CN115025396B - 一种电流控制双相波除颤装置 - Google Patents

一种电流控制双相波除颤装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电流控制双相波除颤装置，包括由四个开关IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4组成的H桥除颤放电电路，还包括含有储能电容的可控高压电源、用于测量除颤对象阻抗的阻抗检测电路、主控模块、放电续流电感、用于测量所述H桥除颤放电电路实时电流的电流检测电路以及分别与四个开关IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4反向并联的四个二极管D1、D2、D3、D4。本发明通过对IGBT开关占空比的实时调节实现了对除颤电流的双相恒流控制，提高了除颤效果。

Description

一种电流控制双相波除颤装置
技术领域
本发明属于生物医学工程领域，具体涉及一种电流控制双相波除颤装置。
背景技术
除颤，是利用医疗器械等终止心室纤维性颤动的过程，目前最有效的除颤设备采用电除颤，一次除颤成功与否的决定因素是到达心肌的除颤电流是否恰当。早期的除颤采用单相指数波除颤，存在除颤电压过高的情况，极易导致患者心肌损伤，除颤效果欠佳。现有的除颤设备多采用指数型电压双相波除颤，先由储能电容正相放电第Ⅰ相时间，接着反接储能电容由剩余电能除颤放电第Ⅱ相时间，这种除颤设备放电间期内电压值以负指数规律快速衰减，电压变化较大导致除颤电流急剧变化而影响除颤效果。
近年来新型的除颤设备采用了近似方波电压波形，但存在因患者阻抗不同导致除颤电流过大或过小的问题。
采用双相波除颤比单相波除颤的成功率要高得多，这早已是业界共识。显然，单相波除颤仪即将被业界所淘汰，新的除颤仪设计不宜再采用单相波方案而应采用恒定电流的双相除颤波方案。
一般要求除颤仪的除颤能量应达360J，而放电间期在15ms左右，瞬时功率达24kW。基于对除颤仪体积和重量考虑，如果不采用高压储能电容储存能量而采用市电直接供电或电池直接供电是难以实现的。因此，直接供电方案的除颤仪设计难以具有实用性。
发明内容
本发明提供了一种电流控制双相波除颤装置，旨在使除颤电流保持在理想的恒定电流，彻底解决除颤过程中电流变化影响除颤效果的问题以及因患者胸部阻抗差异导致的除颤电流过大或过小的问题。
本发明的一种电流控制双相波除颤装置，包括由四个开关IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4组成的H桥除颤放电电路，还包括含有储能电容的可控高压电源、用于测量除颤对象阻抗的阻抗检测电路、主控模块、放电续流电感、用于测量所述H桥除颤放电电路实时电流的电流检测电路以及分别与四个开关IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4反向并联的四个二极管D1、D2、D3、D4；
所述H桥除颤放电电路的上端两个开关IGBT1、IGBT2的C极相连后连接到所述可控高压电源，所述可控高压电源连接到所述主控模块，所述H桥除颤放电电路的下端两个开关IGBT3、IGBT4的E极相连后经所述电流检测电路后接地，所述电流检测电路连接到所述主控模块，所述H桥除颤放电电路的中间两点通过继电器连接到除颤对象，且中间的其中一点与所述继电器之间连接所述放电续流电感，四个开关IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4各由一个对应的触发电路连接到所述主控模块；
所述主控模块通过所述阻抗检测电路的检测值大小判断是否存在导联脱落和是否进行除颤，当检测值过大或过小时给出出错信息提示，除颤装置的主控模块将拒绝执行除颤命令，当主控模块判断可以实施除颤时，按下除颤装置的充电键，主控模块获取等效除颤电流值并控制所述可控高压电源对其储能电容充电，当可控高压电源的电压达到设定值后，所述除颤装置通过四个开关IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4及继电器的开关组合构成如下电流导通路径：
正相除颤：继电器导通，开关IGBT2、IGBT3截止，开关IGBT1和IGBT4导通Ton时间，除颤电流由所述可控高压电源经开关IGBT1、放电续流电感、除颤对象、开关IGBT4、电流检测电路回到地线形成正相放电回路，然后开关IGBT1和开关IGBT4截止Toff时间，放电续流电感与除颤对象、二极管D2、可控高压电源、地线、电流检测电路、二极管D3形成正相续流回路，循环上述过程，直至正相除颤时间到；
负相除颤：继电器导通，开关IGBT1、IGBT4截止，开关IGBT2和IGBT3导通Ton时间，除颤电流由所述可控高压电源经开关IGBT2、除颤对象、放电续流电感、开关IGBT3、电流检测电路回到地线形成负相放电回路，然后开关IGBT2、IGBT3截止Toff时间，放电续流电感、二极管D1、可控高压电源、地线、电流检测电路、二极管D4、除颤对象形成负相续流回路，循环上述过程，直至负相除颤时间到；
所述正相除颤和所述负相除颤的放电周期分别均分为n个节拍和m个节拍，n>0，m>0，所述主控模块通过所述电流检测电路获取所述H桥除颤放电电路每个节拍的实时电流，并根据实时电流的检测值与设定电流值的偏差调节下一个节拍的占空比，使每个节拍的除颤电流趋近于所述设定电流值；
所述占空比为除颤放电时开关IGBT1、IGBT4在第i个节拍内同时导通的时间Ton与该节拍总时间(Ton+Toff)的比值即Ton/(Ton+Toff)，其中i＝1～n；或者为负相除颤放电时开关IGBT2、IGBT3在第j个节拍内同时导通的时间Ton与该节拍总时间(Ton+Toff)的比值即Ton/(Ton+Toff)，其中j＝1～m。
本发明在正相除颤放电以及负相除颤放电的过程中，为避免储能电容放电过程中电压值不断下降出现除颤电流急剧变化的现象，通过对占空比的实时调节，占空比增大，输出电压提高，则使电流变大，通过实时检测的除颤电流值与设定电流值的偏差实时调节H桥除颤放电电路的占空比，使实时除颤电流值与设定电流值保持一致，保证良好的除颤效果。
本发明还具有以下优选设计：
本发明所述H桥除颤放电电路的开关IGBT1、IGBT4的C极与所述主控模块之间连接有高压检测电路，用于实时检测所述可控高压电源的储能电容电压，并将检测的实时电压值应用于所述主控模块中的电流恒流控制算法，从而实现除颤电流恒定的自适应优化控制。
本发明按照除颤能量等效原则从电压控制双相波导出电流控制双相波电流设置算法：设定正相除颤放电的放电周期为T1，负相除颤放电的放电周期为T2，除颤能量为E，所述可控高压电源的储能电容值为C，除颤对象的阻抗为Rm，则通过所述主控模块设定除颤对象的除颤电流
Figure BDA0003712927310000051
本发明设定第i个节拍高压检测电路的检测值为VH(i)，除颤设定电流值为ISET(i)，电流检测电路的检测值为ITEST(i)，则正相除颤放电第i节拍内开关IGBT1、IGBT4的占空比或负相除颤放电每个节拍内开关IGBT2、IGBT3的占空比为：
正相除颤：
Figure BDA0003712927310000052
Figure BDA0003712927310000053
反相除颤：
Figure BDA0003712927310000054
Figure BDA0003712927310000055
其中f(ISET(i)-ITEST(i))和f(ISET(j)-ITEST(j))为PID算法函数。
本发明的所述可控高压电源内部设置有泄放电路，若储能电容的能量达到设定值的持续时间T达到设定时间值未实施除颤，则将所述储能电容的能量通所述泄放电路泄放。
本发明的所述电流检测电路通过电流采样电阻或电流传感器采样所述H桥除颤放电电路的实时电流。
本发明通过所述主控模块接收外部命令来选择三种不同的除颤方式：a.电流控制双相波除颤方式，b.按电压控制双相波除颤方式设置等效电流的电流控制双相波除颤方式，c.电压控制双相波除颤方式；选择a，操作者直接选择除颤电流并按电流控制双相波除颤方式除颤，选择b，所述除颤装置按照通常的电压控制双相波除颤方式所设置的除颤能量按照除颤能量等效公式(1)计算除颤电流并进行电流控制双相波除颤，选择c，装置即按照电压控制双相波除颤方式除颤。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的电流控制双相波除颤装置，实现了电流控制双相波除颤，正相除颤放电以及负相除颤放电的过程中，可避免储能电容放电过程中电压值不断下降出现除颤电流急剧变化的现象，通过实时检测的除颤电流值与设定电流值的偏差实时调节H桥除颤放电电路的占空比，使实时除颤电流值与设定电流值保持一致，保证良好的除颤效果。
2.本发明的电流控制双相波除颤装置，由于对储能电容电压的实时检测，并将检测结果实时应用于每节拍的占空比控制算法，使得电流控制算法实现了自适应控制，从而确保了电流控制双相波的电流控制精度。
3.本发明的电流控制双相波除颤装置，还给出了由现有的电压控制双相波按能量等效导出恒流电流控制值的算法，这使得尚未熟悉电流控制除颤的使用者亦可适用。
附图说明
图1本发明的一种电流控制双相波除颤装置的原理图；
图2是本发明一种电流控制双相波除颤装置的操作流程图。
附图标记说明：
1、可控高压电源；2、除颤对象；3、阻抗检测电路；4、主控模块；5、放电续流电感；6、电流检测电路；7、继电器；8、除颤控制电路；9、触发电路；10、高压检测电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细说明本发明的技术方案，以便本领域普通技术人员更好地理解和实施本发明的技术方案。
如图1所示，一种电流控制双相波除颤装置，包括由四个开关IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4组成的H桥除颤放电电路，还包括含有储能电容的可控高压电源1、用于测量除颤对象2阻抗的阻抗检测电路3、主控模块4、放电续流电感5、用于测量所述H桥除颤放电电路实时电流的电流检测电路6以及分别与四个开关IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4反向并联的四个二极管D1、D2、D3、D4；
所述H桥除颤放电电路的上端两个开关IGBT1、IGBT2的C极并接后连接到可控高压电源1，可控高压电源1连接到主控模块4，可控高压电源1的负极接地，所述H桥除颤放电电路的下端的两个开关IGBT3、IGBT4的E极并接后经电流检测电路6后接地，电流检测电路6连接到主控模块4，所述H桥除颤放电电路的中间两点通过继电器7连接到除颤对象2，且中间的其中一点与继电器7之间连接放电续流电感5，四个开关IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4各由一个对应的触发电路9连接到所述主控模块，其中继电器7默认为断开状态，其通过除颤控制电路8的电平驱动控制而闭合，该除颤控制电路8连接到主控模块4；
主控模块4通过阻抗检测电路3的检测值大小判断是否存在导联脱落和是否可以进行除颤，当检测值过大或过小时给出出错信息提示，除颤装置的主控模块4将拒绝执行除颤命令，当主控模块4判断可以实施除颤时，如按下除颤装置的充电键，主控模块4获取等效除颤电流值并控制可控高压电源1对其储能电容充电，当可控高压电源1的电压达到设定值后，所述除颤装置通过四个开关IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4及继电器7的开关组合构成如下电流导通路径：
正相除颤：继电器7导通，开关IGBT2、IGBT3截止，开关IGBT1和IGBT4导通Ton时间，除颤电流由可控高压电源1经开关IGBT1、放电续流电感5、除颤对象2、开关IGBT4、电流检测电路6回到地线形成正相放电回路，然后开关IGBT1和开关IGBT4截止Toff时间，放电续流电感5与除颤对象2、二极管D2、可控高压电源1、地线、电流检测电路6、二极管D3形成正相续流回路，循环上述过程，直至正相除颤时间到；
负相除颤：继电器7导通，开关IGBT1、IGBT4截止，开关IGBT2和IGBT3导通Ton时间，除颤电流由可控高压电源1经开关IGBT2、除颤对象2、放电续流电感5、开关IGBT3、电流检测电路6回到地线形成负相放电回路，然后开关IGBT2、IGBT3截止Toff时间，放电续流电感5、二极管D1、可控高压电源1、地线、电流检测电路6、二极管D4、除颤对象2形成负相续流回路，循环上述过程，直至反相除颤时间到；
所述正相除颤和所述负相除颤的放电周期分别均分为n个节拍和m个节拍，n>0，m>0，主控模块4通过电流检测电路6获取所述H桥除颤放电电路每个节拍的实时电流，并根据实时电流的检测值与设定电流值的偏差调节下一个节拍的占空比，使每个节拍的除颤电流趋近于所述设定电流值；
所述占空比为除颤放电时开关IGBT1、IGBT4在第i个节拍内同时导通的时间Ton与该节拍总时间(Ton+Toff)的比值即Ton/(Ton+Toff)，其中i＝1～n；或者为负相除颤放电时开关IGBT2、IGBT3在第j个节拍内同时导通的时间Ton与该节拍总时间(Ton+Toff)的比值即Ton/(Ton+Toff)，其中j＝1～m。
作为优选实施例：
所述H桥除颤放电电路的上端开关IGBT1和IGBT2的C极与主控模块4之间连接有高压检测电路10，用于实时检测可控高压电源1的储能电容电压，并将检测的实时电压值应用于主控模块4中的电流恒流控制算法，从而实现除颤电流恒定的自适应优化控制，该高压检测电路10的负极接地。
本实施例中，按照除颤能量等效原则从电压控制双相波导出电流控制双相波电流设置算法：设定正相除颤的放电周期为T1＝6ms～15ms，负相除颤的放电周期为T2＝2ms～6ms，除颤能量为E，可控高压电源1的储能电容值为C，除颤对象的阻抗为Rm，则通过主控模块4的算法A设定除颤对象的除颤电流I:
算法A
Figure BDA0003712927310000101
设定第i个节拍高压检测电路的检测值为VH(i)，除颤设定电流值为ISET(i)，电流检测电路的检测值为ITEST(i)，则正相除颤放电每个节拍内开关IGBT1、IGBT4的占空比或负相除颤放电每个节拍内开关IGBT2、IGBT3的占空比通过主控模块4的算法B获得：
算法B
正相除颤：
Figure BDA0003712927310000102
Figure BDA0003712927310000103
反相除颤：
Figure BDA0003712927310000104
Figure BDA0003712927310000105
储能电容正常放电过程中，电压呈负指数快速衰减，如不加以控制，则除颤电流必然也是呈负指数衰减。本发明的算法采用实时检测储能电容电压并将其作为补偿系数引入，从而使得除颤电流更为平稳。其中f(ISET(i)-ITEST(i))和f(ISET(j)-ITEST(j))为PID算法函数，可采用PID算法或其他最优控制法，如以电流误差平方为目标函数的最优控制算法等。
可控高压电源1内部设置有泄放电路，若储能电容的能量达到设定值的持续时间T达到设定时间值30s未实施除颤，则将所述储能电容的能量通所述泄放电路泄放。
本发明的所述电流检测电路通过电流采样电阻或电流传感器采样所述H桥除颤放电电路的实时电流。
如图2所示，采用本发明的除颤装置实施除颤的工作流程如下：
除颤装置上电并初始化后，阻抗检测电路检测除颤对象的阻抗，主控模块由阻抗检测值判断是否存在导联脱落和是否可以进行除颤，当阻抗检测值过大或过小时给出出错信息，同时将拒绝执行除颤命令；当主控模块判断可以实施除颤时，当充电键被按下，主控模块通过算法A获取等效除颤电流I并设置可控高压电源，使其对储能电容充电，当储能电容充电到设定电压值后，主控模块接到除颤命令先通过除颤控制电路使继电器闭合，接着通过高压检测电路检测储能电容电压，正向除颤放电时开关IGBT1和IGBT4按照所计算的占空比导通和截止，通过电流检测电路检测除颤实时电流，然后通过算法B对占空比进行实时调节，保持电流恒定，正相除颤放电时间到后，开关IGBT1和IGBT4截止；按除颤要求等待0.6～3ms；然后开关IGBT2和IGBT3按所计算出的占空比导通和截止，实施负相除颤放电，检测储能电容电压，检测除颤实时电流，通过算法B对占空比进行实时调节，保持电流恒定，负相除颤时间到后，使继电器打开。
本实施例的除颤装置除了适用于以上a.电流控制双相波除颤方式，还可以支持b.按电压控制双相波除颤方式设置等效电流的电流控制双相波除颤方式，c.电压控制双相波除颤方式；选择b，所述除颤装置按照通常的电压控制双相波除颤方式所设置的除颤能量按照除颤能量等效公式(1)计算除颤电流并进行电流控制双相波除颤，选择c，装置即按照电压控制双相波除颤方式除颤。
上述实施示例仅是本发明较优实施示例，但并不能作为对发明的限制，任何基于本发明构思基础上做出的变型和改进，均应落入到本发明保护范围之内，具体保护范围以权利要求书记载为准。

Claims (7)

1.一种电流控制双相波除颤装置，包括由四个开关IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4组成的H桥除颤放电电路，其特征在于，还包括含有储能电容的可控高压电源、用于测量除颤对象阻抗的阻抗检测电路、主控模块、放电续流电感、用于测量所述H桥除颤放电电路实时电流的电流检测电路以及分别与四个开关IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4反向并联的四个二极管D1、D2、D3、D4；
所述H桥除颤放电电路的上端两个开关IGBT1、IGBT2的C极相接后连接到所述可控高压电源，所述可控高压电源连接到所述主控模块，所述H桥除颤放电电路的下端两个开关IGBT3、IGBT4的E极相接后经过所述电流检测电路后接地，所述电流检测电路连接到所述主控模块，所述H桥除颤放电电路的中间两点通过继电器连接到除颤对象，且中间的其中一点与所述继电器之间连接所述放电续流电感，四个开关IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4各由一个对应的触发电路连接到所述主控模块；
所述主控模块通过所述阻抗检测电路的检测值大小判断是否存在导联脱落和是否可进行除颤，所述除颤装置通过四个开关IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4及继电器的开关组合构成如下电流导通路径：
正相除颤：继电器导通，开关IGBT2、IGBT3截止，开关IGBT1和IGBT4导通Ton时间，除颤电流由所述可控高压电源经开关IGBT1、放电续流电感、除颤对象、开关IGBT4、电流检测电路回到地线形成正相放电回路，然后开关IGBT1和开关IGBT4截止Toff时间，放电续流电感与除颤对象、二极管D2、可控高压电源、地线、电流检测电路、二极管D3形成正相续流回路，循环上述过程，直至正相除颤时间到；
负相除颤：继电器导通，开关IGBT1、IGBT4截止，开关IGBT2和IGBT3导通Ton时间，除颤电流由所述可控高压电源经开关IGBT2、除颤对象、放电续流电感、开关IGBT3、电流检测电路回到地线形成负相放电回路，然后开关IGBT2、IGBT3截止Toff时间，放电续流电感、二极管D1、可控高压电源、地线、电流检测电路、二极管D4、除颤对象形成负相续流回路，循环上述过程，直至负相除颤时间到；
所述正相除颤和所述负相除颤的放电周期分别均分为n个节拍和m个节拍，n>0，m>0，所述主控模块通过所述电流检测电路获取所述H桥除颤放电电路每个节拍的实时电流，并根据实时电流的检测值与设定电流值的偏差调节下一个节拍的占空比，使每个节拍的除颤电流趋近于所述设定电流值；
所述占空比为除颤放电时开关IGBT1、IGBT4在第i个节拍内同时导通的时间Ton与该节拍总时间(Ton+Toff)的比值即Ton/(Ton+Toff)，其中i＝1～n；或者为负相除颤放电时开关IGBT2、IGBT3在第j个节拍内同时导通的时间Ton与该节拍总时间(Ton+Toff)的比值即Ton/(Ton+Toff)，其中j＝1～m。
2.根据权利要求1所述的电流控制双相波除颤装置，其特征在于：所述H桥除颤放电电路与所述主控模块之间连接有高压检测电路，用于实时检测所述可控高压电源的储能电容电压，并将检测的实时电压值应用于所述主控模块中的电流恒流控制算法，从而实现除颤电流恒定的自适应优化控制。
3.根据权利要求2所述的电流控制双相波除颤装置，其特征在于：按照除颤能量等效原则从电压控制双相波导出电流控制双相波电流设置算法：设定正相除颤放电的放电周期为T1，负相除颤放电的放电周期为T2，要求的除颤能量为E，所述可控高压电源的储能电容值为C，除颤对象的阻抗为Rm，则通过所述主控模块设定除颤对象的除颤电流
Figure FDA0003933928740000031
4.根据权利要求3所述的电流控制双相波除颤装置，其特征在于：设定第i个节拍高压检测电路的检测值为VH(i)，除颤设定电流值为ISET(i)，电流检测电路的检测值为ITEST(i)，则正相除颤放电每个节拍内开关IGBT1、IGBT4的占空比或负相除颤放电每个节拍内开关IGBT2、IGBT3的占空比为：
正相除颤：
Figure FDA0003933928740000032
Figure FDA0003933928740000033
反相除颤：
Figure FDA0003933928740000034
Figure FDA0003933928740000035
其中f(ISET(i)-ITEST(i))和f(ISET(j)-ITEST(j))为PID算法函数。
5.根据权利要求4所述的电流控制双相波除颤装置，其特征在于：所述可控高压电源内部设置有泄放电路，若储能电容的能量达到设定值的持续时间T达到设定时间值未实施除颤，则将所述储能电容的能量通所述泄放电路泄放。
6.根据权利要求5所述的电流控制双相波除颤装置，其特征在于：所述电流检测电路通过电流采样电阻或电流传感器采样所述H桥除颤放电电路的实时电流。
7.根据权利要求3所述的电流控制双相波除颤装置，其特征在于：所述的主控模块接收外部命令来选择三种不同的除颤方式：a.电流控制双相波除颤方式，b.按电压控制双相波除颤方式设置等效电流的电流控制双相波除颤方式，c.电压控制双相波除颤方式；选择a，操作者直接选择除颤电流并按电流控制双相波除颤方式除颤，选择b，所述除颤装置按照通常的电压控制双相波除颤方式所设置的除颤能量按照权利要求3的除颤能量等效公式(1)计算除颤电流并进行电流控制双相波除颤，选择c，装置即按照电压控制双相波除颤方式除颤。
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