DE69833274T2

DE69833274T2 - High energy defibrillator employing current control circuitry

Info

Publication number: DE69833274T2
Application number: DE69833274T
Authority: DE
Inventors: G. Ross Houston BAKER; L. Pat Austin GORDON
Original assignee: ProCath Corp
Current assignee: ProCath Corp
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1998-11-09
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2018-11-10
Also published as: ATE315951T1; US5974339A; EP0956095A1; DK0956095T3; DE69833274D1; ES2252869T3; EP0956095B1; WO1999026695A1; EP0956095A4

Description

Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf einen Defibrillator und insbesondere auf einen Defibrillator zum Bereitstellen eines Hochenergiepulses bei einem relativ niedrigen, gleichmäßigen Strom, um zu verhindern, einem Patienten, dem der Defibrillatorpuls zugeführt wird, Beschwerden zuzufügen, während eine effektive Vorhofdefibrillation bereitgestellt wird.
Herzdefibrillatoren werden verwendet, um von einem Hochspannungskondensator aus einen hochenergetischen elektrischen Puls einem Herz eines Patienten zur Verfügung zu stellen, um den normalen Sinusrhythmus wieder herzustellen. In einigen Fällen können Personen, die vormals Myokardinfarkte hatten, anfällig sein für Kammer- oder Vorhof-Tachycardien, einem unerwünschten Rasen einer oder mehrerer Herzkammern. Solche Tachykardien können zu einem Flimmern des Myokards, üblicherweise der Kammer, führen. Flimmern ist das zufällige Feuern der Muskelfasern des Myokards. Das zufällige Feuern verhindert die gleichmäßige pulsförmige Kontraktion, die normalerweise mit den Pumpen des Herzens verbunden ist. Wenn ein Flimmern auftritt, hört alles effektive Pumpen auf. Der normale Sinusrhythmus muss innerhalb einiger Minuten wieder hergestellt werden, um eine Beschädigung an Geweben, die große Beträge von Sauerstoff benötigen, so wie beispielsweise dem Gehirn, zu verhindern. Erfolglosigkeit beim Herstellen des normalen Sinusrhythmus führt zum Tod.
Defibrillatoren des Paddel-Typus stellen üblicherweise bis zu 400 Joule elektrischer Energie durch die Oberfläche der Brust hindurch und zum Herzen hin bereit, um den normalen Sinusrhythmus wieder herzustellen. Typischerweise führt das Entladen des Stromes zu einem "Zurücksetzen" der elektrischen Bedingungen der Herzzellen. Die Zellen können sich dann in einer Depolarisationswelle, die sich über das Herz hinweg bewegt, depolarisieren. Die Depolarisationswelle erzeugt die gleichmäßige Pumpkontraktion des Herzens, die charakteristisch für einen normalen Sinusrhythmus ist.
Es ist jedoch ebenso bekannt, dass ein Entladen dieser Menge elektrischer Energie in den Körper eines Patienten extrem schmerzhaft ist und dem Patienten große Beschwerden bereitet. Normalerweise hat jedoch der Patient beim Auftreten von Kammerflimmern das Bewusstsein verloren und erfährt keine Schmerzen.
Es ist ebenso bekannt, dass, obwohl einige Patienten keine Probleme mit Kammerflimmern (ventricular fibrillation) haben, insbesondere ältere Menschen an Vorhofflimmern (atrial fibrillation) leiden können. Im Gegensatz zum Kammerflimmern, das zu einem totalen Verlust der Herzpumpfunktion führt, kann Vorhofflimmern, obwohl es nicht direkt lebensbedrohlich ist, dennoch gefährlich sein. Vorhofflimmern ruft einen Verlust der Pumpkapazität der Vorhöfe hervor, welche das Blut den Kammern zuführen. Insbesondere wird bei einem Vorhofflimmern ein Teil des Blutvolumens, das normalerweise von den Vorhöfen in die Kammern ausgestoßen wird, zurückbleiben. Dies kann zu einer Stagnation des Blutes innerhalb des Vorhofs führen und erhöht das Risiko der Ausbildung eines Thrombus oder des Ablösens eines Embolus. Solche Emboli können aus dem Vorhof durch die Kammer heraus, und in den allgemeinen Kreislauf des Körpers herein gepumpt werden. Der Embolus kann sich im Gehirn absetzen und einen zerebrovaskulären Unfall oder einen Schlag hervorrufen. Er kann eine Phlebitis hervorrufen, wenn er sich in einem der Glieder, wie beispielsweise den Beinen, absetzt. Wenn der Embolus im rechten Vorhof erzeugt wird, kann er in das Kreislaufsystem der Lungen hereingetragen werden, was zu einer Lungenembolie führen kann. Während keiner dieser Zustände, außer dem Schlag, direkt lebensbedrohlich sind, kann, sobald der Embolus sich bewegt und absetzt, der eventuelle Schaden extrem hinderlich oder schlussendlich selbst tödlich sein.
Es ist vorliegend bekannt, dass, um eine Kardioversion oder das Wiederherstellen eines normalen Rhythmus eines Vorhofs bereitzustellen, dies erreicht werden kann durch das Einbringen eines Katheters, beispielsweise eines Swan-Ganz Katheters, in die Oberarmarterie des Armes. Der Katheter wird dann durch die Pulmonalarterie in einen der rechten Vorhöfe des Herzens eingebracht. Während der Patient in Situationen, in denen eine Kammer-Kardioversion stattfindet, normalerweise ohne Bewusstsein oder stark sediert ist und Zeit essentiell ist, sind Patienten bei einer Vorhof-Kardioversion häufig nicht, oder nicht so stark, sediert oder sind bei Bewusstsein. Als ein Resultat kann das normale Entladen einer elektrischen Energie durch das Herz für die Vorhof-Kardioversion verwirrend sein und in einigen Fällen schmerzhaft. Ein Grund, warum der Vorhof-Kardioversionsstrom schmerzhaft sein kann liegt darin, dass eine typische Kondensatorentladung mit einem sehr hohen Strom beginnt und dann exponentiell über die Zeit zu einem niedrigen Strom hin abnimmt. Die große Magnitude des Stromes am Beginn tendiert basierend darauf dazu, Schmerz hervorzurufen. Zusätzlich ist am Beginn der exponentiell abnehmenden Stromentladung die Veränderungsrate über die Zeit des Stromes sehr groß. Diese tendiert dazu, eine solche Rate zu sein, die direkt die Schmerznerven, die mit dem Herz verbunden sind, stimuliert und zusätzliche Schmerzen hinzufügt.
Es ist aus physiologischen Studien ebenso bekannt, dass die schnelle Veränderung eines hohen Ausgangsstromes, die häufig in den Schmerzen resultiert, nicht besonders effektiv für eine Vorhof-Kardioversion ist. Vielmehr ist es eher der gesamte Strom über die Exponentialkurve hinweg, von dem es erforderlich ist, dass er ein minimales Niveau erreicht, um die Kardioversion zu erreichen. Typischerweise können zum Beispiel fünf bis zehn Joule für die Vorhof-Kardioversion verwendet werden. Dreißig Joule würden dem Herz zugeführt werden für die Kammer-Kardioversion.
Einige Fachleute könnten diese Probleme teilweise gelöst haben durch das Bereitstellen von Defibrillatoren, die Hochspannungsentladungskondensatoren aufweisen, die den Defibrillationsstrom Induktivitäten zuführen, um ihn danach dem Patienten zuzuführen. Wie in dem US-Patent Nr. 4,566,457 an Stemple, U.S. Patent Nr. 5,249,573 an Fincke et al, US-Patent Nr. 5,443,490 an Flugstad, US-Patent Nr. 5,591,209 an Kroll und 5,607,454 an Cameron et al diskutiert, werden diese Induktivitäten für die Pulsformung verwendet. Cameron et al zitieren Anderson et al, "The Efficacy of Trapezoidal Wave Forms for Ventricular Defibrillation" Chest, 70(2):298-300 (1976), in der offenbart wird, dass dreieckswellenförmige Strompulse für die Defibrillation verwendet werden können. Die Verwendung von dreieckigen und trapezförmigen Wellenformen für die Defibrillation ist ebenso offenbart in Schuder, J.C., Rahmoeller, G.A., und Stoeckle, H., "Transthoracic Ventricular Defibrillation with Triangular and Trapezoidal Waveforms", Circulation Research, vol. XIX, pp. 689-694, Oktober 1966. Schuder et al zitiert Schuder, J.C., Stoecklke, H., West, J.K. und Dolan, A.M., "A Very high Power Amplifier for Experimental External Defibrillation", 16. Annual Conference on Engineering in Medicine and Biology, Seite 40, (1963).
Ein schaltbares Defibrillationssystem ist im US-Patent Nr. 5,222,492 an Morgan et al offengelegt. Das System von Morgan et al umfasst einen Kondensator, der durch einen in Serie verbundenen Feldeffekttransistorschalter gekoppelt ist, der mit einer Induktivitätsspule verbunden ist. Der Transistor wird während eines Defibrillationspulses mehrfach geschaltet, um den Puls mit einer Sinusform zu versehen. Ein Steuerschaltkreis nimmt ein Feedback repräsentativ für den Defibrillationspuls auf und steuert die Pulsform durch das Steuern der Pulsbreite in einer Basis des Feldeffekttransistors.
Dokument EP-A-O 569 616 offenbart in 5 einen Defibrillator zum Zuführen eines Defibrillationspulses, umfassend eine Hochspannungszufuhr, die einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss, einen Schalter und eine Induktivitätsspule in Serie zwischen der Hochspannungszufuhr und einem Ausgang aufweist, wobei der Schalter dazu in der Lage ist, während des Defibrillatorpulses häufig geöffnet und geschlossen zu werden, einen Sensor zum Messen eines physikalischen Parameters des Defibrillationsausganges während des Defibrillatorpulses und Steuermittel in Antwort auf den Sensorausgang zum Steuern des Schaltens des Schalters während des Defibrillatorpulses.
Was dann benötigt wird, ist eine Art des Zuführens einer gleichmäßigen Spannung, ohne den hohen Anfangsstrom und eine hohe zeitliche Änderungsrate des Stromes, die durch die vorliegenden Vorhof-Defibrillatoren hergestellt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist so, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Sie bezieht sich auf einen relativ niedrigfrequenten Niedrigstrom-Defibrillator zur Verwendung bei der Vorhof-Defibrillation eines Patienten. Das System stellt über einen Kondensator einen relativ großen Betrag elektrischer Energie bereit. Der Defibrillationsstrom wird jedoch als ein relativ gleichmäßiger Spannungspuls zugeführt. Die Spannung, die zum Bereitstellen einer elektromotorischen Kraft verfügbar ist, stammt aus dem Kondensator. Die Kondensatorspannung treibt einen Strom durch eine Induktivitätsspule, die einen Teil der Hochfrequenzkomponenten des exponentiellen Stromes des Kondensators entfernt. Ein Steuerschaltkreis umfassend einen Mikrocontroller verbindet und trennt in einer hohen Frequenz einen Patientenschaltkreis, umfassend ein Swan-Ganz Katheter, durch die Induktivitätsspule hindurch. Dies stellt einen relativ gleichmäßigen Strom in dem Patientenkreislauf von ungefähr 5 Ampere bereit. Obwohl ein kleiner Sägezahn aufgrund des Umschaltens des Vorhof-Defibrillationsstromes vorhanden ist, vermeidet der Defibrillator, der die vorliegende Erfindung umfasst, Schmerzen, die in dem Patienten erzeugt werden, durch das Zuführen nur relativ niedrigfrequenter Defibrillationsströme. Die Vorrichtung vermeidet ebenso ein Unwohlsein des Patienten durch das Zuführen eines relativ gleichmäßigen, jedoch mit einer niedrigen Amplitude behafteten Stromes von ungefähr 5 Ampere, der nicht die Hochfrequenzkomponenten aufweist, die die Schmerznerven stimulieren.
Die Vorrichtung erreicht dies durch das Verwenden einer Ladungsspeichervorrichtung in Verbindung mit einer Induktivitätsspule unter der aktiven Steuerung des Schaltkreises in Verbindung mit einem Mikrocontroller. Der Schalter schaltet zwischen Masse und dem Hochspannungsende des Kondensators um, um der Induktivitätsspule einen pulsierenden Strom zuzuführen, welche die Ausgangsdefibrillationspulse glättet. Die vorliegende Schaltanordnung stellt durch das Umschalten zwischen der Hochspannungsseite und der Masse einen Ausgang mit weniger unerwünschter Stromvariation als die Systeme des Standes der Technik, so wie beispielsweise Morgan et al. bereit. Dies reduziert seinerseits die Wahrscheinlichkeit, dass das Nervensystem durch die Defibrillationspulse stimuliert werden wird, was zu Schmerzen führt.
Es ist eine vorrangige Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Defibrillatorsystem bereitzustellen, das einen relativ niedrigfrequenten Strom hat.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Defibrillatorsystem bereitzustellen, das einen relativ niedrigen gleichmäßigen Strom hat, aber hinreichend viel Energie bereitstellt, um einen Patienten zu defibrillieren.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Niedrigstromdefibrillator zur Produktion einer zweiphasigen oder mehrphasigen Stromwellenform für einen Patienten bereitzustellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm eines Defibrillators, der die vorliegende Erfindung umfasst;
2 ist ein schematisches Diagramm des Defibrillators, der in 1 gezeigt ist;
3 ist ein schematisches Diagramm des Defibrillators, der in 1 gezeigt ist;
4 ist eine Ansicht, teilweise durchsichtig, die Details eines Defibrillierungskatheters im Herzen eines Patienten zeigt;
5 ist ein Blockdiagramm des Defibrillators, der in 1 gezeigt ist;
6 ist ein schematisches Diagramm eines Hochspannungspulsgenerators des Defibrillators, der in 5 gezeigt ist;
7 ist ein schematisches Diagramm eines Datenermittlungs- und Steuerstromes des Defibrillators, der in 5 gezeigt ist;
8 ist ein schematisches Diagramm eines ersten, isolierten Basistreibers für den Defibrillator, der in 5 gezeigt ist;
9 ist ein schematisches Diagramm eines zweiten, isolierten Basistreibers des Defibrillators, der in 5 gezeigt ist;
10 ist ein schematisches Diagramm eines dritten, isolierten Basistreibers des Defibrillators, der in 5 gezeigt ist;
11 ist ein Graph eines Stromes über der Zeit, der Details der zweiphasigen Natur des Defibrillationsstromes zeigt, der von dem Defibrillator, der in 5 gezeigt ist, hergestellt wird;
12 ist ein Graph der Spannung über der Zeit über das Herz eines Patienten hinweg; und
13 ist ein Graph des Stromes über der Zeit, der Details der Sägezahnbreite bei zwei unterschiedlichen Schaltfrequenzen zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Bezug nehmend nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf die 1–4 wird darin ein mehrphasiger, Strom gesteuerter Defibrillator, der im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, gezeigt. Der Defibrillator 10 dient zur Kardioversion eines Vorhofflimmerns und kann ebenso für eine Kammerdefibrillation verwendet werden. Es ist vorgesehen, einem Patientenherz eine Hochenergiepulsstimulation durch ein Paar von Katheterelektroden 11 und 12 eines Swan-Ganz Katheters 13 zuzuführen. Die Katheterelektroden sind direkt in Kontakt mit dem Herzgewebe 14 eines Herzens 15 eines Patienten 16 angeordnet. Die Katheterelektroden 11 und 12 können das Herzgewebe 14 auf eine solche Weise kontaktieren, dass sie eine hochenergetische Pulsstimulation entweder einem Vorhof 17 oder einem Kammer 18 zuführen.
Bezug nehmend nun auf die 1, 2 und 3, von denen 2 eine detailliertere Ansicht des Schaltkreises in 1 ist und 3 eine detaillierte Ansicht eines Bereiches des Schaltkreises der 1 und 2 ist, empfängt eine Hochspannungsquelle 19, die eine 150 Microfarad Kondensatorbank 20 umfasst, eine Spannung von einer geeigneten Quelle, wie beispielsweise einem Aufwärtstransformator oder ähnlichem, die nicht gezeigt zu werden braucht. Der kapazitive Entladungsstrom, der für die Defibrillation verwendet wird, wird über ein Paar von Kondensatorleitungen 20a und 20b einem Schalter 21 zugeführt. In diesem Ausführungsbeispiel soll der Schalter ein Feldeffekttransistor sein. Der Schalter 21 ist mit einer 5 Millihenry Induktivitätsspule 22 zum Bereitstellen des Pulsformens gekoppelt. Die Induktivitätsspule 22 ist mit einem Ausgang gekoppelt zum Bereitstellen eines Defibrillationsstrompulses für den Patienten.
Mit dem Ausgang 23 ist ein Sensor 24 verbunden, der auf einer Leitung 25 ein Ausgangsfeedbacksignal einer Steuerung 26 zuführt. Die Steuerung 26 signalisiert dann dem Schalter 21 sich schnell zu öffnen und zu schließen, um einen im Wesentlichen gleichmäßigen Defibrillationsstrompuls bereitzustellen. Es ist klar, dass einer der Anschlüsse für den Schalter 21, der Anschluss 21a, mit der positiven Seite der Kondensatorbank 20 gekoppelt ist, während der andere Anschluss 21b mit der negativen oder geerdeten Seite der Hochspannungsversorgung oder der Kondensatorbank 20 gekoppelt ist. Das Umschalten findet schnell statt zwischen den positiven und negativen Anschlüssen, unter Steuerung der Steuerung 26, um den gleichmäßigen Defibrillationsspannungspuls bereitzustellen.
Eine Schutzdiode 28 ist über die Induktivitätsspule 22 hinweg verbunden. Der Sensor 24 kann einen Stromabtastungswiderstand umfassen, der mit der Stromschleife, wie in 2 gezeigt, verbunden ist. Der Ausgang kann mit einem Polarisationsumkehrschalter 29 verbunden sein, der ein Doppelpolwechselschalter ist, zur Umkehr der Richtung der Ausgangsspannung während eines Bereiches eines Defibrillierstrompulses, um einen zweiphasigen Defibrillationspuls bereitzustellen. Die Steuerung 26 kann einen Komparator umfassen, der auf einer Leitung 31 eine gewünschte Defibrillierungspulswellenform erhält und sie mit der abgetasteten Defibrillationspulswellenform auf einer Leitung 32 vergleicht. In Antwort erzeugt die Steuerung 26 das Schalterpositionssteuersignal abhängig davon, ob der Strom, der am Sensor 24 abgetastet wird, über oder unter den Limits liegt, die sich auf die gewünschte Wellenform beziehen. Die tatsächliche Schalteranordnung kann ebenso eine normalerweise rückwärts vorgespannte Diode 33 umfassen, die zwischen dem Knoten des Feldeffekttransistors 21 und der Induktivitätsspule 22, und der negativen Kondensatorleitung 20b gekoppelt ist. Die Diode 28 wird einen Spannungspfad bereitstellen, der es einem Defibrillationsstrom erlaubt, weiterhin durch die Induktivitätsspule 22 hindurch zu fließen, wenn der FET 21 geschlossen ist, wodurch effektiv die Induktivitätsspule 22 mit dem negativen Anschluss der Hochspannungskondensatorbank 20 verbunden ist.
Bezug nehmend nun spezifisch auf 3 wird der Ausgangsstromfluss der Hochspannungskondensatorbank 20 durch den Feldeffekt oder EGFET Transistor 21 gesteuert, der als eine schnelle Hochspannungsschaltvorrichtung dient. Der Feldeffekttransistor oder Schalter 21 koppelt wahlweise den positiven Anschluss des Hochspannungskondensators 20 mit der Induktivitätsspule 22 und wenn der Transistor die Schaltkreise öffnet, ist die Induktivitätsspule 22 in dem Schaltkreis effektiv mit der schnellen Hochspannungsdiode 33 verbunden.
Daher wird die Induktivitätsspule 22 effektiv zwischen der positiven Zufuhrspannung 20a an der Kondensatorbank 20 und der negativen Zufuhrspannungsseite 20b der Kondensatorbank 20 hin und her geschaltet.
Das Schalterumschalten wird durch die Steuerung 26 gesteuert. Sie umfasst einen Niveauverschiebungsgeber 37, der so gekoppelt ist, dass er ein Signal von einem anderen Bereich der Steuerung empfängt, der den abgetasteten Puls mit der gewünschten Wellenform vergleicht. Der Niveauverschiebungsgeber 37 seinerseits signalisiert an einen Niveauverschiebungsempfänger 36, der mit der Basis des Feldeffekttransistors 21 gekoppelt ist, was ihn dazu bringt, zu schalten. Der Niveauveränderungsgeber 37 und der Niveauveränderungsempfänger 36 stellen eine Pufferung bereit, um den Hochspannungsfeldeffekttransistor zu treiben. Neben anderen Bereichen des Komparators 26 empfängt der Geber 37 ein Signal, das in seinem Niveau verschoben ist und dann zu dem Empfänger 36 versendet wird. Die Verbindung zwischen dem Geber 37 und dem Empfänger 36 kann elektrisch, optisch oder induktiv sein, obwohl induktive oder optische Übertragungsverbindungen am wünschenswertesten sind.
Wenn die abgetastete Wellenform der Leitung 32 die gewünschte Wellenform um ungefähr einen Faktor von 10% überschreitet, wird das Signal dem Geber 37 zugeführt, um den Empfänger 36 anzuweisen, den Transistor 21 auszuschalten. Dies wird die Diode 33 dazu bringen, vorwärts gespannt zu sein und in der Stromschleife mit der Induktivitätsspule 22, effektiv die Induktivitätsspule mit dem negativen Anschlusspotential abzüglich dem Diodenvorwärtsabfall verbinden. Während des Schaltübergangs wird die Schutzdiode 28 einen Stromflusspfad für Strom in der Induktivitätsspule 22 bereitstellen.
Bezug nehmend nun auf 5 ist die Hochspannungsquelle 19, umfassend die 150 Mikrofarad Hochspannungskondensatorbank 20, durch ein Hochspannungsbereitsstellungsleitung 42 mit einem Hochspannungspulsgenerator 44 verbunden. Der Hochspannungspulsgenerator 44 liefert einen Vorhof- Defibrillationsstrom in Form eines Strompulses über ein Paar von Defibrillationsstromleitungen 46 und 48 an einen Katheterverbinder 50. Der Katheterverbinder 50 ist lösbar und elektrisch verbunden mit dem Swan-Ganz Katheter 13, um die Defibrillierungsstrompulse von dem Hochspannungspulsgenerator 44 aufzunehmen und sie zu den Katheterelektroden 11 und 12 zu transportieren.
Die Hochspannungsversorgung 40 wird primär von einer Niedrigspannungsstromversorgung 60 mit Strom versorgt, die so verbunden ist, dass sie Energie von einem Verbinder 62 erhält. Eine serielle Schnittstelle 64 kommuniziert Daten an einen Aufnahme- und Steuerschaltkreis 66.
Der Datenaufnahme- und Steuerschaltkreis 66 ist ebenso mit einem Abtastschaltkreis 68 gekoppelt, um Informationen über einen Hochspannungsschutzschaltkreis 70 von dem Swan-Ganz Katheter 13 zu erhalten, der mit dem Verbinder 50 verbunden ist. Der Datenaufnahme- und Steuerschalter 66 steuert die Erzeugung des Defribillierpulses durch den Hochspannungspulsgenerator 44. Ein Z-Messungs-Schaltkreis 80 kann optional mit eingeschlossen sein zum Messen der Impedanz des Patientenschaltkreises, der den Patienten und den Katheter umfasst. Die Patientenschaltkreisimpedanzmessung kann von dem Datenaufnahme- und Steuerschaltkreis verwendet werden, um die Defibrillierpulsparameter einzustellen.
Wie in 6 gezeigt, hat der Hochspannungsgenerator 44 einen Hochspannungseingang 90 von dem Hochspannungsleitung 92. Der Hochspannungseingang ist über den Kondensatorschaltschalttransistor 21 mit der Induktivitätsspule 22 gekoppelt. Der Kondensatorschalttransistor 21 wird an seiner Basis 110 durch ein Steuersignal gesteuert, das von einem isolierten Treiber 106 bereitgestellt wird.
Wie am besten in 8 gesehen werden kann, steuert der isolierte Treiber 106 den Kondensatorschalttransistor 21. Der isolierte Treiber 106 hat einen Unitrode 3726 isolierten integrierten Geberschaltkreis 130, der elektrische Energie durch einen Isolationstransformator 132 einem Unitrode UC3725 isolierten integrierten Treiberschaltkreis 134 zuführt. Der isolierte Treiber 134 steuert das Schalten eines Paares bipolarer Transistoren 136 und 138, um eine DRIVEOUT Leitung 109, die mit der Basis 110 verbunden ist, vorzuspannen. Die Steuerung an der DRIVEOUT Leitung 110 wird dazu verwendet, den Kondensatorstrom zu steuern und ermöglicht es einem Strom, in die Induktivitätsspule 22 hereinzufließen.
Ein zweiter isolierter Treiber 150 ist mit einem Transistor 152 verbunden, um das Liefern eines Defribillierstromes an eine Leitung 156 zu steuern. Die Leitung 156 ist mit einem doppelpoligen Wechselschalter 158 gekoppelt, der ein Teil des Polaritätsumschaltschalters 29 ist, umfassend einen Teil eines Relais 160. Der Zustand des Relais 160 wird gesteuert durch einen Transistor 162, der durch einen Widerstand 164 von einer Scharfschaltungsleitung 166 vorgespannt ist, die durch einen Mikrocontroller in dem Aufnahme- und Steuerschaltkreis 66 angetrieben wird. Der Ausgang des doppelpoligen Wechselschalters 158 ist über die Leitungen 170 und 172, die jeweils mit der Vorhofelektrode 14 und der Pulmonararterienelektrode 12 verbunden sind. Ein anderer Transistor 180 wird durch einen isolierten Treiber 182 gesteuert.
Der isolierte Basistreiber 150, wie am besten in 9 zu sehen, umfasst einen Unitrode UC3726 isolierten Treibergeber 200. Der isolierte Treibergeber ist so verbunden, dass er Energie empfangen kann und dass er ebenso einen Ausgang durch einen Isolationstransformator 202 bereitstellen kann. Der Isolationstransformator 202 isoliert die Hochspannungsleitung des Hochspannungsantriebs von anderen Bereichen des Schaltkreises. Der Isolationstransformator sendet Steuersignale an einen Unitrode UC3725 integrierten Schaltkreis, der vollwellige gleichgerichtete Gleichstromenergie einem Paar von Zenerdioden 210 und 212 zuführt. Die Zenerdioden beschränken Spannungsschwankungen des DRIVEOUT Anschlusses 214, der mit dem Transistor 152 verbunden ist, um das Schalten des Hochspannungsvorhofdefibrillationsstromes in der Leitung 156 zu steuern.
Gleichfalls umfasst der isolierte Basistreiber 182, wie am besten in 10 zu sehen ist, einen Unitrode UC3726 isolierten Treibergeber 230, der mit einem Isolationstransformator 132 gekoppelt ist, zum Isolieren der Hochpulse von anderen Bereichen des Schaltkreises und mit dem UC3725 Schaltkreis 234 mit einem identischen Zenerpaar 236 und 238 zum Bereitstellen eines Basistreibers an einem Treiber 240 an den Transistor 180.
Nun Bezug nehmend auf den Datenaufnahme- und Steuerschaltkreis 66 umfasst der Schaltkreis einen Mikrocomputer 400, der mit einem Maxim 505 Quad 8-bit digital/analog Wandler 402 gekoppelt ist, um digitale Signale auf einem Bus 404 zu erhalten und analoge Ausgänge zum Bereitstellen an andere Bereiche des Schaltkreises herzustellen.
Der Mikrocontroller 400 ist mit einem analog/digital Wandler 412 gekoppelt zum Erhalten unterschiedlicher analoger Signale, zum Beispiel, von der Vorhofelektrode 406, dem Signal, das mit dem Blutdruck an der Elektrode 420 in Beziehung steht und einem Z-Wert an der Elektrode 422. Die Signale werden in digitale Signale gewandelt und über den Bus 404 an den Mikrocontroller 400 gesendet.
Das Stromsteuermerkmal, das in dem Hochspannungspulsgenerator 44 aufgenommen ist, umfassend die Induktivitätsspule 22, die Diode 103, den Widerstand 161 und das Stromwellenformsteuerungsmittel 26, das die vorliegende Erfindung umfasst, wird mit dem Kondensator 20 betrieben, der für einen Eingangswert von mehr als 700 Volt der Spannung V_s ausgelegt ist. Der Doppelpolwechselrelaisschalter 158, der das Paar der Herzelektroden 11 und 12 in dem Katheter 14 durch den Hochspannungskondensator 20 während der Defibillationspulserzeugung und während Veränderungen in der Polarität, um eine zweiphasigen (oder multiphasigen) Puls bereitzustellen, verbindet, das Impedanzmessmittel 80 ist über die Herzelektroden 11 und 12 hinweg im Katheter 13 verbunden, um den Widerstand zu messen und verwendet eine niedrigere Amplitude, unterhalb der Stimulationsspannung, um eine solche Impedanz zu erhalten, und der Mikrocontroller 400 stellt ein Steuermittel bereit, das dazu in der Lage ist, eine Echtzeitsteuerung während der Pulserzeugung bereitzustellen.
Die Induktivitätsspule 22 wird als eine nahezu perfekte Induktivitätsspule betrieben, wenn sie mit einer Defibrillationsstromenergie versorgt wird von bis zu 10 Ampere. Der Schalter 21 kann den Induktionsstrom I(t) schalten (der ebenso der gesteuerte Strom ist, der durch das Herz hindurchgeschickt wird), entweder in der oberen Position an die Hochspannungsquellenkondensatorbank 20 in der Hochspannungsversorgung 40 mit der Spannung V_s, oder zur Masse, in der unteren Position. Die Position des Schalters 21 wird gesteuert durch das Stromwellenformsteuerungsmittel 26. Die Diode 28 verhindert, dass die Ausgangsspannung V_o die Kondensatorspannung V_s durch das Herz überschreitet während Unterbrechungen von I(t), also, während einer Polaritätsumkehrung oder am Ende eines Pulses. Der Stromabtastwiderstand 24, der einen kalibrierten Wert von 0,25 Ohm hat, liegt in Serie mit dem Strompfad des Induktionsstromes unmittelbar oberhalb der Masserückleitung.
Im Betrieb wird durch den Betrieb des Mikrocontrollers 400 und der damit verbundenen Schaltschaltkreise eine Vorhof-Defibrillation mit gesteuertem Strom erreicht. Der Mikrocontroller 400 ist so programmiert, dass er die konstante zweiphasige Stromwellenform I_P(t) bereitstellt, die in 13 gezeigt ist. Die Wellenform besteht aus einem linearen Anstieg auf 5 Ampere über eine Zeitdauer von 1 Millisekunde. Ein Aufrechterhaltungsniveau von 5 Ampere für 4 Millisekunden folgt dem Anstieg. Die Polarität wird dann umgekehrt und ein 3 Ampere Strom wird für 2 Millisekunden in der umgekehrten Polarität aufrechterhalten.
Um den gesteuerten Strom bereitzustellen, tastet der Mikrocontroller 400 als erstes den Niedrigspannungswiderstandwert ab, von dem angenommen wird, dass er ungefähr 50 Ohm ist. Der Mikrocontroller 400 berechnet dann die notwendige Eingangsspannung, die über den Kondensator hinweg benötigt wird. Er bringt dann die Hochspannungszufuhr 40 dazu, die Kondensatorbank 20 mit der ausgewählten Spannung zu laden, zum Beispiel 450 Volt. Der Mikrocontroller 400 bringt dann den Schalter 160 dazu, sich in der positiven Position zu schließen. Dies bringt die programmierte Wellenform dazu, in Echtzeit an das Stromwellenformsteuerungsmittel gesendet zu werden, entweder in einem digitalen oder einem analogen Format.
Das Steuerwellenformsteuermittel 26 misst die Spannung über dem Niedrigwiderstandswiderstand 24 durch eine hohe Impedanz. Es vergleicht kontinuierlich den daraus resultierenden Strom eines Paars idealer Stromwellenformen. Das Paar würde typischerweise die programmierte Wellenform sein, vergrößert um 10%. I_P(t) und die programmierte Wellenform ist erniedrigt um einen 10% Faktor I_P – (t). Das Spannungswellenformsteuerungsmittel steuert den Schalter. Wenn der tatsächlich gemessene Strom größer als der positive Strom ist, wird der Schalter mit der Masse verbunden. Wenn der tatsächlich gemessene Strom geringer ist als oder gleich zu dem 10% niedrigen Wert, wird der Schalter 21 mit dem Defibrillierkondensator 10 verbunden.
Zu Beginn des Defibrillierpulses wird der Schalter 21 in der oberen Position sein. Strom wird beginnend von dem Kondensator 20 durch die Induktivitätsspule 22 und das Herz 15 des Patienten hindurchzufließen, bevorzugt durch den Vorhof 17. Innerhalb eines kleinen Bruchteils einer Millisekunde wird der Defribillierstrom gleich groß I_P + (t) sein. Das Steuermittel 26 wird den Schalter 21 dazu bringen, mit dem negativen Anschluss 20b verbunden zu sein. Der Defibrillierstrom wird dann langsam abnehmen, als erstes weil V_o gleich 20 ist. Schlussendlich wird I(t) gleich zu I_P – (t) werden, was den Schalter dazu bringt, die Kondensatorbank 20 wieder zu verbinden und es dem Strom zu ermöglichen, wieder durch die Induktivitätsspule 22 hindurchzufließen. Die daraus resultierende bereitgestellte Stromwellenform ist die programmierte Wellenform plus einer festen Sägenzahnwellenform ± 10%.
Wie am besten in 12 gesehen werden kann, wird die Ausgangsspannung V_o und die abnehmende Kondensatorspannung V_s während des Pulses, der auf einer Millisekundenzeitskala gezeigt ist, korrespondierend zu dem feinen Sägezahn V_s, als eine Treppe erscheinen. Konstante Spannungsbereiche korrespondieren zu den Intervallen, wenn der Schalter S₁ mit der Erdung verbunden ist. Die Stufen in der Ausgangsspannungswellenform sind durch Rampen miteinander verbunden, deren Steigung durch I_P(t)/C gegeben ist.
Die Millisekundenzeitskalaspannung V_s an dem Kondensator wird durch die folgenden Gleichungen als eine Funktion der Zeit während der Wellenform gegeben. Die Gleichungen werden abgeleitet aus Energieerhaltungsüberlegungen und umfassen als Energiebudget die Energie, die in der Induktivitätsspule 102 gespeichert ist, ungefähr 1/16 Joule, was relativ gering ist. Aufgrund der Energieerhaltungsüberlegungen wird dem Herzen 15 mehr Energie von der Defribillierkondensatorbank 20 zugeführt. Der kleine Betrag der Energie, der zu der Induktivitätsspule 22 übertragen wird, wird entweder dem Herzen 22 zugeführt oder wird in der Diode 28 vernichtet, abhängig von der Schaltsequenz der Schalter 21 und 158 zum Zeitpunkt, wenn die Polarität umgekehrt wird und am Ende des Pulses.
Im Allgemeinen ist die Spannung des Kondensators gegeben durch
In dem obigen Ausdruck repräsentiert ΔE(t) die Energie, die von dem Kondensator als eine Funktion der Zeit während der Anwendung des Pulses übertragen wird.
Der Mikrocontroller 400, der in Übereinstimmung mit den vorgenannten Gleichungen als Modell funktioniert, bestimmt die Eingangsspannung, mit der die Kondensatorbank 20 geladen werden muss, um die gewünschte Stromwellenform bereitzustellen. Um dies zu tun, bestimmt er zunächst den Zeitpunkt während der Wellenform, in der V_s – V_o in einem Minimum ist. In dem vorgenannten Beispiel liegt das Minimum bei T = 5 Millisekunden am Ende des positiven, konstanten 5 Ampere Strompulses. Der Mikrocontroller 400 berechnet dann V_o (t) = 5 Ampere x 50 Ohm, was 250 Volt ergibt, für das Minimum emf, um die 5 Ampere Spannung anzutreiben. Dann addiert er eine programmierte Übereinstimmungsmargenspannung, im vorliegenden Fall von 50 Volt, um V_s bei S = 300 Volt auszuwählen. Der Mikrocontroller 400 berechnet dann den Betrag der Energie, der aus dem Kondensator während der ersten 5 Millisekunden des Betriebes herausgenommen werden kann, der gleich zu ΔE(5) ist. Die Energie, die in der Induktivitätsspule 22 gespeichert ist, wird vernachlässigt.
Die Eingangsspannung kann berechnet werden durch
Während der ersten Millisekunde werden 0,416 Joule dem Herzen 15 zugeführt und 0,0625 Joule werden in der Induktivitätsspule 22 gespeichert werden. Daher ist der Übertrag von Energie ΔE von der Kondensatorbank 20 während der ersten Millisekunde 0,48 Joule.
Während jeder Millisekunde des konstanten 5 Ampere Strombereichs werden 1,25 Joule elektrische Energie dem Herzen 15 zugeführt. Daher ist die gesamte Energie, die von der Kondensatorbank 20 während der 5 Millisekunden übertragen wird, 5,48 Joule.
Die Eingangsspannung, die über der Kondensatorbank 20 erforderlich ist, ist daher V_s(0) = 403,8 Volt. Wie in 6 gesehen werden kann, ist die detaillierte Wellenform von I_t bei t = 1 Millisekunde und t = 5 Millisekunden umfassend den feinen Sägezahn, da die 100 Millisekunden Zeitkonstante, die durch L/R geteilt wird länger ist als die Zeitdauer einer der daraus resultierenden Sägezähne.
Die Sägezähne sind annäherungsweise linear, haben positive Steigungen, die durch den Wert (V_s – V_o)/L gegeben sind. Die negativen Steigungen sind gegeben durch –V_o/K. Es kann gesehen werden, dass die Schaltfrequenz, die erforderlich ist, um den Schalter 21 innerhalb der 10% Stromsteuergrenzen zu halten, von 18,5 kHz zum Beginn des konstanten 5 Ampere Strombereichs der Wellenform auf 7,7 kHz am Ende der Wellenform herabgesetzt wird, da weniger Stromkorrekturen benötigt wurden, während die Kondensatorspannung abnahm. Der kritische Übereinstimmungspunkt bei 5 Millisekunden korrespondiert zu der niedrigsten Schaltfrequenz während der gesamten Wellenform.
Obwohl es in einigen Ausführungsbeispielen möglich sein kann, ein Abtastungsfeedback an dem Polaritätsumkehrschalter 158 zu verwenden, um sein Schließen zu regulieren, um die Stromsteuerungswellenform zu erreichen, ist dieser Ansatz nicht gewünscht. Er würde Energie über den Widerstand des Schalters 158 vernichten, da eine Stromregulierung erreicht werden würde auf Kosten eines teilweisen Schließens des Schalters 158. Ein Fallenlassen des Spannungsabfalls über den Schalter 158 würde eine gesteuerte Stromquelle erzeugen.
Im vorliegenden Beispiel wird eine Gesamtheit von 6,3 Joule elektrischer Energie dem Herzen 15 während eines zweiphasigen Defribillierpulses zugeführt. Die Kondensatorbank 20 müsste auf 450 Volt geladen werden und die Kondensatorspannung würde auf 250 Volt absinken, während des Aufbringens des Pulsstromes auf das Herz 15. Dies korrespondiert mit 10,1 Joule elektrischer Energie, die aus der Kondensatorbank 20 entnommen werden. Die 3,8 Joule Energiedifferenz wird durch den Schalter 158 während der 7 Millisekunden Dauer absorbiert. Dies ergibt einen durchschnittlichen Energieeingang von ungefähr 600 Watt und einen Spitzenenergieeintrag von 1 Kilowatt. Die resultierende Wärmebelastung des Schalters 158 würde ihn beschädigen und würde zu einem Versagen des Defibrillators 10 führen.
Während ein besonderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurde, ist klar, dass vielfältige Veränderungen und Modifikationen den Fachleuten auffallen und es ist in den angehängten Ansprüchen beabsichtigt, all diese Änderungen und Modifikationen abzudecken, die in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, hineinfallen.

Claims

Defibrillator (10) zum Bereitstellen eines Defibrillatorpulses mit: einer Hochspannungsversorgung (19), die einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss besitzt; einem Schalter (21) und einer Induktionsspule (22), die zwischen der Hochspannungsversorgung und einer Defibrillationsausgabe (23) in Reihe geschaltet sind, wobei der Schalter mehrmals während des Defibrillatorpulses wechselweise mit dem positiven und dem negativen Anschluss der Hochspannungsversorgung verbunden werden kann; einem Sensor (24) zum Messen eines physikalischen Parameters der Defibrillationsausgabe während des Defibrillatorpulses; und einem Steuermittel (26), das auf die Sensorausgabe responsiv ist zum Steuern des wechselseitigen Schaltens des Schalters während des Defibrillatorpulses.
Defibrillator nach Anspruch 1, bei dem der Sensor einen Stromaufnehmerwiderstand aufweist, der in Reihe mit der Ausgabe geschaltet ist.
Defibrillator nach Anspruch 1, bei dem der Sensor eine Spannungsmessvorrichtung über die Anschlüsse aufweist.
Defibrillator nach Anspruch 1, bei dem die Hochspannungsversorgung eine Kondensatorbank aufweist.
Defibrillator nach Anspruch 4, bei dem der Sensor eine Spannungsmessvorrichtung über die Anschlüsse der Kondensatorbank aufweist, um die zugeführte Energie oder Leistung zu messen.
Defibrillator nach Anspruch 1, bei dem das Steuermittel eine negative Rückkopplungsschleife aufweist, bei der das Steuersignal, das die erwünschte Defibrillationswellenform darstellt, mit dem voranstehenden Sensorsignal vergleicht und eine Vergleichsausgabe verwendet wird, um die Position des Schalters zu steuern.
Defibrillator nach Anspruch 6, bei dem der Schalter mit dem negativen Anschluss der Hochspannungsversorgung verbunden ist, wenn das Sensorsignal größer als das Steuersignal multipliziert mit einem ersten Faktor ist, der größer oder gleich 1 ist, und der Schalter mit dem positiven Anschluss der Hochspannungsversorgung verbunden ist, wenn das Sensorsignal geringer als das Steuersignal multipliziert mit einem zweiten Faktor ist, der gleich oder kleiner als 1 ist.
Defibrillator nach Anspruch 1, bei dem die Anschlüsse mit einem polaritätsumkehrenden, zweipoligen Wechselschalter verbunden sind, um aus dem Defibrillatorpuls einen zweiphasigen Defibrillatorpuls zu machen.
Defibrillator nach Anspruch 6, bei dem das Steuersignal einen konstanten Wert besitzt.
Defibrillator nach Anspruch 6, bei dem ein Wert des Steuersignals bei einem Wert von null beginnt und während des ersten Teils der Wellenform auf einen konstanten Wert für den übrigen Teil der Wellenform zunimmt.
Defibrillator nach Anspruch 8 oder 10, bei dem die erwünschte Steuerwellenform sich auf einen anderen konstanten Wert entsprechend der zweiten Phase des zweiphasigen Defibrillatorpulses ändert.
Defibrillator nach den Ansprüchen 2, 3, 4 oder 7, bei dem die erwünschte Stromwellenform von null auf einen konstanten Wert von 2 bis 15 Ampere innerhalb von 1 bis 3 Millisekunden zunimmt, wobei die Gesamtdauer einer ersten Phase 2 bis 7 Millisekunden beträgt, und bei dem der konstante Wert der erwünschten Stromwellenform für eine zweite Phase des zwei-phasigen Pulses geringer ist.
Defibrillator nach den Ansprüchen 2, 3, 4 oder 7, bei dem die erwünschte Spannungswellenform von null auf einen konstanten Wert von 100 bis 750 Volt innerhalb von 1 bis 3 Millisekunden zunimmt, wobei die Gesamtdauer der ersten Phase 2 bis 7 Millisekunden beträgt, und bei dem der konstante Wert der erwünschten Spannungswellenform für die zweite Phase des zwei-phasigen Pulses geringer ist.
Defibrillator nach den Ansprüchen 2, 3, 4 oder 7, bei dem die erwünschte Leistungswellenform von null auf einen konstanten Wert von 500 bis 5000 Watt innerhalb von 1 bis 3 Millisekunden zunimmt, wobei die Gesamtdauer der ersten Phase 2 bis 7 Millisekunden beträgt, und bei dem der konstante Wert der erwünschten Leistung für die zweite Phase des zwei-phasigen Pulses geringer ist.
Defibrillator nach Anspruch 7, bei dem der erste Faktor in dem Bereich von 1,0 bis 1,2 und der zweite Faktor in dem Bereich von 0,8 bis 1,0 liegt, die erwünschte Leistungswellenform von null auf einen konstanten Wert von 500 bis 5000 Watt innerhalb von 1 bis 3 Millisekunden zunimmt, und die Gesamtdauer der ersten Phase 2 bis 7 Millisekunden beträgt, und bei dem der konstante Wert der erwünschten Leistung für die zweite Phase des zweiphasigen Pulses geringer ist.
Defibrillator nach Anspruch 1, bei dem der Sensor einen Dividierer parallel mit der Induktionsspule aufweist, dessen negativer Anschluss mit einem Knoten zwischen dem Schalter und der Induktionsspule verbunden ist.
Defibrillator nach Anspruch 1, bei dem die Hochspannungsversorgung eine Hochspannungskondensatorbank aufweist.
Defibrillator nach Anspruch 1, bei dem das Steuermittel einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor aufweist.