JP6055489B2

JP6055489B2 - 移植可能な医療装置を無線で再充電するための自己調整外部装置

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Publication number: JP6055489B2
Application number: JP2014557623A
Authority: JP
Inventors: ディンスムア，デーヴィッド・エイ
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2016-12-27
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Description

実施形態は、誘導結合を介して移植可能な医療装置を無線で再充電するための外部装置に関する。より具体的には、実施形態は、共振周波数の変化のために自己調整を行う外部装置に関する。

移植可能な医療装置の無線再充電を提供する外部装置は、様々な環境条件を前提としている。このため、ユーザは、外部装置の位置を変え、及び／又は、他の外部オブジェクトの位置を変える。環境条件におけるこのような変化、特に方向又は大きな金属オブジェクトに対する近接、は、外部装置によって再充電エネルギを放射するために用いられるコイルの付加の変化をもたらす。大きな金属オブジェクトが外部装置に近接すると、外部装置及び／又は大きな金属オブジェクトの移動によって、負荷は多大に影響を受け得る。

再充電プロセスでは、高効率及び高いエネルギスループットを維持することが望まれているため、外部装置によって消費される電力は無駄にはされず、適切な再充電を得るための時間は最少化される。高効率を実現する１つの方法は、高Ｑ回路における再充電コイルを備えることである。しかしながら、外部装置における上述のコイルの負荷の変化は、コイルを備えるタンク回路の共振周波数もまた変化させる。タンク回路の周波数がタンク回路の共振周波数からずれると、予測できないコイルの負荷変化は避けられず、高Ｑ回路において移植可能な医療装置への電力伝送の効率は悪化する。

さらに、タンク回路における周波数がタンク回路の共振周波数と異なると、タンク回路に供給される電圧とタンク回路に流れる電流との間で実質的な位相角が生じ得る。この場合、タンク回路へ供給される電力の大きさを正確に決定するためには、位相角を知ることが求められるが、これはタンク回路から移植可能な医療装置へ供給される電力の大きさの監視及び制御の機能を複雑にする。

実施形態は、駆動回路のための自己調整機能を備えた外部装置を提供することによって、これらの問題を解決する。自己調整機能は、各サイクルの間力率がおよそ１になるよう駆動回路の共振周波数が調整されることを可能にする。環境要因によるコイルの負荷の変化によって予測不能に共振周波数が変化したとしても、自己調整は可能である。

実施形態は、タンク回路のコイルから再充電エネルギを放射する外部装置から移植可能な医療装置へ再充電エネルギを供給する方法を提供する。方法は、前記外部装置の前記タンク回路の内部において電流が自然に方向を変化するときを判定することを含む。方法はさらに、前記タンク回路の内部において電流が自然に第１方向へ変化したという判定に基づいて、前記タンク回路へ第１方向に電流を駆動することを含む。

実施形態は、移植可能な医療装置と相互に作用する外部装置を提供する。外部装置は、電源と、前記移植可能な医療装置によって受信される再充電エネルギを放射するコイルを含むタンク回路であって、第１ノード及び第２ノードを備えるタンク回路、を備える。外部装置は、前記タンク回路の第１ノードに接続された第１及び第２スイッチであって、前記第１スイッチは前記電源と前記第１ノードとの間に接続され、前記第２スイッチは前記第１ノードとグラウンドとの間に接続される、第１及び第２スイッチを備える。外部装置は、前記タンク回路の前記第２ノードとグラウンドとの間に平行に反対方向に向いた一対のダイオードを備える。さらに、外部装置は、前記タンク回路の前記第２ノード、及び、前記第１及び第２スイッチに接続され、前記タンク回路における電流の流れ方向に基づいて前記スイッチの状態を制御する制御回路を備える。制御回路は、前記タンク回路の内部の電流の第１方向に関連して前記第１スイッチを活性化するとともに前記第２スイッチを非活性化し、前記タンク回路の内部の電流の第２方向に関連して前記第１スイッチを非活性化するとともに前記第２スイッチを活性化する。

実施形態は、タンク回路のコイルから再充電エネルギを放射する外部装置から移植可能な医療装置へ再充電エネルギを供給する他の方法を提供する。方法は、電流が自然に前記タンク回路を流れる第１の２位相サイクルの第１位相の間、前記外部装置の前記タンク回路の電気特性を監視することを含む。方法は、さらに、前記第１位相の間監視された前記電気特性に基づいて、前記第１の２位相サイクルの第２位相の間、前記第１の２位相サイクルの前記第２位相の間力率がおよそ１になるように前記タンク回路に電流を駆動することを含む。

実施形態は、移植可能な医療装置と関係する他の外部装置を提供する。外部装置は、電源と、前記移植可能な医療装置によって受信される再充電エネルギを放射するコイルを含むタンク回路であって、第１ノード及び第２ノードを備える、タンク回路と、を備える。外部装置は、さらに、前記タンク回路の第１ノードに接続された第１及び第２スイッチであって、前記第１スイッチは前記電源と前記第１ノードとの間に接続され、前記第２スイッチは前記第１ノードとグラウンドとの間に接続される、第１及び第２スイッチを備える。外部装置は、前記タンク回路の前記第２ノードとグラウンドとの間に平行に反対方向に向いた一対のダイオードを備える。外部装置は、さらに、前記タンク回路の前記第２ノード、及び、前記第１及び第２スイッチに接続され、電流が自然に前記タンク回路を流れる第１の２位相サイクルの少なくとも第１位相の間、前記タンク回路の電気特性を監視することによって前記スイッチの状態を制御する、制御回路を備える。これにより、前記第１の２位相サイクルの第２位相の間に前記電源から前記タンク回路へ電流を駆動したときの力率は、およそ１に維持される。

実施形態は、タンク回路のコイルから再充電エネルギを放射する外部装置から移植可能な医療装置へ再充電エネルギを供給する方法をさらに提供する。方法は、前記タンク回路の各２位相サイクルの位相を駆動するために前記外部装置の前記タンク回路における力率をおよそ１に維持する一方、各サイクルにおいて前記タンク回路におけるエネルギの電気特性を測定することを含む。方法は、さらに、前記測定された電気特性に基づいて駆動位相の間前記タンク回路に供給される電力の大きさを制御することを含む。

実施形態は、移植可能な医療装置に関係する外部装置をさらに提供する。外部装置は、電源と、前記移植可能な医療装置によって受信される再充電エネルギを放射するコイルを含むタンク回路であって、第１ノード及び第２ノードを備える、タンク回路と、を備える。外部装置は、さらに、前記タンク回路の前記第１ノードに接続された第１及び第２スイッチであって、前記第１スイッチは前記電源と前記第１ノードとの間に接続され、前記第２スイッチは前記第１ノードとグラウンドとの間に接続される、第１及び第２スイッチを備える。外部装置は、前記タンク回路の前記第２ノードとグラウンドとの間に平行に反対方向に向いた一対のダイオードと、前記タンク回路の前記第２ノード、及び、前記第１及び第２スイッチに接続された制御回路と、を備える。制御回路は、２位相サイクルの第１位相において前記タンク回路を駆動するときに力率をおよそ１に維持するように前記スイッチの状態を制御する。さらに、外部装置は、各サイクルにおいて前記タンク回路におけるエネルギの電気特性を測定し、前記測定された電気特性に基づいて駆動位相の間前記電源から前記タンク回路へ供給される電力の大きさを制御するコントローラを備える。

図１は、移植可能な医療装置と関係する外部装置の実施形態の動作環境を示す図である。図２は、実施形態の外部装置と移植可能な医療装置との間で再充電エネルギ及びテレメトリ信号を伝送するのに使用される部品及び誘導結合を示す図である。図３は、再充電エネルギ及びテレメトリ信号を伝送するために使用される実施形態の外部装置のさらなる部品を示す図である。図４は、実施形態の外部装置のための再充電の２位相サイクルの１つの位相の間の部品の状態と電流の流れ方向を示す図である。図５は、実施形態の外部装置のための再充電の２位相サイクルの他の位相の間の部品の状態と電流の流れ方向を示す図である。

実施形態は、移植可能な医療装置へ再充電エネルギを放射し、力率をおよそ１に維持するためにタンク回路のドライバの動作の自己調整を行う外部装置を提供する。外部装置は、再充電エネルギを放射するのに用いられるタンク回路の内部の自然電流の流れ方向の変化を監視し、各サイクルにおいてタンク回路のドライバの調整を行う。さらに、外部装置は、移植可能な医療装置に供給される再充電の電力の大きさを指示するために、およそ１の力率においてタンク回路に供給される電力を監視して制御する。およそ１の力率は、タンク回路における１０度又はそれ以下の電圧と電流との位相角を解決する。

図１は、外部装置１０６の実施形態のための動作環境１００を示す図である。移植可能な医療装置１０２が患者の体１１６内に存在している。この例の移植可能な医療装置１０２は、電気的刺激療法を提供するリード１０４を備える。移植可能な医療装置１０２は、テレメータ（遠隔測定）信号１１０を介して外部装置と通信し得る。いくつかの実施形態では、外部装置１０８は、アップリンク通信を確立するためにテレメトリ信号１１０を受信し、ダウンリンク通信を確立するためにテレメトリ信号１１２を生成するテレメトリ回路を備える。移植可能な医療装置１０２は、治療ステータス及びバッテリステータスを含むテレメトリ信号１１０を介してステータス及び他の情報を通信し得る。移植可能な医療装置１０２は、テレメトリ信号１１２を介して外部装置１０６から指示、情報の要求、及び、治療プログラム、を受信する。

移植可能な医療装置１０２は、機能するために、オンボード電池、又は、１又は複数のキャパシタ及び／又はスーパーキャパシタなどの他の電源、に蓄えられたエネルギを利用する。目的のために、電源は、電池として記載されるが、他の電源を利用することもできることを理解すべきである。この実施形態では、オンボード電池は再充電可能であり、移植可能な医療装置１０２は、外部装置１０６から再充電エネルギ１１４を受信する再充電回路を備える。外部装置１０６は、コイルを有し、移植可能な医療装置１０２の近くに配置されたときに移植可能な医療装置１０２の内部のコイルと誘導的に結合する束縛モジュール１０８を利用する。代替的には、コイルは、外部装置１０６の内部に収容される。

図２は、外部装置１０６及び移植可能な医療装置１０２の実施形態の部品と、再充電エネルギ１１４の提供のためのコイル間の誘導結合と、を示す図である。外部装置１０６は、再充電エネルギの提供を制御するための論理操作を実行するプロセッサ２０２を備える。外部装置１０２が移植可能な医療装置１０２と通信するためにテレメトリを採用する実施形態においては、プロセッサ２０２は、情報の送受信を制御するための論理操作も実行する。プロセッサ２０２は、プロセッサとともに搭載される、及び／又は独立した部品であるメモリ２０４を利用する。メモリ２０４は、外部装置１０６のための動作プログラム及びデータを保存する揮発性及び／又は不揮発性のメモリを備える。

プロセッサ２０２は、様々な形態で実行される。例えば、プロセッサ２０２は、汎用のプログラミング可能なプロセッサである。他の例では、プロセッサ２０２は、アプリケーションプロセッサである。さらに他の例では、プロセッサ２０２は、ハードワイヤードデジタルロジック（例えば、１又は複数の独立部品）である。プロセッサ２０２に基づく機能は、ソフトウェア、ファームウェア、及び／又は、他のタイプのプログラムロジックによって実行される。

外部装置１０６は、さらに、プロセッサ２０２によって制御され、テレメトリ信号１１０を受信し、図１に示すテレメトリ信号１１２を生成する、テレメトリ回路２０６を備える。ある実施形態では、これらのテレメトリ信号１１０，１１２は、誘導結合された、再充電エネルギ１１４のために使用される周波数帯域と同様の周波数帯域におけるニアフィールドラジオ周波数信号であり得る。この場合、再充電エネルギ１１４の送信、及び、テレメトリ信号１１０，１１２の送信は、同じモジュール１０８及び外部装置１０６のコイルを利用し、やがてオフセットされ得る。他の実施形態では、テレメトリ信号１１０，１１２は、長いレンジの、再充電エネルギ１１４の周波数帯域から離れた周波数帯域内のファーフィールドラジオ周波数信号であり得、テレメトリ信号は、再充電のために使用されるコイルを利用するのではなく、外部装置１０６及び移植可能な医療装置１０２のオンボードアンテナを使用する。この場合、テレメトリ及び再充電は、同時に実行される。テレメトリ回路２０６の実施形態は、以下に図３を参照してより詳細に説明される。

外部装置１０６はまた、プロセッサ２０２によって制御され、コイルを収容するモジュール１０８につながれた、再充電回路２０８を備える。上述のように、他の実施形態では、コイル１０８は、再充電回路２０８とともに外部装置の内部に存在し得る。再充電回路２０８は、再充電エネルギ１１４の供給を活性化及び非活性化するためにプロセッサ２０２に応答する。

さらに、再充電回路２０８は、移植可能な医療装置１０２へ充電される再充電パワーの量を制御するためにプロセッサ２０２に応答する。再充電回路２０８及びプロセッサ２０２との相互作用は、以下に図３−５を参照してより詳細に説明される。

図２の移植可能な医療装置１０２もまた、様々な部品を備える。移植可能な医療装置１０２は、再充電エネルギの受信を制御するための論理操作を実行するプロセッサ２２０を備える。プロセッサ２２０は、テレメトリ回路２２６を介して情報の送受信を制御するための論理操作もまた実行する。プロセッサ２２０は、プロセッサとともに実装される、及び／又は、独立した部品であるメモリ２２２を利用する。メモリ２２２は、移植可能な医療装置１０２のための動作プログラム、治療プログラム、及びデータを保存するのに用いられる揮発性及び／又は不揮発性のメモリを備える。

外部装置のプロセッサ２０２と同様に、移植可能な医療装置１０２のプロセッサ２２０は、様々な態様で実行される。例えば、プロセッサ２２０は、汎用のプログラミング可能なプロセッサ、アプリケーションプロセッサ、又は、ハードワイヤードデジタルロジック（例えば、１又は複数の独立部品）である。プロセッサ２２０に基づく機能は、ソフトウェア、ファームウェア、及び／又は、他のタイプのプログラムロジックによって実行される。

移植可能な医療装置１０２は、さらに、プロセッサ２２０によって制御され、テレメトリ信号１１２を受信し、図１に示すテレメトリ信号１１０を生成する、テレメトリ回路２２６を備える。ある実施形態では、これらのテレメトリ信号１１０，１１２は、誘導結合された、再充電エネルギ１１４のために使用される周波数帯域と同様の周波数帯域におけるニアフィールドラジオ周波数信号であり得、同じコイル２３０を利用する。他の実施形態では、テレメトリ信号１１０，１１２は、長いレンジの、再充電エネルギ１１４の周波数帯域から離れた周波数帯域内のファーフィールドラジオ周波数信号であり得、テレメトリ信号は、移植可能な医療装置１０２のオンボードアンテナを使用する。

移植可能な医療装置１０２は、オンボードコイル２３０を備えておりプロセッサ２２０によって制御される再充電回路２２８を備える。再充電回路２２８は、再充電エネルギを受信するためにプロセッサ２２０に応答するとともに、再充電エネルギをオンボード電池に充電する。

図３は、再充電回路２０８の部品及び外部装置１０６の様々な形態のためのプロセッサ２０２のインターフェースを示す図である。再充電回路は、調整キャパシタ３１８、及び、上述のモジュール１０８に収容された主コイル３２０、を有するタンク回路３１７を備える。代替的には、この回路は、外部装置１０６の内部にコイル１０８と一緒に収容されていてもよい。以下に示すように、各位相のサイクルの間にタンク回路３１７の電気特性を測定することによって、及び、いつ電流が流れ始めるかを制御するために上記測定を実行することによって、電流は、特定のサイクル内で共振周波数において生じる自然電流と同期してタンク回路３１７を流れる。このように、およそ１の力率が得られる。さらに、得られたおよそ１の力率に基づいてパワーの決定が行われる。

この例の再充電回路２０８は、可変電圧電源３０２を備える。電源３０２は、プロセッサ２０２から、特定の電圧を出力するよう指示するとともに最終的にはタンク回路３１７に供給されて消費される電力の大きさを制御する制御信号３５６を受信する。０．１５オームなどの非常に低い抵抗値の抵抗３０６は、電源３０２からその他の回路へ直列に備えられる。抵抗３０６における電圧降下は、タンク回路のドライバの電流を決定するために利用されるプロセッサ２０２の差動アンプへの入力３５２，３５４を介して検出される。タンク回路のドライバへ供給される電圧は、プロセッサ２０２によって入力３５０を介して測定される。

トランジスタ３０８，３１２は、再充電回路２０８のタンク回路３１７のための第１Ｈブリッジドライブの半分を形成する。これらのトランジスタは、電源３０２からタンク回路３１７への電流駆動を許容するスイッチとして動作するとともに、グラウンドへ電流が戻るのを許容する。これらのトランジスタ３０８，３１２の動作は、図４，５を参照して以下に詳細に示される。

０．０１Ωなどの非常に低い抵抗値を有する抵抗３１６は、タンク回路３１７へ直接流れる電流の測定を許容するために、トランジスタ３０８，３１２の間のノードから、タンク回路３１７に直列に配置される。差動アンプ３３２は、ローパスフィルタ及びピークトラック回路３３４への出力を提供するために、抵抗３１６にまたがって配置される。回路３３４は、プロセッサ２０２への入力３４２で検出されるピーク電流に比例し、プロセッサ２０２がタンク回路３１７によって消費される電力の大きさを計算することを許容する、出力を提供する。例えば、ピークは、ローパスフィルタと保持キャパシタとの間のダイオードの存在によって保存された保持キャパシタに保持される。より大きなリーク抵抗は、保持キャパシタと平行にグラウンドに接続される。

タンク回路３１７の第１ノード３１９は、抵抗３１６と調整キャパシタ３１８との間に存在する。タンク回路３１７は、主コイル３２０と直列に接続された調整キャパシタ３１８を備える。タンク回路３１７の容量及びインダクタンスは、再充電のための理想的な共鳴（共振）を提供するために選択される。しかしながら、タンク回路３１７の共振周波数は、移植可能な医療装置１０２のコイル２３０による主コイル３２０の誘導負荷を含む環境要因、コイル２３０（特にコイル２３０が曲げやすい形状要素を有する場合）の形状の変化、及び近くの金属対象物からの負荷の変化、に依存して変化する。

Ｈブリッジドライブは、この例ではタンク回路の第２ノード３２１とグラウンドとの間で平行に接続されるが反対の方向を向いた一対のダイオード３２２，３２４を用いることによって形成される。平行であるが反対側を向いたダイオード３２２，３２４は、図４，５を用いて詳細に説明される。

コンパレータ（比較器）３２６は、タンク回路３１７の第２ノード３２１に接続された非反転入力、及び、グラウンドに接続された反転入力、を備える。この例ではトランジスタ３０８，３１２もまた、テレメトリダウンリンクのためにタンク回路３１７を駆動するときに用いられるので、コンパレータ３２６の出力は、マルチプレクサ３２８，３３０に接続される。この例のコンパレータ３２６の非反転出力は、１つのマルチプレクサ３３０に接続される一方、コンパレータ３２６の反転出力は、マルチプレクサ３２８に接続される。コンパレータ３２６は、第２ノード３２１におけるグラウンドに対する電圧の極性に基づいて出力を生成する。コンパレータ３２６の機能性は、図４，５を用いて以下詳細に説明される。

この例のプロセッサ２０２はまた、マルチプレクサ３３０，３２８へテレメトリアップリンク信号３４０，３４２をそれぞれ出力する。さらに、プロセッサ２０２は、マルチプレクサが再充電の間コンパレータ３２６の出力をパスするか否か、又は、テレメトリの間ダウンリンクテレメトリ信号３４０，３４２をパスするか否か、を選択するために、選択信号３３８をマルチプレクサ３２８，３３０のチャンネル選択入力へ出力する。

マルチプレクサ３２８，３３０は、選択された信号をレベルシフトＦＥＴドライバ３１４，３１０へそれぞれ出力する。特に、マルチプレクサ３２８は、再充電が選択されたときにコンパレータ３２６の反転出力を通過し、マルチプレクサ３３０は、再充電が選択されたときにコンパレータ３２６の非反転出力を通過する。この例では、ドライバ３１４は、ＮＭＯＳ装置であるトランジスタ３１２のゲートを駆動するために、固定された電源３０４まで電圧をレベルシフトする非反転ドライバである。また、この例では、ドライバ３１０は、ＰＭＯＳ装置であるトランジスタ３０８のゲートを駆動するために、固定された電源３０４まで電圧をレベルシフトする反転ドライバである。トランジスタの種類及び関連する信号のレベルは、Ｈブリッジドライブの適切な動作を行うために、他の形態も適用することができる。コンパレータ３２６及びドライバ３１０，３１４は共に、Ｈブリッジドライブの動作を行うための制御回路を形成し、それゆえ、Ｈブリッジドライブをタンク回路３１７の共振周波数へ自己調整する。

ドライバ３１０，３１４は、固定された電源３０４から電力を受信する。固定された電源３０４から提供された電圧は、可変電源３０２から提供されトランジスタ３０８，３１２が常に正常に作動及び非作動することを可能にする最大電圧、を超える。この構成は、電源３０４から固定電圧を受け取ることによって、可変電源３０２から提供された電圧が再充電の間必要に応じてドライバ３１０，３１４の許容できる電圧範囲であってドライバ３１０，３１４が正確に機能し続ける電圧範囲より低いレベルまで低減されることも許容する。

ドライバ３１０，３１４は、タンク回路３１７を通る電流の方向の変化に対応するために、トランジスタ３０８，３１２に提供される信号がトランジスタ３０８，３１２を高速に作動及び非作動することを保証する。この実施例では、コンパレータ３２６の単一の出力が単一のドライバを駆動して両方のトランジスタ３０８，３１２にショートされるのではなく、コンパレータ３２６の両方の出力がそれぞれドライバ３１０，３１４に送られる。２つのドライバ３１０，３１４は、タンク回路３１７がテレメトリダウンリンクの間フロートになるように両トランジスタ３０８，３１２が同時に閉になるのを許容する。

さらに、プロセッサ２０２は、コンパレータ３２６の出力を監視する暴走検出信号３４６を利用する。この監視は、タンク回路３１７が自己調整周波数で駆動され続けるか否かをプロセッサ２０２が制御することを許容するか、又は、リングダウンすることを許容して自己調整周波数が許容範囲から外れた場合に発振を再スタートする。

この実施例において２つのドライバ３１０，３１４を使用する他の理由は、両者がダウンリンクテレメトリに関連することである。ダウンリンクテレメトリの間、数ナノ秒のような短い期間を設けることは、トランジスタ３０８，３１２の動作の間に重複が生じないので有用である。それぞれ独立したダウンリンク信号３４０，３４２を受信する独立したドライバ３１０，３１４は、重複が生じない期間を許容する。

図３の回路のダウンリンクテレメトリ機能に加えて、アップリンクテレメトリもまた提供される。アップリンクフィルタ３３６は、タンク回路の第２ノード３２１のようなノードに接続され得る。アップリンクフィルタ３３６は、テレメトリ周波数に重畳されたノイズを減衰するローパスフィルタである。

図３の回路の例は、同じタンク回路３１７を用いた再充電、アップリンクテレメトリ、及び、ダウンリンクテレメトリを示しているが、アップリンクテレメトリ及びダウンリンクテレメトリの両方に全体的に異なるコイルを使用する他の構成もまた適用可能である。しかしながら、同じタンク回路３１７を使用することは、これらの複数の目的のためにモジュール１０８の内部で単一のコイル３２０のみが要求される場合に有用であり、特に、再充電プロセスにおける中断の間に生じる周期的なテレメトリを考慮すると、プロセッサ２０２が移植可能な医療装置１０２から再充電の状態に関する情報を集めるのを許容する。

図４は、再充電の間のタンク回路３１７を通過する２位相サイクルの電流の１位相を示す図である。図４に示すように、電流は、適切な力率を得るために、タンク回路３１７を通過する自然の電流流れと同期して同じ方向に回路３１７を通って駆動される。この同期を得るために、トランジスタ３０８，３１２の動作の自己調整が実行される。電流がタンク回路３１７を方向４０２のように通過するときに、電流は、第２ノード３２１がグラウンドへダイオード電圧降下するように、ダイオード３２４を流れる。それゆえ、コンパレータ３２６には、グラウンドに対して正電位のダイオード電圧降下による電圧が入力される。正のダイオード電圧降下は、コンパレータ３２６の反転出力から出力される信号を低いレベルにし、非反転出力から出力される信号を高レベルにする。

２位相サイクルのこの位相では、コンパレータ３２６の非反転出力の高レベル信号は、反転増幅器３１０に提供され、反転増幅器３１０は、ＰＭＯＳトランジスタ３０８を活性化させる低レベル信号を出力する。コンパレータ３２６の反転出力の低レベル信号は、非反転増幅器３１４に提供され、非反転出力増幅器３１４は、ＮＭＯＳトランジスタ３１２を非活性化する低レベル信号を出力する。したがって、電流は電源３０２からタンク回路３１７を介して方向４０２のように駆動される。上述のとおり、他のトランジスタの種類及び関連する信号レベルが、適切な力率を得るとともに自然電流と同期してタンク回路３１７を通過する電流の適切な方向を得るために適用可能である。

図５は、再充電の間のタンク回路３１７を流れる電流の２位相の他の位相を示す図である。図５に示すように、電流はタンク回路３１７を図４の方向４０２の反対側の方向５０２に自然に流れ得る。トランジスタ３０８，３１２の自己調整は、この位相で再度実行される。電流がタンク回路３１７を方向５０２に自然に流れたときに、電流は、第２ノード３２１がダイオード電圧降下でグラウンドより低くなるように、ダイオード３２２を流れる。したがって、コンパレータ３２６には、グラウンドよりも負のダイオード電圧降下が入力される。この負のダイオード電圧降下は、コンパレータ３２６の反転出力から高レベル信号を出力し、非反転出力から低レベル信号を出力する。

２位相サイクルのこの位相では、コンパレータ３２６の反転出力の高レベル信号は、非反転ドライバ３１４へ供給され、非反転ドライバ３１４はさらにＮＭＯＳトランジスタ３１２を活性化させる高レベル信号を出力する。コンパレータ３２６の非反転出力の低レベル信号は、反転ドライバ３１０へ供給され、反転ドライバ３１０はさらにＰＭＯＳトランジスタ３０８を非活性化させる高レベル信号を出力し、電源３０２がタンクを方向４０２に駆動しようとすることを防止する。したがって、タンク回路３１７の方向５０２のグラウンドへの自然電流の流れが電源３０２の抵抗なしに許容される。上述のとおり、自然電流をグラウンドへ流すために、他のトランジスタの種類及び関連する信号レベルを適用してＨブリッジを適切に起動することも可能である。

図５に示す位相の間は、グラウンドへの自然電流が流れるのに対してタンク回路３１７へは電流が駆動されず、これにより、タンク回路３１７の共振動作が明らかになるのを許容する。自然電流が０クロス点に達し、図４の方向４０２の反対方向に戻り始めたら、コンパレータ４０２は、タンク回路３１７の第２ノード３２１におけるダイオード電圧降下の極性を監視する。電圧の極性の反転は、コンパレータ出力に図４に示す状態への逆戻り変化を生じさせ、したがって、電流が方向４０２に自然に流れ始めたら、電流は電源３０２から方向４０２へ駆動される。それゆえ、１つ前の電流サイクルにおいてタンク回路３１７が異なる共振周波数を有していたとしても、サイクルの中で適切な力率が得られる。

自己調整再充電のための開始状態は存在しない。コンパレータ３２６の非反転入力におけるノイズは、図４及び図５における方向４０２と方向５０２との間の交互の電流サイクルを開始する最初の発振を提供する。したがって、電流が方向４０２に流れ始めたら、電源３０２は、所望のレベルへの電流の流れを強化するために、方向４０２と同じ方向でタンク回路３１７へ電流を駆動する。

再充電の各サイクルの間の本質的なおよそ１の力率を得るにより、位相角を見積もることなくタンク回路３１７で消費される電力を計算することができる。したがって、電力計算がより正確になる。プロセッサ２０２は、信号３４４のピーク電流及び信号３５０のブリッジ電圧を利用することによって、また、トランジスタ３０８，３１２の振る舞いによって示された電流の形状の５０％のデューティサイクルに基づく既知の要因を計測することによって、タンク回路３１７で消費される電力の大きさを計算することができる。電圧信号３５２，３５４によって示された電圧降下から抵抗３０６を流れて計測されたブリッジ電流は、タンク回路３１７における電流の量を定量化して電力消費を計算するための信号３４４によって示されたピーク電流の代替として使用可能である。

電力消費の計算は、非正弦の駆動電流、及び、測定されたピーク電圧と電流の表示、を説明する測定要因を利用する。この測定要因は、タンク回路３１７における電力消費を製造時にネットワークアナライザを用いて測定することによって経験的に導かれ、その後の使用のためにプロセッサ２０２のメモリにプログラムされる。

プロセッサ２０２は、再充電によって電池に供給された電力の大きさに関する情報を移植可能な医療装置１０２へ問い合わせる。プロセッサ２０２は、そして、移植可能な医療装置１０２において消費された電力以外の電力の大きさを決定するために、タンク回路３１７によって消費された電力と、移植可能な医療装置１０２の電池への電力と、の差を計算する。他の場所で消費されたこの電力は、しきい値を超えると、移植可能な医療装置１０２の発熱部品からのダメージ、及び／又は、患者の組織の熱からのダメージが生じ得るので、問題になる。

したがって、プロセッサ２０２は、電源３０２から供給される電力の大きさを指示し、移植可能な医療装置１０２で消費される電力の大きさを制御する、コントローラとして動作する。プロセッサ２０２は、再充電の効率を最大化するのに許容できるレベルで、移植可能な医療装置１０２で消費される電力を維持する最大電圧を選択する。

実施形態が説明され図示されたが、当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱しない範囲で、様々な変更が可能であることを理解すべきである。

Claims

タンク回路のコイルから再充電エネルギを放射する外部装置から移植可能な医療装置へ再充電エネルギを供給する方法において、
前記外部装置の前記タンク回路の内部において電流が自然に方向を変化するときを判定し、
前記タンク回路の内部において電流が自然に第１方向へ変化したという判定に基づいて、前記タンク回路へ第１方向に電流を駆動する、
方法。
請求項１の方法において、
前記タンク回路の内部において電流が自然に方向を変化したという判定は、前記タンク回路のノードにおける電圧を監視する間に、前記タンク回路における電流が自然に第２方向に流れることを許容する、
方法。
請求項２の方法において、
前記電流が自然に方向を変化するときを判定するために、前記タンク回路の前記ノードにおける電圧がグラウンドに対する極性を変化するときを検出することをさらに備える、
方法。
請求項１の方法において、
前記タンク回路が自然に第１方向へ変化したという判定に基づいて前記タンク回路へ第１方向に電流を駆動することは、電源から前記タンク回路へ電圧を供給するために第１スイッチを活性化することを含む、
方法。
請求項４の方法において、
前記第１スイッチは、トランジスタである、
方法。
請求項４の方法において、
前記第１スイッチを活性化したときに、第２スイッチを非活性化することをさらに含む、
方法。
請求項６の方法において、
電流が自然に第２方向に流れるのを許容する一方、前記第１スイッチを非活性化することを含む、
方法。
請求項７の方法において、
前記第１スイッチを非活性化したときにグラウンドへのパスを提供するために前記第２スイッチを活性化することをさらに含む、
方法。
移植可能な医療装置と相互に作用する外部装置において、
電源と、
前記移植可能な医療装置によって受信される再充電エネルギを放射するコイルを含むタンク回路であって、第１ノード及び第２ノードを備えるタンク回路と、
前記タンク回路の第１ノードに接続された第１及び第２スイッチであって、前記第１スイッチは前記電源と前記第１ノードとの間に接続され、前記第２スイッチは前記第１ノードとグラウンドとの間に接続される、第１及び第２スイッチと、
前記タンク回路の前記第２ノードとグラウンドとの間に平行に反対方向に向いた一対のダイオードと、
前記タンク回路の前記第２ノード、及び、前記第１及び第２スイッチに接続され、前記タンク回路における電流の流れ方向に基づいて前記スイッチの状態を制御する、制御回路であって、前記タンク回路の内部の電流の第１方向に関連して前記第１スイッチを活性化するとともに前記第２スイッチを非活性化し、前記タンク回路の内部の電流の第２方向に関連して前記第１スイッチを非活性化するとともに前記第２スイッチを活性化する、制御回路と、
を備える、
外部装置。
請求項９の外部装置において、
グラウンドに対する前記第２ノードにおける電圧の極性は、前記タンク回路における電流の方向を示し、前記制御回路は、前記グラウンドに対する前記第２ノードにおける電圧の極性を検出する、
外部装置。
請求項１０の外部装置において、
前記制御回路は、グラウンドにおける第１入力と、前記第２ノードに接続された第２入力と、を含むコンパレータを備える、
外部装置。
請求項１１の外部装置において、
前記制御回路は、前記コンパレータの出力と前記第１スイッチとの間のドライバをさらに備える、
外部装置。
請求項１１の外部装置において、
前記制御回路は、前記コンパレータの出力と前記第２スイッチとの間のドライバをさらに備える、
外部装置。
請求項１０の外部装置において、
マルチプレクサと通信コントローラとをさらに備え、
前記マルチプレクサは、前記移植可能な医療装置との相互作用の再充電の間、前記制御回路を前記第１及び第２スイッチに接続するとともに、前記移植可能な医療装置に対するテレメトリ相互作用の間、前記通信コントローラを前記第１及び第２スイッチに接続し、
前記通信コントローラは、前記テレメトリ相互作用の間に前記コイルがテレメトリ信号を放射するように前記第１及び第２スイッチの状態を変化させる、
外部装置。
請求項１０の外部装置において、
前記タンク回路のノードに電気的に結合されたテレメトリレシーバをさらに備える、
外部装置。
タンク回路のコイルから再充電エネルギを放射する外部装置から移植可能な医療装置へ再充電エネルギを供給する方法において、
電流が自然に前記タンク回路を流れる第１の２位相サイクルの第１位相の間、前記外部装置の前記タンク回路の電気特性を監視し、
前記第１位相の間監視された前記電気特性に基づいて、前記第１の２位相サイクルの第２位相の間、力率がおよそ１になるように前記タンク回路に電流を駆動する、
方法。
請求項１６の方法において、
前記タンク回路は、第１及び第２ノードを備え、
前記タンク回路の前記電気特性の監視は、前記タンク回路の第２ノードの電圧を監視することを含む、
方法。
請求項１７の方法において、
前記第１位相の間監視された前記電気特性に基づく前記第２位相の間の前記タンク回路への電流駆動は、電圧を前記第１ノードへ供給することによって前記第２ノードの電圧のグラウンドに対する極性が一旦変化したら前記タンク回路へ電流を駆動することを含む、
方法。
移植可能な医療装置と関係する外部装置において、
電源と、
前記移植可能な医療装置によって受信される再充電エネルギを放射するコイルを含むタンク回路であって、第１ノード及び第２ノードを備える、タンク回路と、
前記タンク回路の第１ノードに接続された第１及び第２スイッチであって、前記第１スイッチは前記電源と前記第１ノードとの間に接続され、前記第２スイッチは前記第１ノードとグラウンドとの間に接続される、第１及び第２スイッチと、
前記タンク回路の前記第２ノードとグラウンドとの間に平行に反対方向に向いた一対のダイオードと、
前記タンク回路の前記第２ノード、及び、前記第１及び第２スイッチに接続され、電流が自然に前記タンク回路を流れる第１の２位相サイクルの少なくとも第１位相の間、前記タンク回路の電気特性を監視することによって前記スイッチの状態を制御し、前記第１の２位相サイクルの第２位相の間に前記電源から前記タンク回路へ電流を駆動したときの力率をおよそ１に維持する、制御回路と、
を備える、外部装置。
請求項１９の外部装置において、
前記電気特性は、グラウンドに対する前記第２ノードの電圧の極性である、
外部装置。
外部装置から移植可能な医療装置へ再充電エネルギを供給する方法において、
前記外部装置は、タンク回路のコイルから再充電エネルギを放射し、
各２位相サイクルの駆動位相ではない位相の間に前記タンク回路内の電流の方向の自然な変化を検出することによって、前記タンク回路の各２位相サイクルの駆動位相のために前記外部装置の前記タンク回路における力率をおよそ１に維持する一方、各サイクルにおいて前記タンク回路におけるエネルギの電気特性を測定し、
前記測定された電気特性に基づいて駆動位相の間前記タンク回路に供給される電力の大きさを制御する、
方法。
請求項２１の方法において、
前記タンク回路におけるエネルギの電気特性の測定は、前記タンク回路を流れる電流のピークを測定することを含む、
方法。
請求項２２の方法において、
前記ピーク電流の測定は、前記タンク回路に直列の既知の抵抗における電圧降下を測定することを含む、
方法。
請求項２１の方法において、
前記タンク回路におけるエネルギの電気特性の測定は、電源から前記タンク回路のドライバへ出力されるピーク電流を測定することを含む、
方法。
請求項２１の方法において、
前記タンク回路におけるエネルギの電気特性の測定は、前記タンク回路のドライバへ供給される電圧を測定することを含む、
方法。
請求項２１の方法において、
前記測定された電気特性に基づいて前記タンク回路に供給される電力の大きさを制御することは、前記タンク回路に供給される電力の大きさを計算し、前記移植可能な医療装置の電源へ供給される電力の大きさを示す情報を受信し、前記タンク回路に供給される電力の大きさと前記電源へ供給される電力の大きさとの差を計算し、前記計算された差に基づいて前記タンク回路のドライバに供給される電圧を制御する、ことを含む、
方法。
請求項１の方法において、さらに、
２位相サイクルの第１位相の間、前記タンク回路に自然に流れる電流の方向の変化を監視することによって力率をおよそ１に維持し、前記第１位相の間における自然に流れる電流の方向の変化の監視に基づいて第２位相の間前記タンク回路へ電流を駆動する、ことを含む、
方法。
移植可能な医療装置に関係する外部装置において、
電源と、
前記移植可能な医療装置によって受信される再充電エネルギを放射するコイルを含むタンク回路であって、第１ノード及び第２ノードを備える、タンク回路と、
前記タンク回路の前記第１ノードに接続された第１及び第２スイッチであって、前記第１スイッチは前記電源と前記第１ノードとの間に接続され、前記第２スイッチは前記第１ノードとグラウンドとの間に接続される、第１及び第２スイッチと、
前記タンク回路の前記第２ノードとグラウンドとの間に平行に反対方向に向いた一対のダイオードと、
前記タンク回路の前記第２ノード、及び、前記第１及び第２スイッチに接続され、２位相サイクルの第１位相において前記タンク回路を駆動するときに力率をおよそ１に維持するように前記スイッチの状態を制御する、制御回路と、
各サイクルにおいて前記タンク回路におけるエネルギの電気特性を測定し、前記測定された電気特性に基づいて位相駆動の間前記電源から前記タンク回路へ供給される電力の大きさを制御するコントローラと、
を備える、外部装置。
請求項２８の外部装置において、
前記電源は、可変電源であり、前記コントローラは、前記タンク回路に供給される電力の大きさを制御するために前記タンク回路に供給される電圧を変化させる、
外部装置。