DE69825568T2

DE69825568T2 - Externer defibrillator mit h-brückenschaltung zur erzeugung einer zweiphasigen wellenform hoher energie

Info

Publication number: DE69825568T2
Application number: DE69825568T
Authority: DE
Inventors: L. Joseph SULLIVAN; A. Lawrence BORSCHOWA; C. Richard NOVA
Original assignee: Physio Control Manufacturing Corp
Current assignee: Physio Control Manufacturing Corp
Priority date: 1997-03-05
Filing date: 1998-03-05
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2018-03-06
Also published as: CN1249695A; EP1452204A2; WO1998039060A1; IL131585A; EP1452204A3; IL131585A0; DE69840817D1; US6041254A; EP0966312A1; DE69825568D1; EP1452204B1; US5824017A; CN1148235C; JP2001514540A; EP0966312B1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Defibrillations-Wellenformen und insbesondere auf einen externen Defibrillator, der eine Schaltung zur Erzeugung einer zweiphasigen Defibrillations-Wellenform umfasst.
Hintergrund der Erfindung
Einer von den üblichsten und lebensbedrohlichsten medizinischen Zuständen ist das Kammerflimmern, ein Zustand, bei dem das menschliche Herz die von dem menschlichen Körper benötigte Blutmenge nicht mehr pumpen kann. Die übliche Art bei einem Kammerflimmern aufweisenden Herz einen normalen Rhythmus wiederherzustellen ist es, unter Verwendung eines externen Herzrhythmus-Defibrillators einen starken elektrischen Impuls an das Herz anzulegen. Externe Herzrhythmus-Defibrillatoren werden seit vielen Jahren in Krankenhäusern von Ärzten und Krankenschwestern und allgemein durch Notfallpersonal, z. B. medizinischem Hilfspersonal, mit Erfolg eingesetzt.
Herkömmliche externe Herzrhythmus-Defibrillatoren akkumulieren zunächst eine hochenergetische elektrische Ladung in einem Energiespeicherkondensator. Wird ein Schaltermechanismus geschlossen, so wird die gespeicherte Energie in Form eines starken Strompulses auf einen Patienten übertragen. Der Strompuls wird über ein Paar auf der Brust des Patienten angeordneten Elektroden an den Patienten angelegt. Der in den meisten gebräuchlichen externen Defibrillatoren verwendete Schaltermechanismus ist ein Hochenergie-Übertragungsrelais. Ein Entladungssteuersignal verursacht, dass das Relais eine elektrische Schaltung zwischen dem Speicherkondensator und einer Wellenform-Bildungsschaltung zu schließen, deren Ausgang mit den an dem Patienten befestigten Elektroden verbunden ist.
Das bei heutigen externen Defibrillatoren verwendete Relais erlaubte üblicherweise das Anlegen einer einphasigen Wellenform an den Patienten. Es wurde jedoch kürzlich entdeckt, dass bei dem Anlegen einer zweiphasigen Wellenform anstelle einer einphasigen Wellenform an den Patienten bestimmte Vorteile bestehen können. Zum Beispiel lässt eine vorläufige Forschung erkennen, dass eine zweiphasige Wellenform das mit dem Defibrillationspuls im Zusammenhang stehende resultierende Herztrauma begrenzen kann.
Die American Heart Association hat einen Bereich von Energiepegeln für die ersten drei von einem externen Defibrillator angelegten Defibrillationspulse empfohlen. Die empfohlenen Energiepegel liegen bei: 200 Joule für einen ersten Defibrillationspuls; 200 oder 300 Joule für einen zweiten Defibrillationspuls; und 360 Joule für einen dritten Defibrillationspuls, wobei alle Defibrillationspulse entsprechend eines von der Association for the Advancement of Medical Instrumentation (AAMI) herausgegebenen Standards innerhalb eines empfohlenen Varianzbereichs von nicht mehr als plus oder minus 15 Prozent liegen. Diese hochenergetischen Defibrillationspulse werden benötigt, um zu sichern, dass ein genügender Betrag der Energie des Defibrillationspulses am Herzen des Patienten ankommt und nicht in der Brustwand des Patienten verläuft.
Obwohl die Erzeugung einer zweiphasigen Wellenform in einem externen Defibrillator erwünscht ist, wurden bis heute noch keine Ausgangsschaltungen zur Erzeugung einer zweiphasigen Wellenform entwickelt, die die in einem externen Defibrillator benötigten höheren Spannungen zuverlässig und einfach schalten können. Einige implantierbare Defibrillatoren, wie zum Beispiel die in den US-Patenten Nrn. 5,083,562 und 4,880,357 gezeigten, verwenden eine Brückenschaltung mit mehreren gesteuerten Siliziumgleichrichtern (Silicon-Controlled Rectifiers, SCRs), um eine zweiphasige Wellenform zu erzeugen. Da implantierbare Defibrillatoren jedoch nur einen Defibrillationspuls niedriger Energie mit einer maximalen Energie von 25 Joule anlegen, ist die Ausgangsschaltung eines implantierbaren Defibrillators jedoch nicht zur Verwendung in dem externen Defibrillator anpassbar. Ein an eine Brückenschaltung eines implantierbaren Defibrillators angelegter Energiepuls von 200 Joule würde die Bauteile der Brückenschaltung überlasten und zu einem Versagen der Schaltung führen.
Uns ist auch die PCT-Veröffentlichung Nr. WO 95/05215 bekannt, welche einen vielphasigen Defibrillator offenbart, der jedoch nur einen Schock von 155 Joule an einem Patienten anlegen kann, wobei in dem Defibrillator 167 Joule gespeichert sind.
Diese Erfindung ist darauf gerichtet, eine Vorrichtung anzugeben, die die zuvor angegebenen und andere Nachteile überwindet. Insbesondere ist diese Erfindung auf einen externen Defibrillator gerichtet, der eine Ausgangsschaltung aufweist, die einen hochenergetischen zweiphasigen Defibrillationspuls an einen Patienten anlegen kann, wie er in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein externer Defibrillator offenbart, der eine Ausgangsschaltung aufweist, die das Entladen eines zweiphasigen Defibrillationspulses von einer Energiespeichervorrichtung, vorzugsweise von einem Energiespeicherkondensator, an einen Patienten erlaubt. Die Ausgangsschaltung enthält vier Schal tungszweige, die in Form eines „H" angeordnet sind (nachfolgend als die „H-Brücken-Ausgangsschaltung" bezeichnet). Jeder Ausgangszweig der Ausgangsschaltung umfasst einen Festkörperschalter. Durch das selektive Anschalten von Schalterpaaren in der H-Brücken-Ausgangsschaltung kann ein zweiphasiger Defibrillationspuls an den Patienten angelegt werden.
Entsprechend eines Gesichtspunkts der Erfindung sind die Schalter in dreien der Schaltungszweige der H-Brücken-Ausgangsschaltung gesteuerte Siliziumgleichrichter (SCRs). Vorzugsweise wird in jedem Schaltungszweig nur ein einziger SCR verwendet. Die Schalter in dem vierten Schaltungszweig sind Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs). Die Verwendung einzelner SCR-Schalter vereinfacht die Schaltung im Vergleich zu der Verwendung von Halbleitermodulen, die groß und teuer sind, oder im Vergleich zu der Verwendung von Niederspannungs-Bauelementen, welche hintereinander geschaltet angeordnet werden müssen. Die Verwendung von drei SCR-Schaltungszweigen reduziert weiter die Größe, das Gewicht und die Kosten der H-Brücken-Ausgangsschaltung im Vergleich mit einem Aufbau, der zwei SCR- und zwei IGBT-Schaltungszweige verwendet.
Entsprechend eines anderen Gesichtspunkts der Erfindung kann die H-Brücken-Ausgangsschaltung eine zweiphasige Wellenform von 200 oder mehr Joule von dem Energiespeicherkondensator an den Patienten leiten. Vorzugsweise kann die H-Brücken-Ausgangsschaltung eine zweiphasige Wellenform leiten, die 360 Joule entspricht, nämlich dem Industriestandard für einphasige Wellenformen und dem von der American Heart Association empfohlenen Pegel für einen dritten Defibrillationspuls. Um genügend Energie für solch einen zweiphasigen Defibrillationspuls zu speichern, liegt die Größe des Energiespeicherkondensators innerhalb eines Bereichs von 150 uF bis 200 uF.
Weiter kann die H-Brücken-Ausgangsschaltung zusätzlich zu der Möglichkeit, einen hochenergetischen Defibrillationspuls von 200 bis 360 Joule leiten zu können, auch einen Defibrillationspuls niedriger Energie für innere Anwendungen leiten, der lediglich eine Energie von 1 bis 50 Joule aufweist. Defibrillationspulse niedriger Energie werden benötigt, wenn zum Beispiel interne Paddel an den Defibrillator angeschlossen werden, die während chirurgischer Eingriffe verwendet werden, um das Herz direkt zu defibrillieren. Um das Anlegen eines Defibrillationspulses niedriger Energie zu erlauben, werden die Ausgangsschaltungsschalter in drei der Schaltungszweige von Gate-Treiberschaltungen getrieben, welche ein gepulstes Steuersignal an die Gates der Schalter anlegen. Das gepulste Steuersignal an den Gates erlaubt es den Hochspannungsschaltern auch dann leitend zu bleiben, wenn sie sehr niedrige Ströme leiten.
Entsprechend eines anderen Gesichtspunkts der Erfindung spannt eine Gate-Treiberschaltung die IGBTs in dem vierten Schaltungszweig über ein kurzes Intervall mit einer genügenden Spannung vor, um es dem Schaltungszweig zu erlauben, etwa 400 Ampere Strom zu leiten, ohne beschädigt zu werden. Das derartige Vorspannen der IGBTs erlaubt es den IGBTs einer Kurzschlussentladung zu widerstehen, die in dem Fall auftritt, dass die Schockpaddel aus Versehen aneinander gebracht werden, oder dass in der Schaltung ein Kurzschluss besteht.
Entsprechend noch eines anderen Gesichtspunkts der Erfindung sind die gesamten Ausgangsschaltungsschalter so ausgewählt, dass sie eine genügende Stromleitungskapazität aufweisen, um es zu ermöglichen, dass die Schalter in zweien der Schaltungszweige auf derselben Seite der H-Brücken-Ausgangsschaltung einen Kurzschlusspfad für die Entladung von nicht erwünschter Energie aus dem Energiespeicherkondensator erzeugen. Die Verwendung von zwei Schaltungszweigen auf einer Seite der H-Brücken-Ausgangsschaltung zur Entladung des Kondensators eliminiert das Bedürfnis für eine zusätzliche Entladungsschaltung, um diese interne Funktion der Energieableitung oder Energievernichtung auszuführen. Zusätzlich kann die H-Brücken-Ausgangsschaltung die interne Energieableitung unter Verwendung von vorteilhaften Bauteilwerten schnell und genau ausführen, welche in einer getrennten Entladungsschaltung nicht praktisch zu implementieren wären. Zum Beispiel kann die H-Brücken-Ausgangsschaltung eine interne Ableitung durch die Verwendung einer Widerstandskomponente mit einem Wert unterhalb von 100 Ohm in weniger als einer Sekunde durchführen. Wenn dies gewünscht wird, kann die interne Ableitung verwendet werden, nur einen bestimmten Energiebetrag aus dem Speicherkondensator zu entladen, anstelle den Speicherkondensator vollständig zu entladen. Da die H-Brücken-Ausgangsschaltung sowohl für den Betrieb der internen Ableitungen als auch den der Erzeugung von Defibrillationspulsen verwendet wird, dient das Widerstandselement sowohl der Absorption von Energie während der internen Ableitung als auch zur Strombegrenzung während des Defibrillationspulses. Der Widerstandswert ist so ausgewählt, dass er klein genug ist, genügend Strom zu erlauben, um sowohl einen effektiven Defibrillationspuls als auch eine schnelle interne Energieableitung zu ermöglichen, während er auch groß genug ist, um den Strom so zu begrenzen, dass die Schalter der H-Brücken-Schaltung geschützt werden. Das ausgewählte Widerstandselement muss eine hohe thermische Kapazität aufweisen, die geeignet ist, der von den hohen Strömen erzeugten Hitze zu widerstehen, die während des H-Brücken-Schaltungsbetriebs der internen Ableitung und der Erzeugung von Defibrillationspulsen entstehen.
Entsprechend eines anderen Gesichtspunkts der Erfindung bildet das Widerstandselement einen Teil eines Schutzelements, das sowohl Strom als auch Spannungsänderungen von dem Energiespeicherkondensator begrenzt. Das Schutzelement hat sowohl induktive als auch Widerstandseigenschaften. Die Verwendung eines einzigen Schutzelements mit diesen Eigenschaften reduziert die Anzahl benötigter Bauelemente.
Entsprechend noch eines anderen Gesichtspunkts der Erfindung schaltet die Gate-Treiberschaltung die IGBTs langsam an und schnell aus. Durch das langsame Anschalten wird verhindert, dass ein elektrisch gekoppelter SCR in einem der anderen Schaltungszweige der H-Brücken-Ausgangsschaltung in einen leitenden Zustand gebracht wird. Das schnelle Ausschalten reduziert es, dass die IGBTs möglicherweise beschädigenden hohen Spannungen ausgesetzt sind, die über einem IGBT auftreten können, wenn der andere IGBT unbeabsichtigterweise zuerst ausgeschaltet wird. Die IGBT-Gate-Treiberschaltung reduziert demzufolge die Größe von Hochspannungs-Bauteilen, die zum Schutz der IGBTs nötig sind.
Es ist vorteilhaft, dass die offenbarte H-Brücken-Ausgangsschaltung den Vorteil aufweist, dass damit entweder eine hochenergetische zweiphasige Wellenform oder eine zweiphasige Wellenform mit niedriger Energie mittels eines externen Defibrillators erzeugt und an einen Patienten angelegt werden kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die zuvor beschriebenen Gesichtspunkte und viele der bestehenden Vorteile dieser Erfindung werden vollständiger geschätzt, wenn die Erfindung durch Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden wird, worin:
1 ein Blockschaltbild eines externen Defibrillators zeigt, der eine Ausgangsschaltung aufweist, die für das Anlegen eines hochenergetischen zweiphasigen Defibrillationspulses an einen Patienten geeignet ist; und
2 ein schematisches Diagramm der bevorzugten Ausführungsform der in 1 gezeigten Ausgangsschaltung zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
1 zeigt ein Blockschaltbild eines externen Defibrillators 8, der an einen Patienten 16 angeschlossen ist. Der Defibrillator enthält einen Mikroprozessor 20, der über eine Ladeschaltung 18 an einen Energiespeicherkondensator 24 angeschlossen ist. Während des Betriebs des Defibrillators steuert der Mikroprozessor die Ladeschaltung 18 über ein Signal auf einer Steuerleitung 25, um den Energiespeicherkondensator auf einen gewünschten Spannungspegel aufzuladen. Um den Ladeprozess zu beobachten, ist der Mikroprozessor über ein paar Messleitungen 47 und 48 und über eine Steuerleitung 49 an eine Skalierungsschaltung 22 angeschlossen. Die Skalierungsschaltung 22 ist über eine an den negativen Anschluss des Kondensators angeschlossene Brückenleitung 28 und über eine an den positiven Anschluss des Kondensators angeschlossene Leitung 30 an den Energiespeicherkondensator 24 angeschlossen. Der Mikroprozessor 20 ist ebenfalls mit einer Uhr 21 verbunden.
Die Skalierungsschaltung 22 wird verwendet, die über dem Energiespeicherkondensator 24 anliegende Spannung in einen Bereich herunterzuwandeln, der von dem Mikroprozessor überwacht werden kann. Die Skalierungsschaltung 22 wird nachfolgend kurz und detaillierter in einer Anmeldung beschrieben, die mit „Method and Apparatur for Verifying the Integrity of an Output Circuit before and during Application of a Defibrillation Pulse" betitelt ist (PCT-Veröffentlichungsnummer WO 98/39059).
Der Energiespeicherkondensator 24 kann in einen Bereich von Spannungspegeln aufgeladen werden, wobei der ausgewählte Pegel von dem Patienten und anderen Parametern abhängt. Vorzugsweise liegt die Größe des Energiespeicherkondensators innerhalb eines Bereichs von 150 uF bis 200 uF. Um den nötigen Defibrillationspuls für die externe Anwendung an einem Patienten zu erzeugen, wird der Energiespeicherkondensator auf zwischen 100 Volt und 2200 Volt aufgeladen. Um kleinprozentige Änderungen in dem gewählten Spannungspegel des Energiespeicherkondensators 24 zu detektieren, ist die Skalierungsschaltung auf die Messung von unterschiedlichen Spannungsbereichen einstellbar. Das eingestellte Ausgangssignal wird von dem Mikroprozessor 20 auf der Messleitung 48 gemessen.
Nach dem Laden auf einen gewünschten Pegel kann die in dem Energiespeicherkondensator 24 gespeicherte Energie in Form eines Defibrillationspulses an den Patienten 16 angelegt werden. Für die gesteuerte Übertragung von Energie von dem Energiespeicherkondensator an den Patienten ist eine Ausgangsschaltung 14 vorgesehen. Die Ausgangsschaltung 14 umfasst vier Schalter 31, 32, 33 und 34, wobei jeder Schalter in einem Schaltungszweig der Ausgangsschaltung vorgesehen ist, die in Form eines „H" angeordnet ist (nachfolgend als die „H-Brücken"-Ausgangsschaltung bezeichnet). Die Schalter 31 und 33 sind über ein Schutzelement 27 mittels einer Brückenleitung 26 an den positiven Anschluss des Energiespeicherkondensators 24 angeschlossen. Das Schutzelement 27 begrenzt den Strom und die Spannungsänderungen von dem Energiespeicherkondensator 24 und hat sowohl induktive als auch Widerstandseigenschaften. Die Schalter 32 und 34 sind über eine Brückenleitung 28 mit dem Energiespeicherkondensator 24 verbunden. Der Patient 16 ist über eine Herzspitzen- oder Apex-Leitung 17 mit der linken Seite der H-Brücke verbunden und über eine Brustbein- oder Sternum-Leitung 19 mit der rechten Seite der H-Brücke. Wie in 1 dargestellt, sind die Apex-Leitung 17 und die Sternum-Leitung 19 jeweils über ein Patientenisolationsrelais 35 mit den Elektroden 15 und 15 verbunden. Der Mikroprozessor 20 ist jeweils über Steuerleitungen 42a, 42b, 42c und 42d mit den Schaltern 31, 32, 33 und 34 und über eine Steuerleitung 36 mit dem Patientenisolationsrelais 35 verbunden. Das Anlegen geeigneter Steuersignale durch den Mikroprozessor über die Steuerleitungen verursacht, dass die Schalter geöffnet und geschlossen werden können, und dass die Ausgangsschaltung 14 Energie von dem Energiespeicherkondensator 24 an den Patienten leitet.
2 zeigt einen bevorzugten Aufbau der Ausgangsschaltung 14. Die Ausgangsschaltung beruht auf vier Ausgangsschaltern SW1 bis SW4, um Energie von dem Energiespeicherkondensator 24 an den Patienten zu leiten. Die Schalter SW1, SW3 und SW4 sind Halbleiterschalter, vorzugsweise gesteuerte Siliziumgleichrichter (SCRs). Der Schalter SW2 ist eine Reihenschaltung der Schalter SW2A und SW2B, die vorzugsweise beide Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) sind. Es werden zwei IGBTs benötigt, da die Grenzen der IGBT-Schaltertechnik so sind, dass die maximale Arbeitsspannung derzeit erhältlicher IGBTs nicht ausreicht, der maximalen Spannung zu widerstehen, die über dem Schalter SW2 in der Ausgangsschaltung 14 auftreten kann. Der Schalter SW2 ist demzufolge aus zwei IGBT-Schaltern aufgebaut, die in Reihe geschaltet sind, so dass die Spannung über dem gesamten Schalter SW2 zwischen den beiden IGBT-Schaltern aufgeteilt ist. Die Fachleute auf diesem Gebiet können erkennen, dass in der Ausgangsschaltung ein einziger IGBT verwendet werden kann, wenn ein IGBT mit genügenden Span nungs-Nennwerten zur Verfügung steht. Die vier Ausgangsschalter SW1 bis SW4 können aus einem Aus- (nicht leitenden) in einen An- (leitenden) Zustand geschaltet werden.
Der Defibrillator 8 erzeugt einen zweiphasigen Defibrillationspuls, der an den Patienten 16 angelegt werden kann. Wird der Energiespeicherkondensator 24 auf einen gewünschten Energiepegel aufgeladen und ist das Patientenisolationsrelais 35 geschlossen, so werden die Schalter SW1 und SW2 angeschaltet, um den Energiespeicherkondensator mit der Apex-Leitung 17 und der Sternum-Leitung 19 zu verbinden, damit eine erste Phase eines Defibrillationspulses an den Patienten angelegt wird. Die gespeicherte Energie läuft von dem positiven Anschluss des Energiespeicherkondensators 24 auf der Leitung 26 über den Schalter SW1 und die Apex-Leitung 17 über den Patienten 16 und zurück durch die Sternum-Leitung 19 und den Schalter SW2 auf der Leitung 28 an den negativen Anschluss des Kondensators. Die erste Phase des zweiphasigen Pulses ist demzufolge ein positiver Puls von dem Apex zu dem Sternum des Patienten.
Bevor der Energiespeicherkondensator 24 komplett entladen ist, wird der Schalter SW2 in den Auszustand vorgespannt, um das Anlegen der zweiten Phase des zweiphasigen Pulses vorzubereiten. Ist der Schalter SW2 in den Auszustand vorgespannt, so fällt auch der Schalter SW1 in den nichtleitenden Zustand, da die Spannung über dem SCR auf Null abfällt.
Nach dem Ende der ersten Phase des zweiphasigen Defibrillationspulses werden die Schalter SW3 und SW4 angeschaltet, um die zweite Phase des zweiphasigen Pulses zu beginnen. Die Schalter SW3 und SW4 erzeugen einen Pfad, um einen negativen Defibrillationspuls an den Patienten 16 anzulegen. Die Energie läuft von dem positiven Anschluss des Energiespeicherkondensators 24 auf der Leitung 26 durch den Schalter SW3 und die Sternum- Leitung 19 über den Patienten 16 und zurück durch die Apex-Leitung 17 und den Schalter SW4 auf der Leitung 28 an den negativen Anschluss des Energiespeicherkondensators. Die Polarität der zweiten Phase des Defibrillationspulses ist demzufolge umgekehrt zu der Polarität der ersten Phase des zweiphasigen Pulses. Das Ende der zweiten Phase des zweiphasigen Pulses wird durch das Anschalten des Schalters SW1 abgeschnitten, womit durch die Schalter SW1 und SW4 ein Kurzschlusspfad für die verbleibende Kondensatorenergie erzeugt wird. Nachdem die zweite Phase abgeschnitten wurde, werden alle vier Schalter SW1 bis SW4 ausgeschaltet und das Patientenisolationsrelais 35 wird geöffnet. Der Energiespeicherkondensator 24 kann anschließend wieder aufgeladen werden, um den Defibrillator für das Anlegen eines weiteren Defibrillationspulses vorzubereiten.
Wie zuvor beschrieben, können die vier Ausgangsschalter SW1 bis SW4 durch das Anlegen von geeigneten Steuersignalen auf den Steuerleitungen 42a, 42b, 42c und 42d aus einem Aus- (nichtleitenden) Zustand in einen An- (leitenden) Zustand geschaltet werden. Damit die SCRs und IGBTs die hohen Spannungen in einem externen Defibrillator schalten können, sind jeweils spezielle Schaltertreiberschaltungen 51, 52, 53 und 54 mit den Schaltern SW1 bis SW4 verbunden. Die Steuerleitungen 42a, 42b, 42c und 42d sind an die Schaltertreiberschaltungen 51, 52, 53, und 54 angeschlossen, damit der Mikroprozessor den Zustand der Schalter steuern kann.
Die Schaltertreiberschaltungen 51, 53 und 54 sind identisch. Demzufolge wird für diese Beschreibung nur der Aufbau und Betrieb der Schaltertreiberschaltung 51 beschrieben. Die Fachleute auf diesem Gebiet erkennen, dass die Schaltertreiberschaltungen 53 und 54 in einer ähnlichen Weise arbeiten.
Die Schaltertreiberschaltung 51 umfasst einen Steuerschalter SW11, Widerstände R11, R12 und R13, einen Kondensator C11, eine Diode D11 und einen Hochspannungstransformator T11. Der Widerstand R11 ist zwischen der positiven Versorgungsspannung V'+ und dem gepunkteten Ende der Primärwindung des Transformators T11 geschaltet und der Kondensator C11 ist zwischen Erde und das gepunktete Ende der Primärwindung des Transformators T11 geschaltet. Der Widerstand R12 ist zwischen das nichtgepunktete Ende der Primärwindung des Transformators T11 und den Drainanschluss des Steuerschalters SW11 geschaltet. Die Widerstände R11 und R12 und der Kondensator C11 begrenzen und formen die Strom- und Spannungswellenformen über der Primärwindung des Transformators T11. Der Sourceanschluss des Steuerschalters SW11 ist geerdet und der Gateanschluss des Steuerschalters SW11 ist an die Steuerleitung 42a angeschlossen.
Auf der Seite der Sekundärwindung des Transformators T11 ist die Anode der Diode D11 mit dem gepunkteten Ende der Sekundärwindung des Transformators T11 verbunden und die Kathode der Diode D11 ist mit dem Gateanschluss des SCR-Schalters SW1 verbunden. Der Widerstand R13 ist zwischen die Kathode der Diode D11 und das nichtgepunktete Ende der Sekundärwindung des Transformators T1 geschaltet. Das nichtgepunktete Ende der Sekundärwindung des Transformators T11 ist mit der Kathode des SCR-Schalters SW1 verbunden.
Um den Schalter SW1 anzuschalten, wird ein oszillierendes Steuersignal, vorzugsweise eine Impulsfolge, auf die Steuerleitung 42a gelegt. Das Impulsfolge-Steuersignal schaltet den Steuerschalter SW11 wiederholt an und aus, wodurch eine sich ändernde Spannung über der Primärwindung des Transformators T11 erzeugt wird. Die Spannung wird von dem Transformator T11 heruntergewandelt und von der Diode D11 gleichgerichtet, bevor sie an den SCR-Schalter SW1 angelegt wird. In der bevorzugten Ausführungsform wurde eine Impulsfolge mit einem Tastverhältnis von 10% auf der Steuerleitung 42a als adäquat befunden, um den SCR-Schalter SW1 in einem leitenden Zustand zu halten. Solange wie das Steuersignal an die Schaltertreiberschaltung 51 angelegt wird, bleibt der Schalter SW1 in dem leitenden Zustand. Der Schalter SW1 bleibt sogar dann in dem leitenden Zustand, wenn er nur sehr niedrige Ströme leitet, wie zum Beispiel den mit einem Defibrillationspuls niedriger Energie assoziierten Strom.
Um die IGBT-Schalter des Schalters SW2 anzuschalten, wird eine andere Schaltertreiberschaltung benötigt. Die Schaltertreiberschaltung 52 umfasst einen Kondensator C21, einen Transformator T21 und zwei identische Schaltertreiberschaltungen 52A und 52B, wobei jede Schaltung zu einem der IGBTs korrespondiert. Auf der Primärwindungsseite des Transformators T21 ist der Kondensator C21 zwischen die Steuerleitung 42b und das nichtgepunktete Ende der Primärwindung des Transformators T21 geschaltet. Das gepunktete Ende der Primärwindung des Transformators T21 ist geerdet.
Der Transformator T21 weist zwei Sekundärwindungen T21A und T21B auf, wobei für jede der Schaltertreiberschaltungen 52A und 52B eine vorgesehen ist. Die Schaltertreiberschaltungen 52A und 52B sind identisch und demzufolge wird nur der Aufbau und Betrieb der Schaltertreiberschaltung 52A beschrieben. Die Schaltertreiberschaltung 52A umfasst Dioden D21, D22, D23 und D24, die Zenerdiode ZD21, Kondensatoren C22, C23, C24 und C25, Widerstände R21, R22, R23 und R24, einen PNP-Schalter SW23 und einen SCR-Schalter SW22.
Die Anoden der Dioden D21, D22 und D23 sind mit dem nichtgepunkteten Ende der Sekundärwindung T21A des Transformators T21 verbunden. Die Kathoden der Dioden D21 und D22 sind mit dem Gate des IGBT-Schalters SW2A verbunden. Der Widerstand R21 und der Kondensator C22 sind zwischen das gepunktete Ende der Sekundärwindung T21A des Transformators T21 und die Kathode der Diode D23 geschaltet. Die Anode des SCR-Schalters SW22 und die Kathode der Zenerdiode ZD21 sind mit dem Gateanschluss des IGBT-Schalters SW2A verbunden. Die Kathode des SCR-Schalters SW22 und die Anode der Zenerdiode ZD21 sind mit dem gepunkteten Ende der Sekundärwindung T21A des Transformators T21 und ebenfalls mit dem Emitteranschluss des IGBT-Schalters SW2R verbunden.
Der Widerstand R23 und der Kondensator C24 sind zwischen dem Gateanschluss des IGBT-Schalters SW2A und dem Emitteranschluss des PNP-Schalters SW23 geschaltet. Der Widerstand R24 und der Kondensator C25 sind zwischen den Emitteranschluss des PNP-Schalters SW23 und das gepunktete Ende der Sekundärwindung T21A des Transformators T21 geschaltet. Der Gateanschluss des SCR-Schalters SW22 ist mit dem Kollektoranschluss des PNP-Schalters SW23 verbunden. Der Widerstand R22 ist zwischen den Kollektoranschluss des PNP-Schalters SW23 und das gepunktete Ende der Sekundärwindung T21A des Transformators C21 geschaltet. Der Kondensator C23 ist zwischen den Emitteranschluss und den Basisanschluss des PNP-Schalters SW23" geschaltet. Die Anode der Diode D24 ist mit dem Basisanschluss des PNP-Schalters SW23 verbunden und die Kathode der Diode D24 ist mit der Kathode der Diode D23 verbunden.
Um den IGBT-Schalter SW2A anzuschalten wird ein oszillierendes Steuersignal, vorzugsweise eine Impulsfolge, auf die Steuerleitung 42b gelegt. Das Impulsfolge-Steuersignal wird durch den Transformator T21 hochgewandelt und an den Eingang der Schaltertreiberschaltung 52A angelegt. Während eines positiven Impulses des Steuersignals auf der Steuerleitung 42b richten die Dioden D21 und D22 den Strom gleich, der durch die Sekun därwindung T21A läuft, um die Kondensatoren C24 und C25 zu laden. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird, läuft auch etwas Strom durch die Diode D23, um den Kondensator C22 zu laden.
Der Kondensator C21 begrenzt den Strom in der Primärwindung des Transformators T21, welcher den Strom in der Sekundärwindung T21A korrespondierend begrenzt. Der Strom in der Sekundärwindung bestimmt die Ladezeit der Kondensatoren C24 und C25. Da die Spannung über den Kondensatoren C24 und C25 ebenfalls die Spannung an dem Gateanschluss des IGBT-Schalters SW2A ist, führt eine langsame Akkumulation der Spannung über den Kondensatoren C24 und C25 demzufolge zu einem langsamen Anschalten des IGBT-Schalters SW2A. Der Ladestrom wird so gewählt, dass der IGBT-Schalter SW2A im Vergleich zu dem schnellen Anschalten der SCR-Schalter SW1, SW3 und SW4 relativ langsam angeschaltet wird. Ein langsames Anschalten des IGBT-Schalters SW2A ist gewünscht, da die IGBT-Schalter auf der gleichen Seite der H-Brücken-Ausgangsschaltung 14 sind, wie der SCR-Schalter SW3. Der SCR-Schalter SW3 wird von dem Steuersignal auf der Steuerleitung 42c gesteuert, aber aufgrund der Eigenschaften von SCR-Schaltern kann der SCR-Schalter unabhängig von dem Signal auf der Steuerleitung 42c versehentlich angeschaltet werden, wenn über dem SCR-Schalter SW3 eine schnelle Spannungsänderung auftritt. Würden die IGBT-Schalter SW2A und SW2B demzufolge zu schnell angeschaltet werden, so könnte die resultierende Änderungsrate der Spannung über dem SCR-Schalter SW3 diesen unabsichtlich anschalten.
Die Zenerdiode ZD21 schützt den IGBT-Schalter SW2R, indem die maximale Spannung über den Kondensatoren C24 und C25 reguliert wird. Ohne die Zenerdiode ZD21 würde die Spannung an dem Gateanschluss des IGBT-Schalters SW2A auf einen Pegel ansteigen, der den IGBT-Schalter SW2A beschädigen würde.
Auch während des positiven Impulses des Impulsfolge-Steuersignals auf der Steuerleitung 42b richtet die Diode D23 den Strom gleich, der durch die Sekundärwindung T21A verläuft, um den Kondensator C22 aufzuladen. Die in dem Kondensator C22 gespeicherte Ladung, welche bei jedem positiven Impuls des Impulsfolge-Steuersignals aufgestockt wird, erhält die Spannung über dem Basisanschluss des PNP-Schalters SW23 über dem Anschaltpegel für den PNP-Schalter. Der PNP-Schalter SW23 schaltet an, wenn die Basisspannung über dem Schalter unterhalb eines Schwellenpegels abfällt. Wie nachfolgend beschrieben wird, ist der PNP-Schalter SW23 nur angeschaltet, wenn der IGBT-Schalter SW2A ausgeschaltet werden soll. Der Kondensator C23 und die Diode D24 sind ebenfalls vorgesehen, um das Anschalten des PNP-Schalters SW23 zu verhindern. Der Kondensator C23 dient als ein Hochfrequenzfilter, um zu verhindern, dass die hochfrequenten Treiberimpulse der Schaltertreiberschaltung 52A das falsche Anschalten des PNP-Schalters bewirken. Die Diode D24 verhindert, dass eine große negative Basis-Emitter-Spannung auftritt, die verursachen könnte, dass der PNP-Schalter in einen umgekehrten Durchbruch eintritt.
Da während positiver Impulse des Steuersignals auf der Steuerleitung 42b eine Entladung des Kondensators C22 über den Widerstand R21 erfolgt, muss der Widerstand R21 groß genug sein, den Entladungsstromfluss von dem Kondensator C22 zwischen den Impulsen zu begrenzen. Eine Begrenzung des Stromflusses verhindert, dass die Spannung über dem Kondensator C22 unterhalb den Schwellenpegel abfällt, der ausreicht, den PNP-Schalter SW23 zwischen Impulsen des Steuersignals anzuschalten. Weiter muss das Laden des Kondensators C22 während eines positiven Impulses des Impulsfolge-Steuersignals auf der Steuerleitung 42b ausreichen, um der Entladung entgegenzuwirken, die seit des vorhergehenden positiven Impuls erfolgt ist, um den Kon densator C22 am Ende des positiven Impulses auf seinen vollständig geladenen Pegel zurückzuführen.
In der bevorzugten Ausführungsform wurde ein 2 MHz-Impulsfolge-Steuersignal mit einem Taktverhältnis von 25% auf der Steuerleitung 42b als adäquat erachtet, um den leitenden Zustand der IGBT-Schalter SW2A und SW2B aufrechtzuerhalten. Die Schalter verbleiben unabhängig von dem durch die Schalter fließenden Strom so lange leitend, wie das Steuersignal vorhanden ist.
Der allgemein in der Ausgangsschaltung 14 auftretende maximale Strom resultiert aus der unerwünschten Situation, in der ein Benutzer des Defibrillators die beiden Schockpaddel direkt miteinander in Kontakt bringt. Wenn dies passiert, wird zwischen der Apex-Leitung 17 und der Sternum-Leitung 19 ein Kurzschluss erzeugt. Während eines Kurzschlusses kann ein kurzer Strom von bis zum 400 Ampere erzeugt werden. Um diesen Kurzschlussstrom aufzunehmen, ohne die IGBT-Schalter SW2A und SW2B zu zerstören, werden die IGBT-Schalter SW2A und SW2B mit einer 30 Volt Gatespannung vorgespannt. Das Vorspannen der IGBTs mit diesem Spannungspegel ist ausreichend, da die IGBT-Schalter in einer gepulsten Weise betrieben werden. Würden die IGBT-Schalter für lange Zeitabschnitte mit 30 V an ihren Gateanschlüssen getrieben, könnten sie zerstört werden, aber in der Defibrillator-Ausgangsschaltung werden sie mit diesem Pegel nur für sehr kurze Intervalle getrieben.
Im Gegensatz zu dem langsamen Anschalten der IGBT-Schalter SW2A und SW2B wird das Ausschalten der IGBT-Schalter relativ schnell ausgeführt. Die IGBT-Schalter können schnell ausgeschaltet werden, da bei dem Ausschalten keine Bedenken bestehen, dass die empfindlichen SCR-Schalter unabsichtlich anschalten. Zusätzlich ist ein schnelles Ausschalten erwünscht, um die Zeit zu reduzieren, die ein IGBT-Schalter einer hohen Spannung ausgesetzt sein würde, wenn einer der IGBT-Schalter unbeabsichtigterweise vor dem anderen ausgeschaltet wird.
Die IGBT-Schalter werden ausgeschaltet, wenn das Impulsfolge-Steuersignal auf der Steuerleitung 42b nicht mehr anliegt. Nachdem die positiven Spannungsimpulse nicht länger in die Sekundärwindungen des Transformators T21 induziert werden, beginnen die Treiberschaltungen 52A und 52B mit dem Ausschalten. Der Ausschaltvorgang wird wiederum nur in Bezug auf die Treiberschaltung 52A beschrieben, da die Schaltungen identisch sind.
Während des Ausschaltens beginnt der Kondensator C22 sich über den Widerstand R21 zu entladen. Da die RC-Zeitkonstante des Kondensators C22 und des Widerstands R21 viel kleiner als die RC-Zeitkonstante der Kondensatoren C24 und C25 und der Widerstände R23 und R24 ist, erfolgt die Entladung des Kondensators C22 viel schneller, als die Entladung der Kondensatoren C24 und C25. Fällt die über dem Kondensator C22 liegende Spannung unterhalb einen Schwellenspannungspegel, so wird der PNP-Schalter SW23 angeschaltet. Der Schwellenspannungspegel ist äquivalent zu der Basisanschaltspannung des PNP-Schalters SW23 plus dem Spannungsabfall über die Diode D24. Nachdem der PNP-Schalter SW23 angeschaltet ist, beginnt der Fluss des Entladungsstroms von dem Kondensator C25 durch den Schalter. Mit dem Ansteigen des Stroms steigt die Spannung über dem Widerstand R22 korrespondierend an. Wenn die Spannung über dem widerstand R22 einen genügenden Spannungspegel erreicht hat, wird der SCR-Schalter SW22 angeschaltet und erzeugt einen Kurzschlusspfad für die verbleibende in den Kondensatoren C24 und C25 gespeicherte Energie. Die schnelle Entladung der Kondensatoren C24 und C25 verursacht einen korrespondierenden schnellen Abfall der Gatespannung des IGBT-Schalters SW2A, wo durch der Schalter schnell ausgeschaltet wird. Die Widerstände R23 und R24 sind über den Kondensatoren C24 und C25 vorgesehen, um die Spannungsteilung über den Kondensatoren einzustellen.
Es wird geschätzt, dass die speziellen Treiberschaltungen 52A und 52B die Verwendung der IGBTs in einem externen Defibrillator erlauben, in dem bei vorhandenen SCRs extrem hohe Spannungen geschaltet werden müssen. Die Treiberschaltungen minimieren die Anzahl der zum Schalten eines Defibrillationspulses von 200 oder mehr Joule benötigen Bauelemente. Zusätzlich zu dem Leiten von hohen Strömen, die mit den Hochenergie-Defibrillationspulsen assoziiert sind, können die IGBTs auch sehr niedrige Ströme leiten, die mit Defibrillationspulsen assoziiert sind, die unterhalb von 50 Joule liegen.
Wie in 2 gezeigt, ist jeder Schalter SW1 bis SW4 jeweils auch parallel zu einer Schalterschutzschaltung 61, 62, 63 und 64 geschaltet. Die Schalterschutzschaltungen sind so ausgelegt, dass sie verhindern, dass störende Spannungsspitzen die Schalter in der Ausgangsschaltung 14 beschädigen. Die Schalterschutzschaltungen 61, 63 und 64 sind identisch und demzufolge wird nur der Aufbau und Betrieb der Schalterschutzschaltung 61 beschrieben. Die Schalterschutzschaltung 61 umfasst eine Diode D12. Die Kathode der Diode D12 ist an die Anode des SCR-Schalters SW1 angeschlossen und die Anode der Diode D12 ist an die Kathode des SCR-Schalters SW1 angeschlossen. Die Diode D12 schützt den SCR-Schalter SW1 gegen negative induktive Spitzen, die aufgrund von Kabel- oder Lastinduktanzen auftreten können.
Die Schalterschutzschaltung 62 umfasst zwei identische Schalterschutzschaltungen 62A und 62B, welche jeweils die IGBT-Schalter SW2A und SW2B schützen. Da die Schalterschutzschal tungen 62A und 62B identisch sind, wird nur der Aufbau und Betrieb der Schalterschutzschaltung 62A beschrieben. Die Schalterschutzschaltung 62A umfasst eine Diode D24 und einen Widerstand R23. Der Widerstand R23 ist zwischen den Kollektoranschluss und den Emitteranschluss des IGBT-Schalters SW2A geschaltet. Die Kathode der Diode D24 ist mit dem Kollektoranschluss des IGBT-Schalters SW2A verbunden und die Anode der Diode D24 ist mit dem Emitteranschluss des IGBT-Schalters SW2A verbunden.
Die Diode D24 arbeitet dahingehend ähnlich zu der zuvor beschriebenen Diode D12, dass sie den IGBT-Schalter SW2A gegen negative induktive Spitzen schützt. Der Widerstand R23 (zusammen mit dem Widerstand R23') sichert, dass die Spannung über den beiden IGBT-Schaltern SW2A und SW2B gleich aufgeteilt wird, wenn die Ausgangsschaltung 14 leerläuft. Das Aufteilen der Spannung über den beiden IGBT-Schaltern SW2A und SW2B ist aufgrund der Begrenzungen der derzeitigen IGBT-Technologie wichtig, welche die Nenngrößen jedes IGBT-Schalters auf 1200 V begrenzt. In einem System, in dem die maximale Gesamtspannung 2200 V beträgt, werden die maximalen Spannungsbereiche demzufolge durch die Teilung der maximalen Spannung über jedem IGBT-Schalter eingehalten.
Durch das Schutzelement 27, welches sowohl induktive als auch Widerstandseigenschaften aufweist, wird ein zusätzlicher Schutz der Schalter erreicht. Das Schutzelement 27 begrenzt die Änderungsrate der Spannung über und des Stromflusses in die SCR-Schalter SW1, SW3 und SW4. Eine zu hohe Änderungsrate der Spannung über einem SCR-Schalter ist unerwünscht, da diese das unbeabsichtigte Anschalten des SCR-Schalters bewirken kann. Da die SCR-Schalter SW1 und SW4 auf derselben Seite der H-Brücken-Ausgangsschaltung 14 angeordnet sind, kann zum Beispiel ein abruptes Anschalten des SCR-Schalters SW4 zu einer beliebigen Zeit eine schnelle Spannungsänderung über den SCR-Schalter SW1 bewirken. Um schnelle Spannungsänderungen zu verhindern, reduziert das Schutzelement 27 die Änderungsrate der Spannung über dem SCR-Schalter SW1, wenn der SCR-Schalter SW4 angeschaltet wird. Weiter kann ein zu hoher Stromfluss die Schalter SW1, SW3 und SW4 beschädigen und das Schutzelement 27 begrenzt den Stromfluss in der Ausgangsschaltung 14. Die Verwendung des Schutzelements 27 reduziert demzufolge das Bedürfnis für zusätzliche Schutzelemente, die sonst mit den Schaltern SW1, SW3 und SW4 gekoppelt werden müssten.
In einigen Umständen kann es für den Defibrillator 8 erwünscht sein, ein Mittel zur internen Entladung von Energie aus dem Energiespeicherkondensator 24 aufzuweisen. Wird der Defibrillator zum Beispiel nach dem ursprünglichen Aufladen des Energiespeicherkondensators 24 auf 360 Joule zur Vorbereitung des Anlegens eines externen Defibrillationspulses für einen chirurgischen Eingriff benötigt, wo ein interner Defibrillationspuls von 2 Joule benötigt wird, so muss eine beträchtliche Energiemenge von dem Kondensator 24 abgeleitet werden, bevor der Defibrillator verwendet werden kann. Schaltungen nach dem Stande der Technik benötigten normalerweise eine getrennte interne Ableitungsschaltung, um diese Funktion auszuführen. Im Gegensatz dazu erlaubt diese Erfindung das Entladen von nicht benötigter Energie des Speicherkondensators 24 durch das Erzeugen eines Kurzschlusspfads für die nicht gewünschte Energie des Speicherkondensators mittels der Schalter auf zwei der auf der selben Seite liegenden Schaltungszweige der H-Brücken-Schaltung (d. h. der Schalter SW1 und SW4 oder der Schalter SW2 und SW3). Ein Verfahren zur Steuerung solch einer internen Energieableitung ist in der ebenfalls anhängigen und gemeinsam abgetretenen US-Anmeldung Nr. 08/811,834 beschrieben, die mit „Method and Apparatus for Verifying the Integrity of an Output Circuit before and during Application of a Defibrillation Pul se" betitelt ist. Diese Anmeldung beschreibt die Verwendung der Kombination der Schalter SW2 und SW3, um eine ausgewählte Energiemenge aus dem Speicherkondensator zu entladen. Dies kann ausgeführt werden, da der Schalter SW2 aus einem IGBT-Paar besteht, das nicht leitend geschaltet werden kann, wodurch es ermöglicht wird, dass der Kurzschlusspfad über die Kombination der Schalter SW2 und SW3 ausgeschaltet wird, nachdem die ausgewählte Energiemenge entladen wurde.
Das Schließen der Schalter in zwei Schaltungszweigen auf einer Seite der H-Brücken-Schaltung, um den Kondensator über den von dem Schutzelement 27 erzeugten Widerstand zu entladen, eliminiert das Bedürfnis einer zusätzlichen internen Energieableitungsschaltung, die nach dem Stand der Technik allgemein verwendet wird. Weiter kann ein verbessertes Ergebnis erreicht werden. Insbesondere wurde von den internen Energieableitungsschaltungen nach dem Stand der Technik normalerweise zusätzlich zu dem Widerstand, der in dem Defibrillator zur Begrenzung des Stroms während eines Defibrillationspulses verwendet wird, ein Widerstand benötigt, um die Energie während der internen Ableitung zu absorbieren. Die Widerstände zur internen Energieableitung waren oft groß (in der Ordnung von 100 kOhm oder mehr), um den durch die interne Ableitungsschaltung laufenden Strom zu begrenzen. Allgemein war es unpraktisch, eine interne Ableitungsschaltung mit kleinen Widerständen aufzubauen, da die resultierenden hohen Ströme relativ teuere und komplexe Schaltmechanismen erfordern würden, wie zum Beispiel die in 2 verwendeten, die in der 2 nur durch ihre Funktion als ein Teil des kritischen Defibrillationsschaltungspfads gerechtfertigt sind. Als allgemeine Regel bewirken die großen Widerstände der internen Ableitungsschaltungen nach dem Stand der Technik, dass die interne Ableitung einige oder mehrere Sekunden benötigt. Zum Beispiel liegt die mit einem 100 kOhm Widerstand, der mit einem 200 Mikrofarad Kondensator verwendet wird, um den Energiepegel des Kondensators von 360 Joule auf 2 Joule zu reduzieren (wie in dem obigen Beispiel), benötigte Zeit oberhalb von einigen Sekunden. Wie zuvor beschrieben können Verzögerungen bei dem Betrieb des Defibrillators zu großen Risiken auf Seiten des Patienten führen.
Im Gegensatz dazu kann durch das Schließen von Schaltern in den beiden Schaltzweigen auf einer Seite der H-Brücken-Schaltung der Widerstand des Schutzelements 27, welches verwendet wird, um Strom während eines Defibrillationspulses zu begrenzen, auch verwendet werden, um eine interne Ableitungsfunktion auszuführen. Weist das ausgewählte Schutzelement einen Widerstandswert von weniger als 100 Ohm auf, so kann die Geschwindigkeit, mit der die interne Ableitungsfunktion ausgeführt wird, reduziert werden. In einer tatsächlichen Ausführungsform der Erfindung hat das Schutzelement 27 einen Widerstandswert von 5 Ohm und einen induktiven Wert von 840 uH. In Kombination mit einem Energiespeicherkondensator von 200 Mikrofarad ist die Zeitkonstante für die resultierende Schaltung etwa eine Millisekunde. Diese Schaltung erlaubt eine zu der zuvor beschriebenen gleiche Energieableitung deutlich unterhalb einer Sekunde. Natürlich muss das ausgewählte Schutzelement 27 eine hohe thermische Kapazität aufweisen, die hoch genug ist, der durch die hohen Ströme erzeugten Wärme zu widerstehen, die während solch einer internen Energieableitung entstehen.
Es wird geschätzt, dass der größte Vorteil der zuvor beschriebenen Ausgangsschaltung 14 darin besteht, dass hiermit eine hochenergetische zweiphasige Wellenform mittels eines externen Defibrillators erzeugt und an einen Patienten angelegt werden kann. Für herkömmliche Defibrillatoren, die eine einphasige Wellenform liefern, war der Standardenergiepegel in der Industrie für die Entladung größer als 200 Joule. Die zuvor be schriebene Schaltung erlaubt es, die gleiche Energiemenge (mehr als 200 Joule) in einer zweiphasige Wellenform an den Patienten anzulegen, wodurch eine größere Sicherheit der Defibrillationseffektivität für einen weiteren Bereich von Patienten entsteht. Gleichzeitig weist die Schaltung eine besondere Treiberschaltung auf, die auch das Anlegen von zweiphasigen Wellenformen mit sehr niedriger Energie (unterhalb von 50 Joule) an den Patienten ermöglicht.
In einer alternativen Ausführungsform können die Steuerleitungen 42c und 42d und Steuerschalter SW31 und SW41 durch eine einzige Steuerleitung und einen einzigen Steuerschalter ersetzt werden, um die Schaltertreiberschaltungen 53 und 54 zu aktivieren. Obwohl der bevorzugte Aufbau für die Schalter 31, 32, 33 und 34 zuvor beschrieben wurde, ist es auch vorzuziehen, dass andere Schalteranordnungen verwendet werden können, wie z. B. das Ersetzen des Schalters 32 mit einem einzigen IGBT einer genügenden Spannungsfestigkeit. Oder es können zusätzlich Halbleiterschalter in jedem Schaltungszweig eingebaut werden, um die Spannung zu reduzieren, die von jedem Schalter geschaltet werden muss. Um die Größe und das Gewicht der resultierenden Ausgangsschaltung 14 zu minimieren, ist jedoch der zuvor beschriebene Aufbau vorzuziehen. Demzufolge kann erkannt werden, dass die Erfindung innerhalb des Umfangs der beigefügten Patentansprüche anders ausgeführt werden kann, als hier spezifisch beschrieben.

Claims

Ein externer Defibrillator (8) zum Anlegen eines zweiphasigen Defibrillationspulses über eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode an einen Patenten (16), wenn die erste Elektrode und die zweite Elektrode an dem Patenten angeschlossen sind, wobei der Defibrillator einen Energiespeichenkondensator (24) mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss und ein Ladesystem (18) zum Laden des Energiespeicherkondensators (24) umfasst, wobei der externe Defibrillator auch umfasst: eine H-Brücken-Ausgangsschaltung (14) mit vier Schaltungszweigen, um den Energiespeicherkondensator (24) schaltbar mit der ersten und der zweiten Elektrode zu verbinden, um die in dem Energiespeicherkondensator gespeicherte Energie an einen Patienten zu leiten, einen ersten Schalter (31) in dem ersten Schaltungszweig der H-Brücken-Ausgangsschaltung (14), der zwischen den ersten Anschluss des Energiespeicherkondensators (24) und die erste Elektrode geschaltet ist, einen zweiten Schalter (32) in dem zweiten Schaltungszweig der H-Brücken-Ausgangsschaltung (14), der zwischen den zweiten Anschluss des Energiespeicherkondensators (24) und die zweite Elektrode geschaltet ist, einen" dritten Schalter (33) in dem dritten Schaltungszweig der H-Brücken-Ausgangsschaltung (14), der zwischen den ersten Anschluss des Energiespeicherkondensators (24) und die zweite Elektrode geschaltet ist, und einen vierten Schalter (34) in dem vierten Schaltungszweig der H-Brücken-Ausgangsschaltung (14), der zwischen den zweiten Anschluss des Energiespeicherkondensators (24) und die erste Elektrode geschaltet ist, wobei der externe Defibrillator weiter eine Steuerschaltung (20) umfasst, die mit dem ersten Schalter (31), dem zweiten Schalter (32), dem dritten Schalter (33) und dem vierten Schalter (34) verbunden ist, um den ersten Schalter (31), den zweiten Schalter (32), den dritten Schalter (33) und den vierten Schalter (34) zu steuern, wobei die Steuerschaltung (20) den ersten Schalter (31) und den zweiten Schalter (32) während eines ersten Zeitabschnitts in einen leitenden Zustand bringt, um in dem Energiespeicherkondensator (24) gespeicherte Energie an die erste Elektrode und die zweite Elektrode zu leiten und dadurch die erste Phase eines zweiphasigen Defibrillationspulses zum Anlegen an einen Patienten (16) zu erzeugen, wobei die Steuerschaltung den dritten Schalter (33) und den vierten Schalter (34) während eines zweiten Zeitabschnitts in einen leitenden Zustand bringt, um in dem Energiespeicherkondensator (24) gespeicherte Energie an die erste Elektrode und die zweite Elektrode zu leiten und dadurch die zweite Phase eines zweiphasigen Defibrillationspulses zum Anlegen an einen Patienten (16) zu erzeugen, gekennzeichnet durch: (i) bewirken, dass das Ladesystem den Energiespeicherkondensator (24) auf einen Ladepegel von wenigstens 200 Joule lädt; und (ii) bilden des ersten Schalters (31), des zweiten Schalters (32), des dritten Schalters (33) und des vierten Schalters (34) aus Komponenten, die wenigstens 200 Joule an die erste Elektrode und die zweite "Elektrode zum Anlegen an einen Patienten leiten können.
Der Defibrillator nach Anspruch 1, wobei jeder des ersten Schalters (31), des dritten Schalters (33) und des vierten Schalters (34) einen gesteuerten Siliziumgleichrichter (SCR) umfasst, der ein Gate, eine Anode und eine Kathode umfasst, wobei das Gate angeschlossen ist, Gatesignale zu empfangen, und die Anode und die Kathode in einen Schaltzweig geschaltet sind, der Strom durch den SCR leitet.
Der Defibrillator nach Anspruch 2, wobei der zweite Schalter (32) eine Mehrzahl bipolarer Transistoren mit iso liertem Gate (IGBTs) (SW2A, SW2B) umfasst, die in Reihe geschaltet sind, wobei jeder IGBT ein Gate, einen Kollektor und einen Emitter umfasst, wobei das Gate angeschlossen ist, Gatesignale zu empfangen, und der Kollektor und der Emitter in einen Schaltzweig geschaltet sind, der Strom durch den IGBT leitet.
Der Defibrillator nach Anspruch 3, wobei die Steuerschaltung (14) eine Gatetreiberschaltung (52A, 52B) umfasst, die mit dem Gate jedes der Mehrzahl von IGBTs (SW2A, SW2B) verbunden ist, wobei die Gatetreiberschaltung ein Gatesignal an das Gate jedes der IGBTs (SW2A, SW2B) anlegt, um die Mehrzahl von IGBTs (SW2A, SW2B) zwischen einem leitenden Zustand und einem nichtleitenden Zustand zu schalten.
Der Defibrillator nach Anspruch 4, wobei die Gatetreiberschaltung (52A, 52B) eine Schaltung zur Steuerung der Schaltgeschwindigkeit der Mehrzahl von IGBTs (SW2A, SW2B) zwischen dem leitenden Zustand und dem nichtleitenden Zustand umfasst.
Der Defibrillator nach Anspruch 5, wobei (i) die Gatetreiberschaltung eine Mehrzahl von Kondensatoren (C24, C25, C24', C25') umfasst, die an das Gate der Mehrzahl von IGBTs (SW2A, SW2B) angeschlossen sind, und (ii) die zum Einschalten der IGBTs benötigte Zeit, d. h. das Eintreten in den leitenden Zustand, durch die Zeit bestimmt wird, die zum Laden der Mehrzahl von Kondensatoren auf eine bestimmte Spannung benötigt wird.
Der Defibrillator nach Anspruch 6, wobei die Einschaltzeit der Mehrzahl von IGBTs so gewählt ist, dass die IGBTs eingeschaltet werden, ohne dass einer der SCRs fälschlicherweise eingeschaltet wird.
Der Defibrillator nach Anspruch 4, wobei die Gatetreiberschaltung ein Gatesignal liefert, das die Mehrzahl von IGBTs in einem gesättigten Zustand hält, wenn sich die IGBTs in dem leitenden Zustand befinden.
Der Defibrillator nach Anspruch 5, wobei die Gatetreiberschaltung einen Shunt umfasst, der zwischen das Gate jedes der Mehrzahl von IGBTs und Erde geschaltet ist, wobei der Shunt dazu dient, eine an den Gates der Mehrzahl von IGBTs angelegte Spannung an Erde abzuleiten.
Der Defibrillator nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung den ersten Schalter und den vierten Schalter in einen leitenden Zustand versetzt, um Energie von dem Energiespeicherkondensator abzuleiten.
Der Defibrillator nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung den zweiten Schalter und den dritten Schalter in einen leitenden Zustand versetzt, um Energie von dem Energiespeicherkondensator abzuleiten.
Der Defibrillator nach Anspruch 1, weiter umfassend: eine Schutzkomponente (27), die zwischen den Energiespeicherkondensator (24) und die H-Brücken-Ausgangsschaltung (14) geschaltet ist, wobei über dem ersten Schalter (31), dem zweiten Schalter (32), dem dritten Schalter (33) und dem vierten Schalter (34) eine Spannung anliegt, die eine Anstiegszeit aufweist, die von der Zeitdauer bestimmt wird, die benötigt wird, damit sich die Spannung über den Schaltern auf einen ausgewählten Pegel entwickelt, wobei die Schutzkomponente (27) sowohl induktive Eigenschaften als auch Widerstandseigenschaften aufweist, um einen Strom zu und eine Anstiegszeit der Spannung über wenigstens einem des ersten Schalters (31), des zweiten Schalters (32), des dritten Schalters (33) und des vierten Schalters (34) zu begrenzen.
Der Defibrillator nach Anspruch 1, weiter umfassend: ein Lademittel (18) zum Laden des Energiespeicherkondensators (24), wobei der erste Schalter (31), der zweite Schalter (32), der dritte Schalter (33) und der vierte Schalter (34) ausgelegt sind, einen ersten zweiphasigen Defibrillationspuls von etwa 200 Joule an einen Patienten leiten zu können, wonach der Energiespeicherkondensator (24) durch das Lademittel (18) wieder aufgeladen wird, und wobei der erste Schalter (31), der zweite Schalter (32), der dritte Schalter (33) und der vierte Schalter (34) ausgelegt sind, einen zweiten zweiphasigen Defibrillationspuls von etwa 360 Joule an einen Patienten leiten zu können.
Der Defibrillator nach Anspruch 1, wobei die Kapazität des Energiespeicherkondensators (24) in dem Bereich von 150 Mikrofarad bis 200 Mikrofarad liegt.