CN106232179A - 当变压器损坏时中断高压充电的方法、可植入医疗设备和系统 - Google Patents

当变压器损坏时中断高压充电的方法、可植入医疗设备和系统 Download PDF

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Abstract

当检测到提供高压充电的变压器损坏并且正提供过低阻抗时中断高压充电。在一个实例中，当电池基本上空载时，测量向所述变压器提供电力的电池的电压，并且稍后在所述高压充电期间当所述电池有载时测量电压。基于所选择的表示所述变压器的阻抗的阈值阻抗并且基于所述基本上空载电压和所述电池的内电阻来计算动态阈值电压。当所述有载电压小于所述阈值电压时则中断所述高压充电。

Description

当变压器损坏时中断高压充电的方法、可植入医疗设备和 系统
技术领域
实施例涉及提供利用高压充电的治疗的可植入医疗设备。更具体地，实施例涉及当用于创建那些充电的变压器遭到损坏时并且提供过低阻抗时中断高压充电的可植入医疗设备。
背景技术
提供针对如心动过速和/或心脏纤维性颤动等疾病治疗的可植入医疗设备必须在存储元件(如电容器组)内创建高压充电。然后，所述电容器为心动过速或除颤治疗提供能量。为了创建高压充电，电池被切换用于产生被提供给提高电压的变压器的脉冲。
可植入医疗设备可能遭遇可通过变压器铁芯饱和损坏变压器的外界条件。磁共振成像(MRI)扫描是下面的情况的示例：其中，外界条件包括可以使变压器铁芯饱和的较大静态磁场。虽然设备可以通过进入设计用于MRI扫描的特殊模式来使感测和治疗无效，但是由于MRI机器的强场引起的设备重置或由于一些其他未预料的原因，还可能有在MRI扫描期间设备无意地过早退出所述特殊模式的风险。可替代地，可能存在设备无意地没有程序化到在病人接收所述扫描之前被设计成用于进行MRI扫描的所述特殊模式中的风险。
当MRI机器的强磁场或其他外界条件使变压器的铁芯饱和时，初级线圈的电感大幅度地降低。然后初级线圈对电池呈现非常低的阻抗，这使来自电池的电流升高并且使电压降低。这种电流的激增可能损坏可植入医疗设备的包括电池的部件。
发明内容
本公开的实施例通过提供一种可植入医疗设备来解决如这些及其他问题，所述可植入医疗设备通过将所获得的指示在充电期间所述设备的状态的值与动态阈值进行比较来中断所述高压充电。当电池基本上空载时，可植入医疗设备获得与所述电池相关的值，例如，测量电池的开路电压。然后，可以基于所述初级线圈的阈值阻抗值、表示所述电池的所述电阻的值以及所获得的与在基本上空载状态中的所述电池相关的值来计算所述动态阈值。在所述高压充电期间，获得与所述电池相关的所述值(例如，所述电池的有载电压)，并且将所述值与所述阈值进行比较来确定是否因为损坏的变压器而中断高压充电。与所述电池相关的值可以是单独的测量结果或者可以从若干测量结果(如平均值)中导出。例如，当使用阈值电压时，当有载电压下降至低于阈值电压时中断高压充电。
实施例提供了一种当可植入医疗设备的产生高压充电的变压器损坏时中断对所述可植入医疗设备内的电容器的所述高压充电的方法。所述方法涉及：获得所述可植入医疗设备的电池的基本上空载值，所述基本上空载值提供跨所述变压器的初级线圈两端的电压。所述方法进一步涉及：基于所述基本上空载值、表示所述电池的电阻的值以及表示所述初级线圈的阈值阻抗的值计算动态阈值，以及当执行高压充电时获得所述电池的有载值。所述方法还涉及：将所述有载值与所述阈值进行比较，以及当所述有载值和所述阈值之间的差异表明变压器损坏时则中断高压充电。
实施例提供了一种当可植入医疗设备的产生高压充电的变压器损坏时中断对所述可植入医疗设备内的电容器的所述高压充电的方法。所述方法涉及：获得所述可植入医疗设备的电池的开路电压，所述开路电压提供跨所述变压器的初级线圈两端的电压；以及基于所述开路电压、表示所述电池的电阻的值以及表示所述初级线圈的阈值阻抗的值计算动态阈值电压。所述方法进一步涉及：当执行高压充电时，获得跨所述变压器的所述初级线圈两端的有载电压；以及将所述有载电压与所述阈值电压进行比较。当所述有载电压下降至低于所述阈值电压时则中断所述高压充电。
实施例提供了一种可植入医疗设备，所述可植入医疗设备包括：电池；变压器，所述变压器具有初级线圈和次级线圈；电存储元件，所述电存储元件连接在所述变压器的所述次级线圈两端；开关，所述开关串联在所述电池和所述初级线圈之间；以及电压测量设备，当所述开关关闭时，所述电压测量设备电连接在所述电池两端并且电连接在所述初级线圈两端。所述可植入医疗设备进一步包括：控制器，所述控制器与所述电压测量设备和所述开关通信，所述控制器使所述开关打开和关闭，以在所述电存储元件的高压充电期间开始从所述电池传递电流通过所述初级线圈。在所述高压充电之前，所述控制器与所述电压测量设备通信以获得所述电池的开路电压，并且在所述高压充电期间，所述控制器与所述电压测量设备通信以获得所述电池的有载电压。所述控制器基于所述开路电压、表示所述电池的电阻的值以及表示所述初级线圈的阈值阻抗的值计算动态阈值电压。所述控制器将所述有载电压与所述阈值电压进行比较，并且当所述有载电压下降至低于所述阈值电压时则所述控制器通过使所述开关保持打开来中断所述高压充电。
实施例提供了一种包括可植入医用导线和可植入医疗设备的可植入医疗系统。所述可植入医疗设备包括：电池；变压器，所述变压器具有初级线圈和次级线圈；电存储元件，所述电存储元件连接在所述变压器的所述次级线圈两端；开关，所述开关串联在所述电池和所述初级线圈之间；以及电压测量设备，当所述开关关闭时，所述电压测量设备电连接在所述电池两端并且电连接在所述初级线圈两端。所述可植入医疗设备进一步包括与所述电压测量设备和所述开关通信的控制器，所述控制器使所述开关打开和关闭，以在所述电存储元件的高压充电期间通过所述初级线圈开始从所述电池传递电流。在所述高压充电之前，所述控制器与所述电压测量设备通信以获得所述电池的开路电压，并且在所述高压充电期间，所述控制器与所述电压测量设备通信以获得所述电池的有载电压。所述控制器基于所述开路电压、表示所述电池的电阻的值以及表示所述初级线圈的阈值阻抗的值计算动态阈值电压。所述控制器将所述有载电压与所述阈值电压进行比较，并且当所述有载电压下降至低于所述阈值电压时则所述控制器通过使所述开关保持打开来中断所述高压充电。当高压充电完成时，所述控制器使能量存储元件电耦合至所述导线。
本发明内容旨在提供本公开中所描述的主题的概述。并不旨在提供对在以下附图和说明中详细描述的技术的排他性或穷尽性解释。以下附图和描述阐述了一个或多个实例的进一步细节。根据描述和图式以及以下提供的声明将明了其他特征、目标和优点。
附图说明
图1示出了可植入医疗系统，所述可植入医疗系统包括具有一个或多个可植入医用导线的可植入医疗设备。
图2示出了可植入医疗设备的用于提供高压充电的电路的示例。
图3示出了所述电路的简化版本，目的在于计算用于中断高压充电的阈值。
图4示出了由可植入医疗设备执行以确定是否中断高压充电的逻辑操作的示例。
图5示出了对用于计算阈值的阈值阻抗的选择的图表演示。
具体实施方式
实施例提供了当用于提供高压充电的变压器的初级线圈遭到损坏或提供过低阻抗时中断高压充电的设备、系统和方法。基于当电池基本上空载时确定的电池特性(示例包括空载电压水平和内电阻)计算动态阈值。然后，将此动态阈值与在高压充电期间测量的值进行比较来确定初级线圈是否遭到损坏以及提供过低阻抗。
图1示出了检测是否中断高压充电的可植入医疗系统100的示例。可能需要高压充电来提供高压治疗的特定形式，如复律和/或除颤。系统100包括可植入医疗设备102，所述可植入医疗设备包括高压治疗功能。可植入医疗设备102包括提供高压治疗功能的电路108，所述高压治疗功能包括对心动过速和/或纤颤以及响应(在一些实例中)的感测。电路108通过电连接器112电耦合至具有远端电极106的一条或多条导线104的近侧电触头110。当至少一条导线104被放置在电极106可以传送高压治疗的位置时，至少一条导线104被放置在电极106可以感测心动过速和/或纤颤的位置。同一条导线104可以用于感测心动过速和/或纤颤并且传送高压治疗。在一些实例中，所述系统可以包括植入在心脏的心室内的单条导线104。在其他实例中所述系统可以包括多于两条导线104。虽然导线104被示出为包括两个电极，将理解的是，可以使用具有任何数量的电极的导线。
图2示出了提供高压充电以及相应的高压治疗的电路108的示例。然而，如以上所描述的，电路108可以包括除图2示出的部件之外的其他部件，包括发射器、接收器、传感器、感应电路、治疗电路以及其他合适的部件。电路108包括执行逻辑操作以控制各个其他部件的控制器202。控制器202可以采用各种形式，包括通用可编程处理器、专用处理器以及电路数字逻辑等。电路108还可以包括具有计算机可读指令的存储器，当由控制器202或电路108的其他部件执行时，所述计算机可读指令使得控制器202执行在本公开中归属于其的各种功能。存储器可以包括任何易失性介质、非易失性介质、磁介质、光介质或电介质，如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、非易失性RAM(NVRAM)、静态非易失性RAM(SRAM)、可电擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存或任何其他非瞬态计算机可读存储介质。
电路108还包括提供直流(DC)电压的电池204。电池204以示意形式被表示为与内电阻208串联的电压源206。电压源206可以采用各种类型，包括锂离子、锂聚合物等。由电压源206输出的电压处于相对稳定状态，但是可能随着电压源206内的充电量随时间损耗而减小。此外，如损耗程度和寿命等因素可以影响所存在的内电阻208的量。当向电池204呈现特定阻抗时，这些因素中的每个因素都贡献于所述电池的输出电压。
当与开关212串联时，电池204可以与电容器210并联连接来帮助和稳定在高强度电流的实例期间提供给初级线圈的电压。在一些实例中，开关212可以在硅中实施。开关212提供到变压器216的初级线圈214的连接。控制器202操作所述开关212以提供打开状态和关闭状态。在高压充电期间，控制器202循环所述开关212的状态来创建可以被转换的脉冲列以及还尝试呈现具有目标阻抗的电池204，所述目标阻抗可以是合适的阻抗范围。给定的电池204可以具有指定目标阻抗值或来自制造商的值的范围。
变压器216将脉冲变换为从变压器216的次级线圈218输出的高电压。可以包括各种独立的存储元件(如独立的电容器)的存储元件220接收并存储高压充电。控制器202可以监测存储在存储元件220中的高压充电，并且然后，在到达充分水平时并且可能重新确认对高压治疗的需求，通过治疗电路释放所述充电，所述治疗电路可以通过导线104的电极106提供具有所定义的脉冲波形、峰值、宽度等的高压治疗。
控制器202可以与测量设备224(如模数转换器)通信来获得电池204的电压输出的测量结果。由于测量设备224连接在电池204与开关212之间，因此，不管开关212是打开还是关闭，测量设备224都可以获得电池204的电压。因此，测量设备224可以向控制器202提供电池204的开路测量结果和有载测量结果。如下文参照图3和图4讨论的，控制器204可以利用电池的开路电压或其他的基本上空载电压来基于电池的当前状况计算电压阈值，并且然后，基于将电压阈值与在充电期间所获得的有载电压进行比较来确定变压器216是否损坏。因此，动态地计算用于确定是否中断高压充电的阈值以考虑电池的当前状况，这降低了由于电流状况而不是变压器损坏引起的错误中断。
图3示出了简化电路300，目的在于展示动态阈值电压的计算。这里，变压器216以及由连接到变压器216的次级线圈的元件所呈现的负载被表示为负载阻抗302。因此，阈值电压(Vt)可以根据电池204的开路电压(Voc)(或者基本上空载电压)、电池的期望电阻(R电池)以及出于计算的目的而针对负载阻抗302设置的阈值阻抗值(Zth)被计算为跨负载阻抗302两端的电压，所述期望电阻为固定值或者可以通过从电池的损耗(如通过测量Voc而确定)中查找而确定。系数(C1)可以被用来测量所述值，其中，C1可以等于1，但是可以小于1以进一步降低错误的中断的可能性。这被示出为等式1：
变压器216的初级线圈的阻抗的降低是问题的最终原因，因此指定阈值阻抗(Zth)最终为：初级线圈可以呈现给所述电池以使得所测量的在充电期间的有载电压(V电池)不小于阈值电压(Vt)的最小阻抗。以下参照图5更详细的讨论了为阈值阻抗(Zth)选择所述值的过程的示例。
对阈值电压(Vt)的这种计算利用已知的或可测量的值。因此，这是一种用于最终监测被初级线圈呈现的阻抗是方便方法。此外，等式1所示的这种计算利用电池204的如所测量的基本上空载电压(Voc)，从而使得当对Voc的测量在从Vt计算开始相对少量的时间内发生时(例如在测量有载电压(V电池)的24小时内)，所述计算考虑电池204的当前状况(其由Voc测量反映)。还可以基于基本上空载电压的多个测量结果来计算Voc，如之前一周或一些其他近期的时间段内的平均测量。因此，可以影响Voc值的电池204的状况并不错误地改变中断高压充电的决定，所述决定应当基于初级线圈的阻抗。此外，等式1利用R电池值。当Voc已经确保所述阈值(Vt)是基于电池的当前状况的，R电池可以是固定值，所述电池的当前状况允许阈值阻抗(Zth)为选择的固定值。然而，针对在R电池随放电等级而变化处的电池，可以选择R电池来进一步反映电池204的放电程度，从而使得阈值电压(Vt)基于电池的当前性能被更加精确的建模。
图4示出了一系列逻辑操作400的示例，控制器202可以执行所述逻辑操作来检测变压器216是否遭到损坏以及是否在这种情况时中断高压充电。图4的操作400的环境假设生理监测和高压治疗目前对可植入医疗设备102是积极作用。因此，这些操作400不尝试确定在给定环境中监测和高压治疗是否是合适的。可植入医疗设备102可以执行其他逻辑操作来确定允许生理监测和高压治疗的操作的模式是合适的。然而，一旦高压治疗被认为是合适的，图4的逻辑操作400可以被实施来避免当变压器216由于中断高压充电而损坏时持续高压充电的任何后果。
逻辑操作400从操作402开始，其中对基本上空载电压进行测量，如电池204的开路电压(Voc)。操作402的目标是当除了测量本身需要的电流外几乎没有电流被消耗时获得电池402的电压，从而使得电流消耗不会拉低测量的电压。这种测量可以发生在一天中的一个或多个设定时间。如以上讨论的，这个值还可以基于基本上空载电压的多个测量结果，如通过之前一段时间内的测量的平均值，例如之前一周内。
此时，可以在操作406处使用R电池的可用值、Zth的已知值以及使用等式1的Voc的测量的值来计算阈值电压(Vt)。作为替代性方案，在其他操作已经发生后可以计算Vt。
在查询操作404处，控制器202尝试通过导线104上的电极106感测如心动过速和/或纤颤的状况。重复此操作直到检测到心动过速和/或纤颤，并且然后，当在操作408处向变压器216发送脉冲时，控制器202开始打开和关闭开关212以在尝试向电池204呈现目标阻抗时基于正常的初级线圈阻抗调节来自电池204的电流。可以固定开关212的工作周期来尝试呈现固定的目标阻抗，例如，在55kHz频率处运行来呈现0.65ohm的负载。开关212的控制还可以依靠监测呈现在次级线圈中的电流，以使得一旦次级线圈中的电流降低至大约零开关212返回到关闭状态。在此充电期间，然后控制器在操作410处从测量设备224获得有载电压(V电池)。此有载电压(V电池)可以是单个测量结果或者可以可替代地是基于多个测量结果的值，如在一段时间内的测量的平均值。例如，有载电压(V电池)测量可以发生在远低于开关的频率的频率(例如，256Hz)处。如果已经计算了阈值电压(Vt)，那么在这一点上可以通过操作406计算所述阈值电压。
控制器202具有所有必要信息来确定是否中断充电。在操作412处，控制器202将当电池204被加载时测量的电压(V电池)与计算的阈值电压(Vt)进行比较来确定两者之间的差异，因为此差异将表明变压器是否损坏以及因此是否中断高压充电。在查询操作414处，当测量值(V电池)大于或等于阈值(Vt)时，则变压器216被认为是未损坏的，从而使得电池204在可接受的状况内运行。在这种情况下，控制器202通过监测存储元件220的电压决定在查询操作416处充电是否完成。如果充电没有完成，则控制器202在操作410处的充电期间获得带负载的电池204的另一个测量或一系列测量。如果充电完成，则控制器202通过使开关212保持打开并且然后(如果仍然期望)在操作418处通过治疗电路222开始高压治疗(如除颤)来结束充电过程。
返回到查询操作414，如果发现有载值(V电池)小于阈值(Vt)，则这表明当电池在可接受的状况外运行时，变压器216损坏。然后在操作420处，控制器202通过将开关212维持在打开状态来中断充电。而在一些示例中，小于Vt的V电池的单个实例导致中断充电，在其他示例中，可替代地，一旦发现在预定义的一段时间内V电池小于Vt一定次数，所述充电可以被中断。这确保在中断充电之前V电池始终低于阈值(Vt)以进一步避免错误的中断充电。此外，可以跟踪充电已经被中断的次数，从而使得在充电已经被中断一定次数(例如，3)(其可以表明变压器的初级线圈的永久损坏)之后，高压充电可以被永久地停止。
虽然已经关于测量电压和计算电压阈值讨论过所述确定，可以替代地使用其他电值。例如，当电流的测量结果通过电流测量可用时，所述确定可以基于计算表示在基本上空载状态(如当将非常高的电阻应用以捕捉电流测量时)中的电池的电流值。同样地，通过电流测量设备，在充电过程期间可以测量电流。根据等式2：It＝Voc/(R电池+Zth)，可以基于Voc、R电池和Zth相同的值来计算电流的阈值(It)。
为阈值阻抗(Zth)指定的值允许控制器202在由于电池204的损耗水平而低于基本上空载电压(Voc)的测量有载电压(V电池)与由于变压器216损坏而为更低电压的测量有载电压(V电池)之间进行区分。能够在这两种情形之间进行区分能够允许控制器202避免由于电池的消耗水平而引起中断但是当变压器216实际上损坏时仍然中断。
阈值阻抗(Zth)可以被设为最低值，所述最低值仍然被认为是高于由损坏的变压器216呈现的真实的负载阻抗302。这样的阈值阻抗(Zth)反过来产生对指示损坏的变压器216的低有载电压(V电池)与相对低的有载电压(V电池)进行区分的阈值电压(Vt)，所述相对低的有载电压仅来自电池的损耗水平或来自紧密间隔的重复的充电循环，这还引起了低有载电池电压。
图5示出了在特定类型的电池的采集的损耗水平的完整范围内的有载电压的平面图的采集500，其中目标阻抗由制造商指定为0.6欧姆。可以看出，当这种特定类型的电池在完整的损耗范围内的负载为0.6欧姆时，输出的最小电压发生在完整损耗的边缘上。平均有载电压为大约1.6V，而0.01％有载电压为大约1.4V。还可以看出，当这种特定类型的电池在完整损耗范围内的负载为0.25欧姆时，99.99％的有载电压在每个放电深度处小于有载在0.6欧姆上的电池的0.01％的有载电压，所述0.25欧姆为候选阻抗阈值。因此，当考虑到通过利用Voc确定阈值电压(Vt)时的放电深度时，0.25欧姆作为阻抗阈，所述阻抗阈将在引起相对低的电压的损耗水平或引起相对低的电压的损坏变压器216之间进行正确的区分。
因此，表示初级线圈的阈值阻抗的值可以通过确定最高的阻抗来选择，所述最高的阻抗小于当变压器为损坏时被呈现给电池的目标阻抗。可以发现这个被用作阈值阻抗的最高阻抗，当负载为所述最高阻抗时针对所述电池204的任何放电深度表示所述电池204的电压分布与当负载为当所述初级线圈未损坏时在所述高压除颤充电期间被呈现给所述电池的所述目标阻抗时针对所述电池的任何放电深度表示所述电池的电压分布不重叠。
当已经特别示出并描述了实施例时，本领域的技术人员可以理解的是，可在此得到其他各种形式上的变化和细节，而没有偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种可植入医疗设备，包括：
电池；
变压器，所述变压器具有初级线圈和次级线圈；
电存储元件，所述电存储元件连接在所述变压器的所述次级线圈两端；
开关，所述开关串联在所述电池与所述变压器的所述初级线圈之间；
电压测量设备，当所述开关关闭时，所述电压测量设备电连接在所述电池两端并且电连接在所述初级线圈两端；以及
控制器，所述控制器与所述电压测量设备和所述开关通信，所述控制器使所述开关打开和关闭，以在所述电存储元件的高压充电期间开始从所述电池传递电流通过所述初级线圈，其中，在所述高压充电之前，所述控制器与所述电压测量设备通信以获得所述电池的开路电压，并且在所述高压充电期间，所述控制器与所述电压测量设备通信以获得所述电池的有载电压，其中，所述控制器基于所述开路电压、表示所述电池的电阻的值以及表示所述初级线圈的阈值阻抗的值计算阈值电压，并且其中，所述控制器将所述有载电压与所述阈值电压进行比较，并且当所述有载电压下降至低于所述阈值电压时则通过使所述开关保持打开来中断所述高压充电。
2.如权利要求1所述的可植入医疗设备，其中，当执行高压充电时，所述控制器在获得跨所述变压器的所述初级线圈两端的所述电压的24小时内获得所述电池的所述开路电压。
3.如权利要求1或2中任一项所述的可植入医疗设备，其中，表示所述电池的电阻的所述值是固定的。
4.如权利要求1至3中任一项所述的可植入医疗设备，其中，所述控制器基于所述电池的放电深度选择表示所述电池的电阻的所述值。
5.如权利要求1至4中任一项所述的可植入医疗设备，其中，通过确定小于当所述初级线圈未损坏时呈现给所述电池的目标阻抗的最高阻抗来选择表示所述初级线圈的所述阈值阻抗的所述值，其中，当负载为所述最高阻抗时针对所述电池的任何放电深度表示所述电池的电压分布与当负载为当所述初级线圈未损坏时在所述高压充电期间被呈现给所述电池的所述目标阻抗时针对所述电池的任何放电深度表示所述电池的电压分布不重叠。
6.如权利要求1至5中任一项所述的可植入医疗设备，其中，所述控制器通过反复打开和关闭所述开关来执行所述高压充电，其中，对所述开关的所述反复打开和关闭的定时调制通过所述初级线圈的所述电流以尝试向所述电池呈现当所述变压器未损坏时最准确地获得的目标阻抗。
7.如权利要求1至6中任一项所述的可植入医疗设备，其中，所述控制器通过所述测量设备直接测量所述开路电压来获得所述开路电压，并且其中，所述控制器通过所述测量设备直接测量所述有载电压来获得所述有载电压。
8.一种当可植入医疗设备的产生高压充电的变压器损坏时中断对所述可植入医疗设备内的电容器的所述高压充电的方法，所述方法包括：
获得所述可植入医疗设备的电池的开路电压，所述开路电压提供跨所述变压器的初级线圈两端的电压；
基于所述开路电压、表示所述电池的电阻的值以及表示所述初级线圈的阈值阻抗的值计算动态阈值电压；
当执行高压充电时，获得跨所述变压器的所述初级线圈两端的有载电压；以及
将所述有载电压与所述阈值电压进行比较，并且当所述有载电压下降至低于所述阈值电压时则中断所述高压充电。
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