DE69430399T2

DE69430399T2 - Schutzschaltung für eine implantierbare elektronische Vorrichtung

Info

Publication number: DE69430399T2
Application number: DE1994630399
Authority: DE
Inventors: Peter Jacobson
Original assignee: Ela Medical SAS
Current assignee: Sorin CRM SAS
Priority date: 1993-08-11
Filing date: 1994-08-01
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2014-08-02
Also published as: EP0930085B1; EP0930085A1; ES2172962T3; DE69424101T2; DE69424101D1; DE69430399D1

Description

Die Erfindung betrifft den Schutz von einpflanzbaren bzw. implantierbaren elektronischen Vorrichtungen mit zur Erfassung oder zur Stimulation mit niedriger Energie verwendeten Elektroden gegen Impulse mit hoher Energie. Sie umfasst implantierbare Herzstimulatoren bzw. Herzschrittmacher sowie implantierbare Herzdefibrillatoren/- stimulatoren.
Im vorliegenden Fall wird der Begriff Defibrillator zur Bezeichnung aller Vorrichtungen zur Eliminierung einer Tachyarrhytmie mittels einer elektrischen Energie verwendet, die die durch die implantierbaren Herzstimulatoren bereitgestellte Energie merklich überschreitet.
Die Erfindung betrifft den Schutz von mit Elektroden niedriger Energie verbundenen Schaltungen und den Schutz von Gewebepartien des Patienten in der Umgebung von Elektroden mit niedriger Energie gegen eigene Impulse hoher Energie von der Vorrichtung selbst und gegen Impulse hoher Energie, die von anderen elektronischen medizinischen Geräten stammen, wie beispielsweise von externen Defibrillatoren.
Die Erfindung ist ebenso bei elektronischen Vorrichtungen anwendbar, die einen Schutz gegen Impulse hoher Energie benötigen.
Die implantierbaren Herzstimulatoren stellen im Allgemeinen einen Schutz gegen externe Impulse hoher Energie durch eine Begrenzung der Spannung zwischen einem beliebigen Paar Elektroden sicher. Wenn eine externe Vorrichtung einen Impuls hoher Energie bei diesem Paar Elektroden über eine niedrige Impedanz zuführt, fließen Ströme hoher Intensität in den Elektroden und der Begrenzungsvorrichtung. Die Ströme hoher Intensität können eine schädliche Wirkung auf die Gewebepartien des Patienten in dem Bereich der Elektroden haben.
In dem US-Patent Nr. 4 745 923 im Namen von Winstrom ist eine Schutzschaltung für eine implantierbare Vorrichtung beschrieben, die in Reihe mit einer Sonde eines Herzstimulators zum Schutz gegen hohe Spannungen und hohe Ströme geschaltet ist, die von Defibrillatoren und anderen Quellen herstammen. Die beschriebene Schaltung begrenzt den in die zwei Richtungen fließenden Strom in einer einzelnen Sonde (das Patent zeigt die Schaltung in der Stimulationsrückführungssonde oder der positiven Sonde).
Die Schaltung verwendet eine Strom-Kippbegrenzung (limitation de courant par repli), die auch häufig in herkömmlichen elektronischen Leistungsversorgungen verwendet wird (Kapitel 6,05, Horowitz und Hill, The Art of Electronics, Cambridge University Press, 1989). Bei einem Strom-Kippbegrenzer bleibt die Impedanz gering, bis der Strom eine erste vorbestimmte Grenze erreicht. Wenn der Strom diese erste Grenze überschreitet, bleibt die Impedanz erhöht, bis der Strom unter eine zweite vorbestimmte Grenze abfällt, die kleiner ist als die erste Grenze.
Der Begrenzer nach Winstrom umfasst zwischen seinen Anschlüssen eine Niedrigimpedanzstrecke, bestehend aus einem Feldeffekttransistor (FET) in Reihe geschaltet mit einem Widerstand geringer Größe. Ein Bipolartransistor öffnet den FET, wenn die an den Widerstand geringer Größe angelegte Spannung die Basis-Emitter-Schwelle des Bipolartransistors überschreitet (die erste vorbestimmte Grenze in dem Strom-Kippbegrenzer).
Es ist folglich ersichtlich, dass eine implantierbare elektronische Vorrichtung, wie beispielsweise ein Herzdefibrillator/-stimulator, die zugehörigen Sonden niedriger Energie, wie beispielsweise die Stimulations- und Erfassungssonden, gegen Defibrillationsimpulse und andere Impulse hoher Energie schützen muss. Der Stand der Technik verfolgt diese Aufgabe, weist aber Nachteile auf:
In dem Patent US 4 745 923 von Winstrom ist ein automatischer Strom-Kippbegrenzer bereitgestellt, um die von einer Begrenzung auf einen konstanten Wert herrührenden Probleme bezüglich der Schwingung und der Abfuhr zu überwinden. Die Schaltung nach Winstrom öffnet den MOSFET-Schalter in einer Niedrigimpedanzstrecke jedoch erst nach Betätigung eines zweiten Bipolartransistor- Schalters, dessen Verzögerung zu einer starken Stromspitze in dem Begrenzer führen kann, wenn ein Defibrillator einen steilen Impuls in die Stimulations- und Erfassungssonden zuführt. In dem US-Patent 4 823 796 im Namen von Benson ist ein externer Defibrillator beschrieben, auf den es die Schaltung nach Winstrom treffen könnte. Nach Benson wird ein trapezförmiger Impuls durch die Entladung eines Kondensators mittels eines Transistors ohne in Reihe geschaltete Induktivität erzeugt. Messungen zeigen, dass diese Schaltungen Anstiegsflanken mit einigen Tausend Volt pro Mikrosekunde erzeugen können. Jede Verzögerung in der Schutzschaltung führt zu einer Stromspitze, die sich an eine angrenzende Schaltung koppeln kann und diese beeinflussen kann.
In dem Patent US 4 745 923 von Winstrom ist lediglich ein bidirektionaler Begrenzer beschrieben, der in einer einzigen Sonde verwendet werden muss. Die Idee ist, den Strom in einer Sonde eines Paars von Sonden zu begrenzen, wenn ein Defibrillator die Energie gemäß der einen oder der anderen Polarität zuführt. Bei Zweikammer- Herzdefibrillatoren/-stimulatoren mit zwei Paaren von Sonden wäre es erforderlich, die Schaltung nach Winstrom bei drei von vier Leiter anzuwenden. Dies führt zu einer vergrößerten Anzahl von Komponenten als in dem Fall eines unidirektionalen Begrenzers in jeder Sonde.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, einen verbesserten Schutz für die Stimulations- und Erfassungssonden mit geringer Energie von elektronischen medizinischen Geräten bereitzustellen. Die Verbesserung umfasst:
1. Den Schutz gegen externe Impulse hoher Energie mit der einen oder der anderen Polarität.
2. Die Begrenzung des durch die Stimulations- und Erfassungssonden fließenden Stroms anstelle der Begrenzung der dazwischen anliegenden Spannung, um die Herzgewebepartien in dem Bereich der Stimulations- und Erfassungselektroden zu schützen.
3. Die automatische Aktivierung des Begrenzers, um einen Schutz gegen externe Impulse hoher Energie ebenso wie gegen Impulse hoher Energie von dem Gerät selbst bereitzustellen.
4. Eine Strom-Kippbegrenzung zur Verringerung der Leistungsabfuhr und zur Eliminierung der Schwingungen in dem Begrenzer.
5. Die Aktivierung des Strom-Kippbegrenzers durch einen einzigen Transistor-Schalter zur Bereitstellung einer schnellen Reaktion auf externe, steile Defibrillationsimpulse.
6. Die Verwendung eines einzigen unidirektionalen Strombegrenzers in jeder Stimulations- und Erfassungssonde.
In einer bevorzugten Ausführungsart sieht die Erfindung einen automatischen unidirektionalen Strom-Kippbegrenzer in jeder Stimulations- und Erfassungssonde vor, der die in die Sonden eindringenden Ströme begrenzt. Bei Vorhandensein eines externen Impulses hoher Energie kann lediglich ein begrenzter Strom in jede Stimulations- und Erfassungssonde eindringen, und auf diese Weise kann lediglich ein begrenzter Strom in irgendeine der Stimulations- und Erfassungselektroden fließen.
Jeder automatische Strom-Kippbegrenzer begrenzt den Strom schnell auf einen ersten Wert mittels eines einzigen Transistorschalters und öffnet kurz darauf den ersten Schalter vollständig mit einem zweiten Schalter, bis der Strom unter einen zweiten, niedrigeren Wert abfällt.
Gegenstand der Erfindung ist gemäß Patentanspruch 1 eine Vorrichtung zur Begrenzung des in eine Richtung, von einem nicht geschützten Eingang zu einem geschützten Ausgang, zirkulierenden Stroms, die in Reihe zu der Sonde eines implantierten medizinischen Geräts mit Niedrigenergie-Stimulierungselektroden und Erfassungselektroden benutzbar ist. Die Erfindung umfasst
- eine Quelle, die eine Polarisierungsspannung über einen Polarisierungswiderstand liefert;
- einen ersten Schalter, der einen offenen Schaltzustand, einen Strombegrenzungszustand und einen geschlossenen Schaltzustand aufweist, wobei der erste Schalter einen mit dem nicht geschützten Eingang verbundenen Eingang und einen Ausgang aufweist;
- einen mit dem Ausgang des ersten Schalters verbundenen, niedrigwertigen Widerstand, der eine Spannung im Ansprechen auf das Fließen des Stroms über den ersten Schalter aufweist;
- einen zweiten Schalter, der einen offenen Schaltzustand und einen geschlossenen Schaltzustand aufweist; und die ferner umfasst:
- einen mit dem nicht geschützten Eingang und dem geschützten Ausgang verbundenen Spannungsteiler, der eine Steuerspannung liefert, die der Spannung zwischen dem nicht geschützten Eingang und dem geschützten Ausgang entspricht; so dass der erste Schalter in geschlossenem Schaltzustand polarisiert ist, wenn die Spannung des niedrigwertigen Widerstands geringer ist als eine erste, für die Polarisierungsspannung vorbestimmte Größe, und automatisch in den Begrenzungszustand übergeht, wenn die Spannung des niedrigwertigen Widerstands nicht geringer als die erste, für die Polarisierungsspannung vorbestimmte Größe ist, und dass der zweite Schalter automatisch den Zustand ändert zwischen dem offenen Schaltzustand, wenn die Steuerspannung geringer ist als eine vorbestimmte zweite Größe, und dem geschlossenen Schaltzustand, wenn die Steuerspannung größer ist als die zweite vorbestimmte Größe, wobei der geschlossene Schaltzustand die Polarisierungsspannung wirksam verringert, um den ersten Schalter in dem offenen Schaltzustand zu halten.

Erfindungsgemäß

- umfasst der erste Schalter einen FET-Transistor mit einer mit der Polarisierungsspannung verbundenen Gate- Elektrode, einer mit dem nicht geschützten Eingang verbundenen Drain-Elektrode und einer mit dem niedrigwertigen Widerstand verbundenen Source-Elektrode und ist die erste vorbestimmte Spannung die Differenz zwischen der Polarisierungsspannung und der Schwellenspannung des FET;
- wird der zweite Schalter durch einen bipolaren Transistor gebildet, der einen mit dem Polarisierungswiderstand verbundenen Kollektor, einen mit dem geschützten Ausgang verbundenen Emitter und eine mit der Steuerungsspannung des Spannungsteilers verbundene Basis aufweist, wobei die zweite vorbestimmte Spannung die Schwellenspannung zwischen Basis und Emitter des Transistors ist.
- umfasst der Spannungsteiler einen zwischen dem nicht geschützten Eingang und der Basis des Transistors angeschlossenen ersten Widerstand und einen zwischen der Basis des Transistors und dem geschützten Ausgang angeschlossenen zweiten Widerstand;
- ist eine Zener-Diode zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors angeschlossen.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein medizinisches Gerät mit vorstehender Schutzvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das medizinische Gerät ein Herzschrittmacher mit einer Vielzahl von mit dem Herzgewebe verbundenen Sonden ist, so dass eine unidirektionale Schaltung zur Strombegrenzung in Reihe zu jeder Sonde geschaltet ist, wobei der zugehörige geschützte Ausgang mit dem Herzschrittmacher verbunden ist.
Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines Aufbaus der Erfindung, der bei einem Herzdefibrillator/-stimulator angewendet wird.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines unidirektionalen Strom-Kippbegrenzers.
In Fig. 1 ist eine Ansicht eines Aufbaus der Erfindung für eine Anwendung bei einem Herzdefibrillator/- stimulator gezeigt, mit Schaltungen zur Stimulation sowie zur vorhofbezüglichen (aurikulären) und kammerbezüglichen (ventrikulären) Erfassung sowie mit Multiphasenschocks. Eine Batterie 1 versorgt das Gerät. Eine Masse 2 dient als Referenzspannung (0 Volt) für alle Signale des Geräts, wenn nicht das Gegenteil angezeigt wird. Eine Leistungsversorgung bzw. Energieversorgung 3 wandelt die Spannung der Batterie in andere Spannungen zur Versorgung der übrigen Teile des Geräts um:
- eine hohe Spannung bei 4 für den Schockgenerator, etwa 0,75 kV. Die Einrichtung ist an die negative Vorspannung bzw. Polarisierungsspannung und nicht an die Masse gekoppelt.
- eine positive Vorspannung bzw. Polarisierungsspannung bei 5 für die Begrenzer, etwa 9,0 V.
- eine Stimulationsspannung bei 6, etwa -6,0 V.
- eine negative Vorspannung bei 7 für Niedrigspannungsschaltungen und den Schockgenerator, etwa -9,0 V.
Weiterhin unter Bezugnahme auf Fig. 1 stellen die Niedrigspannungsschaltungen 8 die Stimulation, die Erfassung und die Befehlsgebung bereit. Sie werden zwischen der Masse 2 und der negativen Vorspannung 7 betrieben. Da der Wert der Stimulationsspannung bei 6 zwischen diesen zwei Versorgungsspannungen liegt, können die Niedrigspannungsschaltungen daraufhin die Signale zur Stimulation und Erfassung direkt ohne Pegelverschiebung erzeugen und messen. Wenn die Niedrigspannungsschaltungen aurikuläre und/oder ventrikuläre Signale erfassen, die einen Schock erforderlich machen, signalisieren sie dies dem Schockgenerator 9 über den Schockbefehlsbus 10.
Weiterhin unter Bezugnahme auf Fig. 1 sendet der Schockgenerator 9 Schocks mit hoher Spannung zwischen Schocksonden 11 und 12, wenn die Niedrigspannungsschaltungen dies mittels des Schockbefehlsbus 10 auslösen. Die Schockenergie kommt von der Hochspannung 4 mit Bezug auf die negative Vorspannung 7.
Schließlich schützen gemäß Fig. 1 die Begrenzer 13 bis 16 die Niedrigspannungsschaltungen 8 und das an die mit den Sonden 17 bis 20 verbundenen Stimulations- bzw. Stimulierungs- und Erfassungselektroden angrenzende Gewebe gegen Schocks, die durch den Schockgenerator 9 oder durch einen externen Defibrillator zugeführt werden.
Nachstehend wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Die in Fig. 1 bei 13 bis 16 angezeigten Begrenzungsschaltungen umfassen jeweils einen Hochspannungstransistorschalter 35, vorzugsweise einen N-Kanal-MOSFET. Derartige Transistoren sind im Handel mit kleiner Siliziumoberfläche, mit Schwellen von etwa 5 Volt und Durchlasswiderständen erhältlich, die typischerweise kleiner als 10 Ohm für eine Spannung zwischen Gate-Elektrode und Source- Elektrode von 9 Volt sind, beispielsweise die industriell gefertigten Typen IRFBG20 oder BUK456/1000B.
Gemäß Fig. 2 liegen die Spannungen bei dem Anschluss 36 der Sonde und dem Schutzanschluss 37 des Begrenzers während des normalen Betriebs und bei Fehlen von internen oder externen Impulsen hoher Energie zwischen der Spannung der negativen Vorspannungsversorgung und einigen hundert Millivolt über der Masse.
Wenn die Spannungen bei 36 und 37 in diesem normalen Betrieb bleiben, hält die positive Vorspannung bei 5 den Transistor 35 mittels des Vorspannungswiderstands 38 in einem Durchlasszustand. Da der Transistor 35 keinen Steuerstrom mit Ausnahme des Verluststroms abzieht, benötigt die positive Vorspannungsversorgung nur einen niedrigen Strom. Da die Versorgung die positive Vorspannungsversorgung bei Umkehrung der Batteriespannung erzeugen muss, ermöglicht dieser geringe Strombedarf eine Verwendung eines kleinen kapazitiven Invertierers mit wenigen Komponenten, der unter Umständen integrierbar ist. Wenn dagegen gemäß dem Aufbau der Erfindung die Batterie über die Masse eingestellt worden ist und die Spannung der Batterie zum Erhalt der Stimulation umgekehrt worden ist, erfordert dies eine sehr viel höhere Stromkapazität in dem Invertierer (insbesondere für eine schnelle Stimulation bei einer Arryhtmie-Umkehrung), was die Möglichkeit einer Integration zunichte macht.
Die Schaltung in Fig. 2 umfasst einen niedrigwertigen Widerstand 39 in Reihe mit der Source-Elektrode des Transistors 35. Der Widerstand bildet mit dem Transistor 35 eine Niedrigimpedanzstrecke zwischen der Sonde 36 und der Schutzverbindung 37, wenn der Transistor 35 bei dem normalen Zustand in einen ersten Zustand einer geschlossenen Schaltung übergeht, wobei der Strom zwischen dem Eingangsanschluss 36 und dem Ausgangsanschluss 37 nicht begrenzt wird. Falls der Strom über dem Widerstand 39 in einer Weise ansteigt, dass die Spannung an den Anschlüssen dieses Widerstands die Schwelle des Transistors 35 überschreitet, begrenzt dies den Strom in dem Transistor 35 auf die zugehörige Schwellenspannung, geteilt durch den Wert des Widerstands 39, beispielsweise typischerweise auf 0,15 A. Der Transistor 35 ist dann in einem zweiten Zustand der Strombegrenzung.
Wenn der Transistor 35 derart den Strom begrenzt, steigt die Spannung an dem Anschluss 36 der Sonde, bis die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 41, die durch einen aus Widerständen 44 und 40 bestehenden Spannungsteiler fixiert ist, die Schwelle des Transistors 41 überschreitet. Dies macht den Transistor 41 leitend, wobei die Gate-Source-Spannung des Transistors 35 auf Null begrenzt wird. Dies blockiert den Transistor 35, und er weist keinen Energieverlust mehr auf. Er ist dann in einem dritten Zustand einer offenen Schaltung, und zwischen dem Eingangsanschluss 36 und dem Ausgangsanschluss 37 befindet sich der hohe und fixierte Widerstand 44-40. Die Schaltung bleibt in diesem Zustand hoher Impedanz, bis die Spannung an ihren Anschlüssen auf einen Punkt abfällt, bei dem der Transistor 41 blockiert ist, wobei es möglich ist, dass der Widerstand 38 den Transistor 35 erneut leitend macht, was die Niedrigimpedanzstrecke wiederherstellt.
Zener-Dioden 42 und 43 gemäß Fig. 2 schützen den Gate- Source-Übergang des Transistors 35 bzw. die Niedrigspannungsschaltung 8 gemäß Fig. 1.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine bestimmte Ausführungsart beschrieben worden ist, ist es ersichtlich, dass diese Ausführungsart lediglich zur Veranschaulichung der Anwendung von erfindungsgemäßen Prinzipien dienen soll. Es können viele andere Modifikationen ausgeführt und andere Anordnungen erdacht werden, ohne dass diese von dem Bereich der beigefügten Patentansprüche abweichen.

Claims

1. Vorrichtung zur Begrenzung des in eine Richtung, von einem nicht geschützten Eingang (36) zu einem geschützten Ausgang (37), zirkulierenden Stroms, die in Reihe zu der Sonde eines implantierten medizinischen Geräts mit Niedrigenergie-Stimulierungselektroden und Erfassungselektroden benutzbar ist, mit:

- einer Source, die eine Polarisierungsspannung (5) Über einen Polarisierungswiderstand (38) liefert;

- einem ersten Schalter (35), der einen offenen Schaltzustand und einen geschlossenen Schaltzustand aufweist, wobei der erste Schalter einen Feldeffekt- (FET-)Transistor mit einem mit der Polarisierungsspannung (5) verbundenen Gate, einem mit dem nicht geschützten Eingang (36) verbundenen Drain und einer mit einem niedrigwertigen Widerstand (39) verbundenen Source umfasst,

- wobei der niedrigwertige Widerstand (39) eine Spannung im Ansprechen auf das Fließen des Stroms über den ersten Schalter (35) aufweist;

- einem zweiten Schalter (41), der einen offenen Schaltzustand und einen geschlossenen Schaltzustand aufweist, wobei der zweite Schalter (41) durch einen bipolaren Transistor mit einem mit dem Polarisierungswiderstand (38) verbundenen Kollektor, einem mit dem geschützten Ausgang (37) verbundenen Emitter und einer mit der Steuerspannung eines Spannungsteilers (44, 40) verbundenen Basis gebildet ist;

- wobei der Spannungsteiler (44, 40) einen ersten Widerstand (44) umfasst, der zwischen dem nicht geschützten Eingang (36) und der Basis des Transistors (41) angeschlossen ist, sowie einen zweiten Widerstand (40) umfaßt, dessen eines Ende mit der Basis des bipolaren Transistors (41) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

das andere Ende des zweiten Widerstands (40) mit dem geschützten Ausgang (37) verbunden ist, wobei der Spannungsteiler eine Steuerspannung liefert, die der Spannung zwischen dem nicht geschützten Eingang (36) und dem geschützten Ausgang (37) entspricht; so dass der erste Schalter (35) in geschlossenem Schaltzustand polarisiert ist, wenn die Spannung des niedrigwertigen Widerstands (39) geringer ist als eine erste, für die Polarisierungsspannung vorbestimmte Spannung, und automatisch in einen Begrenzungszustand übergeht, wenn die Spannung des niedrigwertigen Widerstands (39) nicht geringer als die erste, für die Polarisierungsspannung vorbestimmte Spannung ist, und dass der zweite Schalter (41) automatisch den Zustand ändert zwischen dem offenen Schaltzustand, wenn die Steuerspannung geringer ist als eine vorbestimmte zweite Spannung, und dem geschlossenen Schaltzustand, wenn die Steuerspannung größer ist als die zweite vorbestimmte Spannung, wobei der geschlossene Schaltzustand die Polarisierungsspannung wirksam verringert, um den ersten Schalter (35) im offenen Schaltzustand zu halten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste vorbestimmte Spannung die Differenz zwischen der Polarisierungsspannung (5) und der Schwellenspannung des FET ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite vorbestimmte Spannung die Schwellenspannung zwischen Basis und Emitter des Transistors (41) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, im weiteren dadurch gekennzeichnet, dass eine Zener-Diode (42) zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors (41) angeschlossen ist.

5. Medizinisches Gerät mit der Schutzvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das medizinische Gerät ein Herzschrittmacher mit einer Vielzahl von mit dem Herzgewebe verbundenen Sonden ist, so dass eine unidirektionale Schaltung zur Strombegrenzung in Reihe zu jeder Sonde geschaltet ist, wobei ihr geschützter Ausgang mit dem Herzschrittmacher verbunden ist.