CN110520190A - 用于除颤的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的方法和根据本发明的设备用于除颤。在产生冲击的时刻，将能量从低电压区域传输到高电压区域，其中，在所述低电压区域中产生至少一个电流冲击，在所述高电压区域中转换所述至少一个电流冲击并将所述至少一个电流冲击传导至电极。在所述低电压区域中不仅使用能量供给而且使用功率电子器件和能量存储器。

Description

用于除颤的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于除颤(Defibrillation)的方法，其中，将能量从低电压区域传输到高电压区域，其中，产生至少一个电流冲击(Stromstoβ)并将所述至少一个电流冲击传导至电极。
本发明还涉及一种用于除颤的设备，该设备具有低电压区域和高电压区域，其中，低电压区域与高电压区域耦合，其中，在高电压区域中布置有电极。
背景技术
长久以来，用于除颤的方法和设备已经属于现有技术。例如在DE 1006087 B以及GB 864362 A中描述相应的方法和设备。
根据现有技术，在除颤器的情况下通常将一个或多个电容器充电至大约2500V的高电压。在患者上应用除颤器时，通过由电极输出的强电流冲击再次建立正常的心脏活动。将对于电流冲击所需要的能量存储在电容器中，该电容器在高电压方面具有相应的强度并且相应地昂贵且难以获得。
尽管已知能够使用多电压范围和高电压范围的除颤器，然而，迄今尚未发现该功能原理的广泛使用。类似地如在用于机动车的点火线圈的情况下，根据该原理在低电压区域中产生直流电压脉冲，该直流电压脉冲通过变压器进行传导并且由于突然的电流变化而在高电压区域中产生高电压脉冲。
根据目前所使用的除颤器，用于控制的部件布置在高电压区域中，从而仅少数供应商能够供货并且导致高的生产价格。
发明内容
因此，本发明的任务在于如此改善开头所提及的类型的方法，使得能够以价格便宜的部件支持可靠地执行该方法。
根据本发明，该任务通过如下方式解决：在低电压区域中不仅使用能量供给装置，而且使用功率电子部件和能量存储器。
本发明的另一个任务是，如此构建开头所提及类型的设备，使得能够在高可靠性的情况下实现降低生产成本。
根据本发明，该任务通过如下方式解决：在低电压区域中不仅布置有能量供给装置而且布置有功率电子部件和能量存储器。由此，能够越来越多地使用具有更好可用性和更低成本的电子构件。
通过根据本发明的方法和根据本发明的设备能够实现，在低电压区域中、有利地在约40V至400V的最大电压的区域中、特别有利地在直至约150V的区域中不仅布置有能量供给装置而且布置有功率电子部件和能量存储器。例如使用电池或电源作为能量供给装置。
在低电压区域中的最大电压越低，所需的电子构件通常就越成本有利，所述电子构件可能具有相应较低的耐电强度。
在根据本发明的用于除颤的设备的低电压区域中，除了能量存储器、功率电子部件和能量供给装置(其例如构造为电源或电池或蓄电池)外，有利地还布置有至少一个充电调节器和处理器。
在本发明的一种优选的实施方式中，充电调节器用于给能量存储器充电，使得该能量存储器至少具有产生电流冲击所需的最小能量。
在本发明的一种有利的实施方式中，处理器用于控制根据本发明的用于除颤的设备的相关功能并且用于实现根据本发明的用于除颤的方法。
在本发明的一种有利的实施方式中，能量存储器在要产生冲击(Schock)的时刻输出能量，并且在使用电压转换器的情况下借助变换器将该能量转换成高电压。然后通过电极将经转换的高电压输出给患者。
在高电压区域中在变换器后面(次级侧)，通过根据本发明的设计方案仅需要布置相对较少的部件。这些部件例如是相位控制装置所需的电子构件和用于执行可选的电流测量和/或电压测量的测量设备所需的电子构件。
根据本发明尤其实现，功率电子部件的至少一部分和用于电流、电压和相位的调节装置能够布置在低电压区域中，并且由此可以使用价格便宜的标准部件。
能够在非常宽的功率范围内执行功率调节。这包括如下的功能范围：从简单的心脏起搏器功能开始直至产生大功率冲击。
在本发明的一种优选的实施方式中，能量存储器尤其能够借助价格便宜的低电压构件来实现，例如电容器和/或超级电容器和/或(大功率)蓄电池和/或(大功率)电池。
通过根据本发明的有利地实现的能量存储器尤其也能够实现，用于除颤的设备在没有用于执行充电的预先运行时间(Vorlaufzeit)的情况下能够立即准备就绪(Einsatzbereitschaft)。为此，需要如此实施能量存储器，使得即使在用于除颤的设备的关断状态中，该能量存储器仍然保持用于实现冲击功能或心脏起搏器功能所需的最小能量。此外，可以相对彼此以短的时间间距产生多个冲击。
在输出冲击前不久进行实际的高电压产生。由此提高系统安全性。
可以将变压器的基本原理与相应地匹配的绕组一起用作变换器。为了实现相位控制，可以设想不同的实施变型方案。这可以例如使用二极管、晶闸管、三端双向可控硅开关(Triacs)或晶体管来实现。必要时可以实现多级结构和/或具有多个路径的并联电路的结构。
一种用于除颤的设备——该设备具有这种具有多个次级绕组的变换器的结构——的根据本发明的实施方式或使用多个串联连接的变换器还产生附加的优点，因为通过降低每个绕组的高电压在通过降低对耐电强度的要求而实现成本有利的电子构件的意义内能够在高电压侧使用标准电子部件。根据本发明，变换器特别有利地构造在具有至少两个并联连接的绕组的初级侧上并且构造在具有至少两个串联连接的绕组的次级侧上。
因此在本发明的一种优选的实施方式中，其特征在于，变换器的主绕组和/或次级绕组中的至少两个由串联电路和/或并联电路组合而成。
如果例如每个绕组仅产生约800V至约1200V的高电压，则可以使用大量的电子构件(例如半导体构件)。通过这些高电压的级联可以产生除颤所需要的电压。也可以使用分离的绕组，例如在起搏器功能的情况下仅使用绕组抽头来产生电压，因为与冲击功能相比在此需要明显较低的电压。
在本发明的一种特别有利的实施方式中，用于产生高电压的电压转换器与变换器结合地实现为谐振电压转换器，从而能够在产生高电压时实现更高的效率。通过在所施加的电压的过零点或流动电流的过零点处进行连接可以减少电路损耗。在谐振情况下实现转换器的电流源特性。此外，通过谐振放大实现附加的电压增益。
在本发明的一种有利的实施方式中，除了已经提到的成本降低外，将基本的控制部件布置在低电压区域中也导致支持缩小所使用的电子构件以及减小引导电压的构件为了可靠绝缘所需的最小间距，由此能够实现紧凑的设备。此外，通过部件的根据本发明的布置能够实现电路板的更简单的且更成本有利的布局。
在高电压侧，在变换器与用于除颤的设备的通过两个电极(顶点电极和胸骨电极(Apex-und Sternum-Elektrode))给定的输出端之间有利地布置有相位控制装置或布置有配属于相位控制装置的功率电子部件。借助该相位控制装置可以由电压转换器的如下直流电压输出信号产生双相脉冲：该直流电压输出信号由在变换器的次级侧的交流电压信号借助整流器而产生。
根据本发明，相位控制装置为此有利地构造为受控整流器。受控整流器例如实现为H桥或级联的H桥。在这种情况下，有利地与初级侧隔离地对晶体管进行操控。代替二极管，也可以设想借助晶闸管的实施方式，该实施方式能够例如通过小的高电压电容器来触发。此外，也设想一种借助三端双向可控硅开关的实施方式。
根据本发明的用于除颤的方法至少包括以下步骤：
a.通过低电压区域中的能量存储器提供用于高电压区域中的电流冲击所需的能量；
b.通过布置在低电压区域中的处理器对具有至少一个变换器的电压转换器进行操控，从而在高电压侧产生高电压信号或电流冲击；
c.对高电压电流信号或电流冲击进行相位控制，从而可选择地产生单相高电压信号或双相高电压信号或单相电流冲击或双相电流冲击；
d.通过电极将高电压信号或电流冲击输出给患者，以便实现冲击功能或心脏起搏器功能。
附图说明
在以下附图中示出本发明的各种实施例和构型方案。附图示出：
图1示出根据本发明的用于除颤的设备的结构构造的示意图的方框图；
图2示出用于说明根据本发明的用于除颤的设备的实施变型方案的详细方框图；
图3示出用于说明功能流程的时间图；
图4示出存储电容器的充电调节电路的构造的示意图；
图5示出推挽式转换器的电路构造的示意图和用于将冲击能量从低电压区域传输到高电压区域的变压器的电路构造的示意图；
图6示出电流和电压的测量位置的示意图；
图7示出多级变换器的根据本发明的实施方式的电路图；
图8示出谐振转换器的根据本发明的不同拓扑的三个示意性方框图；
图9示出根据本发明的具有变换器和整流器的谐振回路的电路图；
图10示出在具有谐振回路的变换器的示例中同步整流器的电路图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的用于除颤的设备(1)的方框图并且尤其说明低电压区域与高电压区域通过变换器(13)的耦合。在低电压区域中布置有能量供给装置(10)和能量存储器(12)连同功率电子部件(11)。
在高电压区域中布置有相位控制装置(14)和两个电极(16，17)。可选地，在高电压区域中可以布置有用于电流测量和/或电压测量的装置(15)。
图2以概览图说明根据本发明的用于除颤的设备(1)的实施方式的总系统的构造。尤其说明用于除颤的设备(1)的如下电子部分：借助该电子部分能够产生除颤脉冲。
这种所谓的除颤核心(Deficore)的输入信号E1、E2和E3由能量供给装置(E1)、用于激活冲击的信号(E2)并且由配置信号(E3)给定，该能量供给装置在本发明的一种有利的实施方式中在约50W至100W的可用功率的情况下具有约12V的电压，该配置信号可以例如通过I2C接口进行传输。
除颤脉冲可以借助除颤核心通过患者连接端的电极输出给患者。患者连接端具有连接端顶点(A1)和胸骨(A2)。
为此在一种优选的实施方式中，以根据本发明的用于除颤的设备(1)借助能量存储器(12)能够输出约200Ws的能量，并且能够产生约2000V的高电压脉冲。借助能量存储器(12)可存储的能量至少由可输出的能量和为了补偿在根据本发明的用于除颤的设备内所出现的损耗所需的能量构成。
尤其设想产生长度约10ms的双相冲击。冲击电流的强度的典型值是直至20安培。
根据一种根据本发明的用于除颤的设备(1)的实施方式和/或根据一种根据本发明的用于除颤的方法的实施方式，使用者可以选择要双相地还是单相地产生冲击电流并且要产生多长的冲击长度。
根据图3的示图，根据示例在此更详细地阐述产生双相冲击的功能。
图3.1示出电容器C1上与时间t相关的电压变化过程UC1，图3.2示出在电压转换器DC2(21)的输出端上与时间t相关的电流变化过程IDC2并且图3.3示出在用于除颤的设备(1)的输出端上与时间t相关的电流变化过程I输出。
在功能开始的时刻t0，首先所有电压均为0V并且所有电流均为0安培。在接通用于除颤的设备(1)的供给电压时，启动充电调节器(18)并且该充电调节器开始以经调节的电流对构造为电容器C1的能量存储器(12)进行充电。
在时刻t1能量存储器(12)充满电，并且在电容器C1上的电压水平是约150V。在能量存储器(12)上所需的电压水平取决于要输出的能量。对能量存储器的充电自适应地进行并且通常地适应于直至约200V的电压。
在另一步骤中，图2所示的处理器(19)随后在时刻t2触发冲击，并且在电压转换器DC2(21)上施加脉冲宽度调制。附加地，然后开启(freischalten)构造为H桥的相位控制装置(14)。
在另一方法步骤中，处理器(19)通过调制用于功率电子部件的控制信号的脉冲宽度和/或频率和/或相位位置来调节冲击电流。为此，通过电压转换器DC2(21)借助变换器(13)将电容器电压在高电压侧上转换成直至约2500V的所需电势。在DC2的输出端和H桥的输出端上出现具有相应于电流强度I实际的电流IDC2和I输出。
在后续的步骤中，在DC2的输出端上的电流IDC2在时刻t2a短暂地下降到0安培，并且在此切换H桥以产生双相脉冲。
接下来，在电流IDC2和I输出在时刻t3a又降低至0安培并且冲击脉冲的产生结束前，电流IDC2和I输出又上升到电流强度I实际。
在产生具有电流变化过程I输出的冲击期间，能量存储器(12)放电并且在电容器C1上的电压相应于图3.1在时刻t2和t3之间下降到大约50V的残余电压。残余电压取决于所需的冲击能量和变换器(13)的尺寸。
根据另一方法步骤，在电压转换器DC2(21)的前面测量调节所需的电流值和电压值。通常，也可以在电压转换器DC2(21)的后面进行测量。然而在第二种情况下，在处理器(19)与测量位置(20)之间存在电势隔离。
根据图4中的示图来说明充电调节器(18)和构造为电容器C1的能量存储器(12)的细节。
在电容器C1的区域中，存储有为了冲击所需的能量加上为了补偿损耗所需的能量，并且实现为直流电流-直流电流-转换器的充电调节器(18)对电容器C1进行充电。在对电容器C1进行充电时优选地对输入电流进行限界。
为了实现充电调节器(18)，优选地选择反激式拓扑(Flyback-Topologie)，以便在输入端和输出端之间产生大的电压差。
作为电容器C1例如可以使用商业上常见的电解电容器，但是也可以设想其他的电容器类型，例如超级电容器或陶瓷电容器。
在电容器C1中可存储200Ws的能量的示例性的情况下——其中在完全充满电的状态下固定地施加约150V的电压而在产生冲击时通过能量输出的放电后固定地施加约50V的电压——需要具有约10mF的容量的电容器C1。在不考虑所出现的损耗的情况下，在图4中示出相应的公式。
根据图5的示图说明电压转换器DC2(21)和变换器(13)的其他细节。
电压转换器DC2(21)借助变换器(13)将冲击能量从低电压侧传输到高电压侧。电压转换器DC2(21)可以例如实现为推挽式转换器。
在电压转换器DC2(21)的低电压侧实现具有功率晶体管的全桥式电路。功率晶体管分别通过经脉冲宽度调制的信号(PWM 1H/L，PWM 2H/L)进行操控，从而电流流动的方向可以通过至少一个变换器(13)的至少一个初级侧的绕组进行调节。
在变换器(13)的次级侧上，在绕组的后面连接有以二极管实现的桥式整流器，该桥式整流器上连接有L-C滤波器。因此，在端子HV输出上能够量取高电压区域中的直流电压信号。
输出功率例如持续10ms的时间段是20kW，以输出200Ws的能量。
在本发明的一种优选的实施方式中，电压转换器DC2(21)可以通过处理器(19)直接进行控制，或通过处理器(19)与栅极驱动器结合地进行控制。
构造为变压器的变换器(13)可以例如以平面技术来实现。此外，也可以设想多个变压器相对彼此地并联连接，并由此将电压转换器DC2(21)实现为多并联的推挽式转换器。在用于除颤的设备(1)的一种根据本发明的实施方式中，也可以设想使用具有多个次级绕组的变压器和/或使用具有一个或多个次级绕组的多个变压器。
根据图5所示的实施变型方案，能够实现约2000V至2500V的典型的高电压区域。在此，也优选地仅在冲击输出期间产生高电压。在通常200Ws的能量输出和25至175欧姆(通常50欧姆)的患者电阻的情况下，需要750V至2kV的电压。
根据图6的示图说明电流测量和电压测量的其他细节。
可以测量电容器的放电电流(Entnahmestrom)并且提供相应的调节值。
可以连续地或采样地进行测量。典型的采样频率处在20kHz至40kHz的范围内。这相应于每个冲击持续时间约200至400次测量。
根据一种优选的实施变型方案，在电压转换器DC2(21)的后面并且在高电压侧的H桥的前面对电流和电压进行测量。
图7中在示意图中示出具有后续连接的整流器电路的变换器(13)的示例性的根据本发明的多级构造的电路图。在初级侧所施加的电流U输入(逆变器的H桥的输入电压)能够通过变换器(13)转换到高电压区域并且能够借助整流器转换成输出电压U输出。变换器(13)在初级侧具有绕组(T:PRM)，而在次级侧上布置有两个串联连接的绕组(T:SEK)。变换器(13)例如具有1:8的绕组比。
在变换器(13)的次级侧绕组(T:SEK)中的每个的后面分别连接有借助二极管实现的桥式整流器、电容器(C1，C2)以及H桥。因此，通过串联连接的次级侧的电路分支中的每个仅下降一半的输出电压U输出。因此，次级侧上的半导体和电容器根据本发明仅需要一半的耐电强度。
图8示出用于将冲击能量从低电压区域转换到高电压区域的谐振转换器的三种根据本发明的拓扑。
图8.1示出谐振回路布置在逆变器的H桥与变换器(13)在低电压区域中的初级侧之间。
图8.2示出谐振回路在变换器(13)的次级侧布置在整流器的前面。
图8.3示出谐振回路组合地布置在变换器(13)的初级侧和次级侧。
在图9中以电路图示出根据本发明的具有变压器的谐振回路。谐振回路实现为变换器(13)的初级侧和次级侧上的组合拓扑。
电压DC输入(低电压区域中的逆变器的输入电压)借助所示出的部件能够转换成输出电压HV输出。
用于调节谐振回路的或谐振转换器的期望工作点(谐振频率)的相关部件是变压器的或变换器(13)的漏电感T:LR和次级侧的电容器C9.2(谐振电容器)。在根据本发明的设备的一种有利的实施方式中，如此确定变换器(13)的主磁化电感T:LM的值的大小和在变换器(13)中用于直流抑制的电容器C9.1的值的大小，使得谐振回路的期望工作点不发生变化。这通常通过如下方式解决：使额外产生的谐振频率置于尽可能远地远离工作点的频率。
在借助二极管实现的整流器的后面连接有由部件L9和C9.3给定的滤波器。
图10示出在具有谐振回路的变换器(13)中构造为同步整流器的可切换的整流器的电路图。
输入电压U输入能够借助所示出的部件转换成输出电压U输出。
次级侧的整流器具有开关S1和S2，其中，通过对开关S1和S2的主动且同步的操控能够实现整流器功能。
根据S1和S2的开关顺序能够产生正的或负的电压U输出。开关S1和S2在其实施方式中需要能够作为半导体双向地闭合或打开。

Claims (15)

1.一种用于除颤的设备(1)，所述设备具有低电压区域和高电压区域，其中，所述低电压区域通过至少一个变换器(13)与所述高电压区域耦合，其中，在所述高电压区域中布置有电极(16，17)，其特征在于，在所述低电压区域中不仅布置有能量供给装置(10)而且布置有功率电子部件(11)和能量存储器(12)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，能够暂时地且在需要时产生高电压。
3.根据以上权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，低电压侧设计用于直至400V的电压范围。
4.根据以上权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，所述设备能够通过处理器(19)进行控制，所述处理器布置在所述低电压侧。
5.根据以上权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，所述能量存储器(12)构造为电容器和/或构造为超级电容器和/或构造为蓄电池和/或构造为电池。
6.根据以上权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，借助所述能量存储器(12)能够持久地存储能量，从而通过所述设备(1)在接通后能够立即产生冲击。
7.根据以上权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，所述至少一个变换器(13)具有一个或多个初级绕组和/或次级绕组。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述变换器(13)的初级绕组和/或次级绕组中的至少两个由串联电路和/或并联电路组合而成。
9.根据以上权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，一个或多个变换器(13)的所述次级绕组如此串联连接，使得在所述高电压侧能够使用如下的电子构件：所述电子构件具有在约500V至约1500V的范围内的最大规定耐电强度。
10.根据以上权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，不仅能够产生单相输出脉冲，而且能够产生双相输出脉冲。
11.根据以上权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，用于将电流冲击从所述低电压区域转换到所述高电压区域的所述转换器(21)构造为谐振转换器。
12.根据以上权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，在所述变换器(13)的所述初级侧或次级侧实现电流测量和/或电压测量(20)。
13.一种用于除颤的方法，其中，将能量从低电压区域传输到高电压区域，其中，在所述高电压区域中产生至少一个电流冲击并且将所述至少一个电流冲击传导至电极，其特征在于，使用相应于权利要求1的设备(1)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述高电压区域中的电流冲击的产生通过处理器(19)进行控制，所述处理器布置在所述低电压区域中。
15.根据权利要求13和14中至少一项所述的方法，其特征在于，所述方法至少具有以下步骤：
a.通过所述低电压区域中的能量存储器(12)提供用于所述高电压区域中的电流冲击所需的能量；
b.通过布置在所述低电压区域中的处理器(19)对电压转换器DC2(21)进行操控，从而在所述高电压侧产生高电压信号或电流冲击，其中，所述电压转换器DC2具有至少一个变换器(13)；
c.对所述高电压信号或所述电流冲击进行相位控制，从而可选择地产生单相高电压信号或双相高电压信号或单相电流冲击或双相电流冲击；
d.通过所述电极(16，17)将所述高电压信号或所述电流冲击输出给患者，用以实现冲击功能或心脏起搏器功能。
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