JP6112864B2 - 除細動器に関する過電圧保護 - Google Patents

Description

本発明は、除細動回路に関し、より詳細には、除細動回路における過電圧保護に関する。本発明は、医療デバイスに関する過電圧保護デバイスにも関する。

除細動器は、明白なパルスにより伴われない例えば心室細動（「ＶＦ」）又は心室頻拍（「ＶＴ」）といった不整脈を経験している患者において正常なリズム及び収縮機能を回復するため、心臓に高電圧パルスを供給する。複数の種類の除細動器が存在する。これは、手動の除細動器、埋め込み型除細動器及び自動外部除細動器（ＡＥＤ）を含む。除細動が必要かどうかを決定するため及び例えばショックシーケンス及び心肺蘇生術（ＣＰＲ）期間といった管理測定を提供するため、ＡＥＤは、心電図（ＥＣＧ）リズムを自動的に分析するよう予めプログラムされている点で、ＡＥＤは手動の除細動器と異なる。このため、ＡＥＤは、しかし、可能であれば他のタイプの除細動器も、ＥＣＧ監視回路を有する。いくつかのタイプの除細動器は、「需要ペーシング」機能を提供するためＥＣＧ監視回路を用いる。この場合、ＥＣＧ監視回路は、所望の結果と患者の鼓動とを絶えず比較し、心臓がその必要なパフォーマンスを維持することができない場合追加的な刺激を提供する。

ＥＣＧ信号は、相対的に弱い電気信号である。ＥＣＧ監視回路は、ＥＣＧ信号を検出及び分析するのに十分感度が良いことを必要とする。除細動器は、患者に投与される高電圧パルスを生成する高電圧回路も有する。高電圧パルスは、患者に付けられる除細動パッドのセットに除細動リード線のセットを介して導通される。除細動器の設計に基づき、高電圧回路及びＥＣＧ監視回路は、同じパッド及びリード線を共有するか、又はＥＣＧ監視回路は、専用の監視リード線及び監視パッドを介して患者に接続される。

高電圧パルスが高電圧回路を用いて患者に投与されるとき、高電圧パルスは、ＥＣＧ監視回路にも送信される。ＥＣＧ監視回路が、高電圧回路と除細動パッド及び／又は除細動リード線を共有する場合、ＥＣＧ監視回路は、完全な高電圧パルスを実質的に受信する。ＥＣＧ監視回路が、別々の監視パッド及び監視リード線を用いる場合であっても、高電圧パルスのかなりの部分は、患者の体を介する電気結合が原因でＥＣＧ監視回路に達することができる。従って、通常、除細動器におけるＥＣＧ監視回路を保護することが必要である。

除細動器におけるＥＣＧ監視回路を保護することは、挑戦的な設計問題である。監視回路は非常に高いインピーダンス（impendence）を持ち、不適切な患者の接続の検出は、通常数ナノアンペアのオーダーで、動作電流における小さな変化を検出することを必要とする。同時に、監視回路は、除細動器の寿命にわたり、短時間の高電圧トランジエントに対して何度も露出されることになる。他の用途においてうまく機能する多くの過電圧保護デバイスは、かなり定常状態のパワーが斯かる回路に印加されることを必要とする。ガス放電管（ＧＤＴ）又は火花ギャップ素子は、顕著な例外である。それらは、適度なクランプ電圧、充電してない状態における非常に高いインピーダンス及び高速動作の属性を結合する。これらの理由から、ＧＤＴは、現代の除細動器に関するＥＣＧ監視回路において選択の余地のある保護デバイスである。

本書に開示される教示の発明者らは、ガス放電管（ＧＤＴ）が、ブレークダウン電圧と高インピーダンスモードから短絡モードの間の変化に要する時間とに関して、予測不可能な（unpredictable）挙動を呈することができることを理解した。ＧＤＴは、特定のレベルの定常状態のガスイオン化活動を必要とする。このイオン化なしに、ＧＤＴは、高電圧パルスの間、線形作動モードのままでいることができる。ＧＤＴは、高電圧パルスの部分に関して、オフ状態のままで残ることさえできる。その線形作動モードにある間、ＧＤＴは、相対的に小さな電流だけを導通する。これは、ＧＤＴにより保護されるデバイスが、相当な時間の間高電圧パルスに露出されるか、又は、かなりの量の電流が、保護されるデバイス、例えばＥＣＧ監視回路を介して放電されることを意味する。ＧＤＴは、最初に励起されるとき状態を変化させるのに、比較的長い時間（数ミリ秒）かかる場合もある。これは、ＧＤＴが保護する回路に対する損害が生じるリスクがある。

促進弧絡（a prompt arc-over）を促進させる従来の方法は、ＧＤＴにおけるイオン化ガスに小さな量の放射性物質を加えることである。この方法は、環境面及び健康面から、もはや望ましくない。

ガスを事前にイオン化するために放射性物質を用いることなしに、信頼性が高い過電圧保護がＧＤＴを用いて実現される除細動回路を提供することが望ましい。この要求及び／又は可能な他の要求は、ガス放電管と、上記ガス放電管の予測可能なブレークダウン条件を提供するため、上記ガス放電管に事前付勢するよう構成される光源とを有する除細動回路により対処される。光源は、ガスをイオン化することにより又はガス放電管の陽極及び／又は陰極における光電効果を用いて、ガス放電管に事前付勢することができる。これは、間接的にガスをイオン化する。光源からの光出力の量は、計算されることができるか又は前もって推定されることができる。その結果、イオン化されたガスの量も同様に推定されることができる。こうして、光源により提供される照射条件に基づき、ガス放電管のブレークダウン条件に関する範囲を決定することが可能（impossible）である。

ガス放電管に事前付勢する光源は、ブレークダウン条件を例えば環境光又は温度といった環境的影響から実質的に独立したものとする。ガス放電管が環境光に露出されるかに関係なく、光源は、ガス放電管がいずれかのイベントで弧絡する最小のブレークダウン条件を確実にする。

光源により生み出される光出力が、ガス放電管を事前付勢するために効率的な態様で用いられることも望ましい。この要求及び／又は可能な他の要求は、光源がガス放電管に近接して配置されることにより対処される。光源の指向性特性における最大光密度の方向が、ガス放電管を指すよう、光源が方向付けられることもできる。

ガス放電管が弧絡する準備ができていること、即ち高インピーダンス状態から短絡状態へと変化される場合、高電圧パルスが迅速にいつでも発生することができることも望ましい。この要求及び／又は可能な他の要求は、光源が、除細動回路の動作の間、実質的に永久に点灯されていることにより対処される。

除細動回路又は除細動回路の部分が過電圧から確実に保護されることができることも望ましい。この要求及び／又は可能な他の要求は、上記ガス放電管が、過電圧保護デバイスとして機能するよう構成されることにより対処される。

光源が、省エネ型で、耐久性があって、及び／又は最小の廃棄熱を生み出すことも望ましい。これらの要求及び／又は可能な他の要求の少なくとも１つは、光源が、発光ダイオード（ＬＥＤ）の形式であることにより対処される。

除細動回路の電圧感度の良い要素を保護することが更に望ましい。この要求及び／又は可能な他の要求は、除細動回路が、心電図監視回路を更に有することにより対処される。上記ガス放電管が、上記心電図監視回路に関する過電圧保護デバイスとして機能するよう、上記心電図監視回路に接続される。除細動回路における心電図監視回路は通常、満たさなければならない仕様により、特に相対的に弱い電圧及び電流を検出できなければならないことから、電圧感度が良い。

上記心電図監視回路が、複数の監視リード線を有し、上記除細動回路は、余分な電荷を吸収するのに十分な参照電位を持つ電気導体を有し、上記ガス放電管が、上記監視リード線の１つ及び上記参照電位を持つ上記電気導体の間に接続される。監視リード線及び参照電位を持つ電気導体の間の電圧がガス放電管のブレークダウン電圧を上回るときはいつでも、ガス放電管は弧絡し、及び従って監視リード線及び電気導体の間の実質的な短絡を生み出す。監視リード線に存在する余分な電荷は、参照電位を持つ電気導体へとガス放電管を介して導通される。監視リード線及び参照電位の間の過電圧は、消えるか又は無害な値へと減らされる。

除細動回路は、上記追加的な監視リード線の１つ及び上記参照電位を持つ上記電気導体の間に接続される複数の追加的なガス放電管を更に有することができる。こうして、追加的な監視リード線又はすべての監視リード線は、個別のガス放電管により保護される。高電圧パルスは、複数の監視リード線のうちの２つの間で発生することができる。その結果、ほぼ短絡の（near-short-circuit）態様で参照電位を持つ電気導体を介して、２つの監視リード線を互いに接続するため、両方のガス放電管が弧絡することができる。

除細動回路は更に、上記ガス放電管に関する予測可能な事前付勢条件を提供するため、上記ガス放電管及び上記光源に関する耐光性の又は不透明な筐体を有することができる。耐光性筐体は、除細動回路自体の筐体、例えばＡＥＤの筐体とすることができる。

本書に開示される教示の代替的な側面において、実質的に一定のブレークダウン条件を示す信頼性が高い医療デバイスにおける過電圧保護に関する手段を提供することが望ましい。この要求及び／又は可能な他の要求は、医療デバイスに関する過電圧保護デバイスにより対処される。このデバイスは、ガス放電管と、上記ガス放電管の予測可能なブレークダウン条件を提供するため上記ガス放電管に事前付勢するよう構成される光源とを有する。

ガス放電管に事前付勢する光源は、ブレークダウン条件を、例えば環境光又は温度といった環境的影響から実質的に独立したものとする。ガス放電管が環境光に露出されるかに関係なく、光源は、ガス放電管がいずれかのイベントで弧絡する最小のブレークダウン条件を確実にする。

光源は、ガス放電管に近接して配置されることができる。

上記光源は、上記過電圧保護デバイスの武装状態（動作状態）の間、実質的に永久に点灯される。

光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。

本書に開示される教示の更に代替的な側面において、実質的に一定のブレークダウン条件を示す信頼性が高い医療デバイスにおける過電圧保護に関する方法を提供することが望ましい。これらの要求及び／又は可能な他の要求は、医療デバイスにおいてガス放電管を用いる方法により対処され、この方法は、
上記ガス放電管の近傍に配置される光源を点灯し、上記ガス放電管の予測可能なブレークダウン条件を提供するため上記ガス放電管に事前付勢するステップと、
上記ガス放電管に印加される過電圧に基づき、上記ガス放電管を弧絡させるステップであって、上記過電圧が、上記予測可能なブレークダウン条件を越える、ステップとを有する。

本書に開示される教示による除細動回路の第１の実施形態の概略的なブロックダイアグラムを示す図である。 本書に開示される教示による除細動回路の別の実施形態の概略的なブロックダイアグラムを示す図である。 本書に開示される教示の効果を説明するチャートを示す図である。

本発明のこれらの及び他の態様が、以下に説明される実施形態より明らとなり、これらの実施形態を参照して説明されることになる。

本発明が、図面に基づき以下に説明されることになる。本書において説明される本発明の実施形態及び側面は、例示にすぎず、請求項の保護範囲を何らかの態様で限定するものでない点を理解されたい。本発明は、請求項及びこれらの均等の範囲により規定される。ある側面の特徴が、異なる側面の特徴と組み合わせられることができる点も理解されたい。

図１は、本書に開示される教示に基づかれる除細動回路のブロック図を概略的な態様で示す。除細動回路は、除細動を必要とする患者に対して高電圧パルスを供給するよう構成される高電圧回路１０２を有する。高電圧回路１０２は、２つの除細動リード線１０５、１０７を用いて、除細動パッド１０６、１０８に接続される。除細動パッド１０６、１０８は、除細動手順の開始の前に患者に付けられる粘着パッドとすることができる。

除細動回路は、心電図（ＥＣＧ）監視回路１０４を更に有する。ＥＣＧ監視回路１０４は、２つの監視リード線１１５、１１７を用いて除細動パッド１０６、１０８に間接的に接続される。これは、それぞれ除細動リード線１０５及び１０７に接続される。除細動器のこの構成において、２つの電極パッドだけが必要とされる。なぜなら、除細動パッド１０６、１０８がＥＣＧ監視にも用いられるからである。２つの除細動パッド１０６、１０８だけで済むことは、特に除細動器が横たわった人に用いられる場合に、除細動パッド１０６、１０８の迅速な配置を容易にする。

高電圧回路１０２が、除細動パッド１０６、１０８に高電圧パルスを印加するときはいつでも、ＥＣＧ監視回路１０４は、高電圧回路１０２及びＥＣＧ監視回路１０４の間の直接的な電気接続のため、高電圧パルス（又は、そのかなりの部分）を受信する。ＥＣＧ監視回路１０４が、高電圧回路１０２により正常な高電圧パルスに耐えるよう設計されることができる一方で、ＥＣＧ監視回路１０４は過電圧パルスを受信することができる。例えば、除細動パッド１０６、１０８の１つが、患者に対して適切に付けられない場合がある。その結果、除細動パッドと患者の皮膚との間のインタフェースを介して、全く電流が流れない、又は小さな電流だけが流れる可能性がある。結果として、高電圧パルスは、患者とは別の導電経路を介して放電される傾向がある。この他の導電経路は、ＥＣＧ監視回路１０４を有することができる。ＥＣＧ監視回路１０４は、ＥＣＧ監視回路１０４と監視リード線１１５、１１７とを接続するのに用いられる端子を有する。高電圧パルスの電荷がＥＣＧ監視回路１０４を介して放電されることを回避するため、ＥＣＧ監視回路の端子は、過電圧保護デバイスにも接続される。第１の過電圧保護デバイスは、ガス放電管１２５を有し、これは、ガス放電管１２５の第１の端子でＥＣＧ監視リード線１１５に接続される。ガス放電管１２５は、ガス放電管１２５の別の端子で接地電位１３０にも接続される。発光ダイオード（ＬＥＤ）１３５は、ガス放電管１２５の近傍に配置される。レジスタ１３６は、発光ダイオード１３５と直列に接続され、５ボルトの電位（５Ｖ）にも接続される。発光ダイオード１３５は、参照電位１３０にも接続される。直列のレジスタ１３６は、発光ダイオード１３５の長期の動作に適しており、ＬＥＤ１３５の充分な光出力を与える値へと、発光ダイオード１３５を通り流れる電流を制限する。

発光ダイオード１３５により生み出される光出力は、ガス放電管１２５の方向に向けられる。ガス放電管１２５は、ガス放電管１２５に含まれるガスでのＬＥＤ１３５からの光のイオン化効果が原因で、事前に付勢される。関連する別の効果は、ガス放電管１２５の陽極又は陰極において電子が解放されることができるという光電効果である。

ＥＣＧ監視リード線１１７は、ガス放電管１２７にも接続され、これは、次に、参照電位１３０に接続される。発光ダイオード１３７（ＬＥＤ）は、ガス放電管１２７の近傍に配置される。直列レジスタ１３８は、発光ダイオード１３７を通り流れる電流を制限する。直列レジスタ１３８は、５ボルトの電位５Ｖにも接続される。これは、発光ダイオード１３５及び直列レジスタ１３６に関連して以前に説明されたのと同じである。５Ｖの代わりに、発光ダイオードを作動させるよう構成される別の電位が用いられることができる。例えば、３Ｖである。

発光ダイオード１３５、１３７は、必要とされるときオン／オフに発光ダイオード１３５、１３７を切り替えるため、何らかの制御回路に接続されることもできる。直列レジスタ１３６又は１３８に加えて、又はレジスタ１３６又は１３８の代わりに、可変抵抗を用いることも可能である。可変抵抗は、発光ダイオード１３５又は１３７を通る電流を変化させるのに用いられることができる。こうして、発光ダイオードの光出力が調整される。次に、ガス放電管１２５又は１２７のブレークダウン条件が、特定の範囲内に調整されることができる。

図２は、本書に開示される教示の別の実施形態による除細動回路のブロック図を概略的な態様で示す。

高電圧部分は基本的に、図１と同じである。高電圧部分は、高電圧回路１０２、除細動リード線１０５、１０７及び除細動パッド１０６、１０８を有する。

図２に示される除細動回路のＥＣＧ監視部分は、高電圧部分と分離している。ＥＣＧ監視パッドは、３つのＥＣＧ監視パッド２１４、２１６、２１８を有する（２つのＥＣＧ監視パッドだけ又は３つ以上のＥＣＧ監視パッドとすることもできる）。第１のＥＣＧ監視パッド２１４は、ＥＣＧ監視回路２０４への接続のためのＥＣＧ監視リード線２１３に接続される。第２のＥＣＧ監視パッド２１６は、ＥＣＧ監視回路２０４への接続のための第２のＥＣＧ監視リード線２１５に接続され、第３のＥＣＧ監視パッド２１８は、ＥＣＧ監視回路２０４への接続のための第３のＥＣＧ監視リード線２１７に接続される。

除細動回路の動作の間、除細動パッド１０６、１０８及びＥＣＧ監視パッド２１４、２１６、２１８の間で、結合２１０が発生する。ＥＣＧ監視回路２０４への損害を回避するため、ＥＣＧ監視リード線２１３、２１５、２１７は、参照電位１３０に接続される個別のガス放電管２２３、２２５、２２７を用いて過電圧保護される。

図１のように、ガス放電管２２３、２２５、２２７に事前付勢することは、発光ダイオード２３３、２３５、２３７により実現される。明確さのため、様々な発光ダイオード２３３、２３５、２３７に関する供給回路は、図２において図示省略されている。

図１に示される実施形態のガス放電管１２５、１２７と比較して、図２におけるガス放電管２２３、２２５、２２７は、より低いブレークダウン電圧を持ち、及び従ってより効率的にＥＣＧ監視回路２０４を保護するよう、選ばれることができる。理由は、直接的な電気結合が、除細動回路の高電圧部分及びＥＣＧ監視部分の間にないためである。高電圧回路１０２により与えられる高電圧パルスに基づき参照電位１３０に対してＥＣＧ監視リード線２１３、２１５、２１７を短絡させることは、患者が経験する高電圧パルスに大きな影響を与えるものではない。

図３は、光を用いてガス放電管１２７に事前付勢する効果の概略図を示す。左には、ブレークダウン電圧Ｖ_{ＢＲＥＡＫＤＯＷＮ}の範囲が、ガス放電管が事前付勢されない場合に関して見られることができる。ブレークダウン電圧Ｖ_{ＢＲＥＡＫＤＯＷＮ}は、比較的高く、相対的に大きな範囲の可能なブレークダウン電圧に含まれる任意の値を設定することができる。これは、非活動的な何らかの時間の後のガス放電管１２７の第１の弧絡イベントの場合に特に当てはまる。この理由は、ガス放電管１２７内部の２、３のガス分子だけが、過電圧保護のために付勢されるためである。適切な事前付勢がないと、特定の所望の電圧で弧絡するガス放電管に依存されることができない。

図３の右側には、ガス放電管１２７が事前付勢される状態が示される。即ち、発光ダイオードが、スイッチオンされ、ガス放電管１２７を照射する。平均ブレークダウン電圧Ｖ_{ＢＲＥＡＫＤＯＷＮ，ＡＶＧ}が、図３で左に示される非事前付勢状態と比べるとわずかに低い。おそらく更に重要な点は、ブレークダウン電圧の正確な値の不確実性の範囲が、今や小さいことにある。従って、図３の右側に示される事前に付勢された状態において、少なくとも正常な状況下で、指定された範囲の上限と下限との間にある電圧がガス放電管に印加されるとき、ガス放電管が弧絡することが予想されることができる。

図面、開示及び添付された請求項の研究から、開示された実施形態に対する他の変形が、請求項に記載の本発明を実施する当業者により理解され、実行されることができる。請求項において、単語「有する」は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数性を除外するものではない。単一のユニットが、請求項に記載される複数のアイテムの機能を実行することができる。逆もまた同じである。特定の手段が、相互に異なる従属項に生じるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを意味するものではない。請求項における任意の参照符号は、範囲を限定するものとみなされるべきではない。

Claims (10)

1. ガス放電管と、前記ガス放電管の予測可能なブレークダウン条件を提供するため、前記ガス放電管に事前付勢するよう構成される発光ダイオードである光源と、前記光源と直列に接続され、前記光源を通り流れる電流を、前記予測可能なブレークダウン条件を提供するのに十分な光出力を与える値に制限するレジスタと、心電図監視回路とを有し、前記レジスタが、可変抵抗であり、前記光源を通る電流を変化させることにより前記光源の光出力を調整し、前記ガス放電管のブレークダウン条件を調整し、前記ガス放電管が、前記心電図監視回路に関する過電圧保護デバイスとして機能するよう、前記心電図監視回路に接続される、除細動回路。
2. 前記光源が、前記ガス放電管の近接に配置される、請求項１に記載の除細動回路。
3. 前記光源は、前記除細動回路の動作の間、実質的に永久に点灯される、請求項１に記載の除細動回路。
4. 前記心電図監視回路が、複数の監視リード線を有し、前記除細動回路は、余分な電荷を吸収するのに十分な参照電位を持つ電気導体を有し、前記ガス放電管が、前記監視リード線の１つ及び前記参照電位を持つ前記電気導体の間に接続される、請求項１に記載の除細動回路。
5. 前記複数の監視リード線の１つ及び前記参照電位を持つ前記電気導体の間に接続される複数の追加的なガス放電管を更に有する、請求項４に記載の除細動回路。
6. 前記ガス放電管に関する予測可能な事前付勢条件を提供するため、前記ガス放電管及び前記光源に関する耐光性筐体を更に有する、請求項１に記載の除細動回路。
7. 除細動回路の心電図監視回路を保護するための過電圧保護デバイスであって、ガス放電管と、前記ガス放電管の予測可能なブレークダウン条件を提供するため前記ガス放電管に事前付勢するよう構成される発光ダイオードである光源と、前記光源と直列に接続され、前記光源を通り流れる電流を、前記予測可能なブレークダウン条件を提供するのに十分な光出力を与える値に制限するレジスタとを有し、前記レジスタが、可変抵抗であり、前記光源を通る電流を変化させることにより前記光源の光出力を調整し、前記ガス放電管のブレークダウン条件を調整する、過電圧保護デバイス。
8. 前記光源は、前記ガス放電管の近接に配置される、請求項７に記載の過電圧保護デバイス。
9. 前記光源は、前記過電圧保護デバイスの動作の間、実質的に永久に点灯される、請求項７に記載の過電圧保護デバイス。
10. ガス放電管を用いて除細動回路の心電図監視回路を保護する方法において、
    前記ガス放電管の近傍に配置される光源を点灯し、前記ガス放電管の予測可能なブレークダウン条件を提供するため前記ガス放電管に事前付勢するステップであって、前記光源が、発光ダイオードであり、レジスタが前記光源と直列に接続され、前記予測可能なブレークダウン条件を提供するのに十分な光出力を与える値に制限し、前記レジスタが、可変抵抗であり、前記光源を通る電流を変化させることにより前記光源の光出力を調整し、前記ガス放電管のブレークダウン条件を調整する、ステップと、
    前記ガス放電管に印加される過電圧に基づき、前記ガス放電管を弧絡させるステップであって、前記過電圧が、前記予測可能なブレークダウン条件を越える、ステップとを有する、方法。

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