JP2008513083A - セラミック蓄積コンデンサ及びエネルギー調整回路を有する外部除細動器 - Google Patents

Abstract

患者へ除細動パルスを供給するための外部除細動器は、セラミック蓄積コンデンサ及びエネルギー調整回路を有する。セラミック蓄積コンデンサへ結合されたエネルギー調整回路は、セラミック蓄積コンデンサを電気的に充電する。セラミック蓄積コンデンサは、放電特性を有する。セラミック蓄積コンデンサへ結合されたエネルギー調整回路は、放電特性に従って放電する電気エネルギーを受け、それに応じて、修正放電特性に従って出力エネルギーを供給する。出力エネルギーは、除細動パルス特性を有する除細動パルスとして患者へステアリング回路によって供給される。

Description

本発明は、細動除去器に関し、更に具体的には、患者へ供給される電気エネルギーを蓄えるために高電圧セラミックコンデンサを用いる外部除細動器に関する。

突然の心臓停止（ＳＣＡ）は、ほとんどの場合、心臓の問題を過去に持たない人々を襲うように、何の前触れもなく起きる。１日に１０００人以上の人々が、アメリカ合衆国だけでＳＣＡの犠牲となっていると推測される。ＳＣＡは、心臓の電装品がもはや適切に機能せずに、異常な洞律動を引き起こす場合に生ずる。異常な洞律動の一例である心室細動（ＶＦ）は、心臓における異常な電気的活動によって引き起こされる。結果として、心臓は、体中に血液を適切に送り出すことができない。ＶＦは、除細動器の使用により患者の心臓に電気ショックを与えることによって処置されうる。

除細動器は、手動の除細動器、自動又は半自動の外部除細動器（ＡＥＤ）、除細動／モニタ複合機、助言する権限を与えられた除細動及び除細動トレーナーを含む。除細動ショックは、瞬間的な心停止を作り出して、心臓の自然なペースメーカ領域が正常な律動作用を取り戻す機会を提供することによって（「除細動」と呼ばれる工程で）異常な電気的活動にある心臓を治す。現在のところ利用可能な外部除細動器は、胸に当てられた電極を介して患者へ単相又は二相のうちいずれかの電気パルスを供給する。単相除細動器は、一方向で電流の電気パルスを供給し、一方、二相除細動器は、最初に一方向で、次に逆方向で電流の電気パルスを供給する。患者の外部から供給される場合、それらの電気パルスは、通常１０００ボルトを超え、１００から３００ジュールのエネルギーの範囲にある高電圧且つ高エネルギーのパルスである。

現在のところ利用可能な多種多様な外部除細動器の中で、ＡＥＤは、それらが比較的経験のない人によって使用されうるので、ますます一般的になりつつある。更に、このような外部除細動器は、救急医療士及び緊急医療スタッフによって使用されるように、あるいは、診療所及び病院で見うけられるようなカートに取り付けられるように、比較的軽量、小型且つ持ち運び可能に作られうる。しかし、除細動器の携帯性は、ハードウェア及び設計上の制約により制限される。例えば、設計上の制約に対して、外部除細動器で用いられるような高エネルギー及び高電圧のシステムのための従来の設計規則は、除細動器の高電圧部品が最低距離要求によって間を空けて離されることを定める。結果として、除細動器のケースは最低間隔設計規則に適用するよう十分でなければならないので、除細動器の物理的大きさに影響が及ぶ。

ハードウェア上の制約に対して、除細動器の様々な部品は、例えば変化する温度及び湿度などの幅広い周囲動作状況に対するそれらの安定性のために選択される。１つのこのような部品は、除細動器の蓄積コンデンサである。この蓄積コンデンサは、通常、最終的に除細動パルスとして患者へ供給される電気エネルギーを蓄えるために使用される。上述されたように、除細動パルスは、１０００ボルトを超えて、通常は数百ジュールのエネルギーの範囲にある。結果として、除細動器の蓄積コンデンサは、通常、１００から２００μＦの間の容量を有し、約２０００ボルトの定格を有する。蓄積コンデンサは、更に、ＡＥＤが、例えば様々な異なった気候で緊急救援車によって直面されるような多種多様な環境に亘って置かれるので、幅広い温度に亘って安定した容量特性を維持する能力に基づいて選択される。従来の蓄積コンデンサは、通常、数立方インチの体積を有するフィルム又は電解コンデンサである。結果として得られる蓄積コンデンサは、様々な周囲動作状況に亘って適切な安定性を有するとともに、十分な容量及び電圧の特性を有しており、ＡＥＤの外形寸法のうちのかなりの部分を構成する物理寸法を有する。結果として、除細動器の外形寸法を最小限とすることは、従来の蓄積コンデンサの物理寸法によって制限されうる。従って、外部除細動器の物理的大きさを低減することを容易にするよう、代替設計が望まれる。

本発明は、セラミック蓄積コンデンサ及びエネルギー調整回路を有し、患者へ除細動パルスを供給する外部除細動器を対象とする。セラミック蓄積コンデンサは、放電特性を有し、セラミック蓄積コンデンサへ結合された充電回路によって電気的に充電される。エネルギー調整回路は、また、セラミック蓄積コンデンサへ結合され、セラミック蓄積コンデンサから放電特性に従って放電する電気エネルギーを受け、それに応じて、修正放電特性に従って電気エネルギーを供給するよう構成される。エネルギー調整回路へ結合された蓄積コンデンサは、患者へ除細動パルス特性を有する除細動パルスを供給するよう一対の電極へ修正放電特性に従って放電する電気エネルギーを結合するよう構成される。

本発明の実施例は、セラミック蓄積コンデンサと、該セラミック蓄積コンデンサの放電を調整するためのエネルギー調整回路とを含む外部除細動器を対象とする。結果として得られる外部除細動器の物理的な大きさは、セラミックコンデンサが、通常、所与の容量に関して、それらのフィルム及び電解対よりも小型であるので、従来の外部除細動器より小さくされる。しかし、セラミックコンデンサは、温度変化による容量値の幅広い変動に支配される。この特性は、セラミックコンデンサ温度が華氏９８．６度の通常体温の数度以内に留まっていると期待されうるところの留置除細動器にセラミックコンデンサの使用を制限してきた。従来、この特性により、セラミックコンデンサは、外部除細動器における使用には受け入れられないと考えられてきた。しかし、エネルギー調整回路が、外部除細動器においてセラミックコンデンサの利用を妨げてきたセラミックコンデンサの性能の欠点を適応させるよう、本発明の実施例には含まれる。以下の記載で、ある特定の詳細が、本発明の実施例の理解を深めるために挙げられている。しかし、本発明がこれらの詳細を限外で実行可能であることは、当業者には明らかである。他の例で、周知の回路は、本発明の様々な実施例の記載を無用に不明瞭にすることを回避するために示されない。また、除細動器の内部動作に関連したそれらの周知の制御信号及び信号タイミングプロトコルについても、少しも詳細には示されない。

図１は、除細動器１００の略図である。一対の電極１０４は、患者に取り付けられる場合に除細動パルスを供給するために設けられている。電極１０４は、更に、ＥＣＧ信号をＥＣＧフロントエンド１０２へ供給する。ＥＣＧフロントエンド１０２は、評価及び、ユーザインターフェース１１４を介する操作者への表示のために、制御器１０６へＥＣＧ信号を供給する。ＥＣＧ情報は、また、制御器１０６によってメモリ１１８に保存されうる。メモリ１１８は、また、イベントサマリー（ｅｖｅｎｔ ｓｕｍｍａｒｙ）１３０を保存するために使用されても良い。イベントサマリー１３０には、イベントマーク１１０、マイクロホン１１２、及び／又はクロック１１６からの情報が保存される。イベントサマリー情報は、患者の治療を続けるために、救命士と病院との間の伝達（しばしばハンドオフ（ｈａｎｄｏｆｆ）と呼ばれる。）の最中に有用である。赤外線通信ポート１２０は、また、伝達の間に外部装置とメモリ１１８内の情報をやり取りするために除細動器１００に設けられている。

除細動器１００に含まれる電源１３２は、除細動器１００全体に電力を供給する。電源１３２は、系統電源若しくは電池、又は、ここで記載される除細動パルス及びＥＣＧ監視機能のために十分な電力を供給する如何なる装置であっても良い。電源１３２は、通常、例えば除細動器１００などの持ち運び可能な外部除細動器のための使い捨ての、又は再充電可能な、電池である。高電圧（ＨＶ）供給回路１０８は、制御器１０６の命令で電極１０４を介して患者へ除細動パルスを加える。ショックボタン（図示せず。）による操作者の誘因で、高電圧供給装置１０８からの電荷は、正常律動の心室収縮を生じさせるために患者へ加えられる。電源１３２は、治療を加えることができるほど十分なエネルギーを蓄えるために、充電時間の間、高電圧供給装置１０８へ充電エネルギーを供給する。望ましくは、充電時間は、迅速に治療を加えることが好ましい結果をもたらすには望ましいので、望ましくは小さい。

図２に示されるように、高電圧供給回路１０８は、制御器１０６によって監視及び制御を成される多数の機能回路ブロックを有する。例えばフライバック電源などの高電圧充電回路１４０は、制御器１０６によって与えられる１又はそれ以上の制御信号に応答して、エネルギー蓄積回路１４２への供給のための電気エネルギーを発生させる。蓄積回路１４２は、患者へのその後の供給のための電気エネルギーを蓄える。放電制御回路１４４は、エネルギー蓄積回路１４２に蓄えられているエネルギーの、保護回路１４８を介してのエネルギー伝達又はステアリング回路１４６への放電を制御する。次に、ステアリング回路１４６は、電極１０４（図１）を介して患者へ電気エネルギーを供給する。ステアリング回路１４６は、単一極性（例えば、単相パルス。）又は交互極性（例えば、二相又は多相パルス）により患者へ電気エネルギーを供給しうる。本発明の一実施例において、エネルギーステアリング回路１４６は、例えばシリコン制御整流器（サイリスタ；ＳＣＲ）などの４つのスイッチング素子（図示せず。）を有する「Ｈブリッジ」構成を有する。除細動パルス、単相若しくは二相パルスを供給するための、４つのスイッチング素子の切替えは、駆動回路１５２の制御下にある。

保護回路１４８は、エネルギー蓄積回路１４２からステアリング回路１４６へのエネルギー供給を制限し、故障状態の場合にエネルギー蓄積回路１４２を放電、又は別の方法で安全化するよう機能する。保護回路１４８は、ステアリング回路１４６を流れる電流の時間変化率を制限するよう動作する。モニタ回路１５０は、保護回路１４８及びステアリング回路１４６の両方の状態を検知して、その監視の結果を制御器１０６へ報告する。放電制御回路１４４、ステアリング回路１４６、及び保護回路１４８の上記動作は、複数の駆動信号を与える駆動回路１５２によって制御される。一方、駆動回路１５２の動作は、制御器１０６によって供給される１又はそれ以上の制御信号によって制御される。

図３は、本発明の実施例に従うエネルギー蓄積回路１４２を表す。エネルギー蓄積回路１４２は、エネルギー調整回路１６４へ結合されたセラミック蓄積コンデンサ１６０を有する。セラミック蓄積コンデンサ１６０は、モノリシック構造技術により作られ、構造基盤として使用されるセラミック基材から形成される。セラミック蓄積コンデンサ１６０に用いられるセラミックコンデンサ１８０の例が図４に表される。図４の実施例に示されるように、セラミックコンデンサ１８０の寸法は、およそ３インチ×２インチである。セラミックコンデンサ１８０の厚さは、約１０分の１インチである。結果として得られるセラミックコンデンサ１８０の体積は、４分の３立方インチよりも小さい。セラミックコンデンサ１８０は、第１の導電層１８４及び第２の導電層１８６から形成され、更に、第１の導電層１８４と第２の導電層１８６との間には誘電体層１８８が配置されている。半田付けタブ１９０及び１９２は、外部除細動器１００の回路へセラミックコンデンサ１８０を電気的に接続するための手段を設けるためにセラミックコンデンサ１８０の逆側に配置されている。半田付けタブ１９０は、第１の導電層１８４の延長として形成され、半田付けタブ１９２は、第２の導電層１８６の延長として形成される。概して、誘電体層１８８及び導電層１８４、１８６の重なりは、セラミックコンデンサ１８０の容量性領域を決定する。望ましくは、誘電体層１８８を形成する物質の誘電率は、高いＫ値を有する。誘電体層１８８を形成する際に用いられうる物質の例は、鉛、マグネシウム、ランタン、ジルコニウム、チタニウム、等の配合を有する。しかし、現在のところ知られる、又は後に開発される代替物質が、本発明の適用範囲を損なわない範囲で同様に用いられうることは、当業者には明らかである。

例えば外部除細動器などの高電圧用途で使用される場合に、セラミックコンデンサは、従来のフィルム又は電解コンデンサと比較して異なった充電及び放電特性を生じさせる非線形容量特性を示す。従って、セラミックコンデンサは、特に温度に関して、従来のフィルムコンデンサの安定性を欠く。即ち、容量の温度係数（ＴＣＣ）は、通常、セラミックコンデンサでは高く、セラミックコンデンサの容量特性を温度により変化させる。セラミックコンデンサは、上述されたように、埋め込み型の除細動器に用いられてきた。しかし、患者の体内、即ち、埋め込み型の除細動器が動作する環境における比較的一定な温度は、セラミックコンデンサの温度感度を軽減する。人体の比較的安定した温度環境とは対照的に、外部除細動器、特にＡＥＤは、様々な温度状態で動作する。結果として、従来の外部除細動器は、非線形容量特性及び高いＴＣＣによって引き起こされる問題に起因して、部分的にセラミックコンデンサにより設計されなかった。

上述されたように、エネルギー蓄積回路１４２は、セラミック蓄積コンデンサ１６０へ結合されたエネルギー調整回路１６４を有する。エネルギー調整回路１６４は、第２の放電特性に従ってセラミック蓄積コンデンサ１６０から電気エネルギーを供給することによって、第１の放電特性に従ってセラミック蓄積コンデンサ１６０から放電される電気エネルギーを調整する。以下で更に詳細に説明されるように、第２の放電特性は、エネルギー調整回路１６４によって制御される。この方法では、セラミック蓄積コンデンサ１６０の温度依存性及び非線形容量特性は適応させられて、セラミック蓄積コンデンサが外部除細動器１００で使用されることを可能にする。

図５Ａは、エネルギー蓄積回路１４２で使用可能なエネルギー調整回路２００を表す。エネルギー調整回路２００は、セラミック蓄積コンデンサ１６０から電流制御又は電圧制御された放電波形を供給するようパルス変調フィルタ処理方式を利用する。エネルギー調整回路２００は、セラミック蓄積コンデンサ１６０から放電する電気エネルギーをパルス変調するためのスイッチ２０２を有する。スイッチ２０２は、一連のパルスを形成するよう、比較的高いスイッチング周波数ω_０でセラミック蓄積コンデンサ１６０を結合及び分断する。スイッチ２０２のスイッチングは、様々なパルス幅及び／又は様々なパルス周期を有するパルスを供給するよう制御可能である。スイッチ２０２のスイッチング周波数ω_０の例は、約３０ｋＨｚである。しかし、代わりのスイッチング周波数が使用されても良い。スイッチ２０２のスイッチングは、放電制御回路１４４によって制御される。上述されたように、放電制御回路１４４は、エネルギー蓄積回路１４２に蓄積されたエネルギーの放電を制御する。低域通過フィルタ２０４は、スイッチ２０２の比較的高周波のスイッチングに起因する波形をフィルタ処理するようスイッチ２０２へ結合されている。低域通過フィルタ２０４の出力エネルギーは、保護回路１４８へ供給される。次に、保護回路１４８は、上述されたように、ステアリング回路１４６へエネルギーを伝送する。

低域通過フィルタ１４４によりエネルギーパルスをフィルタ処理することによって、第１の放電特性に従って放電するセラミック蓄積コンデンサ１６０のエネルギーは、第２の放電特性に従って保護回路へ供給されうる。第２の放電特性は、上述されたように、様々な幅及びパルス周期のパルスによりセラミック蓄積コンデンサ１６０を放電するようにスイッチ２０２を制御するよう放電制御回路１４４によってプログラミングすることによって調整されうる。図５Ｂは、低域通過フィルタ２０４で使用されうる、インダクタ２１０及びフィルタリングコンデンサ２１２を含む第１の低域通過フィルタ回路を表す。図５Ｃは、同じく低域通過フィルタ２０４で使用されうる、抵抗２１４及びフィルタリングコンデンサ２１６を含む第２の低域通過フィルタ回路を表す。図５Ａは、特定のエネルギー調整回路を表すが、代わりのエネルギー調整回路が、同様に本発明の他の実施例で使用されても良い。

本発明の実施例に従う外部除細動器の機能ブロック図である。 図１の外部除細動器の高電圧送出回路の機能ブロック図である。 図２の高電圧送出回路のエネルギー蓄積回路の機能ブロック図である。 図３のエネルギー蓄積回路のセラミック蓄積コンデンサの平面図及び側面図である。 Ａ−Ｃは、図３のエネルギー蓄積回路で利用可能な様々なエネルギー調整回路の回路図である。

Claims (16)

1. 除細動パルスを患者へ供給するための外部除細動器であって：
   前記除細動パルスを前記患者へ結合するための電極；
   前記除細動パルスとして供給される電気エネルギーを蓄えるためのセラミック蓄積コンデンサであって、放電特性を有し、該放電特性に従って前記蓄えられた電気エネルギーが放電されるところの前記セラミック蓄積コンデンサ；
   該セラミック蓄積コンデンサへ結合され、該セラミック蓄積コンデンサを電気的に充電するよう構成される充電回路；
   前記セミラック蓄積コンデンサへ結合され、前記放電特性に従って放電する前記電気エネルギーを前記セミラック蓄積コンデンサから受けて、それに応じて、修正放電特性に従って放電する前記電気エネルギーを供給するよう構成されるエネルギー調整回路；及び
   該エネルギー調整回路へ結合されるステアリング回路であって、前記患者へ除細動パルス特性を有する除細動パルスを供給するように前記電極へ前記修正放電特性に従って放電する前記電気エネルギーを結合するよう構成される前記ステアリング回路；
   を有する外部除細動器。
2. 前記セラミック蓄積コンデンサは、第１の平面電極と、第２の平面電極と、前記第１の平面電極と前記第２の平面電極との間に配置される平面誘電体とを有する平行板セラミックコンデンサを有する、請求項１記載の外部除細動器。
3. 前記平行板セラミックコンデンサは、一様に長方形の形を有する、請求項２記載の外部除細動器。
4. 前記充電回路はフライバック電源を有する、請求項１記載の外部除細動器。
5. 前記セラミック蓄積コンデンサは、鉛、マグネシウム、ランタン、ジルコニウム、及びチタニウムのうちの少なくとも１つの成分から形成されたセラミックコンデンサを有する、請求項１記載の外部除細動器。
6. 前記ステアリング回路は、前記患者へ二相除細動パルスを供給するよう構成されるステアリング回路を有する、請求項１記載の外部除細動器。
7. 除細動パルスを発生させ、該除細動パルスを患者へ供給する外部除細動器であって：
   前記患者へ電気的に結合する電極表面を有し、更に、該電極表面へ結合されるコネクタを有する電極；
   電気エネルギーを発生させるための高電圧充電回路；
   該高電圧充電回路へ結合されるエネルギー蓄積回路であって、入力波形を有する入力エネルギーを受けたことに応答して出力波形を有する出力エネルギーを発生させる出力回路を有し、更に、前記電気エネルギーを保存して、入力エネルギーとして前記電気エネルギーを放電するよう前記出力回路及び前記高電圧充電回路へ結合されるセラミック蓄積コンデンサを有する前記エネルギー蓄積回路；及び
   該エネルギー蓄積回路と、前記電極の前記コネクタとへ結合されるスイッチング回路であって、前記電極を介して除細動パルスを供給するよう前記患者へ前記出力回路の前記出力エネルギーを結合するよう構成される前記スイッチング回路；
   を有する外部除細動器。
8. 前記エネルギー蓄積回路の前記セラミック蓄積コンデンサは、第１の平面電極と、第２の平面電極と、前記第１の平面電極と前記第２の平面電極との間に配置される平面誘電体とを有する平行板セラミックコンデンサを有する、請求項７記載の外部除細動器。
9. 前記平行板セラミックコンデンサは、一様に長方形の形を有する、請求項８記載の外部除細動器。
10. 前記高電圧充電回路はフライバック電源を有する、請求項７記載の外部除細動器。
11. 前記エネルギー蓄積回路の前記セラミック蓄積コンデンサは、鉛、マグネシウム、ランタン、ジルコニウム、及びチタニウムのうちの少なくとも１つの成分から形成されたセラミックコンデンサを有する、請求項７記載の外部除細動器。
12. 前記スイッチング回路は、前記患者へ二相除細動パルスを供給するよう構成されるスイッチング回路を有する、請求項７記載の外部除細動器。
13. 除細動パルスを患者へ供給するための方法であって：
    電気エネルギーを発生させるステップ；
    セラミックコンデンサに前記電気エネルギーを蓄えるステップ；
    第１の放電特性に従って前記セラミックコンデンサから前記電気エネルギーを放電するステップ；
    第２の放電特性に従って前記電気エネルギーを供給するよう、前記第１の放電特性に従って放電する前記電気エネルギーを調整するステップ；及び
    除細動パルス特性を有する除細動パルスを供給するよう、前記患者へ前記第２の放電特性に従って放電する前記電気エネルギーを結合するステップ；
    を有する方法。
14. 除細動パルス特性を有する除細動パルスを供給するよう、前記患者へ前記第２の放電特性に従って放電する前記電気エネルギーを結合する前記ステップは、二相除細動パルスを供給するよう前記患者へ前記電気エネルギーを結合するステップを有する、請求項１３記載の方法。
15. セラミックコンデンサに前記電気エネルギーを蓄える前記ステップは、第１の平面電極と、第２の平面電極と、前記第１の平面電極と前記第２の平面電極との間に配置される平面誘電体とを有する平行板セラミックコンデンサに前記電気エネルギーを蓄えるステップを有する、請求項１３記載の方法。
16. セラミックコンデンサに前記電気エネルギーを蓄える前記ステップは、鉛、マグネシウム、ランタン、ジルコニウム、及びチタニウムのうちの少なくとも１つの成分から形成されたセラミックコンデンサに前記電気エネルギーを蓄えるステップを有する、請求項１３記載の方法。

Images