤，并提供施予措施，例如在对患者施予CPR时周期性跟进或继以具有适当能量水平的电击序列。因此AED适于由没有经过系统医疗培训的营救人员使用。手动除颤器由有经验的EMT使用，他们能够理解患者的ECG波形，确定电击是否适当，然后设置除颤器以提供适当的电击序列和能量水平。

当前使用的最有效的除颤电击波形之一为双相波形。例如，在(Gliner等人的)美国专利5,735,879和6,047,212中描述了产生双相波形的除颤器。在这些专利中描述的除颤器中，输送电路产生适合于患者阻抗的双相波形，该阻抗为两个除颤器电极之间的患者胸部呈现的电阻。如这些专利所述，为了提供对治疗有效的电击波形，应当控制双相波形的若干特性。这些特性中的很多是患者阻抗的函数。例如参考图1，示出了双相波形10。控制该波形以表现出所需的初始电压V_i，其在波形的正相位12期间下降到电压电平V_Φ1e。正相位12的持续时间为T_Φ1。波形10的负相位14具有V_{Φ 2s}的起始负电压，其下降到最终的电压电平V_f。脉冲的负相位的持续时间为T_Φ2。希望将这些波形参数中的一些维持在预定极限之内。例如，正相位12应当具有不太短的持续时间T_Φ1，并且第一相位的持续时间T_Φ1与第二相位的持续时间T_Φ2之比应当在预定的范围内。如果脉冲的相位过短，将短于心脏的细胞响应时间，即时值时间。起始电压电平V_i到第一相位结束时的电平V_Φ1e的下降不应过大，从而在第二相位期间仍保留可观的传递能量用于输送。在初始的起始电压电平V_i和最终的脉冲电压电平V_f之间也应当有受控的关系。

如图2所示，这些参数受到患者阻抗的影响。如果将该脉冲波形施加给低阻抗患者，将会比预期更迅速地提供能量。例如，对于低阻抗患者，可以在第一相位12期间主要提供电击能量，造成如图2所示的在第一相位期间波形的急剧下降。在第一相位12结束时电压电平V_Φ1e非常低，使得在第二相位14期间只能提供非常小的能量。因此，如图所示，第二相位的持续时间T_Φ2非常短。因此，电压电平和持续时间的比例超过了对治疗有效的脉冲的可接受极限。

由患者的低阻抗导致的另一个问题是高水平的电流。因为能量迅速地流过低阻抗患者的胸部，所以初始的电流I_i非常高。过量的电流水平可能对患者造成伤害。因此，希望防止提供这些过量的电流水平。

对这个问题的简单解决方案是使用与低阻抗患者的患者阻抗R_pat串联的限流阻抗R_c1。于是，除颤器1将提供电流受到该串联阻抗限制的波形。然而，这种解决方案存在一些缺点。一个缺点是该阻抗可能会消耗显著的能量。例如，如果限流阻抗R_c1为20欧姆而患者阻抗R_pat仅为10欧姆，则仅有所提供能量的三分之一提供给了患者的心脏。EMT可以设置除颤器以提供具有特定能量水平的脉冲，但实际上仅有一部分能量提供给了患者。此外，该限流阻抗会影响向所有患者提供脉冲，从而消耗掉旨在用于不需要限流阻抗R_c1时的高阻抗患者的能量。因此希望能够以如下方式解决过量电流的问题：不消耗用于患者的能量，并且不影响向未表现出过量电流问题的患者提供能量。

根据本发明的原理，提供了一种用于除颤波形的限流器，其无需消耗大量用于患者的能量而限制用于低阻抗患者的电流。该限流器包括开关电路，该开关电路在提供双相脉冲期间由过量电流条件激活，并且通过切换能量供应来限制峰值电流。对于高阻抗患者，该限流器不被激活，并且在不受限流器电路任何影响的情况下提供波形。

在附图中：

图1示出双相除颤波形；

图2示出提供给低阻抗患者的双相波形；

图3示出具有与患者阻抗串联的限流阻抗的除颤器；

图4示出根据本发明的原理构造的除颤限流器；

图5A-5C示出用于解释图4的限流器工作的波形；

图6为根据本发明的原理构造的限流器的第二实例；

图7是图6的限流器电路的详图；

图8A和8B示出本发明的除颤器的典型波形。

参考图4，示出了根据本发明的原理构造的除颤器的限流器20。在该实例中，旨在使限流器20可容易地适应任何现有的除颤器，而不需要与除颤器或任何其他装置的特殊连接。因此，该实例中的限流器完全包含于由除颤器电压V_defib表示的除颤器的电极连接之外，而没有任何用于电源或控制信号的特殊连接。该实例中的限流器20连接到现有的除颤器电极线，并且该电路完全由除颤器脉冲供电。在该实例中，限流器电路与电极线之一，即“心尖(apex)”线串联耦合，该电极线在双相电击波形的第一相位期间变为正值。该电路还耦合到“胸骨”线，该电极线在双相电击的第二相位期间变为负值。

心尖电极线耦合到开关Sw，该心尖电极线在双相电击波形的第一相位12期间相对于胸骨电极线变为正值。开关Sw由控制信号Ctrl₁控制，该控制信号在第一相位开始时闭合开关Sw以向由患者阻抗R_pat表示的患者提供能量。通过感应电阻器R_sen和电感线圈L提供双相脉冲的第一相位。感应电阻器R_sen感测正在提供给患者的电流，并在电流变得过大时，感应电阻器两端的压降导致开关Sw打开，从而中断电流。在该时间期间，由电感器L的磁场存储的能量继续为患者提供能量，同时由滤波电容器C_f存储的能量加以辅助。由“飞轮(free wheeling)”或返驰(flyback)二极管FB防止感应电阻器R_sen和电感器L之间的节点变为负值，该二极管通过由控制信号Ctrl₂在第一相位期间闭合返驰开关S_fb，而在双相波形的第一相位期间连接到胸骨线。返驰开关的闭合还完成了包括电感器L和患者阻抗R_pat的闭合回路。根据感应电阻器R_sen所感测到的，当电流下降到可接受的水平时，开关Sw再次闭合，并且再次通过感应电阻器R_sen和电感器L从除颤器V_defib向患者R_pat提供除颤器能量。在标称电流极限I_nom附近持续进行开关Sw的这种开关循环，从而有效地将峰值除颤器电流限制在该水平。通过滤波电容器Cf平滑所提供的波形中的纹波。当已经由除颤器提供了足够的能量，以致所产生的电压下降到产生过量电流的水平之下时，开关Sw保持闭合，因为感应电阻器R_sen不再感测到过量的电流。根据除颤器的控制，双相波形的第一相位时间经过后，第二、负相位正常地继续进行。在第二相位期间，限流器电路不工作，因为心尖线中的串联元件被在负相位期间正偏置的旁路二极管BP所旁路，并且返驰二极管FB通过由控制信号Ctrl₂打开开关S_fb而与胸骨线断开连接。

图5A到5C示出了展示该操作的波形。图5A的波形30示出了打开和闭合开关Sw的控制信号Ctrl₁。在双相脉冲波形的第一相位12开始t₀时，如图5A中的正向信号30所示的该控制信号闭合开关Sw。在该时间期间，如图5B的电流波形32所示，由除颤器和限流器电路20提供的电流迅速升高。开关Sw将保持闭合，直到例如感测到超过标称电流水平I_nom的过量电流水平时为止，开关Sw打开，在该实例中是在时刻t₁打开。随着开关Sw打开，来自除颤器的电流停止，并且电流下降，如时刻t₁和t₂之间的下降的电流水平所示。在时刻t₂，电流下降到水平I_nom以下，并且如控制信号30所做的，控制信号Ctrl₁再次闭合开关Sw。开关Sw和电流的转换以这种方式继续下去，直到由除颤器提供的电流持久地下降到水平I_nom以下为止，此时开关Sw保持闭合，并且继续提供双相波形，而无需限流器工作。在限制电流的期间中，由滤波电容器平滑所提供的波形，如图5C的波形34所示。

图6以方框图的形式示出了本发明的限流器电路的另一实例。在图7中以电路部件详细示出了该实例。除颤器1具有两个被标识为“心尖”和“胸骨”的常规电极线。在该实例中心尖引线在双相脉冲的第一相位期间变为正值，并在至本地电源40的输入处连接到限流器电路。由双相除颤脉冲的正向第一相位的电压为本地电源40供电。在该时间期间，本地电源40为限流器的部件提供激励电势。控制电路42由本地电源40供电并接收来自感测电路44的另一输入，这两个输入产生了用于打开或闭合开关Sw的控制信号。感测电路44耦合在感应电阻器R_sen的两端，以感测提供给电感器L和由患者阻抗R_pat表示的患者的电流。当经过感应电阻器R_sen的电流超过由感测电路设定的阈值时，其输出信号使控制电路42打开开关Sw，停止流向电感器L的电流。该输出信号还闭合用于返驰二极管的开关S_fb，从而在感应场继续向患者提供电流时，二极管FB将会完成包括电感器L和患者阻抗R_pat的电路。通过这种方式持续进行开关Sw的切换，直到所提供的电流下降到感测电路用于平衡双相脉冲的正向部分的阈值之下为止。在负相位期间，旁路二极管BP对限流器进行旁路，并且开关S_fb将返驰二极管FB与胸骨线断开。

在图7的部件级图中，可以看出，本地电源40包括设置其规定的输出电压电平的齐纳二极管。将本地电源的输出电压标识为导体处的本地参考电势，被表示为V_ref。将本地参考电势导体耦合到感应电阻器R_sen的一侧。通过电阻器R₁和R₂向开关Sw的栅极施加本地电源的输出电压，在该实例中所述开关Sw为IGBT固态开关。来自本地电源40的电压使IGBT变为导通，通过感应电阻器R_sen和电感器L将来自除颤器1的能量耦合到患者。将感应电阻器R_sen两端的所得压降施加在用于返驰二极管FB的控制电路44(其包括IGBT 46)的两端，使IGBT变为导通，将返驰二极管耦合到感应电阻器R_sen和电感器L之间的节点。还将本地电源电压耦合到放电管(siddactor)42，其被示为施加到SCR的电压阈值V_th。该放电管保持不导通，直到例如来自本地电源的电压电平和感应电阻器R_sen两端的电压超过放电管42的电压阈值V_th时为止。当发生这种情况时，SCR变为导通，并将本地电源的输出钳位到感应电阻器R_sen和电感器L之间的节点。这样将本地电源的输出钳位到感应电阻器R_sen和电感器L之间的节点使电源电流离开IGBT Sw的栅极，IGBT Sw打开，切断向患者提供双相脉冲电流。此时，电感器L将通过其磁场中存储的能量继续维持向患者提供电流。因此，在提供给患者的波形中不会有突然的下降。此时通过滤波电容器C_f存储的能量进一步辅助能量供应。只要维持SCR的“保持”电流就持续由放电管进行这种钳位，由电阻器R₁的值来设定该“保持”电流。通过闭合IGBT46，使返驰二极管保持连接，IGBT 46在控制电路44的电阻器和电容器的时间常数内保持闭合。当感应电阻器R_sen两端的电压下降，从而不再超过放电管42的阈值且不再满足SCR的保持电流时，放电管钳位将打开，可以通过电源40再次闭合IGBT开关Sw，并且该循环继续下去。

通过这种方式持续进行IGBT开关的这种切换，直到所施加的除颤脉冲的电压电平下降到不足以切换SCR钳位并使IGBT不导通的电平为止。然后双相脉冲的正相位以正常方式结束，并且在双相脉冲的负相位期间限流器电路被旁路二极管BP所旁路。电源40不再偏置在双相脉冲的负向相位期间闭合的IGBR开关Sw，并且在感应电阻器R_sen两端不再形成电压以使返驰电路的IGBT46保持闭合。因此，在双相脉冲的负向相位期间限流器不工作。在该实例中看出，由除颤脉冲施加到限流器的所有电流只能流经电感器L且流向患者。调节器将在I_nom附近的小范围电流水平内切换，使得限流器电路消耗的所施加的除颤脉冲能量非常小。

参考图8A和8B可以理解本发明的除颤脉冲限流器的效果。不是如图8A(比较图2)中的虚线100所示，正向脉冲抵达过量电流水平I_ex并迅速下降，而是双相脉冲的正向相位112将会上升直到达到电流水平I_nom为止，此时脉冲输出电流将限制在I_nom水平附近。持续进行限流直到时刻t_1e，在该时刻由于脉冲的输出电流下降到I_nom水平以下，因此限流结束。然后，如脉冲的部分116所示，脉冲112将以正常衰减的方式下降，直到第一相位脉冲在时刻t_Φ1结束。在第一相位脉冲的该终止水平上，在双相脉冲的第二相位114期间将继续提供大量的能量。

图8B示出了施加到高阻抗患者的双相脉冲将无法到达限流器开始限制输出电流的临界阈值I_nom。因此图8B的双相脉冲12、14将以正常方式提供，而无需限流器电路的任何开关效应。

可以将本发明的限流器用于AED或手动操作的除颤器。

Claims (10)

1.一种用于除颤器产生的除颤脉冲的限流器，所述除颤器具有设计为耦合到患者电极的第一和第二除颤脉冲输出，所述限流器包括：

耦合到所述第一除颤脉冲输出和患者电极的开关电路、感应电阻器和电感器；

耦合到第一电极输出的电源电压源，其为所述开关电路提供工作电势；以及

控制电路，其响应所述感应电阻器两端的电势，从而在电流过量的情况下切换所述开关电路，

其中所述控制电路在电流过量的情况下切换所述开关电路以防止向输出电极提供过量电流，并且

其中所述电感器用于在将所述开关电路切换成不导通状态时提供电流。

2.根据权利要求1所述的限流器，其中所述开关电路包括在电流过量的情况下切换为打开和闭合的固态开关。

3.根据权利要求2所述的限流器，其中所述固态开关包括IGBT器件。

4.根据权利要求1所述的限流器，其中所述开关电路、所述感应电阻器和所述电感器串联耦合在所述第一除颤脉冲输出和患者电极之间。

5.根据权利要求4所述的限流器，其中所述第一除颤脉冲输出为提供双相脉冲的第一相位期间的正向输出，且所述患者电极包括心尖患者电极。

6.根据权利要求1所述的限流器，其中所述控制电路用于在达到预定电流极限之后切换所述开关电路，并进一步用于在所述预定电流极限附近切换所述限流器产生的输出电流。

7.根据权利要求6所述的限流器，还包括滤波电容器，用于平滑限流期间产生的输出脉冲电平。

8.根据权利要求1所述的限流器，其中所述电源电压源由除颤脉冲供电，以提供用于所述开关电路的工作电势。

9.根据权利要求1所述的限流器，还包括旁路二极管，其用于在双相除颤脉冲的负向相位期间对所述限流器进行旁路。

10.根据权利要求9所述的限流器，其中所述限流器仅在所述双相除颤脉冲的正向相位期间工作。

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