FI110990B - Katetrin lämmityspiiri jatkuvaan sydämen minuuttitilavuuden mittaamiseen - Google Patents

Description

110990

KATETRIN LÄMMITYSBlIRI JATKUVAAN SYDÄMEN MINUUTTITILA-VUUDEN MITTAAMISEEN

KEKSINNÖN ALA

Esillä oleva keksintö liittyy kliiniseen sy-5 dämen minuuttitilavuuden (CO, Cardiac Output) mittaamiseen. Erityisesti keksinnön kohteena on uusi ja paranneltu lämmitysteholähde katetrin lämmitysvastuksen lämmittämiseksi.

10 KEKSINNÖN TAUSTA

Sydämen minuuttitilavuudella tarkoitetaan (CO, Cardiac Output) sydämen minuutin sisällä pumppaamaa verimäärää. Nykyinen vallitseva käytäntö kliinisessä sydämen minuuttitilavuuden mittauksessa on ns. 15 bolus-termodiluutio -menetelmä. Menetelmässä jäähdytettyä (tai huoneenlämpöistä) indikaattoriliuosta ruiskutetaan oikeaan sydänkammioon ja veren lämpötila mitataan alajuoksuun keuhkovaltimossa. Sydämen minuut-titilavuus voidaan laskea käyttämällä saatua veren 2 0 lämpöt ilakäyrää.

Bolus-termodiluutio -menetelmässä sydämen mi-nuuttitilavuus saadaan ainoastaan mittaushetkillä. Kuitenkin muita hemodynaamisia parametreja, kuten verenpainetta, sydämen minuuttitiheyttä ja veren happeu-25 tumista (blood oxygenation) , voidaan mitata jatkuvas- s ti. Jatkuvan sydämen minuuttitilavuuden mittaus täy- * dentäisi potilaan hemodynaamisen tilan reaaliaikaisen kuvan.

1960-luvulta lähtien on ollut lukuisia yri-30 tyksiä korvata indikaattoriliuoksen ruiskuttaminen lämmittämällä verta katetriin kiinnitetyllä resistii-visellä lämmittimellä, mutta mittauksen tarkkuus ja luotettavuus ovat olleet melko heikkoja. Viime vuosien aikana jatkuvia termodiluutio-menetelmiä on kehitetty 35 tasolle, jossa menetelmän kliinisen käytön luotetta vuus ja tarkkuus on mahdollinen, ja tällä hetkellä it- 110990 2 senäisiä monitorointilaitteita on kaupallisesti saatavana.

Kuitenkin jos kyseeseen tulee jatkuvan sydämen minuuttitilavuuden (CCO, Continuous Cardiac Out-5 put) mittauksen integrointi modulaariseen moniparamet-riseen potilasmonitoriin, eteen tulee useita huomioonotettavia seikkoja. Jatkuvassa sydämen minuuttitilavuuden mittauksessa tarvitaan tarkasti säädettävä teholähde veren lämmitystä varten ja tarkka veren lämpö-10 tilan mittaus keuhkovaltimossa.

US-patenteissa 5,594,375 ja 5,636,638 esitetään teholähde jatkuvaa sydämen minuuttitilavuuden mittausta varten. Esitetyn teholähteen ongelmana on kuitenkin se, että siinä on vähintään kaksi tehoastet-15 ta ja suuri määrä komponentteja. Nämä tekevät ratkaisun tehottomaksi käyttää ja vaikeaksi asentaa mittausjärjestelmien pienten koteloiden sisälle.

Integroimisen suurimmat haasteet liittyvät lämmitysteholähteeseen. Katetrin lämmitysvastuksen 20 lämmittäminen vaatii noin 12 - 15 watin maksimitehon ulostulossa. Jotta kammiovärinän riskiä vikatilanteissa voidaan pienentää, lämmitysteho syötetään katetriin 100 kHz:n siniaaltomuotöisenä. Koska tyypillinen modulaarisen potilasmonitorin mittausmoduuli kuluttaa vä-25 hemmän kuin kaksi wattia tehoa, koteloiden termiset ominaisuudet on mitoitettu vain mainitun suuruista tehohäviötä varten. Sen tähden, perustavaa laatua olevana ongelmana tällä hetkellä on kehittää lämmityspiiri, joka tuottaa lämmityssignaalin korkealla hyötysuhteel-30 la. Lisäksi moduulin sisällä oleva rajallinen tila asettaa lisärajoituksia elektroniikkasuunnittelulle.

Täten on olemassa lisääntyvä tarve lämmitys-piirille, joka syöttää lämmitysenergiaa katetrin läm-mitysvastukseen ja mahtuu annettuun pieneen tilaan. 35 Eräässä esimerkissä jatkuvan sydämen minuuttitilavuuden (CCO) mittauksen lämmitysmoduulin mitat ovat 107 mm x 87 mm 38 mm. Moduulin koko asettaa rajoja piiril- 3 110990 le ja käytetyille komponenteille, mutta vielä tärkeämpää on, että se asettaa rajoituksia lämmölle, joka voidaan ohjata moduulikoteloon.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on tuo-5 da esiin piiri, joka täyttää edellä esitetyt vaatimukset .

Lisäksi esillä olevan keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin lämmityspiiri, jolla on mahdollisimman korkea hyötysuhde, joka säästää useilta ongelmilta ja 10 kustannuksilta termisissä näkökohdissa.

Lisäksi esillä olevan keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin lämmityspiiri, joka sisältää mahdollisimman pienen komponenttimäärän ja jota voidaan käyttää aikaisemmin mainittujen pienikokoisten moduulien 15 yhteydessä.

Keksinnön tunnusomaisten ominaispiirteiden osalta viitataan patenttivaatimuksiin.

KEKSINNÖN YHTEENVETO

20 Esillä oleva keksintö koskee lämmitysteholäh- dettä, joka olennaisesti lievittää yhtä tai useampaa tunnetun tekniikan rajoitusta ja haittaa.

Esillä oleva keksintö liittyy katetrin lämmi-tyspiiriin jatkuvaa sydämen minuuttitilavuuden (CCO, 25 Continuous Cardiac Output) mittausta varten. Piiri käsittää DC-teholähteen piirin käyttöjännitteen tuottamiseksi. Keksinnössä lämmityspiirin tuottama lämmitys-teho syötetään katetriin suojaerotusmuuntajan kautta. Erotus on sinänsä tunnettua tekniikka eikä sitä kuvata 30 tarkemmin. Esillä olevan keksinnön mukaisesti lämmityspiiri edelleen käsittää välineet muuttuvakäyttöjaksoisen bipolaarisen suorakaideaallon muodostamiseksi, joka suorakaideaalto syötetään mainittuun suojaerotus-muuntajaan ja edelleen katetrin lämmitysvastukseen. 35 Katetrin lämmitystehoa hallitaan säätämällä bipolaarisen suorakaideaallon käyttöjaksoa (duty cycle).

110990 4 Täten esillä oleva keksintö tuo esiin helpon tavan toteuttaa lämmityspiiri, joka täyttää edellä mainitut vaatimukset.

Esillä olevan keksinnön eräässä sovelluksessa 5 mainitut bipolaarisen suorakaideaallon muodostamisvälineet käsittävät siltapiirin, joka muodostuu neljästä on/off-kytkimestä ja siltakontrollerista, joka on yhdistetty mainittuun siltapiiriin mainittujen siltojen tilojen ohjaamiseksi etukäteen määritellyn ohjaussuun-10 nitelman mukaisesti. Kytkimet ovat esimerkiksi MOSFET-transistoreita, joita ohjataan ohjaussignaaleilla, joiden vaihesiirtoa voidaan säätää. Siltakontrolleri on esimerkiksi mikrokontrolleri, joka on ohjelmoitu lämmityspiirin erityistarpeiden mukaan. Siltakontrol-15 leri on edullisesti yhdistetty DC-teholähteeseen teholähteen ulostulojännitteen mittaamista varten. Tämän mittauksen avulla kontrolleri voi ottaa huomioon käyttöjännitteen muutokset ja muutosten perusteella ohjata siltaa.

20 Esillä olevan keksinnön eräässä sovelluksessa lämmityspiiri käsittää suodatinpiirin perustaajuuden lähellä olevien yläpuolisten harmonisten taajuuksien suodattamiseksi, joka suodatinpiiri on mainitun silta-piirin ja suojaerotusmuuntajan välissä. On olemassa 25 ei-toivottuja 100 kHzrn perustaajuuden lähellä olevia harmonisia taajuuksia, ja siksi suodatinpiiri, joka on edullisesti LC-suodatin, on optimoitu antamaan jyrkimmän siirtymän päästökaistalta estokaistalle. Eräs esimerkki tällaisesta suodattimesta on Chebyshev-30 suodatin, joka tuottaa jyrkän siirtymän samalla pitäen suodatinrakenteen yksinkertaisena, jolloin tarvitaan vain minimaalinen määrä suurikokoisia passiivisia suo-datinkomponenttej a.

Sydämen sisällä tapahtuva veren lämmitys on 35 erittäin turvallisuuskriittinen toimenpide. Lämmitys- vastuksen ylikuumennus voi aiheuttaa vahinkoa sydämelle, mikä voi olla kohtalokasta. Tämän vuoksi lämmitys- 5 110990 elektroniikalla täytyy olla itsenäinen valvonta, joka pystyy katkaisemaan lämmittämisen yksittäisen ohjelmisto- tai laitteistovian sattuessa. Siten eräässä esillä olevan keksinnön sovelluksessa lämmityspiiri 5 käsittää mittauspiirin katetriin syötetyn tarkan teho-tiedon mittaamiseksi. Mittauspiiri voi sisältää myös turvallisuuskytkimen, joka kytkee katetrin lämmitys-vastukseen syötetyn käyttöjännitteen pois päältä vikatilanteessa, esimerkiksi kun lämmitysvastus ylikuume-10 nee.

Esillä olevan keksinnön eräässä sovelluksessa lämmityspiiri käsittää takaisinkytkentäpiirin katetriin syötetyn tarkan tehotiedon antamiseksi siltakont-rollerille. Takaisinkytkentä otetaan edullisesti suo-15 jaerotusmuuntajan kelluvalta puolelta digitaalisesti isolaatiopiirillä, joka on esimerkiksi optoisolaatto-ri. Digitaalinen tieto ei kärsi komponenttien toleransseista, joten siltakontrolleri voi hienosäätää ohjaussignaalin tarkan tehotiedon mittauksen mukaan. Ta-20 kaisinkytkentää voidaan käyttää myös turvallisuustoiminnoissa tehonsyötön katkaisemisessa, jos katetrin lämmitysvastus on rikki tai ylikuumentunut. Jos lämmi-tysvastuksen lämpötila ylittää ennalta määrätyn rajan, lämmitystehoa pienennetään tai se kytketään pois pääl-25 tä. Lämmitystehoa pienennetään myös, jos virtaus on alhaisempi kuin ennalta määrätty raja.

Eräässä keksinnön sovelluksessa lämmitysvas-tuksen lämpötilaa valvotaan mittaamalla katetriin syötettyä jännitettä ja virtaa. Lämmitysvastuksen resis-30 tanssi lasketaan mitatuista virrasta ja jännitteestä. Koska lämmitysvastuksen resistanssi vaihtelee lammi-tysvastuksen lämpötilan mukaan, lämpötila voidaan laskea, kun resistanssi tiedetään.

Esillä olevan keksinnön etuna on, että sää-35 dettävä AC-käyttöjännite tuotetaan yhdessä tehoasteessa. Käyttöjännite voidaan tuottaa käyttämällä ei-säädettävää DC-teholähdettä, mikä vähentää tarvittavaa 110990 6 tehoelektroniikkamäärää. Tämä tekee piiristä tehokkaamman, pienentää piirin kokoa ja alentaa hintaa. Lisäksi suojaerotusmuuntajan kellumattomalla puolella tapahtuva AC-signaalin muodostamisen riippumaton ohja-5 us ja mainitun muuntajan kelluvalla puolella tehtävä amplitudimittauksen riippumaton ohjaus nostaa potilasturvallisuutta .

KUVALUETTELO

10 Hakemukseen liitetyt kuvat, jotka ovat sisäl lytetty mukaan tuottamaan lisäymmärrystä keksinnöstä ja jotka muodostavat osan selityksestä, havainnollistavat esillä olevan keksinnön suoritusmuotoja ja yhdessä selitysosan kanssa auttavat selittämään keksin-15 non perusperiaatteita. Kuvissa: kuva 1 esittää kaaviopiirrosta lämmityspii-ristä erään esillä olevan keksinnön sovelluksen mukaisesti, kuva 2 esittää ohjaussignaalien ajoituspiir-20 rosta kuvan 1 mukaisen lämmityspiirin siltapiirille erään esillä olevan keksinnön sovelluksen mukaisesti, ja kuva 3 esittää lohkokaaviota lämmitysmoduu-lista, joka käsittää lämmitystehopiirin erään esillä 25 olevan keksinnön sovelluksen mukaisesti.

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN SELOSTUS

Seuraavassa viitataan yksityiskohtaisesti esillä olevan keksinnön sovelluksiin, joista on ha-30 vainnollistettu esimerkkejä hakemukseen liitetyissä kuvissa.

Kuva 1 esittää erään keksinnön sovelluksen mukaisen siltapiirin 2 ja kuva 2 esittää siltakontrol-lerilta 3 (kuva 3) tulevia ohjaussignaaleja, joita 35 käytetään aaltomuodon generoinnissa. Sillan molempia puolia (Ml, M3 ja M2, M4) ohjataan itsenäisesti sig- 7 110990 naaleilla BRDG_L ja BRDG_R. Ohjaussignaalit alempiin MOSFET-transistoreihin M3, M4 muodostetaan invertoimalla ylemmille MOSFET-transistoreille Ml, M2 menevät ohjaussignaalit. Invertterit INV1 ja INV2 tekevät in-5 vertoinnin. Tällä tavoin ylemmät Ml, M2 ja alemmat MOSFET-transistorit M3, M4 eivät koskaan johda samanaikaisesti. Samanaikainen johtaminen johtaisi oikosulkuun käyttöjännitteen ja maan välillä.

Kuten kuva 2 esittää, molempia sillan puolia 10 ajetaan 100 kHz-.n ja 50%:n käyttöjakson suorakaideaal-loilla, mutta on ilmeistä alan ammattimiehelle, että myös muita taajuuksia ja käyttöjaksoja voidaan käyttää. Säätämällä sillan puolikkaiden ohjaussignaalien välistä vaihesiirtoa bipolaarisen ulostuloaaltomuodon 15 käyttöjaksoa voidaan säätää. Tämän tarkemmaksi kuvaamiseksi kuvan 1 piirin toimintaa selitetään tarkemmin.

Kuvan 2 aaltomuotojen alkuosassa sillan vasen puoli Ml, M3 ajetaan ulostulo jännitteeseen Vsilta pisteessä Vj ja sillan oikea puoli M2, M4 ajetaan ulostu-20 lojännitteeseen nolla pisteessä V2. Tämä johtaa differentiaaliseen jännitteeseen +VBilta LC-suodattimen yli. Hetkeä myöhemmin, sillan oikean puolen ulostulo on myös jännitteessä +Vsllta, ja differentiaalinen jännite LC-suodattimen yli tulee nollaksi. Seuraavaksi vasen 25 puoli saatetaan nollaan, mikä johtaa -Vsllta-jännitteeseen LC-suodattimen yli. Jakso suoritetaan loppuun, kun sillan oikea puoli saatetaan nollaan, mikä tuo differentiaalisen kuormajännitteen taas nollaan .

30 Siltapiiri 2 tarjoaa matalan lähdeimpedanssin kaikilla edellä mainituilla tasoilla. Kun kuorman yli on differentiaalinen jännite, virtapiiri koostuu ylemmän puolen MOSFET-transistorista M2, LC-suodattimesta 4, muuntajasta T ja alemman puolen transistorista M4.

35 Kun sillan molemmat puolet tuodaan nollaan volttiin, virtapiiri koostuu alemman puolen MOSFET-

transistorista M3, LC-suodattimesta 4, muuntajasta T

110990 8 ja alemman puolen transistorista M4. Kun molemmat puolet tuodaan korkeiksi, virtapiiri koostuu ylemmän puolen MOSFET-transistorista Ml, LC-suodattimesta 4, muuntajasta T ja ylemmän puolen transistorista M2.

5 Kytkentäperiaate tuottaa oikean differentiaa lisen jännitteen LC-suodattimen 4 yli. Siellä on kuitenkin suuri yhteismuotoinen signaali, joka ei ole toivottu kuormassa (katetrin lammitysvastus). Tämän takia tarvitaan muuntajaa poistamaan yhteismuotoinen 10 signaali kuormasignaalista (muuntajaa tarvitaan joka tapauksessa potilaan eristämiseksi ja impedanssin sovittamiseksi) .

Lämmityssignaali on 100 kHz:n sinisignaalia, jota syötetään katetriin säädettävällä tehotasolla. 15 Lämmityssignaalia kytketään päälle ja pois määräajoin mittausalgoritmin mukaisesti. 100 kHz:n sinisignaalia käytetään, koska sydänsolut eivät reagoi korkeataajui-seen virtaan, jos katetri sattuu rikkoutumaan ja lämmityssignaali johdetaan sydämeen.

20 Ulostulevan sinisignaalin amplitudi riippuu bipolaarisen suorakaideaallon käyttöjaksosta. Amplitudia vaihdetaan, kun sillan DC-jännitettä muutetaan tai kun bipolaarisen suorakaideaallon käyttöjaksoa muutetaan. Käyttöjakson muuttaminen tuottaa välineet kuor-25 maan ohjatun tehon hallitsemiseksi. Sillan ohjaamiseen käytetty muuttuvavaihesiirtoinen suorakaideaalto on helppo tuottaa mikrokontrollerilla. Koska sillalle tuleva DC-jännite ei ole säädettävä, tarvitaan välineet käyttöjännitteen'vaihtelujen kompensoimiseksi.

30 Kuva 3 esittää katetriin syötettävän ulostu- lotehon säätämiseen käytettävää takaisinkytkentäpiiriä 6. Mikrokontrolleri 3 luo sillalle 2 syötettävän ohjaussignaalin. Mikrokontrolleri 3 mittaa sillalle 2 tulevaa käyttöjännitettä ja säätää sillan ohjaussignaa-35 lia käyttöjännitteen perusteella. Johtuen MOSFET-transistoreiden, LC-suodattimen 4 ja muuntajan kompo-nenttitoleransseista ja termisistä vaihteluista, mit- 9 110990 tauspiirillä 5 käyttöjännitteen mittauksen perusteella tehtävä säätäminen yksistään ei tule saavuttamaan tarvittavaa 1% tarkkuutta. Tämän vuoksi takaisinkytkentä otetaan elektroniikan kelluvalta puolelta, jolloin mi-5 tataan katetriin syötettyä tehon tarkkaa arvoa. Tämä tieto lähetetään siltakontrollerille digitaalisesti optoisolaation 6 kautta. Digitaalinen tieto ei kärsi komponenttien toleransseista, joten siltaohjain voi hienosäätää ja ohjata signaalia tarkan tehomittaustie-10 don perusteella. Mittauspiiri 5 sisältää myös turval-lisuuskytkimen 8, jolla voidaan tarvittaessa kytkeä lämmitysteho pois päältä. Turvallisuuskytkin 8 voi olla myös itsenäinen laite, mutta tässä sovelluksessa sitä kuvataan yhdessä mittauspiirin 5 kanssa.

15 Alan ammattimiehelle on ilmeistä, että tek niikan kehittyessä esillä olevan keksinnön perusidea voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintöä ei siten rajata pelkästään edellä esitettyjä sovellusesimerkkejä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia 20 pysyttäessä patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (11)

110990

1. Katetrin lämmityspiiri jatkuvaa sydämen minuuttitilavuuden mittausta varten, joka lämmityspiiri käsittää 1-puolisen DC-teholähteen (DC), jossa läm- 5 mityspiirissä lämmityspiirin lämmitysteho syötetään katetriin suojaerotusmuuntajan kautta, tunnettu siitä, että lämmityspiiri edelleen käsittää: DC-teholähteen (DC) ja suojaerotusmuuntajan (T) välissä olevan alipiirin (1) muuttuvakäyttöjaksoisen 10 bipolaarisen suorakaideaallon muodostamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen katetrin lämmityspiiri, tunnettu siitä, että välineet (1) muuttuvakäyttöjaksoisen bipolaarisen suorakaideaallon muodostamiseksi käsittävät: 15 siltapiirin (2), joka koostuu neljästä of/off- kytkimestä (Ml, M2, M3, M4), ja siltakontrollerin (3), joka on yhdistetty mainittuun siltapiiriin (2) siltojen tilojen ohjaamiseksi etukäteen määritellyn ohjaussuunnitelman mukaisesti.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen katetrin lämmityspiiri, tunnettu siitä, että mainittu lämmityspiiri edelleen käsittää: suodatinpiirin (4), joka on yhdistetty joko mainitun siltapiirin (2) ja suojaerotusmuuntajan (T) väli- 25 seen kellumattomaan puoleen tai suojaerotusmuuntajan (T) ja katetrin väliseen kelluvaan puoleen.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen katetrin lämmityspiiri, tunnettu siitä, että mainittu lämmityspiiri edelleen käsittää: 30 mittauspiirin (5) katetriin syötetyn tarkan teho- tiedon mittaamiseksi.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen katetrin lämmityspiiri, tunnettu siitä, että mainittu lämmityspiiri edelleen käsittää: 35 takaisinkytkentäpiirin (6) katetriin syötetyn tar kan tehotiedon antamiseksi mainitulle siltakontrolle-rille (3). 110990

6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen katetrin lämmityspiiri, tunnettu siitä, että mainittu sil-takontrolleri (3) on yhdistetty mainittuun DC-teholähteeseen (DC) DC-teholähteen ulostulojännitteen 5 mittaamiseksi.

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen katetrin lämmityspiiri, tunnettu siitä, että mainittu ta-kaisinkytkentäpiiri (6) käsittää isolaattoripiirin (7) mainitun katetriin syötetyn tarkan tehotiedon gal- 10 vaaniseksi erottamiseksi.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen katetrin lämmityspiiri, tunnettu siitä, että mainittu iso-laattoripiiri (7) on optoisolaattori.

9. Patenttivaatimuksen 2 mukainen katetrin 15 lämmityspiiri, tunnettu siitä, että mainittu sil- takontrolleri (3) koostuu mikrokontrollerista ja mahdollisesta tukipiiristä.

10. Patenttivaatimuksen 2 mukainen katetrin lämmityspiiri, tunnettu siitä, että mainittu läm- 20 mityspiiri edelleen käsittää turvallisuuskytkimen (8) lämmitystehon poiskytkemiseksi tarvittaessa.

11. Patenttivaatimuksen 2 mukainen katetrin lämmityspiiri, tunnettu siitä, että mainitun sil-tapiirin (2) kahta puolta (Ml ja M3; M2 ja M4) ohja- 25 taan identtisillä suorakaideaalloilla, joiden välistä vaihesiirtoa voidaan säätää. 110990