CN101443075A - 具有仅闭合开关的简化的双相除颤器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于除颤器的双相脉冲电路，该电路包括两个电容器，其中第一电容器被充电且输送所述双相脉冲的第一相并且第二电容器被充电且输送所述双相脉冲的第二相。在所述第一脉冲相的输送期间，通过经由所述患者的电流提供位于所述第二电容器上的所述电荷的至少一部分。提供开关以初始化所述第一相、初始化所述第二相并且终止所述第二相。在所示的电路中提供有分流电路路径以在输送所述双相脉冲的第二相之前由所述第一电容器至少部分地使所述第二电容器充电。本发明的电路可以使用只需在脉冲输送期间闭合的开关设备而被完全控制。

Description

具有仅闭合开关的简化的双相除颤器电路

技术领域

本发明涉及用于心脏复苏的除颤器，特别地，本发明涉及能够输送双相脉冲波形的除颤器。

背景技术

自动体外除颤器(“AED”)向心脏输送高压脉冲以使患有心律不齐的患者恢复正常的心律和收缩性功能，所述心律失常例如是不伴有明显脉冲的心室纤颤(“VF”)或心动过速(“VT”)。存在几种类型的除颤器，包括手动除颤器、可植入除颤器和自动体外除颤器。AED与手动除颤器的区别在于AED被预先编程为自动分析心电(ECG)节律以判断是否有必要进行除颤并且提供诸如电击序列和心肺复苏(“CPR”)周期的管理策略。

目前，AED复苏治疗的标准是双相波形。虽然还没有完全理解确切的生理机制，但是可以推断认为，双相脉冲的第二相会对刚刚由电击波形的第一相极化的心肌细胞产生去极化效果，并且这种去极化以某种方式提供更有疗效的波形。在双相波形的应用中，AED向位于患者胸部上的电极片之一输送高压电荷，这导致电流从该电极片流动到第二电极片。在第一相的末端，高压输出电路的H-桥转换以将施加的电压反向，从而从第二电极到第一电极将剩余的高压电荷和电流输送给患者。临床研究和经验表明，希望将控制双相波形的多个参数维持在预定义的限度内。例如，正(第一)相应该具有不要太短的持续时间，并且第一相持续时间与第二相持续时间的比值应该在预定义的范围内。如果脉冲的相太短，其将短于心脏的细胞响应时间，即时值时间，因而限制脉冲的效力。起始电压电平到第一相末端处电平的下降不应该太大，从而将保留显著量的输送能量以用于在第二相期间进行输送。在初始的起始电压电平和最终的脉冲电压电平之间还应该具有受控的关系。这些参数的大部分受到患者胸部阻抗的影响，具有不同阻抗的患者对于给定脉冲有不同的响应。因此，AED通常在输送双相脉冲之前或在脉冲开始时测量患者的胸部阻抗，并且考虑所测量的阻抗而设计该AED高压电路的操作。

由于AED在发生心搏停止时极其重要，因此希望其可用性尽可能地普遍。尽管近来通过批准AED的柜台式销售对这一目标有所帮助，但是通过低成本AED的可用性也可以提升该目标。AED制造中的主要费用之一是高压电路，特别是H-桥中的电感器和开关设备，其必须非常快速地转换非常大的电流，该特性使得这些设备生产起来很昂贵。因此，希望AED高压电路的设计者在不影响AED的安全性或功效的情况下尽可能地降低这些成本。

发明内容

根据本发明的原理，提供一种除颤器高压电路，其简单、高效并且在双相脉冲输送期间只需要闭合开关设备。该创造性电路通过使用两个电容器来实现功效。随着主电容器输送第一脉冲相，来自该电容器的电流流向输送第二脉冲相的第二电容器并且使该第二电容器充电。脉冲输送的开始和停止由“仅闭合(make-only)”开关设备进行控制，该“仅闭合”开关设备为只需要在脉冲输送期间闭合的设备。

附图说明

在下面的附图中：

图1说明了现有技术中简单的正弦除颤脉冲电路；

图2说明了可以由图1的电路产生的波形；

图3说明了适于与本发明的高压电路一起使用的AED；

图4以方框图的形式说明了图3所示的AED的主要功能子系统；

图5说明了根据本发明的原理构造的高压电路；

图6说明了一种波形，解释了图5所示的高压电路对于低阻抗患者的操作；以及

图7说明了一种波形，解释了图5所示的高压电路对于高阻抗患者的操作。

具体实施方式

首先参照图1，其示意性地示出一种除颤单相脉冲电路10。存储电容器12由高压电源(未示出)充电以向由患者阻抗R_pat代表的患者输送除颤电击。电容器12的典型值是10μF并且具有7KV的额定值。通过例如具有100mH的大电感器14将电击输送给患者，该电感器14具有由电阻器16表示的电阻值。患者阻抗被二极管18和小电阻器20分流(shunt)。通过闭合开关22来输送电击。当电路10表现出临界阻尼时，波形30将上升到峰值并且然后经过相当长的持续时间而缓慢下降，如图2中的虚线曲线34所示。在临界阻尼时，产生单相波形。也可以将电路10配置为欠阻尼，在这种情况下，产生的波形会上升、下降、下冲穿过x轴并且衰减到x-轴，有效地产生如实线32所示的正弦双相波形。这种电路可以在患者阻抗的宽范围内表现出这种双相特性。

图1所示的除颤电路具有几个优点。该电路简单，只有很少的部件，因此实现起来不昂贵。在波形的施加期间，只需要闭合开关22，该开关22可以保持闭合直到脉冲应用结束。当有大电流流动时，闭合高压电路的开关比打开该开关更容易，这意味着可以使用一种更便宜的仅闭合开关。但是该电路也有一些缺点。其中一个缺点是需要大电感器，这会增加不期望的重量并且占据小的便携式AED中的大量空间。另一个缺点是需要使电容器12充电到相对高的电压以进行电击输送。第三个缺点是电路的效率低，由于相当数量的能量被电路的分流桥支路(leg)分流而不能用于治疗患者。

图3示出了适于与本发明的高压电路一起使用的AED 310。AED 310被容纳在坚固的聚合物壳体312中，该聚合物壳体312保护壳体内部的电子线路并且也保护非专业使用者免受电击。一对电极片通过电导线与壳体312相连接。在图3的实施例中，电极片放置在位于AED 310顶侧上的凹陷中的盒体314中。通过拉起手柄316，允许去除电极片上方的塑料覆盖物，可以访问该电极片以用于使用。在AED 310的右侧上是用户接口。小就绪(ready)灯318向用户通知AED的准备就绪。在该实施例中，在已经正确启动AED并准备使用时，该就绪指示灯闪烁。就绪指示灯在AED使用过程中一直开启，并且当OTC AED需要保养时该就绪指示灯关闭或以警报颜色闪烁。

在就绪指示灯下面设置有开/关按钮320。要打开AED以进行使用，按下开/关按钮。要闭合AED，用户持续按下开/关按钮一秒或一秒以上。当信息对于用户可用时，信息按钮322闪烁。用户按下信息按钮以访问该可用信息。当AED正在从患者获取心跳信息时，警示灯324闪烁，并且当建议进行电击时，警示灯324会持续点亮，以警告用户和其他人：在这段时间内任何人都不准碰触患者。在获取心脏信号时与患者交互会使检测到的ECG信号受到不期望的人为干扰，并且应该避免。在AED通知用户建议进行电击时，按下电击按钮326以输送电击。位于AED侧边上的红外端口328用于在AED和计算机之间输送数据。在患者已经被救助并且内科医师希望将该AED事件数据下载到他或她的计算机以进行详细分析时，该数据接口开始工作。扬声器313向用户提供语音提示以指导该用户通过使用AED来治疗患者。还提供蜂鸣器330，当OTC AED需要保养时，例如需要更换电极片或新电池时，蜂鸣器330会“发出蜂鸣声”。

图4是根据本发明原理构建的AED 310的电子部件的简化方框图。ECG前端502连接到一对电极416，该对电极416被连接到正在接收治疗的患者的胸部。ECG前端502用于放大、缓冲、过滤和数字化由患者的心脏产生的电子ECG信号，以产生数字化的ECG采样流。将该数字化的ECG采样提供给控制器506，该控制器506执行分析以检测VF、可电击的VT或其它可电击的心律。如果检测到可电击的心律，则控制器506向HV(高压)输送子系统508发送信号来进行充电以准备输送电击。按下电击按钮326然后通过电极416从HV输送子系统508向患者输送除颤电击。控制器可以被配置为进行操作，用于除颤、心脏监控以及操作的CPR中止模式。

连接控制器506以进一步从麦克风512接收输入，从而产生音带。优选地，将来自麦克风512的模拟音频信号进行数字化以产生数字化的音频采样流，该数字化的音频采样流可以作为事件概要530的一部分存储在存储器518中。用户接口514可以由显示器、音频扬声器313以及先前讨论过的例如开/关按钮320和电击按钮326等用于提供用户控制和视觉及听觉提示的前面板按钮。时钟516向控制器506提供实时的时钟数据以对事件概要530中包含的信息标注时间(time-stamp)。存储器518可以实现为板上RAM、可移除的存储器卡或者不同存储器技术的组合，并且用于在患者治疗期间编译事件概要530时，数字化地存储该事件概要。事件概要530可以包括数字化的ECG流、音频采样流以及其它事件数据流，如先前所描述的。

HV输送子系统由功率管理子系统137提供的高压供电。整个AED由连接到功率管理子系统137的电池126供电。功率管理子系统包括DC-DC变换器以将低的电池电压转换为使高压子系统308的电容器充电所需的高压，并且该功率管理子系统还为AED 310的其它处理和电子部件提供具有合适电压的功率。

图5示意性地示出了根据本发明原理构建的并且适于在图4所示的除颤器的高压子系统308中使用的高压双相脉冲电路。图5所示的电路包括主电容器112，该主电容器112由功率管理子系统137的V₁电源137a提供的电压V₁进行充电以用于输送除颤电击。通过响应于电击输送信号S的开关122的闭合来初始化电击的输送。开关122通过电感器114和小电阻器116连接到患者电极416中的第一电极。电感器114限制输送到低阻抗患者的电流并且小电阻器116限制通过其中被使用的电路支路的电流流动。电感器114和电阻器116的典型值分别为35mH和2Ω。

开关134连接在两个患者电极之间。第二电容器120连接到第二患者电极416以输送第二脉冲相。从主电容器112到第二电容器120的电荷输送路径包括开关124、小电感器136和二极管132。电感器136的典型值是2mH。该电感器可以是小的，因为如前所述，其只在短的持续时间内转换为使用状态，并且受相对小的电压差动(voltage differential)支配。二极管132确保该路径上的单方向电流流动。开关128连接在电感器114和电阻器116的接合点与连接有两个电容器的基准传导桥支路之间。主电容器112的典型值为50μF，而第二电容器120的典型值为140μF。主电容器112可以是与现在用于传统AED的电容器大小相同的聚丙烯电容器，而第二电容器可以是相对便宜的电解电容器组。

在该示例中，开关124、128和134由触发的火花隙设备实现。火花隙设备具有在其间施加电势的两个电极，并且当该电势达到电极之间的电极间隔和电介质的临界电平时，该设备就会由于电极之间产生火花而放电。这些火花隙设备可以分别通过触发脉冲Tr₁、Tr₂和Tr₃激励其放电而被可控地放电。触发脉冲电离火花隙中的气体，产生放电。一些设备的触发脉冲为电脉冲，而其它设备的触发脉冲激发用紫外能量电离火花隙气体的紫外光源。利用火花隙设备来代替传统开关的优点是成本低并且在触发火花隙设备时开关迅速。

当将双相脉冲输送给患者时，在脉冲的第一相期间，波形的两个相在横跨患者胸部的两个电极之间产生沿一个方向流动的电流，并且然后在第二相期间产生沿相反方向流动的电流。理论上，应该可以在第一相期间接收沿第一方向流动的电流，并且然后在第二相期间再使其沿相反的方向流回，从而两次使用电容器电荷并且结果产生非常高效的AED。本发明的电路通过将这个理论付诸于实践而实现了高效的AED。在图5所示电路的操作中，主电容器112由V₁电源137a充电以准备用于输送电击。第二电容器120在该准备期间不需要被充电，但是如果需要，可以在此时根据V₂电源137b的指示而被充电到较低的电平。在脉冲的第一相期间，患者阻抗得知(see)串联连接的两个电容器，并且该患者阻抗连接在两个电容器之间。当救助者按下电击输送按钮136时，双相脉冲的第一相从电流流过开关122、电感器114、电阻器116，经过患者R_pat并返回到第二电容器120开始，该第二电容器的下极板与主电容器112连接到一起。因此，第二电容器120开始由主电容器112在双相脉冲的第一相期间输送的电荷而被充电。

当期望结束脉冲的第一相并输送第二相时，通过触发脉冲Tr₁触发火花隙设备124，并且来自主电容器112的电流立即通过火花隙设备、电感器136和二极管132被分流以将电容器120迅速充电到较高的电平。该来自主电容器的电流的分流，旁路患者阻抗R_pat.，将使双相脉冲的第一相结束。该电流的流动很简短并且只能持续到已经由于第一脉冲相的输送而从其初始电荷电平降低的主电容器112的电压电平与第二电容器120的上升电压电平接近为止。由于这种电荷输送的短的持续时间并且由于两个电容器相对较小的电压差动，电感器136很小。

在这种从主电容器到第二电容器的简短的电荷分流之后，第二相通过触发火花隙设备128而开始。随着将来自第二电容器120的电荷输送到第二患者电极，电流现在沿与第一相中的方向相反的方向流向患者。在双相脉冲的第二相期间，电流路径是从第二电容器120通过患者、小电阻器116和火花隙设备128并且返回到电容器120。同时，主电容器112上的剩余电荷被来自电容器112、经过开关122、电感器114、火花隙设备128并且返回到电容器112的电流耗散。因此，由于通过第二电容器输送脉冲的第二相，主电容器被放电。

当期望终止双相脉冲的第二相时，通过触发脉冲Tr₃触发火花隙设备134。该火花隙设备通过旁路患者电极而结束到患者的能量输送。电容器120上的剩余电荷流经火花隙设备134、小电阻器116和火花隙设备128而返回到第二电容器120。在该放电期间，电阻器116限制峰值电流流经该环路。在已经耗散由电容器存储的剩余能量之后，开关122被打开(如同传统开关设备中使用的其它开关)并且该电路准备被充电以输送另一个双相脉冲。

因而，可以看到，通过简单的电路并且通过使用只在脉冲输送期间需要闭合的“仅闭合”开关来输送受控的双相脉冲，而不需要复杂和昂贵的H-桥。这种电路极其适用于低成本的AED。

图5所示的这种双相脉冲输送电路对于给出的患者阻抗可以输送下列可控的双相脉冲：

 

患者阻抗(Ω)	输送的能量(焦耳)	相1持续时间(毫秒)	相2持续时间(毫秒)
				30	144	3.2	3.0
50	155	3.6	3.4
				75	174	4.3	3.2
100	176	4.7	3.7
				125	178	5.3	4.4
150	185	6.5	5.5
				180	177	6.5	5.5

图6说明了对于具有30Ω的患者的电路的性能特性。曲线600表示双相脉冲，包括第一正相600a和第二负相600b。输送到患者的电荷由曲线606表示，该曲线606在第一相期间很快速地上升而在第二相期间速度缓慢得多。在曲线拐点之后，曲线606在第二相期间下降，表示在第二相期间电流的反向流动。曲线602表示主电容器112的电压，该电容器112的电压从其初始被充电的电压电平开始，在600a表示的第一相期间下降，然后由于电流被分流到第二电容器120而在第二相期间继续放电，并且在最终被放电之前，在脉冲结束处变为负。曲线604表示第二电容器120的电压，在该示例中，该电容器120初始没有被充电。由于该第二电容器通过在第一相期间从第一电容器经过患者的电流流动而被充电，可以看到其电压开始升高，在第二相开始时达到顶峰，并且由于通过第二电容器输送第二相而下降。

图7说明了对于具有180Ω的患者的电路的性能特性。可以看到，双向脉冲700的第一相700a的初始上升由于较大的患者阻抗而达到较低的幅值。在第二相700b的开始处也看到相同的特性。这些曲线更清楚地说明了在第一相结束附近的t_x时刻发生的转变，在该t_x时刻，开关124闭合以向第二电容器120输送电荷，为第二相700b的开始做准备。可以看出，由曲线702说明的主电容器112上的电压在第一相期间平稳下降，直到开关124在t_x时刻闭合，在该时刻，由于电荷被输送到第二电容器，主电容器电压更加迅速地下降。这是因为，与图6相比，由于更大的患者阻抗，在第一相期间输送更少的电荷。从第二电容器电压曲线704可以看到第二电容器120上电压的相应快速上升，而在那之后在第二相704b期间，由于在双向脉冲的第二相期间电荷被从第二电容器输送而下降。曲线706说明了输送到患者的累积电荷，第二相期间的负斜率表示第二相期间所输送波形的极性变化。第二相700b结束，并且当开关134闭合时电容器上的剩余能量被耗散。

因而，可以看出，本发明的双相脉冲输送电路与标准的H-桥电路相比相对简单，并且通过“仅闭合”开关的闭合而在患者阻抗的全部范围上受控，以产生具有期望特性和治疗有效的双相脉冲。

Claims (20)

1、一种用于输送双相脉冲的高压除颤器电路，包括：

高压源；

一对患者电极；

第一电容器，其被耦合为由所述高压源充电，以输送第一脉冲相，所述第一电容器被可控地耦合到所述一对患者电极的第一患者电极；

第二电容器，其被耦合到所述一对患者电极中的第二患者电极以输送第二脉冲相，所述第二电容器至少部分地由所述第一脉冲相的输送而进行充电。

2、根据权利要求1所述的高压除颤器电路，进一步包括用于可控地将所述第一电容器耦合到所述第一患者电极的第一开关。

3、根据权利要求2所述的高压除颤器电路，进一步包括用于开始所述第二脉冲相的第二开关。

4、根据权利要求3所述的高压除颤器电路，进一步包括用于终止所述第二脉冲相的第三开关。

5、根据权利要求4所述的高压除颤器电路，其中所述第三开关被耦合来旁路所述患者电极。

6、根据权利要求4所述的高压除颤器电路，其中所述第三开关进一步用于耗散存储在所述电容器的至少其中之一中的能量。

7、根据权利要求6所述的高压除颤器电路，进一步包括与所述第三开关串联耦合的电阻器，用于限制在所存储的电容器能量耗散期间的峰值电流。

8、根据权利要求6所述的高压除颤器电路，其中所述第三开关进一步用于耗散存储在所述第二电容器中的能量，并且所述第二开关进一步用于耗散存储在所述第一电容器中的能量。

9、根据权利要求4所述的高压除颤器电路，其中所述第二开关和所述第三开关包含放电管设备。

10、根据权利要求1所述高压除颤器电路，进一步包括被设置为将来自所述第一电容器的电流分流到所述第二电容器以在所述第二脉冲相期间通过所述第二电容器进行输送的分流电路路径。

11、根据权利要求10所述的高压除颤器电路，其中所述分流电路路径包括用于在所述第一脉冲相的大部分持续时间结束之后使所述分流电路路径将来自所述第一电容器的电流分流到所述第二电容器的开关。

12、一种使用自动体外除颤器除颤对象的方法，包括：

确定建议了除颤电击；以及

通过如下方式经由一对患者电极输送双相脉冲：

利用高压电源对第一电容器进行充电；

将来自所述第一电容器的电荷耦合到所述患者电极中的第一患者电极以输送第一脉冲相；

使用与所述患者电极中的第二患者电极耦合的第二电容器接收耦合到所述第一患者电极的所述电荷的一部分；

将来自所述第二电容器的电荷耦合到所述第二患者电极以输送第二脉冲相。

13、根据权利要求12所述的方法，进一步包括：

利用高压电源至少部分地对所述第二电容器进行充电。

14、根据权利要求12所述的方法，其中耦合来自所述第一电容器的电荷进一步包括启动第一开关。

15、根据权利要求14所述的方法，进一步包括启动用来终止所述第一脉冲相的输送的开关。

16、根据权利要求15所述的方法，进一步包括启动用来终止所述第二脉冲相的输送的开关。

17、根据权利要求16所述的方法，进一步包括在所述第二脉冲相结束时使所述第一电容器和所述第二电容器放电。

18、根据权利要求12所述的方法，进一步包括在所述第一脉冲相的大部分持续时间结束之后将来自所述第一电容器的电流分流到所述第二电容器。

19、一种使用自动体外除颤器除颤对象的方法，包括：

使用一对患者电极来将所述对象与第一电容器和第二电容器串联耦合；

利用所述第一电容器输送双相脉冲的第一相；以及

利用所述第二电容器输送所述双相脉冲的第二相。

20、根据权利要求19所述的方法，其中输送所述双相脉冲的所述第一相进一步包括对所述第二电容器进行充电。

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