CN101515021A - 通过光开关的电流泄漏的检测 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过光开关的电流泄漏的检测。用于测试光开关的装置包括：耦合在电源和光开关的输入之间的第一感测电阻器，以及耦合到光开关的输出的第二感测电阻器。测试电路耦合以感测流过第一感测电阻器的第一电流和流过第二感测电阻器的第二电流，且响应于第一和第二电流之间的关系产生测试信号。控制器耦合以接收所述测试信号，并在所述测试信号超过预定极限值时执行保护措施。

Description

通过光开关的电流泄漏的检测

技术领域

本发明主要涉及电子电路和设备，并且具体涉及设备测试和安全性。

背景技术

光开关(也可称之为光隔离器或光耦合器)采用短光学传输路径在电路元件之间传输信号同时保持所述元件电隔离。它们被用于医疗设备中以防止电流从设备的电路泄漏到患者的身体。即使在高电压下，光开关也应当是有效地无泄漏的。然而如果光开关出现故障，其可能允许高泄漏电流到达患者。当泄漏电流流过例如心导管时，结果会是致命的。

发明内容

本发明人已发现，即使光开关在安装于医疗设备中之前被预测试且为合格的，光开关仍可能在设备工作时偶尔出现故障。当设备与患者身体接触时，保护其不受这种故障的影响是极其重要的。在本发明的实施例中，测试电路被添加到医疗设备，以使得这种类型的故障能被可靠地检测出。测试电路输出测试信号，该测试信号指示通过光开关的泄漏电流。控制器接收该信号，并且当信号超过预定极限值时，采取保护措施。

在某些实施例中，测试信号是在校准阶段期间，在设备接触到身体之前测量的。该校准测试信号被用于设置极限值，控制器使用该极限值来监测在设备的实际操作过程中产生的测试信号。校准过程有助于补偿不同部件和不同设备间的差异。它有利于泄漏的灵敏检测和控制，且在测试和测量电路中无需昂贵的、高精度的部件。

因此，根据本发明的实施例，提供了用于测试光开关的装置，其包括：

耦合在电源和光开关的输入之间的第一感测电阻器；

耦合到光开关的输出的第二感测电阻器；

测试电路，其耦合以感测流过第一感测电阻器的第一电流和流过第二感测电阻器的第二电流，且响应于第一和第二电流之间的关系产生测试信号；以及

控制器，其耦合以接收该测试信号，并在该测试信号超过预定极限值时执行保护措施。

在公开的实施例中，所述光开关用于医疗设备中以防止电流泄漏到患者的身体上，且测试电路和控制器被安装在医疗设备中以便当医疗设备与身体接触时，执行保护措施。典型地，控制器被配置成通过在医疗设备未与身体接触时执行的校准阶段期间测量测试信号来确定所述极限值。

在某些实施例中，保护措施包括将电源与光开关断开。在一个实施例中，控制器被配置成在确定测试信号已超过该极限值时递增计数器，并且当计数器达到预定阈值时将光开关从电源上断开。控制器可以配置成在确定测试信号低于极限值时使计数器递减。

在公开的实施例中，所述装置包括多路转接(multiplexing)电路，其被配置为将电源和第一及第二感测电阻器耦合到多个光开关的每一个，且控制器被配置为评估由于多路转接电路选择的每个光开关而产生的测试信号。多路转接电路可被配置为将许多(a multiplicity of)光开关对的每一个同时与电源和第一及第二感测电阻器耦合，使得测试电路感测每一对的第一及第二电流，且控制器可被配置成评估由于每一对而产生的测试信号。

在一个实施例中，测试电路包括耦合在第一感测电阻器两端并具有第一输出的第一差动放大器，耦合在第二感测电阻器两端并具有第二输出的第二差动放大器，以及耦合在第一和第二输出上以用于响应于第一和第二电流之间的差生成测试信号的第三差动放大器。

根据本发明的实施例，还提供了一种用于测试医疗设备中的光开关的方法，该方法包括：

在校准阶段期间，测量流入光开关的输入的第一电流与流出光开关的输出的第二电流之间的第一关系，并响应于该第一关系生成第一测试信号；

响应于第一测试信号，设置关于通过光开关的泄漏电流的极限值；

在医疗设备与患者身体接触的操作期间，响应于分别流入光开关的输入和流出光开关的输出的第一和第二电流之间的第二关系，生成第二测试信号；以及

当第二测试信号超过极限值时，执行保护措施。

结合附图，根据本发明的实施例的以下详细描述将更充分地理解本发明，其中：

附图说明

图1是根据本发明的实施例的侵入式医疗系统的示意图示；

图2是根据本发明的实施例显示医疗设备中的光开关电路系统的示意电路图；

图3是根据本发明的实施例显示用于与图2的电路系统结合使用的测试电路的示意电路图；

图4是根据本发明的实施例示意性地示出用于校准光开关电路的方法的流程图；以及

图5是根据本发明的实施例示意性地示出用于测试光开关的方法的流程图。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施例的用于治疗患者22的侵入式医疗系统20的示意图示。在此以实例的方式示出这个系统，以帮助理解本发明的应用。然而，本发明的原则决不限于这种特殊类型的系统，且可以与和患者身体接触的基本任何类型的电医疗设备结合应用。接下来描述的用于测试光隔离器的电路和技术还可适于在其他类型的系统和设备中使用，在这些系统和设备中光隔离器被用于进行电隔离。

系统20的操作者26将导管28插入患者22的心脏24内。在这个实例中，导管的远端(图1中左插图中心脏内所示的)包括多个电极30。所述电极在操作者经由控制台32的控制下被用于心脏内的诊断过程。在控制台(在该图的右插图中所示)中，刺激器34产生刺激信号，所述刺激信号经由相应的光开关36被施加到电极30(称之为EL1，EL2，…)。任意适合类型的光开关可用于系统20中，诸如由Clare公司(Beverly，马萨诸塞州)生产的CPC1018N设备。

数字控制器38控制光开关的工作。控制器38典型地包括微处理器，其具有合适的输入和输出接口并用软件编程以执行在此描述的功能。可选择地或附加地，控制器38可包括专用或可编程数字逻辑电路。

图2是根据本发明实施例的显示控制台32中的光开关电路系统40的进一步细节的示意电路图。在图2所示的配置中，一组光开关36(在图的左边)被耦合以将电极30连接到来自于刺激器34的负输入，而另一组光开关(在图的右边)被耦合以将电极连接到来自于刺激器的正输入。通过多路转接电路52和54选择光开关。通过光开关的合适选择，因而可以单极或双极激励模式激活电极30。光开关和相关电路的这种配置仅仅是作为实例示出，本发明的原理可被实施以测试基本任意类型的使用一个或多个光开关用于电隔离的电路系统。

电源42经由断路器开关44和限流电阻器(R2，R3)48和50给光开关36供电。输入感测电阻器(R1)46耦合于电源42和光开关的输入之间，而输出感测电阻器(R4)56耦合于光开关的输出和地之间。典型地，这些电阻器是标准的、不昂贵的部件，具有的电阻的范围取决于待感测的泄漏电流的电平。例如，在一个实施方式中，发明人采用33.2Ω的具有1％精确度的感测电阻器，这样10μA的泄漏电流产生大约330μV的压降。由于接下来描述的校准过程，控制器38能以高灵敏度检测通过光开关的泄漏电流的变化，并且在电路系统40中无需使用高成本、高精度的电阻器。

在不存在通过光开关的任意泄漏的情况下，流过电阻器46的电流应当等于流过电阻器56的电流。这些电流分别与测试点58和60之间的压降以及与测试点62和地之间的压降成比例。这两个压降之间的关系中的任何显著变化可以指示一个或多个光开关的故障。

图3是根据本发明的实施例的显示用于检测电路系统40中光开关36的泄漏的测试电路70的示意电路图。电路70包括一对差动放大器72和74，诸如仪器用放大器。放大器72的差分输入与测试点58和60连接(图2)，而放大器74的差分输入与测试点62和地连接。放大器72和74输出与流过感测电阻器46和56的相应电流成比例的信号。这些信号输入到另一个差动放大器76，从而该差动放大器76输出与流过感测电阻器的相应电流之间的差成比例的信号。模数转换器(ADC)78将输出信号数字化，且控制器38处理该数字化结果以检测可能的泄漏。

在上述实施方式中，例如(具有33.2Ω的感测电阻器)，发明人将放大器72、74和76的增益系数设置为20，产生400的总放大倍数。因此，10μA的泄漏电流在放大器76的输出处产生132mV的信号。该信号被馈送到12位的ADC，所述ADC被设为1位/mV的灵敏度。然而，这里给出的这些参数值仅仅是作为示例，可以根据系统和应用的要求可选地采用不同参数。

在可选实施例中(图中未示出)，单独的感测电阻器和测试电路可被用于负输入光开关组(连接到多路转接电路52的那些)和正输入光开关组(连接到多路转接电路54)。虽然这种方法给系统增加了某些额外的复杂性，但它在允许泄漏的光开关的精确识别方面具有优势。

图4是根据本发明的实施例示意性示出用于校准测试电路70对电路系统40进行的测量的方法的流程图。该校准过程典型地在系统20被加电之后，但在该系统的任意部件接触到患者22之前执行。例如，它可在工厂中执行一次，或者每当系统20被加电时它可作为启动过程的一部分被执行。校准过程检查测试电路70在连接到电路系统40时的实际输出，并利用这个输出设置用于电路系统中光开关的随后监测的极限值，如接下来参照图5所述的。由于这个校准过程，尽管电路系统40中的电气部件不精确，控制器38能在系统20的操作期间检测通过电路系统40中的光开关的泄漏电流的微小变化，典型地大约为电源42施加的电流的0.2％(例如，5mA的施加电流导致10μA的泄漏变化)。

起初，在基线测量步骤80，控制器38测量未选择电路系统40中的任一个光开关36时电路70的输出。换言之，控制器记录由ADC78输出的数字化信号，同时多路转接电路52和54保持所有的光开关与电源42断开。控制器使用该测量设置基线电流极限值，该极限值被用于在实际操作期间监测电路系统40。

接下来，在单个电流测量步骤82，多路转接电路单独地选择每个光开关，且控制器为每个光开关测量来自电路70的输出信号。

此外，在成对测量步骤84，多路转接电路选择成对的光开关，即多路转接电路52在负侧选择一个光开关，同时多路转接电路54在正侧选择一个光开关。控制器为每个这样的对测量来自电路70的输出信号。(然而步骤84是可以省略的，如果在上述可选实施例中单独的测试电路被用于光开关的正负组。)

在极限值设置步骤86，根据步骤80、82和84中的测量，控制器38设置在运行(runtime)监测中将使用的电流极限值。例如可以通过在步骤80中给定的测量周期上取由电路70测量的感测电阻器46和56之间的平均基线电流差，然后在该平均值之上和之下允许某个裕度，来设置基线极限值。该裕度取决于检测偏差的所需灵敏度，所述灵敏度和可能的虚警烦扰保持平衡。发明人已发现大约10μA的裕度给出好的结果。单个光开关的泄漏的一般极限值可通过求出在步骤82对所有单个光开关测量的结果的平均值，然后添加适合的裕度而算出。一对光开关的泄漏的一般极限值可类似地根据步骤84的平均结果计算出。

附加地或可替换地，控制器38可计算和存储每个光开关和/或每对光开关的单个极限值，所述极限值基于该特定光开关或光开关对的测量结果。

作为另外的选项，如果控制器在校准阶段测量到通过给定的光开关或光开关对的高电流，控制器可立即输出将所述的光开关或光开关对识别为可疑的警报。通过该方式，在系统20的任意部分与患者接触之前部件故障能被识别和解决。

图5是根据本发明的实施例示意性地示出用于测试电路系统40中光开关36的操作的方法的流程图。在运行操作期间，在光开关激活步骤90，通过多路转接电路52和54启动(actuate)不同的光开关或光开关对。例如，在系统20的情形下，通常启动光开关以通过导管28上的不同电极30施加刺激信号，如上所述。控制器38可选择光开关来启动，或者它可以仅接收指示在任意给定时间启动哪些光开关的输入。根据光开关的选择，控制器选择可应用的校准电流极限值以用于监测电路70的输出，如步骤86确定的(图4)。

在输出测量步骤92，控制器38接收来自于ADC78的数字值。如上所述，这些值表示电路70测量的电流差。在电流测试步骤94，控制器将这些值与所述可应用的极限值进行比较。在递增步骤96，如果测量值大于极限值，则控制器使计数器递增。计数器的值典型地从零开始，随着超过极限值的每次连续测量而增加。由于单个测量可能由于噪声而非实际的泄漏超过极限值，计数器被用来避免积极响应于每个超过极限值的测量。在递减步骤98，如果随后的测量低于可应用的极限值，则控制器38使计数器的值递减。该值可能以这种方式减回到零，但不会更低。

在步骤96使计数器递增之后，在阈值检查步骤100，控制器38检查计数器的值是否已达到预定阈值。阈值的选择典型地依赖于认为危险的泄漏的持续时间。例如，假定控制器以8000个样本每秒的速度(samples/sec)接收ADC数字输出，阈值可设置为大约8000，这样持续1秒的泄漏电流触发阈值。在保护步骤102，当计数达到阈值时，控制器38采取保护措施。例如，控制器可以翻转断路器开关44以断开电源与光开关，并且可以产生表示哪个光开关或光开关对应对高泄漏水平负责的警报输出。然后，这些部件可由专业技术人员替换。另一方面，当如上所述单独的测试电路被用于光开关的正负组时，有可能识别泄漏的光开关并断开电源，而不用将剩余的光开关断电。

可选地，只替换包含光开关的整个电路板可能是优选的。特别地，如果在步骤100计数达到阈值，而没有光开关被选择(意味着测量的电流比基线电流的极限值大)，可将整个电路板替换。

因此，上述的电路和方法允许泄漏的灵敏检测和控制而无需昂贵的、高精度的部件。校准过程解决了不同部件和不同电路板之间可能存在的差异。由于计数器通常将达到瞬时变化的平均值而不会达到阈值，使用计数器监测与校准极限值的偏差也有主助于区分实际故障和由于“有噪”部件而产生的瞬时偏移。同时监测多个光开关对于在运行期间检测单一部件的故障，以及检测可能发生在一批坏部件中的多个部件故障是有用的。

应理解，上述实施例是通过实例的方式引证的，且本发明不限于特定显示的和在此所述的实例。相反，本发明的范围包括上述各种特征的组合和子组合，以及它们的变型和修改，这些变型和修改是本领域技术人员通过理解前述说明容易想到的，并且未在现有技术中公开。

Claims (17)

1.用于测试光开关的装置，其包括：

耦合在电源和所述光开关的输入之间的第一感测电阻器；

耦合到所述光开关的输出的第二感测电阻器；

测试电路，其耦合以感测流过第一感测电阻器的第一电流和流过第二感测电阻器的第二电流，且响应于第一电流和第二电流之间的关系产生测试信号；以及

控制器，其耦合以接收所述测试信号，并在所述测试信号超过预定极限值时执行保护措施。

2.根据权利要求1的装置，其中光开关用在医疗设备中以防止电流泄漏到患者的身体，且其中测试电路和控制器被安装在医疗设备中以便当医疗设备与所述身体接触时，执行保护措施。

3.根据权利要求2的装置，其中控制器被配置成通过在医疗设备未与身体接触时执行的校准阶段期间测量测试信号来确定极限值。

4.根据权利要求1的装置，其中保护措施包括将电源与光开关断开。

5.根据权利要求4的装置，其中控制器被配置成当确定测试信号已超过所述极限值时使计数器递增，并且当计数器达到预定阈值时将光开关从电源上断开。

6.根据权利要求5的方法，其中控制器被配置成当确定测试信号低于所述极限值时使计数器递减。

7.根据权利要求1的装置，包括多路转接电路，其被配置为将电源及第一感测电阻器和第二感测电阻器耦合到多个光开关的每一个，且其中控制器被配置为评估由于由多路转接电路选择的每个光开关而产生的测试信号。

8.根据权利要求7的装置，其中多路转接电路被配置为将许多光开关对的每一个同时与电源及第一和第二感测电阻器耦合，使得测试电路感测每一对的第一和第二电流，且其中控制器被配置成评估由于每一对而产生的测试信号。

9.根据权利要求1的装置，其中测试电路包括耦合在第一感测电阻器两端并具有第一输出的第一差动放大器，耦合在第二感测电阻器两端并具有第二输出的第二差动放大器，以及耦合在第一和第二输出上以用于响应于第一和第二电流之间的差生成测试信号的第三差动放大器。

10.一种用于测试医疗设备中的光开关的方法，该方法包括：

在校准阶段，测量流入所述光开关的输入的第一电流与流出所述光开关的输出的第二电流之间的第一关系，并响应于所述第一关系生成第一测试信号；

响应于所述第一测试信号，设置关于通过所述光开关的泄漏电流的极限值；

在医疗设备与患者身体接触的操作期间，响应于分别流入所述光开关的输入和流出所述光开关的输出的第一和第二电流之间的第二关系，生成第二测试信号；以及

当第二测试信号超过所述极限值时，执行保护措施。

11.根据权利要求10的方法，其中执行保护措施包括将光开关与提供第一和第二电流的电源断开。

12.根据权利要求11的方法，其中执行保护措施包括当确定第二测试信号已超过极限值时使计数器递增，并在计数器到达预定阈值时将光开关从电源断开。

13.根据权利要求12的方法，包括当确定第二测试信号低于极限值时使计数器递减。

14.根据权利要求10的方法，其中第一关系和第二关系分别包括在第一和第二电流之间的第一和第二差异。

15.根据权利要求10的方法，其中医疗设备的操作包括在多个光开关之间的多路转接，并且其中生成第二测试信号包括评估由于由所述多路转接选择的每个光开关而产生的第二测试信号。

16.根据权利要求15的方法，其中在所述多个光开关之间的多路转接包括选择许多光开关对的每一个，并感测每一对的第一和第二电流，且其中评估第二测试信号包括检查由于每一对而产生的第二测试信号。

17.根据权利要求15的方法，其中设置极限值包括找出第一测试信号在所述多个光开关上的平均值，并响应于所述平均值设置极限值。

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