DE10064965A1 - Medizinisches Gerät zum Beaufschlagen eines Patienten mit elektrischer Energie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein medizinisches Gerät zum Beaufschlagen eines Patienten mit elektrischer Energie vorgegebener oder vorgebbarer Höhe mit einem über eine Steuereinrichtung (3, 4, 5) gesteuert auf- und entladbaren Energiespeicher (C1), von dem aus die Energie Patientenelektroden (E1, E2) über mindestens ein Zwischenglied gesteuert mittels der Steuereinrichtung zuführbar ist. Eine günstige Signalerzeugung bei vorteilhaftem Aufbau wird dadurch erreicht, dass zwischen dem Energiespeicher (C1) und den Patientenelektroden (E1, E2) als ein Zwischenglied ein eine Spannung (U1) des Energiespeichers (C1) aufnehmender Generator (2) angeordnet ist, der an seinem Ausgang eine den Patientenelektroden (E1, E2) unmittelbar oder über weitere der Zwischenglieder zuzuführende, entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall geformte Ausgangsspannung (U2) für die bereitzustellende Energie liefert (Fig. 1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein medizinisches Gerät zum Beaufschlagen eines Patienten mit elektrischer Energie vorgegebener oder vorgebbarer Höhe mit einem über eine Steuereinrichtung gesteuert auf- und entladbaren Energie­ speicher, von dem aus die Energie Patientenelektroden über mindestens ein Zwischenglied gesteuert mittels der Steuereinrichtung zuführbar ist.

Ein derartiges medizinisches Gerät, beispielsweise ein Defibrillator, ist in der DE 100 12 503 A1 als bekannt ausgewiesen. Bei diesem bekannten medizinischen Gerät werden Patientenelektroden aus einem Energiespeicher, beispielsweise einer entsprechend dimensionierten Kondensatoranordnung über mindestens ein Zwischenglied, das von einer Steuereinheit geschaltete Schaltglieder aufweist, gespeist. Der Signalverlauf entspricht dabei zum Beispiel in an sich bekannter Weise einem abgeschnittenen exponentiellen Verlauf, wobei aufeinanderfolgend zunächst ein zum Beispiel 6 ms dauernder positiver Impuls und anschließend ein etwa eben so lang andauernder negativer Impuls durch entsprechende Steue­ rung der Schaltglieder in die Patientenelektroden eingespeist werden. Um insbesondere bei einem externen, d. h. außen auf die Haut eines Patienten auf­ zusetzen Defibrillator dem zu behandelnden Herzen die erforderliche Energie zuzuführen, muss an die Elektroden eine relativ hohe Spannung von z. B. 2 oder 3 kV angelegt werden, die von dem an die Schaltglieder angeschlossenen Lade­ kondensator bereit gestellt werden muss. Bei einem Impuls von z. B. 360 Joule kann die Spannung an dem Kondensator zum Beispiel 4 kV betragen. Ein als ein derartiger Ladekondensator geeigneter Hochspannungskondensator hat eine große Bauform und ist teuer. Auch sind aufwendige Maßnahmen zu ergreifen, um die in dem Kondensator gespeicherte Energie nicht unkontrolliert an den Pa­ tienten abzugeben, wenn während der Steuerung eines Impulses Bauteile ver­ sagen. Beispielsweise wäre als Schutz ein aufwendiges Sicherheitsrelais in der Patientenleitung anzuordnen.

Weitere medizinische Geräte dieser Art, insbesondere Defibrillatoren, sind in der WO 99/26695, der US 5,904,706, der US 5,906,633 und der WO 97/31680 genannt.

Grundsätzlich ist es aufwendig und schwierig, die Bauteile, insbesondere die auf Hochspannung liegenden elektronischen Schalter im oberen Teil der in der Regel für die biphasische Ansteuerung verwendeten Brückenschaltung anzusteuern. Für die Erzeugung einer Rampe und für eine Stromregelung werden die Schalter beispielsweise mit einem PWM-Signal mit einer Frequenz von beispielsweise 10 bis 30 kHz geschaltet. Die entstehende Restwelligkeit liegt im Frequenzbereich der PWM-Frequenz. Zur Regelung des Stroms wird beispielsweise eine Speicher­ drossel von 3 mH im Patientenkreis zur Regelung des Stroms verwendet, wo­ durch der Aufwand noch vergrößert wird. Durch die zu fordernde hohe Span­ nungsfestigkeit der Bauteile sind diese teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein medizinisches Gerät der eingangs angegebenen Art bereitzustellen, das bei relativ einfachem Aufbau günstige Steuerungsmöglichkeiten bietet.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, dass zwischen dem Energiespeicher und den Patientenelektroden als ein Zwischenglied ein eine Spannung des Energiespeichers aufnehmender Generator angeordnet ist, der an seinem Ausgang eine den Patientenelektroden unmittelbar oder über weitere der Zwischenglieder zuzuführende, entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall geformte Ausgangsspannung für die bereit zu­ stellende Energie liefert.

Mittels des so angeordneten Generators lassen sich auf relativ einfache Weise für einen jeweiligen Einsatzfall geeignete Signalverläufe zum Ansteuern der Patientenelektroden erzeugen, so dass die genannten Maßnahmen bei relativ geringem Aufwand nicht nur zum Aufbau eines Defibrillators oder einer Schritt­ macher-Endstufe in einem Defibrillator eingesetzt werden können, sondern sich beispielsweise auch zum Aufbau einer Endstufe in einem Reizstromgerät eignen. Insbesondere auch bei einem Defibrillator kann der vor dem Generator angeord­ nete Energiespeicher, zum Beispiel ein Ladekondensator, für relativ geringe Spannungen ausgelegt werden und daher einen entsprechend einfachen Aufbau haben. Mit dem Generator lassen sich auf relativ einfache Weise geeignete Sig­ nalverläufe vorgeben, die dann in einem Patientenanschlußkreis (Entladekreis) mit entsprechend einfachen Maßnahmen den Patientenelektroden monophasisch und/oder biphasisch zugeführt werden können. Bei entsprechend hoher Fre­ quenz des Generators ergibt sich eine hohe Regelgeschwindigkeit und damit eine geringe Restwelligkeit des Stroms bzw. der Spannung. Auch kann eine Im­ pulserzeugung schnell abgebrochen werden. Im Patientenkreis ist kein Hoch­ spannungskondensator mit hoher gespeicherter Energie vorhanden, wodurch sich die Sicherheit für den Patienten erhöht. Eine Spule zur Stromregelung er­ übrigt sich. Durch einfache Schalteranordnung wird eine einfache Polwendung erreicht.

Mit den Maßnahmen, dass der Generator als Ausgangsspannung eine hoch­ transformierbare Spannung liefert und dass zwischen dem Ausgang des Ge­ nerators und den Patientenelektroden mindestens eine Transformationsvorrich­ tung angeordnet ist, lässt sich die bei einem externen Defibrillator erforderliche hohe Spannung mit einfachen Schaltungsmaßnahmen erreichen, wobei sich bei­ spielsweise im oberen Teil einer Brücke außer zwei Übertragern preiswerte Gleichrichterdioden und zwei einfache Schalter verwenden lassen, während in dem unteren Teil der Brücke der Aufwand zum Ansteuern der beiden dort be­ findlichen elektronischen Schalter gering ist, da diese von einem insbesondere auf Masse liegenden Bezugspunkt aus angesteuert werden.

Eine günstige Umsetzung in eine höhere Spannung wird dadurch erreicht, dass die Ausgangsspannung einen sinusförmigen Verlauf mit einer Frequenz größer als 1 kHz besitzt, und insbesondere dadurch, dass die Frequenz größer als 100 kHz ist, wobei die Transformationseinrichtung einfach und zudem die Zuführung der Energie zu dem Patienten begünstigt wird. Beispielsweise ist es bei einer Frequenz oberhalb von ca. 500 kHz ohne weitere Maßnahmen, wie z. B. einem parallel geschalteten Kondensator, möglich, die Energie den Patienten zuzu­ führen.

Für einen günstigen Aufbau sind beispielsweise die Maßnahmen vorteilhaft, dass die am Eingang des Generators liegende Spannung des Energiespeichers zwischen 300 V und 600 V und die Ausgangsspannung 100 V bis 300 V be­ trägt, und weiterhin, dass das Übertragungsverhältnis der mindestens einen Transformationsvorrichtung 3 bis 12 beträgt. Hierdurch lassen sich günstige Bauteile wählen.

Für die Aufladung des Energiespeichers ist es günstig, wenn vorgesehen ist, dass der Energiespeicher aus einer Gleichspannungsquelle über einen DC/DC- Wandler geladen wird, wobei der Ladestrom geregelt ist.

Eine geeignete Ausführung des medizinischen Geräts besteht darin, dass es als monophasischer oder biphasischer Defibrillator ausgebildet ist.

Dabei wird ein günstiger Aufbau dadurch erzielt, dass der Transformations­ vorrichtung eine Gleichrichtereinrichtung in Halb- oder Vollbrückenausführung nachgeordnet ist.

Zu einem günstigen Aufbau des Defibrillators tragen weiterhin die Maßnahmen bei, dass bei biphasischer Ausbildung an den Generator eine H-Brücke mit den im Querzweig angeordneten Patientenelektroden angeschlossen ist, wobei je­ weils eine Transformationsvorrichtung eingangsseitig jeweils an einem Zweig der H-Brücke angeordnet ist und die Stromrichtung durch die Patientenelek­ troden bei angeschlossenem Patienten durch wechselseitiges Öffnen und Schließen von Schaltern vor der jeweiligen Transformationsvorrichtung am Ein­ gang der beiden Zweige einerseits und am Ausgang der beiden Zweige anderer­ seits abwechselnd in der einen und der anderen Richtung gesteuert ist. Hierbei ist der Aufwand hinsichtlich der Bauteile und der Ansteuerung relativ gering.

Um eine Glättung des den Elektroden bzw. den Patienten zugeführten Signals auf einfache Weise zu erreichen, kann weiterhin vorgesehen sein, dass im Quer­ zweig parallel zu den Patientenelektroden ein Kondensator angeordnet ist.

Um einen optimalen Signalverlauf des dem Patienten zugeführten Signals zu ge­ währleisten, sind weiterhin die Maßnahmen vorteilhaft, dass der H-Brücke zur Regelung des dem Patienten zugeführten Stroms, der dem Patienten zugeführ­ ten Spannung und/oder der dem Patienten zugeführten Energie zumindest ein Stromsensor und/oder ein Spannungssensor zugeordnet sind.

Eine weitere Aufbaumöglichkeit insbesondere für einen biphasischen Defibril­ lator besteht darin, dass diesem nachgeordnet für eine biphasische Betriebs­ weise für einen Stromfluss durch die Patientenelektroden abwechselnd in beiden Richtungen zwei Gleichrichterzweige mit jeweils zugeordneten Schaltgliedern vorgesehen sind und dass die Patientenelektroden zwischen den Gleichrichter­ zweigen und Masse angeordnet sind. Hierbei ist nur eine Transformationsvor­ richtung erforderlich. Auch ergibt sich eine günstige Anordnung der Patienten­ elektroden.

Ein weiterer Schutz des Patienten des Patienten ergibt sich dadurch, dass pri­ märseitig der mindestens einen Transformationsvorrichtung ein weiterer Strom­ sensor angeordnet ist. Mit dieser Maßnahme kann beispielsweise ein Kurz­ schlussstrom wirksam begrenzt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug­ nahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schaltungsanordnung eines medizinischen Ge­ rätes in Form eines Defibrillators und

Fig. 2 eine gegenüber der Fig. 1 anders aufgebaute Endstufe des Defibril­ lators.

In Fig. 1 ist als Beispiel für den Aufbau eines medizinischen Gerätes eine Defibrillatorschaltung 10 mit einem einen Ladekondensator C1 aufweisenden Ladekreis, einem einen Generator 2 aufweisenden Zwischenkreis und einem eine zur biphasischen Signalerzeugung ausgelegten Entladekreis mit einer H- Brücke gezeigt.

Der Ladekondensator C1 wird von einer Versorgungsspannung U_V mit einer Spannung von z. B. 12 bis 15 V über einen DC/DC-Wandler 1 auf eine Span­ nung von z. B. 300 V bis 600 V, also eine relativ niedrige Spannung bei einem Ladekondensator eines externen Defibrillators aufgeladen. Andere Spannungen und Energiespeicheranordnungen an dieser Stelle sind denkbar, wobei auch eine Anordnung aus mehreren Kondensatoren in Frage kommt. Die Ladespannung des Kondensators C1 wird als Eingangsspannung U1 dem Generator 2 zuge­ führt, der an seinem Ausgang eine sich ändernde Spannung, insbesondere eine sinusförmige Wechselspannung liefert, die zum Beispiel 100 bis 300 V beträgt und über jeweilige Schalter S1, S2 gesteuert zeitlich abwechselnd den Pri­ märseiten zweier Transformationsvorrichtungen in Form von Übertragern Ü1, Ü2 zugeführt wird. Der primärseitige Strom wird mittels eines Stromsensors SI1 mit einem Widerstand R6 überwacht.

Sekundärseitig sind die den beiden Zweigen der H-Brücke des Entladekreises zugeordneten Übertrager Ü1, Ü2 mit in entsprechender Stromflussrichtung an­ geordneten Dioden D1, D2 bzw. D3, D4 verbunden und mit einer auf Masse ge­ legten Mittelanzapfung versehen. Mit den Dioden D1, D2 bzw. D3, D4 erfolgt eine Gleichrichtung der Wechselspannungsimpulse zum Bilden eines positiven und eines negativen Signalabschnitts, wie sie bei einem biphasischen Betrieb des Defibrillators benötigt werden. Beispielsweise liegt die Dauer der beiden Sig­ nalabschnitte in der Größenordnung einiger ms, z. B. von 6 ms, während die Fre­ quenz der an den Übertragern liegenden Spannung z. B. in der Größenordnung von 100 kHz bis 500 kHz, beispielsweise 300 kHz liegt.

Im Querzweig der H-Brücke liegen Patientenelektroden E1, E2 mit dem da­ zwischen liegenden Patientenwiderstand R_P, wobei zur Glättung der impuls­ förmigen Signalverläufe des Querzweiges ein Kondensator C2 vorgesehen sein kann. Insbesondere bei höheren Frequenzen ist dieser aber nicht erforderlich und wird durch ohnehin in Verbindung mit dem Patientenwiderstand auftreten­ den parasitären Kapazitäten verzichtbar.

Im in Fig. 1 unteren Teil der beiden Zweige der H-Brücke befinden sich weitere Schalter T1, T2 in Form von Halbleiterschaltern, insbesondere FET-Transistoren, die entsprechend der gewünschten Stromrichtung bei dem biphasischen Betrieb zusammen mit dem Schalter S1, S2 betrieben werden. Um den Strom über den Übertrager Ü1 und von dort über den Patientenwiderstand RP nach Masse flie­ ßen zu lassen werden der Schalter S1 und der weitere Schalter T2 geschlossen und S2 und T1 geöffnet, während für einen umgekehrten Strom von dem Über­ trager Ü2 durch den Patientenwiderstand RP die Schalter S1, T2 geöffnet und die Schalter S2, T1 geschlossen werden. Der Signalverlauf durch den Pa­ tientenwiderstand RP wird mittels an den beiden Zweigen der H-Brücke an­ geordneter Spannungssensoren SU1, SU2 mit Widerständen R1, R2 bzw. R3, R4 sowie mit einem den beiden Zweigen der H-Brücke zugeordneten weiteren Stromsensor S12 mit einem Widerstand R5 überwacht.

Zur Steuerung der Defibrillatorschaltung ist eine Steuereinrichtung mit einem Steuerungsteil 3 für den Defibrillator, einem Steuerungsabschnitt 4 für den Ge­ nerator 2 und die biphasische Endstufe mit dem Entladekreis einschließlich einer Generatoransteuerung 4.1 sowie einer galvanischen Trennstufe 5 vorgesehen. Mittels des Steuerungsteils 3 erfolgt eine Messung der Ladespannung und des Ladestroms sowie eine Regelung des Ladestroms, mit dem der Ladekondensator C1 über den DC/DC-Wandler 1 aufgeladen wird. Ferner kann eine Ein/Ausschal­ tung des Ladevorgangs über den DC/DC-Wandler 1 vorgenommen werden. Die Ladestromregelung sowie auch eine Steuerung des Generators 2 können in Abhängigkeit der Signale der beiden Stromsensoren SI1, SI2 und/oder der beiden Spannungssensoren SU1, SU2 erfolgen, wobei eine reine Stromregelung, eine reine Spannungsregelung oder eine Energieregelung zur Beaufschlagung des Patienten möglich ist.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausbildungsmöglichkeit für einen Entladekreis in einem Defibrillator mit biphasischem Betrieb. Hierbei ist eine Transformations­ vorrichtung mit einem Übertrager Ü1 an dem Generator 2 angeschlossen. Auf der mit einer Mittelanzapfung auf Masse gelegten Sekundärseite sind zwei Brückenzweige mit jeweiligen Gleichrichterdioden D1, D2 bzw. D3, D4 und einem diesen nachgeschalteten Schaltglied SG1, SG2 vorgesehen, mit denen ein Stromfluss in dem nachgeordneten, gegen Masse geführten Patienten­ widerstand R_P abwechselnd in zwei Richtungen entsprechend dem biphasischen Betrieb bewirkt wird. Bei diesem Aufbau wird ein weiterer Übertrager einge­ spart, wobei allerdings an die Schaltglieder SG2, SG1 relativ hohe Anforde­ rungen zu stellen sind.

Durch den beschriebenen Schaltungsaufbau mit dem Generator 2 und dem die­ sem vorgeschalteten Energiespeicher, beispielsweise in Form des Ladekonden­ sators C1 einerseits und dem dem Generator 2 nachgeschalteten Entladekreis werden eine günstige Signalerzeugung bei günstiger Bauteilewahlmöglichkeit erzielt.

Claims (14)

1. Medizinisches Gerät zum Beaufschlagen eines Patienten mit elektrischer Energie vorgegebener oder vorgebbarer Höhe mit einem über eine Steuer­ einrichtung (3, 4, 5) gesteuert auf- und entladbaren Energiespeicher (C1), von dem aus die Energie Patientenelektroden (E1, E2) über mindestens ein Zwischenglied gesteuert mittels der Steuereinrichtung (3, 4, 5) zu­ führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Energiespeicher (C1) und den Patientenelektroden (E1, E2) als ein Zwischenglied ein eine Spannung (U1) des Energie­ speichers (C1) aufnehmender Generator (2) angeordnet ist, der an seinem Ausgang eine den Patientenelektroden (E1, E2) unmittelbar oder über weitere der Zwischenglieder zuzuführende, entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall geformte Ausgangsspannung (U2) für die bereit zustel­ lende Energie liefert.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Generator (2) als Ausgangsspannung (U2) eine hochtransfor­ mierbare Spannung liefert und
dass zwischen dem Ausgang des Generators (2) und den Patientenelek­ troden (E1, E2) mindestens eine Transformationsvorrichtung (Ü1, Ü2) angeordnet ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung (U2) einen sinusförmigen Verlauf mit einer Frequenz größer als 1 kHz besitzt.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz größer als 100 kHz ist.

5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die am Eingang des Generators (2) liegende Spannung (U1) des Energiespeichers (C1) zwischen 300 V und 600 V und die Ausgangs­ spannung (U2) 100 V bis 300 V beträgt.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsverhältnis der mindestens einen Transformations­ vorrichtung (Ü1, Ü2) 3 bis 12 beträgt.

7. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (C1) aus einer Gleichspannungsquelle (U_V) über einen DC/DC-Wandler (1) geladen wird, wobei der Ladestrom geregelt ist.

8. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als monophasischer oder biphasischer Defibrillator ausgebildet ist.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformationsvorrichtung (Ü1, Ü2) eine Gleichrichterein­ richtung (D1, D2; D3, D4) in Halb- oder Vollbrückenausführung nach­ geordnet ist.

10. Gerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei biphasischer Ausbildung an den Generator (2) eine H-Brücke mit den im Querzweig angeordneten Patientenelektroden (E1, E2) ange­ schlossen ist, wobei jeweils eine Transformationsvorrichtung (Ü1, Ü2) eingangsseitig jeweils an einem Zweig der H-Brücke angeordnet ist und die Stromrichtung durch die Patientenelektroden (E1, E2) bei ange­ schlossenem Patienten durch wechselseitiges Öffnen und schließen von Schaltern (S2, T1; S1, T2) vor der jeweiligen Transformationsvorrichtung (Ü1) am Eingang der beiden Zweige einerseits und am Ausgang der bei­ den Zweige andererseits abwechselnd in der einen und der anderen Rich­ tung gesteuert ist.

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Querzweig parallel zu den Patientenelektroden (E1, E2) ein Kon­ densator (C2) angeordnet ist.

12. Gerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der H-Brücke zur Regelung des dem Patienten zugeführten Stroms, der dem Patienten zugeführten Spannung und/oder der dem Patienten zu­ geführten Energie zumindest ein Stromsensor (S12) und/oder ein Span­ nungssensor (SU1, SU2) zugeordnet sind.

13. Gerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
dass an den Generator (2) nur eine Transformationsvorrichtung (Ü1) an­ geschlossen ist,
dass diesem nachgeordnet für eine biphasische Betriebsweise für einen Stromfluss durch die Patientenelektroden (E1, E2) abwechselnd in beiden Richtungen zwei Gleichrichterzweige (D1, D2; D3, D4) mit jeweils zu­ geordneten Schaltgliedern (SG1; SG2) vorgesehen sind und
dass die Patientenelektroden (E1, E2) zwischen den Gleichrichterzweigen und Masse angeordnet sind.

14. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass primärseitig der mindestens einen Transformationsvorrichtung (Ü1, Ü2) ein weiterer Stromsensor (SI1) angeordnet ist.