JP2008514331A - 経皮ペーシングのためのスイッチモード電源を有する除細動器 - Google Patents

Abstract

除細動エネルギー及びペーシングエネルギーの両方を患者へ供給する除細動器について記載する。除細動エネルギーを伝送する際に、電気エネルギーは充電キャパシタによって蓄積され、次に、蓄積されたエネルギーは、除細動パルスを患者へ供給するよう患者へ結合される。ペーシングエネルギーを患者へ伝送するために、電気エネルギー回路は、充電キャパシタによってフィルタ処理されて、ペーシングエネルギーとして患者へ伝送される電気エネルギーを発生させる。患者へ伝送されるペーシングエネルギーの大きさは、制御器によって監視される。制御器は、適切なペーシングエネルギーを患者へ供給するために、ペーシングエネルギーの大きさに基づいて電気エネルギーの発生を調整する。

Description

本発明は、概して、治療的電気エネルギーを患者へ伝送するための装置及び方法に関し、更に具体的には、除細動エネルギー及びペーシングエネルギーの両方を患者へ伝送するための装置に関する。

日に、数千のアメリカ人が、心臓緊急状態の犠牲となる。心臓緊急状態は、しばしば如何なる心臓疾患の病歴も持たない人々を襲うように、通常何の警告もなしに襲ってくる。最も一般的な心臓緊急状態は、突然の心臓停止（ＳＣＡ）である。毎日１０００人以上の人々が米国だけでＳＣＡの犠牲となっていると推定される。ＳＣＡは、心臓が血液の送り出しを停止する場合に起こる。通常、ＳＣＡは、心臓における異常な電気的動作に起因し、異常なリズム（不整脈）を生じさせる。一つのこのような異常なリズム、心室細動（ＶＦ）は、心臓における異常且つ極めて速い電気的動作によって引き起こされる。ＶＦの間、心臓は、有効に血液を送り出すことができない。血液は、ＶＦの間、もはや有効に送り出されないので、生き残る機会は、緊急状態の開始の後、時間とともに減少する。脳損傷は、脳が４〜６分の間酸素を奪われた後に起こり得る。ＶＦは、除細動器の使用により患者の心臓に電気ショックを加えることによって処置される。ショックは、自然発生的に組織化された心筋脱分極及び規則的な心臓の鼓動が再開されるよう、臨界量の心筋細胞を消極することによって（「除細動」と呼ばれるプロセスで）異常な電気的動作の心臓を治す。

例えば、徐脈（心拍を遅くすること。）及び頻脈（心拍を速くすること。）などの、概して即座には生命に危険を及ぼさない他の形式の異常な心臓リズムは、低電圧ペーシングパルスにより処置されうる。低電圧ペーシングパルスは、心臓の自然なペースメーカを手伝う。除細動器とは異なり、心室細動を中断させる必要がある通常は短い間隔で数千ボルトのパルスを印加する。ペーシングパルスは、持続する時間期間に亘って、より一層低い電圧レベルで、概して連続的に印加される。従って、より低い電圧にある長いパフォーマンス期間の間ペースメーカに置かれる要求は、より一層高い電圧レベルにある除細動器の非同期パフォーマンス期間とは相反する。心臓に電気治療を提供する２つの装置の同様の機能は、複合除細動／ペースメーカモニタを魅力的なものとし、電圧レベル、エネルギー使用、及び含まれる時間フレームの異なる特性は、概して、２つの機能について別個の回路を有する複合装置をもたらす。このような別個の回路の使用は、複合除細動器／ペースメーカモニタの重さ、大きさ、及び費用を必然的に増大させる。例えば、現在利用可能なペーシング能力を有する除細動器は、通常、高電圧除細動パルス及びより低いエネルギーのペーシングパルスの夫々に対して１つずつとなるよう、２つの電源と、２つのキャパシタと、２つの制御機構を有する。

このような障害にも関わらず、複合的な除細動及びペーシング特性を有する相当に小型なモニタが開発されてきた。例えば、除細動及びペーシングの両方の特性を有する小型装置は、ライデ氏による米国特許整理番号６，１０４，９５３号に記載される。この特許文献に記載されるように、単一電源は、ペーシング又は除細動のいずれか一方のエネルギーの伝送のために用いられる。記載された一実施例に従って、除細動器は、電源と、キャパシタと、キャパシタから患者へ高電圧除細動パルス又はより低い電圧のペーシングパルスのいずれか一方を伝送するよう制御する制御回路とを有する。除細動モードでは、例えばＧＴＯ又はＩＧＢＴ等の半導体が、高電圧除細動パルスの発生の間はスイッチとして動作する。ペーシングモードでは、キャパシタが、例えば１００〜３００ボルトといった所定の電圧レベルへ充電され、キャパシタによって蓄えられたエネルギーは、患者へ印加される（１０〜２００ｍＡの範囲にある）ペーシング電流を制限する制御手段として線形モードで動作する半導体デバイスを介して伝送される。検知回路は、伝送されるペーシング電流を検知するために必要とされ、制御回路は、所望の電流の連続印加のために半導体デバイスを制限するよう検知された電流に応答する。
米国特許整理番号６，１０４，９５３号

例えば上記特許文献に記載される除細動器などでの線形増幅器設計の使用は、ほとんどの患者にペーシング電流の効率的でない伝送をもたらす。結果として、ペーシング目的のためにキャパシタを充電するためのエネルギーを供給する電池の寿命は、妥協される。従って、より効率的な方法で除細動又はペーシングのいずれか一方のパルスを伝送する能力を有し、且つ、複合システムの大きさ、重さ及び費用を低減するように大きな回路共通性を有するシステムが必要とされる。

本発明は、患者へ除細動パルス又はペーシング電流波形を伝送することができる除細動器を対象とする。表される実施例では、充電回路は、高電圧除細動パルスの伝送のために高電圧蓄積回路を充電する。ペーシングモードでは、充電回路の動作は、ペーシングのために必要とされるより低い電圧へと蓄積回路を充電するよう制御され、蓄積回路は、充電電流をフィルタ処理するよう機能する。ペーシング電流は、充電回路の動作を制御する低電圧測定回路によって検知される。従って、システム構成要素の多数は、両方の動作モードで使用され、これにより、別個の除細動及びペーシング回路の必要性を低減する。

図１は、本発明の実施例が利用されうるところの除細動器１００を表す。除細動器１００は、電極コネクタ１２０及び電極１２２を介して患者へ電気エネルギーのパルスを伝送する能力を有する治療伝送システム１１２を有する。以下で更に詳細に説明するように、治療伝送システム１１２は、高電圧除細動パルス又は、より低い電圧ペーシング電流を患者へ伝送することができる。除細動器１００は、例えば取り外し可能な電池１１６のようなエネルギー源によって電源を供給される電源１１４を更に有する。電源１１４は、治療伝送システム１１２へ、更には除細動器１００の他の構成要素へ電力を供給する。除細動器１００の様々な構成要素の動作を制御するマイクロプロセッサ１１８も、除細動器１００に含まれる。

制御器１２６は、マイクロプロセッサ１１８へ結合され、除細動器１００の他の構成要素にマイクロプロセッサ１１８を相互接続する。制御器１２６は、また、除細動器１００のユーザインターフェース制御及び内部機能の多数を含む除細動器機能の多数を制御する。制御器１２６は、ゲートアレー、カスタムアプリケーション向け集積回路（ＡＳＩＣ）、又は他の制御論理アーキテクチャ、及びこれらのいずれかの組合せとして実施されうる。別個の制御器１２６を設けることは、マイクロプロセッサ１１８が他のタスクに集中することを可能にする。除細動器の代替の実施例において、制御器１２６の機能性は、マイクロプロセッサ１１８によって実行される動作に含まれても良く、あるいは、ディスクリート論理回路又は別個の専用プロセッサによって置換されても良い。制御器１２６へ結合された心電図（ＥＣＧ）回路１２４は、電極１２２を介して患者のＥＣＧ信号を取得して処理し、その信号を制御器１２６を介してマイクロプロセッサ１１８へ送る。

除細動器１００は、メモリデバイス１３０（例えば、着脱可能なパーソナルコンピュータメモリカード国際協会（ＰＣＭＣＩＡ）カード、セキュア・デジタル・カード、又はフラッシュメモリ。）と、例えば、マイクロフォン１３２、オーディオスピーカ１３４、ＬＣＤ表示パネル１３６、及び一組のプッシュボタンコントロール１３８などのユーザインターフェース構成要素とを更に有する。当業者には理解されうるように、多数の他の構成要素が除細動器１００に含まれる。例えば、これらには、システムモニタ及び関連するステータスインジケータ等がある。しかし、これらは、本発明の実施例を不必要に不明瞭とすることを防ぐために図１に示されない。

図２は、本発明の実施例に従う治療伝送システム１１２の高度な機能ブロック図である。この実施例において、電源は、電池１１６へ結合された高電圧（ＨＶ）充電器回路２０２を有する。ＨＶ充電器回路２０２は、望ましくは、フライバック変圧器構成を有するスイッチモード電源である。このようなＨＶ充電器回路の一例は、参照することによって本願に援用される、「Ｓｙｓｔｅｍ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ Ｃｈａｒｇｉｎｇ ａ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｗａｖｅｆｏｒｍ（定周波電流波形によってキャパシタを充電するためのシステム及び方法）」と題されたブリンク氏による米国特許整理番号６，４１７，６４９号に記載される。除細動器１００が除細動エネルギーを患者へ供給するよう除細動モードにある場合に、ＨＶ充電器回路２０２は、制御器１２６（図１）によって発生した充電制御命令２０８に応答して治療伝送システム１１２のキャパシタ２０４を充電する。充電キャパシタ２０４は、患者へ伝送されるべき高電圧除細動エネルギーを蓄えるために、１又は複数のキャパシタを有する。望ましくは、充電キャパシタは、１１００〜１３００ジュールの除細動エネルギーの伝送のために、２，０００ボルト超まで充電される。充電伝送スイッチ２０６は、制御器１２６からのショック制御信号２１０に応答して、電極１２２Ａ及びＢへ除細動パルスを伝送する。

ＨＶ充電器回路２０２は、更に、充電伝送スイッチ２０６を介してペーシング電流を供給する能力を有する。以下で更に詳細に説明するように、充電キャパシタ２０４は、ＨＶ充電器回路２０２がペーシング電流を供給するところのペーシングの間は、フィルタとして用いられる。ペーシングの間のＨＶ充電器回路２０２及びキャパシタ２０４の電流出力は、測定回路２１２によって監視される。測定回路２１２は、ペーシング電流の大きさを示す検知信号２１４を供給する。検知信号２１４は、制御器１２６へ供給される。次に、制御器１２６は、所望のレベルのペーシング電流を発生させるようＨＶ充電器回路２０２の出力を調整する。測定回路２１２は、制御器１２６へ結合されており、検知信号２１４が（ペーシングの間に）供給されるべきか、又は測定回路２１２が（除細動の間に）バイパスされるべきかを制御する測定制御信号２１６を受信する。

図３は、本発明の実施例に従う除細動及びペーシングシステムの回路ブロック図である。ＨＶ充電器回路２０２は、電源制御回路３２４へ接続された一次コイルＬ１を有するフライバック変圧器３２２を有する。電源制御回路３２４は、電池１１６へ接続されている。電池１１６は、直流電流の発生源として機能する。電源制御回路３２４は、変圧器３２２の一次コイルＬ１の両端に制御可能なデューティーサイクルの交流電流信号を供給する、如何なるよく知られた電力スイッチ回路であっても良い。通常、電源制御回路は、変圧器３２２の一次コイルＬ１へ一連の電流パルスを印加する、接地に対する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチ（図示せず。）を有する。スイッチは、一次コイルＬ１の両端に所望のデューティーサイクルの交流電流信号を生じさせるよう制御器１２６によって制御される。フライバック変圧器３２２は、変圧器の出力（二次コイルＬ２）で、より高い電圧交流信号へと電圧を高める。変圧器３２２の二次コイルＬ２へ結合されたダイオード３１８は、二次コイルＬ２で発生した交流信号を整流し、ＨＶ充電器回路２０２によって発生した一連の正電流パルスを得る。充電キャパシタ２０４は、ＨＶ充電器回路２０２の出力の両端に結合され、除細動の間は充電され、一方、ペーシングの間はフィルタキャパシタとして用いられる。充電伝送スイッチ２０６は、制御器１２６によって発生した１又はそれ以上のショック制御信号２１０（図２）に応答して、充電キャパシタ２０４を電極１２２Ａ及び１２２Ｂへ接続する。図３で表される実施例において、充電伝送スイッチ２０６は、充電キャパシタ２０４を電極１２２Ａ及び１２２Ｂへ電気的に結合するＨブリッジとして実施される。

本発明の代替の実施例では、充電伝送スイッチ２０６の代替設計が用いられうる。表される実施例におけるＨブリッジは、充電キャパシタ２０４と電極１２２Ａ及び１２２Ｂとの間の電気的接続を制御するためのスイッチ３０２、３０４、３１０及び３１２を有する。当然のことながら、充電伝送スイッチ２０６のＨブリッジは、例えば、電極１２２へ単相又は二相除細動パルスを印加するために制御されうる。

ＨＶエネルギー回路２０２によって発生する正電流パルスは、当該技術において知られるように、正電流パルスが充電キャパシタ２０４へ連続的に印加される場合に実質的に安定な電流フローを放電又は供給する前に、高電圧レベルへキャパシタ２０４を充電するために使用されうる。ＨＶ充電器回路２０２によって高電圧レベルへとキャパシタを充電することは、患者へ除細動エネルギーを伝送するために行われる。ＨＶ充電器回路２０２は、また、ペーシング電流を供給するために用いられ、その場合に、充電キャパシタ２０４はフィルタキャパシタとして作動する。ペーシング電流を供給する場合に、制御器１２６は、測定回路２１２によって制御器へ供給される検知信号２１４の大きさを基に、変圧器３２２の一次コイルＬ１の両端に印加される電流パルスのデューティーサイクルを調整することによって、ＨＶエネルギー回路２０２の電流出力を制御する。測定回路２１２は、一対の直列結合された抵抗３３０、３３２と、充電キャパシタ２０４及び充電伝送スイッチ２０６の間に並列に結合されたＭＯＳＦＥＴスイッチ３４０とを有する。スイッチ３４０は、ＦＥＴのソースとドレインとの間に結合されたダイオードを有するＦＥＴデバイスであるように図３では示される。しかし、代替のスイッチ設計が、本発明の技術的範囲を逸脱することなく使用されうる。抵抗３３０及び３３２は、測定回路のＦＥＴデバイス及び電流検知抵抗の夫々の両端に最小負荷を提供する。測定回路２１２は、低電圧ペーシング電流が生成されるところのペーシングの間にしか有効である必要がないので、測定回路は、有利に、全体として低電圧部品により構成されうる。

除細動エネルギーの印加の間に、制御器１２６は、抵抗３３０、３３２をバイパスするようスイッチ３４０を作動させる。しかし、ペーシング電流の印加の間は、制御器はスイッチ３４０を開き、検知のためにリターン電流を抵抗３３０、３３２に流す。電圧測定は、患者へ伝送されるペーシング電流の大きさを計算するために使用されうる値を制御器１２６に供給するよう測定ノード３３４で行われる。先に述べたように、測定に基づいて、制御器１２６は、フライバック変圧器の駆動信号のデューティーサイクル、ひいてはＨＶ充電器回路２０２の出力電流を調整するよう電源制御回路３２４を制御することができる。

動作において、除細動パルスが患者へ伝送されるべきと決定した後、充電キャパシタ２０４は、適切なレベルの除細動エネルギーを伝送することができるほど十分な高電圧へと充電される。除細動エネルギーは、単相又は二相パルスの形で伝送されうる。先に述べたように、図３に表される充電伝送スイッチ２０６の実施例は、電極１２２Ａ及び１１２Ｂへ単相又は二相除細動パルスを印加するよう制御器１２６によって制御されうる。例えば、充電キャパシタ２０４から電極１２２Ａ及び１２２Ｂへ二相パルスを印加するよう、スイッチ３０２及び３１２は閉じられ、スイッチ３０４及び３１０は開かれる。これは、電極１２２Ａをキャパシタ２０４へ、及び電極１２２Ｂを接地へ接続する。次に、除細動パルスの極性を反転させるために、電極１２２Ａを接地へ、電極１２２Ｂを充電キャパシタ２０４へ接続するよう、スイッチ３０２及び３１２は開かれ、スイッチ３０４及び３１０は閉じられる。

除細動器１００がペーシング電流を伝送するために用いられる場合に、制御器は、制御器１２６が検知抵抗３３２の両端の電圧降下、ひいては患者（患者インピーダンス）へ伝送されるペーシング電流の大きさを決定することができるようにスイッチ３４０を開き、スイッチ３０２及び３１２は閉じられ、スイッチ３０４及び３１０は開かれて、電流が一方向で患者を通り抜けることを可能にする。制御器１２６は、更に、ＨＶ充電器回路２０２によって出力される電流パルスが適切なペーシング電流を供給することができるほどに十分であるように、電源制御回路３２４を制御する。充電キャパシタ２０４は、ＨＶ充電器回路２０２によって出力されたパルス電流を平滑化するようフィルタキャパシタとして動作する。実質的ＤＣペーシング電流が患者へ伝送される場合に、電流の大きさは測定回路２１２を用いて制御器１２６によって監視される。患者へ伝送されるペーシング電流の大きさが適切であるよりも多い又は少ない場合に、制御器１２６は、然るべくＨＶエネルギー回路２０２によって出力されるパルス電流を調整するよう、電源制御回路３２４のデューティーサイクルを制御する。低い患者インピーダンスに関しては、低いデューティーサイクルがより高いペーシング電流を発生させるために用いられ、より高い患者インピーダンスに関しては、より高いデューティーサイクルがより高いペーシング電流を発生させるために用いられる。実際には、除細動のために用いられる回路は、ペーシング機能を提供するために、制御器１２６内の適切な制御ソフトウェア及び低電圧測定回路２１２によって拡大される。

図３に示される実施例では、充電伝送スイッチ２０６は、同様にペーシング電流を反転させ、それによって電極１２２Ａ及びＢで引き起こされる如何なるオフセット電圧をも低減させるために用いられうる。例えば、高エネルギー、短存続期間のペーシングパルスは、スイッチング素子３０２及び３１２をオンにすることによって一方向で伝送され、その後、電圧がより低く、存続期間がより長い第２のペーシングパルスがスイッチング素子３０４及び３１０をオンにすることによって逆方向で伝送されうる。ペーシング電流波形は、望むように両極性又は二相性でありうる。

本発明の実施例が利用されうるところの除細動器の機能ブロック図である。 本発明の実施例に従うエネルギー伝送システムの機能ブロック図である。 本発明の実施例に従う図２に表されたエネルギー伝送システムの回路図である。

Claims (20)

1. 除細動モード及びペーシングモードを有する治療装置であって：
   電源；
   キャパシタンス回路；
   該キャパシタンス回路を除細動電圧レベルへと変化させるよう前記除細動モードで動作可能であり、前記電源へ結合された制御可能充電回路；
   患者電極；
   前記キャパシタンス回路及び前記患者電極へ結合され、前記除細動モード及び前記ペーシングモードで前記キャパシタンス回路から前記患者電極へエネルギーを伝送するエネルギー伝送回路；
   ペーシング制御信号を発生させるために前記ペーシングモードの間に伝送されたエネルギーに応答する測定回路；及び
   前記充電回路へ結合され、前記ペーシング制御信号に応答して、前記ペーシングモードでペーシング電流を発生させるために前記充電回路を制御するよう作動する制御回路；
   を有する治療装置。
2. 前記キャパシタンス回路は、前記ペーシングモードで前記ペーシング電流をフィルタ処理するよう動作可能である、請求項１記載の治療装置。
3. 前記制御回路は、前記充電回路のデューティーサイクルを制御するよう作動する、請求項１記載の治療装置。
4. 前記制御回路は、出力信号を発生させるために入力信号に応答する変圧器を有し、
   前記制御回路は、前記変圧器の入力信号のデューティーサイクルを制御するよう作動する、請求項３記載の治療装置。
5. 前記測定回路は、前記除細動モードの間無効にされる、請求項１記載の治療装置。
6. 前記測定回路は、前記ペーシングモードの間に伝送される前記ペーシング電流の指標として前記ペーシング制御信号を生成するために前記キャパシタンス回路へ結合された検知レジスタを有する、請求項１記載の治療装置。
7. 前記制御回路は、前記ペーシングモードの間に充電制御信号を決定するために、前記ペーシング制御信号に応答するソフトウェアプログラムを更に有する、請求項１記載の治療装置。
8. 前記測定回路は、低電圧部品の回路を有する、請求項１記載の治療装置。
9. 前記充電回路は、前記除細動モードで１０００ボルトを超える除細動電圧レベルへと前記キャパシタンス回路を充電するよう動作可能であって、前記ペーシングモードで１０００ボルトを下回る電圧へ前記キャパシタンス回路を充電するよう制御される、請求項１記載の治療装置。
10. 前記電源は電池を有する、請求項１記載の治療装置。
11. 患者電極；
    電力を供給する電源；
    除細動パルス及びペーシングパルスを選択的に供給するよう前記電源及び前記電極へ結合され、電気エネルギーを発生させて、該電気エネルギーを蓄積し、該蓄積された電気エネルギーを前記患者電極へ結合して前記除細動パルスを伝送するよう構成され、更に、電気エネルギーを発生させて、該発生した電気エネルギーを前記患者電極へ結合して前記ペーシングパルスを伝送するよう構成されたエネルギー伝送システム；及び
    該エネルギー伝送システムへ結合され、前記伝送されたペーシングパルスの大きさを監視して、前記伝送されたペーシングパルスの大きさを基に前記エネルギー伝送システムによって発生した前記電気エネルギーの大きさを調整するよう構成された制御器；
    を有する除細動器。
12. 前記エネルギー伝送システムは：
    電気エネルギーを発生させるよう構成された電力回路；
    該電力回路へ結合されたキャパシタ；及び
    前記患者電極及び前記キャパシタへ結合され、除細動パルスとして前記キャパシタによって蓄積されたエネルギーを伝送し且つペーシングパルスとして前記キャパシタによってフィルタ処理された電気エネルギーを伝送するよう構成された出力回路；
    を有する、請求項１１記載の除細動器。
13. 前記電力回路は、フライバック変圧器を有するスイッチモード電源を有する、請求項１１記載の除細動器。
14. 前記制御器は、前記フライバック変圧器の動作を制御するために前記伝送されたペーシングパルスの大きさに応答する、請求項１３記載の除細動器。
15. 前記制御器は、前記フライバック変圧器の入力信号のデューティーサイクルを制御するために前記伝送されたペーシングパルスの大きさに応答する、請求項１４記載の除細動器。
16. 前記出力回路は、二相パルスとして前記除細動エネルギーを伝送するよう構成される、請求項１１記載の除細動器。
17. 伝送された前記ペーシングパルスを示す大きさを有する出力信号を発生させるよう前記出力回路へ結合された測定回路を更に有する、請求項１２記載の除細動器。
18. 前記測定回路は、低電圧部品の回路を有する、請求項１７記載の除細動器。
19. 複合除細動／ペーシング装置から患者へ除細動パルス又はペーシング電流を伝送するための方法であって：
    除細動モードで除細動電圧レベルへとキャパシタを充電するステップ：
    前記除細動モードで前記患者へ前記キャパシタによって蓄積された除細動エネルギーを伝送するステップ；
    ペーシングモードで前記患者へ伝送された前記ペーシング電流を監視するステップ；及び
    該監視されたペーシング電流を基に、ペーシング電流源を生成するよう前記ペーシングモードで前記キャパシタの充電を制御するステップ；
    を有する方法。
20. 前記制御ステップは、前記キャパシタが所望のペーシング電流を発生させるよう充電されるところのデューティーサイクルを制御するステップを更に有する、請求項１９記載の方法。

Images