DE68918466T2

DE68918466T2 - Zweiphasenpulserzeuger für einen implantierbaren Defibrillator.

Info

Publication number: DE68918466T2
Application number: DE68918466T
Authority: DE
Inventors: Stanley M Bach
Original assignee: Individual
Current assignee: Mirowski Family Ventures Washington Dc LLC
Priority date: 1988-01-12
Filing date: 1989-01-05
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2009-01-06
Also published as: JPH0445193B2; DE68918466D1; AU2773989A; EP0324380A1; CA1323072C; AU599300B2; US4850357A; JPH027971A; EP0324380B1; HK1007417A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der automatischen, implantierbaren Defibrillatoren. In solchen implantierbaren Defibrillatoren wird der Defibrillationsimpuls durch einen Hochspannungskondensator gespeichert und abgegeben; dieser Kondensator wird kurzgeschlossen, um den Defibrillationsimpuls zu beenden.
Eine Mehrzahl der Defibrillatoren, die man im Stand der Technik findet, schließen den geladenen Kondensator kurz, was eine Verschwendung von Energie ist. Diese Energie könnte leicht auf das flimmernde Herz angewandt werden. Auch wird durch Kurzschließen des geladenen Kondensators eine beträchtliche Menge der elektrischen Belastung durch die elektronischen Teile des Defibrillator-Schaltkreises aufgenommen. Diese elektrische Belastung verkürzt die Lebensdauer dieser Teile.
Ein Versuch, die verschwendete Energie des Kondensators zu nutzen, ist die Verwendung einer Defibrillation mit dreiphasiger Welle. US-Patent 4,637,397 von Jones et al. offenbart einen Defibrillator, der einen ersten Behandlungsimpuls nutzt, gefolgt von einem zweiten Impuls der entgegengesetzten Polarität, der zum Defibrillieren genutzt wird und zum Schluß einen dritten Impuls, der dieselbe Polarität hat, wie der erste Impuls.
Der Schaltkreis dieses Defibrillators enthält:
Eine Kondensatoreinrichtung, die eine Spannung bereitstellt, um den Rhythmus eines flimmernden Herzens wiederherzustellen,
eine Defibrillationselektrodeneinrichtung zum Empfang und Anlegen der Spannung an das Herz und
eine Steuerschaltkreiseinrichtung zur Steuerung der Ladung und Entladung der Kondensatoreinrichtung.
Die EP-A-0 281 219, eine Druckschrift, die die Bestimmungen des Artikels 54 (3) EPC in Bezug auf die benannten Vertragsstaaten DE, FR, IT und NL erfüllt, offenbart einen zweiphasigen Impulsgenerator für einen Herz-Defibrillator, der einen asymmetrischen, zweiphasigen Stromimpuls an drei separate Elektroden abgibt. Der Schaltkreis, der diese zweiphasigen Stromimpulse erzeugt, enthält Thyristoren, die zwischen einem Ladungskondensator und den Elektroden angeschlossen sind.
Der Schaltkreis dieses Defibrillators enthält:
Eine Kondensatoreinrichtung, die eine Spannung bereitstellt, um den Rhythmus eines flimmernden Herzens wiederherzustellen,
eine Defibrillationselektrodeneinrichtung zum Empfangen und Anlegen der Spannung an das Herz,
eine Steuerschaltkreiseinrichtung zur Steuerung der Ladung und Entladung der Kondensatoreinrichtung und
eine Thyristoreinrichtung, die zwischen der Kondensatoreinrichtung und der Elektrodeneinrichtung angeschlossen ist.
Die folgende Beschreibung offenbart einen zweiphasigen Impulsgenerator für einen implantierbaren Defibrillator, der nur zwei Impulse benutzt, um mehr der in dem geladenen Kondensator gespeicherten Energie an das flimmernde Herz abzugeben und auf diese Weise die Anforderungen an die Defibrillationsenergie senkt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung beseitigt die Erfordernis, den Hochspannungskondensator kurzzuschließen. Dadurch wird die Belastung der elektronischen Teile reduziert. Zusätzlich wird die Energie in dem Hochspannungskondensator, die früher verschwendet wurde, in der Umkehrrichtung auf das Herz angewendet, wodurch die Gesamt-Defibrillationsenergieanforderungen reduziert werden.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Impuls-Erzeugung zu schaffen, in der ein Silikon-gesteuerter Gleichrichtungsthyristor durch einen Transistor mit isoliertem Gate ausgeschaltet wird.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine "Steuerung" der Hochspannungsseite eines geladenen Kondensators zu einer der zwei Elektroden zu ermöglichen, während die Niedrigspannungsseite an die andere Elektrode gesteuert wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen elektronischen "Ein"-Schalter niedriger Impedanz zu verwenden, der in der bevorzugten Ausführung ein Transistor mit isoliertem Gate ist.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, die begrenzte Umkehrspannungs-Handhabungsfähigkeit eines Transistors mit isoliertem Gate mit einer Diode zu schützen.
Ein Merkmal der Erfindung ist, daß der elektronische Hochspannungs-"Ein"-Schalter geringer Impedanz in einem Antriebsstromkreis mit Niedrigpotential-Gate angeordnet ist, der die Benutzung großer Transformatoren oder optischer Isolatoren in dem Schaltkreis überflüssig macht.
Ein Vorteil der Erfindung ist, daß durch die Beseitigung des Kurzschließens des Hochspannungskondensators die Belastung der elektronischen Teile reduziert wurde.
Diese Vorteile, die in den Details der Konstruktion und des Betriebs liegen, werden zusammen mit anderen Zielen und Vorteilen im folgenden deutlich, wie es nachfolgend vollständiger beschrieben und beansprucht wird, wobei ein Verweis auf die zugehörenden Zeichnungen vorgenommen wird, die einen Teil hiervon bilden, und in denen die gleichen Nummern sich durchgängig auf die gleichen Teile beziehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt einen zweiphasigen Defibrillationsimpuls von einem einzelnen Kondensator, wie er von einem Schaltkreis abgegeben wird, der einen Teil der vorliegenden Erfindung bildet;
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm des Schaltkreises der vorliegenden Erfindung und
Fig. 3 zeigt eine schematische Zeichnung des Schaltkreises der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Mit Bezug auf die Figuren ist der Schaltkreis der vorliegenden Erfindung so gestaltet, daß er einen zweiphasigen Defibrillationsimpuls von einem einzelnen Kondensator abgibt, so wie in Fig. 1 gezeigt. Die Spannung an Peak 1, oder Vpk1, entspricht 25 - 1000 Volt, die an das Herz abgegeben werden. Nach dem Erreichen von Vpk1 wird die Spannung exponentiell abnehmen bis ein SCR-Thyristor abgestellt wird und die Hochspannungsseite des geladenen Kondensators an die andere Elektrode gesteuert wird.
Jetzt wird Vpk2 in der umgekehrten Richtung an das Herz abgegeben und entspricht 50 bis 95% von Vpk1. Dadurch wird das Kurzschließen des Hochspannungskondensators vermieden.
Figur 2 zeigt das Blockdiagramm mit einem zweiphasigen Impulsgenerator. Der Steuerschaltkreis 16 ist ein einfacher 4-Zustands-Zuordner, der spezifisch gestaltet ist, so daß er Warten 1, Phase 1, Warten 2 und Phase 2 Zustände vorsieht, indem er die Kondensatorspannung überwacht und eine zeitliche Anregung der elektronischen Schalter über die Schaltkreise 20 und 22 vorsieht. Wenn der Treiberschaltkreis 20 auf "hoch" gesetzt wird, wird dem elektronischen Schalter 30 erlaubt zu leiten und eine Thyristoreinrichtung oder SCR (Silikongesteuerter Gleichrichter) 34 wird von dem Treiberschaltkreis 20 angeschaltet. An dieser Stelle wird die Ladung, die auf dem Kondensator 40 gespeichert ist, über die Elektroden 10 und 12 in einer ersten Polarität an das Herz abgegeben. Nach einer kurzen Zeitperiode, die durch den Schaltkreis 14 ermittelt wird, wird der Treiberschaltkreis 20 auf "niedrig" gesetzt, wobei der elektronische Schalter 30 und die Thyristoreinrichtung 34 abgestellt werden. Nach einer kurzen Verzögerung von weniger als 500 us, die gewöhnlich durch das Bezugszeichen 15 angezeigt wird, wird der Treiberschaltkreis 22 auf "hoch" gesetzt, wobei der elektronische Schalter 32 und eine Thyristoreinrichtung oder SCR 36 angestellt wird, so daß auf diese Weise ein entgegengesetzter Strom durch das Herz vorgesehen ist. Nach einer weiteren Zeitperiode, die durch den Schaltkreis 14 ermittelt wird, wird der elektronische Schalter 32 abgestellt, der die Thyristoreinrichtung 36 abstellt.
Mit anderen Worten leitet der elektronische Schalter 30, um die Niedrigspannungsseite des Kondensators 40 mit der Hauptspeicherung an die Elektrode 12 zu steuern, während die Hochseite mit einer Elektrode 10 verbunden ist. Ein elektronischer Schalter 32 leitet, um die Niedrigspannungsseite des Kondensators 40 mit der Hauptspeicherung an die Elektrode 10 zu steuern, während die Hochseite mit einer Elektrode 12 verbunden ist.
Die Thyristoreinrichtung 34 gibt, wenn sie auf "Ein" geschaltet ist, die Hochspannung auf die Elektrode 10. Die Thyristoreinrichtung 36 gibt, wenn sie auf "Ein" geschaltet ist, die Hochspannung auf die Elektrode 12.
Ein Ausgangssensor-Schaltkreis 14 überwacht die Ausgabe an die Elektrode 10. Wenn die Ausgabespannung an der Elektrode 10 auf ein passend niedriges Niveau fällt, wird der Ausgangssensor-Schaltkreis 14 dem Steuerschaltkreis 16 ein Signal geben, der dann den Treiberschaltkreis 20 auf "niedrig" zwingt. Dies schaltet den elektronischen Schalter 30 ab und dadurch die Thyristoreinrichtung 34. Wenn die Ausgangsspannung an die Elektrode 10 noch weiter fällt, gibt der Ausgangssensor-Schaltkreis 14 dem Steuerschaltkreis 16 ein Zeichen. Dies zwingt den Treiberschaltkreis 22 auf "niedrig", was den elektronischen Schalter 32 abschaltet und dadurch die Thyristoreinrichtung 36.
Die Hochspannungstrenntransformatoren 24 und 26 werden benutzt, um die Treiberschaltkreise der Thyristoreinrichtung zu isolieren und um das Durchlassen von unerwünschten Strömen an diese zu verhindern. Die Hochspannungstrenntransformatoren werden auch benutzt, um einen Teil des Systems von unerwünschten Einflüssen der anderen Teile zu trennen.
Mit Bezug auf die detaillierte schematische Zeichnung, die in Figur 3 gezeigt wird, ist die Betriebsweise des Systems wie folgt. Der Treiberschaltkreis 20 wird auf "hoch" gesetzt (ungefähr 10 Volt), was einem elektronischen Schalter 30 mit einem Transistor Q4 mit isolierten Gate erlaubt zu leiten, wenn die Thyristoreinrichtung 34 mit einem Thyristor Q5 von dem Treiberschaltkreis 20 angeschaltet wird. Es ergibt sich eine Verzögerung von 20 bis durch das Netzwerk, welches den Schmitt-Trigger-Schaltkreisen IC1 und IC2 vorgeschaltet ist, um dem Schalter 30 zu erlauben vollständig an zu sein, bevor der Thyristor Q5 aktiviert wird. Dies führt zu der Hochspannung der ersten Seite der Kondensatoreinrichtung 40 mit der Hauptspeicherung, die an eine erste Elektrode 10 geschaltet ist, während die niedrige zweite Seite mit einer zweiten Elektrode 12 verbunden ist. Jetzt wird die Hochspannung Vpk1 an das Herz abgegeben.
Wenn die Ausgangsspannung auf ein passend niedriges Niveau fällt, wird der Treiberschaltkreis 20 auf "niedrig" gesetzt, wobei der elektronische Schalter 30 abgestellt wird, abgebildet als Transistor Q4 mit isoliertem Gate und dadurch der Thyristor Q5.
Als nächstes, nach einer Verzögerung von 500 us und nachdem der Treiberschaltkreis 20 auf "niedrig" gegangen ist, wird der Treiberschaltkreis 22 auf "hoch" geschaltet (d.h. auf ungefähr 10 Volt). Dies erlaubt dem elektronischen Schalter 32 mit einem Transistor Q3 mit isoliertem Gate in Betrieb zu sein und der Thyristoreinrichtung 36 mit einem Thyristor Q6 durch ihren Verzögerungsschaltkreis (IC3-4 und Netzwerk) von nominal 20 us aktiviert zu werden. Die Verzögerung ist wiederum notwendig, um dem Schalter 32 die Möglichkeit zu geben, vollständig an zu sein, bevor der Thyristor Q6 aktiviert wird. Die Schmitt-Trigger-Schaltkreise IC3 und IC4 sind zur Bearbeitung der Impulse in rechteckige Form für zuverlässige logische Operationen. Das Vorgehen steuert die Hochspannung der ersten Seite der Kondensatoreinrichtung 40 zur zweiten Elektrode 12 und die niedrige Spannung der zweiten Seite der Kondensatoreinrichtung 40 zur ersten Elektrode 10. Dadurch wird die Spannung an der Last umgedreht und die Hochspannung Vpk2 an das Herz abgegeben.
Sobald die Spannung auf ein anderes niedriges Niveau fällt, wird der Treiberschaltkreis 22 auf "niedrig" gezwungen und schaltet den elektronischen Schalter 32 ab, der als Transistor Q3 mit isoliertem Gate dargestellt ist. Dadurch wird der Thyristor Q6 ebenfalls aus sein.
Der Treiberschaltkreis 20 und der Treiberschaltkreis 22 sind von einem einfachen elektronischen Sequenz-Schaltkreis abgeleitet, der einen Chip enthält, wie den von Motorola hergestellten 14017B. Diese Schaltkreise werden auch benutzt, um die Spannung des Hauptkondensators zu überwachen.
Eine mögliche Veränderung ist, daß die elektronischen Schalter 32 und 30, die, wie in Figur 3 gezeigt, Transistoren mit isoliertem Gate enthalten, ebenfalls Leistungs-Feldeffekttransistoren oder bipolare Hochspannungstransistoren enthalten können.

Claims

1. Schaltkreis zur Erzeugung eines Zweiphasenimpulses, um bei einem flimmernden Herz den Rhythmus wiederherzustellen, mit:

einer Kondensatoreinrichtung (40) zur Schaffung einer Spannung, um bei dem flimmernden Herz den Rhythmus wiederherzustellen;

einer Defibrillationselektrodeneinrichtung (10, 12) zum Empfangen und Anlegen der Spannung an das Herz und einer Steuerschaltkreiseinrichtung (16) zur Steuerung der Ladung und Entladung der Kondensatoreinrichtung (40),

dadurch gekennzeichnet,

daß erste und zweite Thyristoreinrichtungen (34, 36) zur Regulierung der Spannung vorgesehen sind;

daß die Defibrillationselektrodeneinrichtung eine erste Elektrodeneinrichtung (10) und eine zweite Elektrodeneinrichtung (12) aufweist, wobei die erste Thyristoreinrichtung (34) zwischen der ersten Seite der Kondensatoreinrichtung (40) und der ersten Elektrodeneinrichtung (10) angeschlossen ist, und die zweite Thyristoreinrichtung (36) zwischen der ersten Seite der Kcndensatoreinrichtung (40) und der zweiten Elektrodeneinrichtung (12) angeschlossen ist;

daß ein erster elektronischer Schalter (30) zwischen der zweiten Seite der Kondensatoreinrichtung (40) und der Elektrodeneinrichtung (12) angeschlossen ist;

daß ein zweiter elektronischer Schalter (32) zwischen der zweiten Seite der Kondensatoreinrichtung (40) und der ersten Elektrodeneinrichtung (10) angeschlossen ist;

daß eine Ausgangssensoreinrichtung (14) zwischen der ersten Elektrodeneinrichtung (10) und der Steuerschaltkreiseinrichtung (16) angeschlossen ist zur Wahrnehmung eines exponentiellen Abfalls der regulierten Spannung und zur Erzeugung eines gefühlten Signals, welches dem wahrgenommenen exponentiellen Abfall entspricht; und

daß die Steuerschaltkreiseinrichtung (16) an die Ausgangssensoreinrichtung (14) angeschlossen ist, um zu steuern, welche der ersten und zweiten Thyristoreinrichtung (34, 36) eingeschaltet ist, um die Spannung zur Wiederherstellung des Rhythmus am flimmernden Herz zu empfangen.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch erste und zweite Antriebsschaltkreise (20, 22), die an die Steuerschaltkreiseinrichtung (16) angeschlossen sind, wobei der erste Antriebsschaltkreis (20) die erste Thyristoreinrichtung (34) und der zweite Antriebsschaltkreis (22) die zweite Thyristoreinrichtung (36) antreibt.

3. Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Antriebsschaltkreis (20) an den ersten elektronischen Schalter (30) und die erste Thyristoreinrichtung (34) angeschlossen ist, um einen ersten Schaltkreis so zu bilden, daß der erste Schaltkreis die Spannung an das flimmernde Herz liefert; und

daß der zweite Antriebsschaltkreis (22) an den zweiten elektronischen Schalter (32) und die zweite Thyristoreinrichtung (36) angeschlossen ist, um einen zweiten Schaltkreis so zu bilden, daß der zweite Schaltkreis die Spannung an das flimmernde Herz liefert.

4. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoreinrichtung (40) bis zu 25 bis 1000 Volt lädt und dann bis zu 50 % bis 95 % der Spannung entlädt.

5. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Thyristoreinrichtung (34, 36) des weiteren einen ersten und zweiten Hochspannungs- Trenntransformator (24, 26) zur Isolierung der ersten und zweiten Thyristoreinrichtung (34, 36) aufweist.