RU2648868C2 - Method and device for forming a defibrillation pulse - Google Patents
Method and device for forming a defibrillation pulse Download PDFInfo
- Publication number
- RU2648868C2 RU2648868C2 RU2016127320A RU2016127320A RU2648868C2 RU 2648868 C2 RU2648868 C2 RU 2648868C2 RU 2016127320 A RU2016127320 A RU 2016127320A RU 2016127320 A RU2016127320 A RU 2016127320A RU 2648868 C2 RU2648868 C2 RU 2648868C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- circuit
- capacitor
- voltage
- capacitors
- current
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 170
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims description 67
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 23
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 4
- 230000001225 therapeutic effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000033764 rhythmic process Effects 0.000 claims description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 abstract description 15
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 abstract description 4
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 abstract description 3
- 208000014674 injury Diseases 0.000 abstract description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 4
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001827 electrotherapy Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 230000002861 ventricular Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
- A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
- A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
- A61N1/38—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for producing shock effects
- A61N1/39—Heart defibrillators
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Electrotherapy Devices (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Предлагаемое техническое решение предназначено для построения высоковольтных формирователей импульсов терапевтических разрядов энергии в медицинских устройствах - дефибрилляторах.The proposed technical solution is intended for the construction of high-voltage pulse shapers of therapeutic energy discharges in medical devices - defibrillators.
Уровень техникиState of the art
Дефибриллятор используют для оказания электроимпульсной терапии при нарушениях сердечного ритма. Для восстановления сердечного ритма разряжают энергию, запасенную в конденсаторе, через электроды в области грудной клетки. Успех процедуры включает такие составляющие, как состояние пациента, его электрофизиологические характеристики, например значение сопротивления грудной клетки (далее СГК) и энергия импульса дефибрилляции Wd (до 360 Дж). Импульс дефибрилляции должен обладать достаточной энергией при оптимальной продолжительности. Амплитуда тока дефибрилляции не должна превышать некоторых критических уровней тока. Имеет значение форма как положительной, так и отрицательной фазы импульса и скорости затухания фаз импульса. Для современных дефибрилляторов характеристики импульса нормируются для значения сопротивления 50 Ом. Пациенты, нуждающиеся в дефибрилляции, имеют физиологические различия, причем СГК при разряде может принимать значения от 20 до 200 Ом. Формируемый импульс дефибрилляции вынуждены приспосабливать под СГК пациента, например, за счет высокого внутреннего сопротивления разрядной цепи и избыточного заряда емкостного накопителя.Defibrillator is used to provide electrical pulse therapy for heart rhythm disturbances. To restore heart rate, the energy stored in the capacitor is discharged through electrodes in the chest area. The success of the procedure includes such components as the patient’s condition, his electrophysiological characteristics, for example, the value of chest resistance (hereinafter referred to as SGK) and defibrillation pulse energy Wd (up to 360 J). A defibrillation pulse should have sufficient energy at an optimal duration. The amplitude of the defibrillation current must not exceed some critical current levels. The shape of both the positive and negative phase of the pulse and the rate of attenuation of the phases of the pulse matter. For modern defibrillators, the pulse characteristics are normalized for a resistance value of 50 Ohms. Patients in need of defibrillation have physiological differences, and SGK during discharge can take values from 20 to 200 ohms. The generated defibrillation impulse is forced to adapt to the patient's GHS, for example, due to the high internal resistance of the discharge circuit and the excess charge of the capacitive storage.
Напряжение заряда емкостного накопителя энергии выбирают исходя из рекомендуемой энергии импульса дефибрилляции Wd. Измерение СГК пациента до разряда должно обеспечить приемлемую достоверность во всем диапазоне возможных значений, что сложно обеспечить, так как СГК может меняться в ходе разряда. Измерение СГК в процессе формирования импульса требует избыточной энергии, запасаемой емкостным накопителем на случай высокого значения параметра и использования схем ограничения тока достаточной мощности при низком значении СГК. Уровень накопленной энергии в емкостном накопителе (Wс) может значительно превышать уровень энергии выделенной в нагрузке (Wн). Чаще всего используют экспоненциальную усеченную форму импульса с убывающей амплитудой (технология первого поколения). Импульс обрывают в моменты, когда он уже не эффективен. Кроме экспоненциальной усеченной формы импульса используют специальные формы импульса, которые требуют меньше энергии (см. статью «Эффективность и безопасность электрической дефибрилляции желудочков сердца: эксперимент и клиника» В.А. Востриков, Общая реаниматология, 2012, Т. 8, №4, стр. 79-87, рис. 1). Например, импульс прямолинейной формы, в котором амплитуда быстро возрастает до максимального значения, остается практически постоянной в течение всего разряда, а затем спадает до нуля. Формирование импульсов прямолинейной формы или других специальных форм тока (например, квазисинусоидальной формы) обеспечивают с использованием методов импульсной модуляции тока. При этом в качестве ключевых элементов используют транзисторы (или другие полупроводниковые приборы) не в линейном, а в ключевом режиме, то есть транзистор все время или разомкнут (выключен), или замкнут (находится в состоянии насыщения). Импульсная модуляция противодействует отклонению тока дефибрилляции от требуемого значения (технология второго поколения).The charge voltage of a capacitive energy storage device is selected based on the recommended defibrillation pulse energy Wd. Measurement of the patient’s SGC before discharge should provide acceptable reliability over the entire range of possible values, which is difficult to ensure, since the SGK can change during the discharge. Measurement of the SGK in the process of pulse formation requires excess energy stored by the capacitive storage in case of a high parameter value and the use of current limiting circuits of sufficient power at a low SGK value. The level of accumulated energy in a capacitive storage (Wс) can significantly exceed the level of energy released in the load (Wн). Most often, an exponentially truncated pulse shape with decreasing amplitude (first-generation technology) is used. An impulse is cut off when it is no longer effective. In addition to the exponentially truncated shape of the pulse, special pulse shapes are used that require less energy (see the article “Efficiency and safety of electrical ventricular defibrillation of the heart: experiment and clinic” V.A. Vostrikov, General Reanimatology, 2012, T. 8, No. 4, p. . 79-87, Fig. 1). For example, a pulse of a rectilinear shape, in which the amplitude rapidly increases to its maximum value, remains almost constant throughout the entire discharge, and then drops to zero. The formation of pulses of a rectilinear shape or other special forms of current (for example, a quasi-sinusoidal shape) is provided using pulsed current modulation methods. At the same time, transistors (or other semiconductor devices) are used as key elements not in linear but in key mode, that is, the transistor is either open (off) or closed (in saturation state) all the time. Pulse modulation counteracts the deviation of the defibrillation current from the desired value (second generation technology).
Недостатком дефибрилляторов является то, что емкостной накопитель энергии дефибриллятора имеет существенные размеры, а на заряд емкостного накопителя энергии уходит большая часть энергии аккумулятора. Уменьшить размеры емкостного накопителя энергии позволяет более эффективное использование емкостного накопителя энергии, для чего используют коммутацию конденсаторов в ходе разряда. С различными методами использования емкостных накопителей энергии с переключаемыми конденсаторами можно ознакомиться из описаний к патентам DE 202006018672, ЕР 2477329, US 5395395, US 5725560, US 6047211, US 6480738, US 6778860, US 8965501.The disadvantage of defibrillators is that the capacitive energy storage of the defibrillator is significant, and most of the battery energy is spent on the charge of the capacitive energy storage. Reducing the size of the capacitive energy storage allows more efficient use of the capacitive energy storage, for which they use switching capacitors during the discharge. Various methods of using capacitive energy storage devices with switched capacitors can be found in the patent descriptions DE 202006018672, EP 2477329, US 5395395, US 5725560, US 6047211, US 6480738, US 6778860, US 8965501.
Например, в описании патента US 6480738 показано, что для достижения одинакового терапевтического эффекта энергия обычного конденсатора должна быть выше, чем энергия двух переключаемых конденсаторов. Конденсаторы соединяют параллельно, а при снижении напряжения до некоторого остаточного напряжения (зависит от допустимого наклона вершины импульса) конденсаторы переключают последовательно. В описании к патенту US 8965501 показан способ формирования ступенчатого импульса с двумя пиками восходящей амплитуды. Недостатки технических решений - амплитуда тока при переключении конденсаторов на максимальное напряжение определяется колебаниями текущего СГК.For example, in the description of US Pat. No. 6,480,738, it is shown that in order to achieve the same therapeutic effect, the energy of a conventional capacitor must be higher than the energy of two switched capacitors. Capacitors are connected in parallel, and when the voltage is reduced to a certain residual voltage (depends on the permissible slope of the pulse peak), the capacitors are switched in series. In the description of the patent US 8965501 shows a method of forming a stepped pulse with two peaks of upward amplitude. The disadvantages of technical solutions - the amplitude of the current when switching capacitors to maximum voltage is determined by the fluctuations of the current SGK.
В описании патента US 5725560 предложена технология формирования импульса дефибрилляции использующая способ дозированного регулирования тока (напряжения, мгновенной энергии) дефибрилляции при разряде емкостного накопителя энергии по схеме понижающего импульсного преобразователя энергии в соответствии с заданным опорным напряжением (эталонным сигналом) в замкнутом контуре (см. фиг. 3 и фиг. 4 патента US 5725560). Обеспечивают разрыв электрической цепи с помощью управляемого ключа и затем замыкают цепь индуктивности с помощью коммутационного диода. В качестве датчика тока использован низкоомный резистор или трансформатор тока. Аналогичное техническое решение, описанное в патенте РФ 2266145, также обеспечивает подачу импульса дефибрилляции в тело пациента дозированно.In the description of US Pat. No. 5,725,560, a defibrillation pulse generation technology is proposed that uses a dosed method for controlling the current (voltage, instantaneous energy) defibrillation when a capacitive energy storage is discharged according to a step-down pulse energy converter in accordance with a given reference voltage (reference signal) in a closed circuit (see Fig. 3 and Fig. 4 of US Pat. No. 5,725,560). They provide an open circuit with a controlled key and then close the inductance circuit using a switching diode. As a current sensor, a low-resistance resistor or current transformer is used. A similar technical solution described in the patent of the Russian Federation 2266145, also provides a defibrillation pulse to the patient’s body dosed.
Принцип работы понижающего преобразователя используемого в дефибрилляторах с регулируемой формой импульса тока (см. упомянутые описания патентов US 5725560 и РФ 2266145) заключается в том, что энергия от разряжаемого конденсатора передается в нагрузку дозировано (импульсами). Индуктивный накопитель энергии растягивает эту энергию на весь период, в результате чего выходное напряжение получается меньше, чем входное напряжение. Основной недостаток такого преобразования энергии на высоком напряжении - предельный режим работы транзисторных ключей, формирующих режим импульсной модуляции тока, по сравнению с традиционными схемами, формирующими экспоненциальную усеченную форму импульса. Если напряжение емкостного накопителя энергии намного выше, чем напряжение на нагрузке (низкий коэффициент заполнения), то резко увеличиваются потери энергии, повышается уровень высокочастотных колебаний тока и появляются динамические перегрузки ключа импульсного модулятора при его переключении на коммутационный диод, обратное сопротивление которого восстанавливается не сразу. Кроме того, неэффективно используется энергия емкостного накопителя. Повышение надежности ключей достигают усложнением схемы импульсного преобразователя, усложнением фильтрации, дополнительным удорожанием и ростом размеров преобразователя.The principle of operation of the step-down converter used in defibrillators with an adjustable current pulse shape (see the above-mentioned descriptions of patents US 5725560 and RF 2266145) is that the energy from the discharged capacitor is transferred to the load in batches (pulses). An inductive energy storage device stretches this energy for the entire period, as a result of which the output voltage is less than the input voltage. The main drawback of such a high voltage energy conversion is the limiting operation mode of transistor switches, which form the pulse current modulation mode, in comparison with traditional circuits, which form an exponentially truncated pulse shape. If the voltage of a capacitive energy storage device is much higher than the voltage at the load (low duty cycle), energy losses increase sharply, the level of high-frequency current oscillations increases, and dynamic overloads of the pulse modulator key appear when it is switched to a switching diode, the reverse resistance of which is not restored immediately. In addition, the energy of the capacitive storage is inefficiently used. Improving the reliability of the keys is achieved by complicating the pulse converter circuit, increasing the filtering complexity, increasing the cost of the converter and increasing the size of the converter.
В описании к патенту US 5800463 раскрыта другая технология создания эффективной формы импульса за счет непрерывного измерения СГК пациента и поддержания постоянного уровня воздействия тока. Пропускаемую через сердце силу тока регулируют за счет подключения последовательности внутренних активных нагрузок. Преимущественно пациенты с низким СГК не получают излишнюю дозу тока, в то время как для пациентов с высоким СГК сила тока максимальна. Недостаток такого решения - дополнительные потери энергии во внутренних активных нагрузках.In the specification of US Pat. No. 5,800,463, another technology is disclosed for creating an effective pulse shape by continuously measuring a patient's SGK and maintaining a constant current exposure level. The current passing through the heart is regulated by connecting a sequence of internal active loads. Advantageously, patients with low SGK do not receive an excessive dose of current, while for patients with high SGK, the current strength is maximum. The disadvantage of this solution is the additional energy loss in internal active loads.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятым за прототип является изобретение, описанное в патенте ЕР 2477329. Устройство содержит элементы, обеспечивающие формирование специализированной формы импульса с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). ШИМ используют для регулирования среднего значения выходного параметра путем изменения скважности импульсов при постоянной частоте. Выходной каскад содержит импульсный преобразователь (токоограничивающий ключ), выполненный с возможностью формировать выходной импульс заданной формы с использованием ШИМ относительно опорного сигнала. Импульсный преобразователь может работать как с повышением, так и с понижением выходного напряжения относительно напряжения емкостного накопителя энергии. Способ формирования импульса предусматривает изменение схемы соединения конденсаторов емкостного накопителя энергии, чтобы минимизировать разность напряжений между напряжением на входе и выходе импульсного преобразователя, что должно обеспечить снижение потерь импульсного преобразователя выходного каскада.The closest in technical essence and the achieved positive effect and adopted as a prototype is the invention described in patent EP 2477329. The device contains elements that provide the formation of a specialized waveform using pulse-width modulation (PWM). PWM is used to control the average value of the output parameter by changing the duty cycle of the pulses at a constant frequency. The output stage contains a pulse converter (current-limiting switch), configured to generate an output pulse of a given shape using PWM relative to the reference signal. The pulse converter can work both with increasing and decreasing the output voltage relative to the voltage of the capacitive energy storage. The pulse shaping method involves changing the connection circuit of the capacitors of a capacitive energy storage device to minimize the voltage difference between the voltage at the input and output of the pulse converter, which should reduce the loss of the pulse converter of the output stage.
Недостатки прототипа - большое число ключей и контуров управления ключами, необходимость прерывания тока через конденсаторы емкостного накопителя энергии на высокой частоте при работе ШИМ, а также существенные затраты на изготовление устройства при его реализации для применения в составе внешнего дефибриллятора с энергией до 360 Дж.The disadvantages of the prototype are the large number of keys and key management circuits, the need to interrupt the current through the capacitors of a capacitive energy storage device at a high frequency during PWM operation, as well as the significant cost of manufacturing the device when it is implemented for use as part of an external defibrillator with an energy of up to 360 J.
Таким образом, можно выделить следующее сочетание проблем:Thus, the following combination of problems can be distinguished:
- высокие токи дефибрилляции пациентов с низким СГК повышают вероятность нанесения травмы;- high defibrillation currents of patients with low SGK increase the likelihood of injury;
- низкие токи дефибрилляции пациентов с высоким СГК повышают вероятность неэффективной дефибрилляции;- low defibrillation currents of patients with high SGK increase the likelihood of ineffective defibrillation;
- искажение формы импульса дефибрилляции с сильным спадом амплитуды (наклоном) тока повышают вероятность неэффективной дефибрилляции;- distortion of the shape of the defibrillation pulse with a strong drop in the amplitude (slope) of the current increases the likelihood of ineffective defibrillation;
- сложность и высокая стоимость дефибрилляторов с возможностью динамической адаптации импульса дефибрилляции к СГК пациента повышают вероятность того, что такой дефибриллятор может оказаться недоступным.- the complexity and high cost of defibrillators with the ability to dynamically adapt the defibrillation pulse to the patient's SGC increase the likelihood that such a defibrillator may not be available.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Изобретение направлено на повышение эффективности дефибриллятора и обеспечение возможности формирования специальных форм импульса дефибрилляции динамически адаптируемых к СГК пациента. Под эффективностью дефибриллятора понимается снижение вероятности нанесения электротравмы пациенту вследствие нежелательного роста тока, повышение вероятности успешной дефибрилляции с использованием доступного дефибриллятора. При этом желательно иметь такой формирователь импульсов, у которого основная часть энергии его емкостного накопителя, например более 75%, используется в импульсе дефибрилляции. Конструкция формирователя импульсов должна быть простой и надежной насколько это возможно.The invention is aimed at increasing the effectiveness of the defibrillator and providing the possibility of the formation of special pulse shapes of defibrillation dynamically adaptable to the patient's SGC. Defibrillator efficiency is understood to mean a decrease in the probability of causing electrical injury to the patient due to an undesirable increase in current, an increase in the likelihood of successful defibrillation using an available defibrillator. In this case, it is desirable to have a pulse shaper in which the main part of the energy of its capacitive storage, for example, more than 75%, is used in the defibrillation pulse. The design of the pulse shaper should be as simple and reliable as possible.
Технический результат достигают благодаря тому, что для восстановления нормального ритма сердца импульс дефибрилляции (однополярный или биполярный) подают с помощью электродов в цепь грудной клетки пациента. Предварительно контролируют электрофизиологические параметры пациента. Накапливают и хранят энергию в двух или более конденсаторах накопителя энергии. Формируют дозированный разряд накопленной энергии в цепь пациента, меняя схему соединения конденсаторов емкостного накопителя энергии. При формировании импульса дефибрилляции регулируют напряжение на емкостном накопителе энергии таким образом, чтобы исходя из фактического напряжения заряда конденсаторов минимизировать отклонение между фактическими электрическими параметрами импульса дефибрилляции (тока и/или напряжения), формируемыми с учетом текущего значения сопротивления грудной клетки пациента и предварительно заданными параметрами. Накопитель энергии разряжают с переключением схемы соединения конденсаторов как минимум одной конденсаторной группы накопителя энергии из параллельной схемы в последовательную схему и от последовательной схемы в параллельную с использованием дополнительного накопителя энергии (индуктивности). Для регулирования напряжения на емкостном накопителе энергии частоту переключения его конденсаторов устанавливают с учетом допустимого отклонения между максимально допустимым и минимально допустимым током (напряжением) в цепи пациента.The technical result is achieved due to the fact that to restore normal heart rhythm, a defibrillation pulse (unipolar or bipolar) is applied using electrodes to the patient’s chest chain. Pre-control the electrophysiological parameters of the patient. Accumulate and store energy in two or more capacitors of the energy storage device. A metered discharge of accumulated energy is formed into the patient circuit, changing the connection scheme of the capacitors of the capacitive energy storage. When forming a defibrillation pulse, the voltage on the capacitive energy storage device is regulated so that, based on the actual voltage of the capacitor charge, the deviation between the actual electric parameters of the defibrillation pulse (current and / or voltage), formed taking into account the current value of the patient's chest resistance and predefined parameters, is minimized. The energy storage device is discharged by switching the connection circuit of the capacitors of at least one capacitor group of the energy storage device from a parallel circuit to a serial circuit and from a serial circuit to a parallel circuit using an additional energy storage device (inductance). To regulate the voltage on the capacitive energy storage, the switching frequency of its capacitors is set taking into account the permissible deviation between the maximum allowable and minimum allowable current (voltage) in the patient circuit.
В частном случае реализации изобретения для управления распределением энергии при формировании специальных форм импульса дефибрилляции генерируют опорное напряжение, которое соответствует требуемому распределению энергии в импульсе дефибрилляции, и сравнивают его с масштабированным напряжением, пропорциональным току (напряжению) в цепи пациента.In the particular case of the invention, to control the energy distribution during the formation of special forms of the defibrillation pulse, a reference voltage is generated that corresponds to the required energy distribution in the defibrillation pulse and compared with a scaled voltage proportional to the current (voltage) in the patient circuit.
В другом частном случае при пониженном сопротивлении пациента (например, менее 30 Ом) для ограничения тока при параллельной схеме разряда конденсаторов в цепь пациента вводят дополнительное сопротивление, его значение выбирают так, чтобы обеспечить возможность регулирования формы импульса тока дефибрилляции переключением схемы емкостного накопителя энергии.In another particular case, with a reduced patient resistance (for example, less than 30 Ohms), an additional resistance is introduced into the patient circuit to limit the current with a parallel capacitor discharge circuit, its value is selected so as to allow the shape of the defibrillation current pulse shape to be switched by switching the capacitive energy storage circuit.
В другом частном случае используют несколько последовательно включенных конденсаторных групп с конденсаторами, имеющими одинаковую емкость, схемы разряда которых переключают одновременно.In another particular case, several series-connected capacitor groups are used with capacitors having the same capacitance, the discharge circuits of which are switched simultaneously.
В другом частном случае используют несколько дополнительных конденсаторных групп с различными коммутационными комбинациями, которые имеют индивидуальные контуры управления, обеспечивающие противодействие отклонения тока дефибрилляции от требуемого значения.In another particular case, several additional capacitor groups with different switching combinations are used, which have individual control loops that provide resistance to the deviation of the defibrillation current from the desired value.
В другом частном случае обеспечивают корректировку длительности формируемого импульса с учетом фактического значения СГК, выявленного в ходе формирования импульса дефибрилляции.In another particular case, an adjustment is made for the duration of the generated pulse taking into account the actual value of the SGC revealed during the formation of the defibrillation pulse.
В другом частном случае хранение энергии емкостного накопителя обеспечивают при коммутационных комбинациях конденсаторов, обеспечивающих минимальное напряжение емкостного накопителя.In another particular case, the storage of energy of a capacitive storage device is provided with switching combinations of capacitors that ensure the minimum voltage of the capacitive storage device.
В другом частном случае для достижения терапевтического результата используют как изменение схемы соединения конденсаторов емкостного накопителя энергии, так и изменение полярности фаз импульса дефибрилляции, при этом ключам обеспечивают независимые контуры управления.In another particular case, to achieve a therapeutic result, they use both a change in the capacitor energy storage capacitor connection scheme and a change in the phase polarity of the defibrillation pulse, with independent control loops provided to the switches.
В другом частном случае обеспечивают принудительное формирование параллельной или последовательной схемы соединения конденсаторов в ходе формирования импульса дефибрилляции.In another particular case, the forced formation of a parallel or serial circuit for connecting capacitors during the formation of a defibrillation pulse is provided.
В другом частном случае обеспечивают перераспределение энергии в импульсе дефибрилляции за счет переключения конденсаторов емкостного накопителя энергии с потерями энергии не более 25%.In another particular case, the energy is redistributed in the defibrillation pulse due to switching capacitors of the capacitive energy storage with energy losses of not more than 25%.
Также технический результат достигают благодаря тому, что устройство для формирования импульса дефибрилляции включает в себя емкостной накопитель энергии с двумя или более конденсаторами (конденсаторными группами) с коммутатором соединения конденсаторов, по меньшей мере, из параллельного соединения в последовательное. Ток разряда конденсаторов протекает через дополнительный накопитель энергии, управляемые ключи регулирования формы импульса дефибрилляции и полярности его фаз, блок контроля и цепь пациента. Блок контроля содержит датчик электрического режима цепи пациента (связанного с током и/или напряжением в цепи пациента). Датчик электрического режима преобразует параметры электрического режима в масштабированное напряжение. Блок контроля электрического режима содержит модулятор, управляемый текущими значениями масштабированного напряжения датчика электрического режима и предустановленного опорного напряжения. Сформированный модулятором сигнал управляет коммутатором соединения конденсаторов емкостного накопителя энергии, по меньшей мере, одной конденсаторной группы. Коммутатор соединения конденсаторов выполнен с возможностью работы с частотой, задаваемой модулятором, при этом в качестве интегратора модулируемого тока применен дополнительный накопитель энергии.Also, the technical result is achieved due to the fact that the device for generating a defibrillation pulse includes a capacitive energy storage device with two or more capacitors (capacitor groups) with a capacitor coupling switch, at least from parallel to serial connection. The discharge current of the capacitors flows through an additional energy storage device, controlled keys to control the shape of the defibrillation pulse and the polarity of its phases, the control unit and the patient circuit. The control unit contains a sensor of the electric mode of the patient circuit (associated with current and / or voltage in the patient circuit). The electric mode sensor converts the electric mode parameters to a scaled voltage. The electric mode control unit contains a modulator controlled by the current values of the scaled voltage of the electric mode sensor and a preset reference voltage. The signal generated by the modulator controls the switch connection of the capacitors of the capacitive energy storage of at least one capacitor group. The capacitor connection switch is configured to operate at a frequency specified by the modulator, while an additional energy storage device is used as an integrator of the modulated current.
В частном случае реализации изобретения емкостной накопитель энергии устройства включает несколько конденсаторных групп, которые включены последовательно, каждая конденсаторная группа содержит по два конденсатора. Коммутатор конденсаторной группы выполнен с возможностью переключения конденсаторов одной конденсаторной группы с помощью одного управляемого ключа и диодного коммутатора. Коммутаторы конденсаторных групп переключаются синхронно.In the particular case of the invention, the capacitive energy storage device includes several capacitor groups, which are connected in series, each capacitor group contains two capacitors. The capacitor group switch is configured to switch capacitors of one capacitor group using one managed key and a diode switch. Capacitor group switches are switched synchronously.
В другом частном случае устройство содержит дополнительный управляемый ограничитель импульса тока дефибрилляции с контуром управления, связанным с блоком контроля электрического режима.In another particular case, the device comprises an additional controlled defibrillation current pulse limiter with a control loop connected to the electric mode control unit.
В другом частном случае устройство содержит схему для измерения сопротивления грудной клетки пациента, при этом режим формирования фаз импульса дефибрилляции устанавливают с учетом измеренного сопротивления.In another particular case, the device contains a circuit for measuring the resistance of the chest of the patient, while the mode of formation of the phases of the defibrillation pulse is set taking into account the measured resistance.
В другом частном случае блок контроля выполнен с возможностью регулирования амплитуды и динамического затухания второй фазы импульса дефибрилляции.In another particular case, the control unit is configured to control the amplitude and dynamic attenuation of the second phase of the defibrillation pulse.
Описание чертежейDescription of drawings
На фигуре 1 изображена схема формирования импульса дефибрилляции.The figure 1 shows a diagram of the formation of a defibrillation pulse.
На фигуре 2 изображена схема формирования импульса дефибрилляции с одной конденсаторной группой.The figure 2 shows a diagram of the formation of a defibrillation pulse with one capacitor group.
На фигуре 3 изображены временные диаграммы импульсов, формируемых схемой фигуры 2.The figure 3 shows the timing diagram of the pulses generated by the circuit of figure 2.
На фигуре 4 изображена схема формирования импульса дефибрилляции с одной конденсаторной группой и дополнительным ограничителем тока.The figure 4 shows a diagram of the formation of a defibrillation pulse with one capacitor group and an additional current limiter.
На фигуре 5 изображены временные диаграммы импульсов формируемых схемой фигуры 4.The figure 5 shows the timing diagram of the pulses generated by the circuit of figure 4.
На фигуре 6 изображена временная диаграмма биполярного импульса тока ±30 А, сформированная параллельно-последовательным переключением конденсаторов на нагрузке 50 Ом.The figure 6 shows a timing diagram of a bipolar current pulse ± 30 A, formed by parallel-sequential switching of capacitors at a load of 50 Ohms.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Перед тем как применить дефибриллятор, определяют электрофизиологические параметры пациента. Если целесообразность процедуры подтверждена, то производят заряд емкостного накопителя энергии. Если СГК определено предварительно, то при заряде емкостного накопителя учитывают полученное значение СГК. Независимо от того, каким образом определено СГК пациента, фактический ток и напряжение в цепи пациента требуют динамической адаптации к текущему значению СГК. Для точной адаптации импульса дефибрилляции к фактическому сопротивлению пациента в соответствии выбранным режимом формирования тока применяется высоковольтная схема формирования импульса, являющаяся частью дефибриллятора, которая изображена на фигуре 1.Before applying the defibrillator, determine the electrophysiological parameters of the patient. If the feasibility of the procedure is confirmed, then produce a charge capacitive energy storage. If SGK is determined previously, then when charging a capacitive storage, the obtained value of SGK is taken into account. Regardless of how the patient’s SGK is determined, the actual current and voltage in the patient circuit require dynamic adaptation to the current value of the SGK. To accurately adapt the defibrillation pulse to the actual patient resistance in accordance with the selected current generation mode, a high-voltage pulse formation circuit is used, which is part of the defibrillator, which is shown in figure 1.
Источник зарядного напряжения 1 подает регулируемое напряжение в накопитель энергии 2. Накопитель энергии 2 содержит одну или несколько конденсаторных групп, в которых конденсаторы допускают как параллельное, так и последовательное соединение цепей разряда. Сформированное на накопителе энергии 2 высокое напряжение через дополнительный накопитель энергии 3 подается в коммутатор 4, где задают требуемое направление тока разряда. Коммутатор 4 может быть выполнен в виде Н-образного моста. Далее ток разряда подают через блок контроля электрического режима 5 в цепь пациента 6. Задатчик режима 7, через шину управления 8 поступающего в источник напряжения 1, задает напряжение заряда конденсаторов накопителя энергии 2. Задатчик режима 7 формирует опорное напряжение одного или нескольких параметров разряда, например максимальную амплитуду тока, напряжения, мощности или сочетания названных параметров, которое через шину управления 9 поступает в блок контроля электрического режима 5.The charging
Возможность осуществления заявляемого изобретения показана следующими примерами.The possibility of carrying out the claimed invention is shown by the following examples.
Пример 1. На фигуре 2 изображена схема формирования импульса дефибрилляции с накопителем энергии 2, содержащим конденсаторную группу, образованную предварительно заряженным конденсатором 11 и предварительно заряженным конденсатором 12. Положительная обкладка конденсатора 11 подключена к точке верхнего потенциала (HV) емкостного накопителя энергии 2, отрицательная обкладка конденсатора 11 подключена к катоду диода 14. Анод диода 14 подключен к точке нижнего потенциала (0V). Положительная обкладка конденсатора 12 подключена к аноду диода 13. Катод диода 13 подключен к точке верхнего потенциала (HV). Отрицательная обкладка конденсатора 12 подключена к точке низкого потенциала (0V). Между точкой соединения конденсатора 11 и катода диода 14 и точкой соединения конденсатора 12 и анода диода 13 установлен ключ 15 изменения схемы соединения конденсаторов, способный многократно переключаться в течение формирования импульса дефибрилляции. Ключ 15 выполнен на высоковольтном транзисторе. Возможно использование других высоковольтных полностью управляемых полупроводниковых приборов. Источник напряжения заряда конденсаторов 1 подключен параллельно ключу 15 с соблюдением полярности указанной на фигуре 2. К точке верхнего потенциала конденсатора 11 подключена индуктивность 3 (дополнительный накопитель энергии, выполненный в виде катушки индуктивности). Через индуктивность 3 ток подается в коммутатор 4, который подключен к нагрузке (пациенту) 6. Блок контроля электрического режима 5 содержит модулятор 16, управляющий работой ключа 15 через шину 10. От датчика тока 17 в модулятор 16 по шине 18 поступает масштабированный сигнал, пропорциональный амплитуде тока, а по шине 9 подается опорное напряжение от задатчика электрического режима 7. На конденсаторах 11 и 12 устанавливается напряжение от источника 1 в соответствии с опорным напряжением шины 8. Ключ 15 находится в выключенном состоянии, и соединение конденсаторов 11 и 12 соответствует параллельному включению.Example 1. Figure 2 shows a diagram of the formation of a defibrillation pulse with an
Разряд начинается после включения соответствующих ключей в коммутаторе 4, обеспечивающих путь тока конденсаторов 11 и 12 через нагрузку 6 в заданном направлении. При обнаружении блоком контроля электрического режима 5 заниженного значения масштабированного напряжения шины 18 относительно опорного напряжения шины 9 модулятором 16 формируется сигнал на включение ключа 15 через шину 10.The discharge begins after turning on the corresponding keys in the
Включение ключа 15 вызывает следующие изменения в схеме фигуры 2:The inclusion of the key 15 causes the following changes in the scheme of figure 2:
- спад прямого тока через диоды 13 и 14 со скоростью включения ключа 15, последующее приложение к ним обратного напряжения, протекание через диоды импульсного тока обратного восстановления, ограниченного только сопротивлением открытого состояния ключа 15;- the direct current drop through the
- одновременно проходит переход от параллельного соединения к последовательному соединению конденсаторов 11 и 12;- at the same time, the transition from parallel connection to series connection of
- увеличение напряжения на верхней обкладке конденсатора 11 относительно точки низкого потенциала с противодействием нарастания тока цепи индуктивностью 3;- increase the voltage on the upper plate of the
- рост тока в индуктивности 3 и накопление дополнительной энергии.- increase in current in
Как только ток цепи достигнет требуемого уровня, модулятор отключает ключ 15, что вызывает следующие изменения в схеме фигуры 2:As soon as the circuit current reaches the required level, the modulator turns off the key 15, which causes the following changes in the circuit of figure 2:
- нарастание прямого тока через диоды 13 и 14;- increase in direct current through
- изменение схемы соединения конденсаторов 11 и 12 от последовательного к параллельному соединению;- changing the connection diagram of the
- снижение напряжения на верхней обкладке конденсатора 11 относительно точки низкого потенциала;- voltage reduction on the upper plate of the
- снижение тока в индуктивности 3 и отдачу в цепь нагрузки накопленной энергии.- reducing the current in the
Далее процесс может многократно повторяться с изменением длительности пребывания конденсаторов 11 и 12 в последовательном и параллельном соединениях под управлением модулятора 16, чем обеспечивают регулирование напряжения на нагрузке 6 в диапазоне от напряжения, соответствующего параллельному соединению конденсаторов 11 и 12, до напряжения, соответствующего их последовательному соединению. Например, если при параллельном соединении конденсаторов их напряжение составляет 1000 В, а при последовательном соединении 2000 В, то напряжение на нагрузке может принимать любые значения (в зависимости от параметров импульсной модуляции) в интервале от 1000 В до 2000 В, например 1550 В. Соответственно меняется и эквивалентная емкость накопителя энергии.Further, the process can be repeated many times with a change in the length of stay of the
Модулятор 16 может быть выполнен по схеме ключевого стабилизатора с триггером Шмитта или реализующим другой подходящий способ регулирования. Индуктивность 3, используемая в качестве дополнительного накопителя энергии (интегратора модулятора 16), может быть использована в комбинации с емкостью или заменена другой подходящей схемой интегратора.The
Чтобы обеспечить приемлемую форму импульса в нагрузке 6, следует учитывать, что частота работы ключа 15 определяется суммой постоянной времени заряда и разряда индуктивности 3 и разницей между максимально допустимым и минимально допустимым уровнем тока в нагрузке 6. Чем больше значение индуктивности 3, тем меньше частота работы модулятора 16.To ensure an acceptable pulse shape in
На фигуре 3 изображена временная диаграмма биполярного импульса тока дефибрилляции, состоящего из положительной фазы импульса 19 и отрицательной фазы импульса 20. Импульс на фигуре 3 сформирован схемой формирователя (см. фиг. 2) при перезаряде конденсаторов 11 и 12 относительно низкого сопротивления нагрузки 6.Figure 3 shows a timing diagram of a bipolar pulse of the defibrillation current, consisting of a positive phase of
Временная диаграмма включает следующие временные интервалы:The time chart includes the following time intervals:
- интервал 21 соответствует параллельному соединению конденсаторов 11 и 12 (см. фиг. 2), когда ток дефибрилляции (Iдеф) спадает с постоянной времени, соответствующей емкости параллельного соединения конденсаторов 11 и 12;-
- интервал 22 соответствует высокочастотной модуляции переключения конденсаторов 11 и 12, которая определяется работой блока 5; начало интервала 22 определяет снижение тока Iдеф ниже уровня тока Iогр;-
- интервал 23 (отрицательная фаза 20 импульса тока) соответствует параллельному соединению конденсаторов 11 и 12.- interval 23 (
Наличие интервала 21 (параллельное соединение конденсаторов), в котором ток не ограничивается, является особенностью схемы фигуры 2. Для обычной схемы, в которой конденсаторы 11 и 12 соединены только последовательно, амплитуда тока I макс была бы в два раза выше. Наклон вершины импульса 19, определяемый амплитудой импульса 19 в начале и в конце положительной фазы, меньше зависит от СГК за счет модуляции переключения конденсаторов 11 и 12 на участке 22 и параллельного включения на участке 21.The presence of interval 21 (parallel connection of capacitors), in which the current is not limited, is a feature of the circuit of figure 2. For a conventional circuit in which
Пример 2. На фигуре 4 изображена схема формирования импульса дефибрилляции с управляемым ограничителем тока 24, который установлен в цепи действия тока дефибрилляции с шиной управления 25, связывающей модулятор 16 и ограничитель тока 24. Ограничитель тока 24 может содержать ключ с управлением по шине 25, зашунтированный мощным резистором.Example 2. Figure 4 shows a diagram of the formation of a defibrillation pulse with a controlled
На фигуре 5 изображена временная диаграмма биполярного импульса тока дефибрилляции, состоящего из положительной фазы импульса 19 и отрицательной фазы импульса 20. Временная диаграмма включает следующие временные интервалы:Figure 5 shows a timing diagram of a bipolar pulse of a defibrillation current, consisting of a positive phase of a
- интервал 26 соответствует параллельному соединению конденсаторов 11 и 12 (см. фиг. 5), в конце интервала 26 амплитуда тока Iдеф достигает уровня Iогр1, после чего включается режим ограничения тока блоком 24 (см. фиг. 4);- the
- интервал 27 соответствует модуляции переключения конденсаторов 11 и 12, которая определяется работой блока 5 при ограничении тока блоком 24, начало интервала 27 определяет снижение тока 1деф ниже уровня тока Iогр;- the
- интервал 28 соответствует постоянно включенному параллельному соединению конденсаторов 11 и 12, в котором ток Iдеф снижается от уровня Iогр1 до уровня Iогр;-
- интервал 29 соответствует модуляции переключения конденсаторов 11 и 12, которая определяется работой блока 5; начало интервала 29 определяет снижение тока Iдеф ниже уровня тока Iогр (ограничение тока блоком 24 отключено).-
Из временных диаграмм импульсов в приведенных примерах следует, что интервал 27 (см. фиг. 5) соответствует перераспределению энергии в импульсе с выделением активной энергии в ограничителе тока 24 (см. фиг. 4). Временные интервалы 22 (см. фиг. 3) и 29 (см. фиг. 5) образуют участки энергоэффективного преобразования энергии конденсаторов 11 и 12. Возвращаясь к схемам фигуры 2 и фигуры 4, следует отметить, что преобразование энергии с использованием конденсаторов 11 и 12 обеспечивается без прерывания тока их разряда. Преобразование возможно на высоком напряжении для любого соотношения времени открытого состояния ключа 15 по отношению к периоду его переключений. Возможно формирование специальных форм импульсов, которые могут задаваться динамически регулируемым эталонным сигналом, с использованием, например, программных кодов. Формируемые таким образом импульсы могут иметь прямолинейную, квазисинусоидальную или восходящую форму с заданной или изменяемой скоростью нарастания тока.From the timing diagrams of the pulses in the examples given, it follows that the interval 27 (see Fig. 5) corresponds to the redistribution of energy in the pulse with the release of active energy in the current limiter 24 (see Fig. 4). The time intervals 22 (see. Fig. 3) and 29 (see. Fig. 5) form the energy-efficient energy conversion sections of the
Заряд конденсаторов емкостного накопителя 2 можно обеспечить от общего источника напряжения 1 (как это показано на фиг. 2 или фиг. 4). Напряжение источника 1 после заряда конденсаторов должно быть отключено, так как при включении ключа 15 он замыкает источник напряжения. В другом варианте реализации каждый конденсатор может иметь индивидуальный источник напряжения.The capacitors of the
Из уровня техники известно, что накопитель энергии дефибриллятора может быть образован отдельными конденсаторами, часть из которых можно подключать в цепь разряда или отключать от цепи разряда любыми известными способами. Для таких накопителей энергии возможна замена части конденсаторов накопителя энергии одной или более конденсаторными группами, выполненными в соответствии с предлагаемым техническим решением. При этом схемы соединения цепей конденсаторов и конденсаторных групп могут быть параллельными, последовательными и смешанными.It is known from the prior art that a defibrillator energy storage device can be formed by separate capacitors, some of which can be connected to the discharge circuit or disconnected from the discharge circuit by any known methods. For such energy storage devices, it is possible to replace part of the capacitors of the energy storage device with one or more capacitor groups, made in accordance with the proposed technical solution. At the same time, the connection schemes of the capacitor circuits and capacitor groups can be parallel, serial and mixed.
Применительно к предлагаемому техническому решению формулировка «конденсаторная группа» означает двухполюсник, образованный двумя отдельными конденсаторами (см. фиг. 2 и фиг. 4) с возможностью переключения цепей разряда конденсаторов (11 и 12) в любой момент времени из параллельного соединения цепей разряда в последовательное соединение и из последовательного соединения - в параллельное. Свойства конденсаторной группы (групп) накопителя энергии основаны на известных положениях теории линейных электрических цепей. Схема соединения конденсаторов и соответственно электрические характеристики конденсаторной группы изменяются в зависимости от состояния ключа 15. Конденсаторная группа может быть представлена в виде эквивалентного (равнозначного) конденсатора с двумя значениями емкости и напряжения в зависимости от состояния ключа 15. Комбинацию множества конденсаторных групп также можно представить как эквивалентный конденсатор с множеством переключаемых ключами значений емкостей и напряжений. Эквивалентный конденсатор одной конденсаторной группы может образовывать отдельный конденсатор для другой конденсаторной группы. При этом конденсаторные группы могут переключаться синхронно или асинхронно в зависимости от требований к регулировке напряжения накопителя энергии дефибриллятора.In relation to the proposed technical solution, the wording “capacitor group” means a two-terminal network formed by two separate capacitors (see Fig. 2 and Fig. 4) with the ability to switch capacitor discharge circuits (11 and 12) at any time from parallel connection of the discharge circuits to series connection from serial connection to parallel. The properties of the capacitor group (s) of an energy storage device are based on the well-known principles of the theory of linear electric circuits. The capacitor connection diagram and, accordingly, the electrical characteristics of the capacitor group vary depending on the state of the key 15. The capacitor group can be represented as an equivalent (equivalent) capacitor with two capacitance and voltage values depending on the state of the key 15. The combination of many capacitor groups can also be represented as equivalent capacitor with many switchable capacitance and voltage values. An equivalent capacitor of one capacitor group may form a separate capacitor for another capacitor group. In this case, the capacitor groups can be switched synchronously or asynchronously depending on the requirements for adjusting the voltage of the defibrillator energy storage device.
Отдельные конденсаторы, установленные в одной конденсаторной группе, допускают различные значения напряжения заряда и емкости. Взаимный перезаряд конденсаторов исключен, так как цепи параллельного соединения отдельных конденсаторов развязаны диодами 13 и 14.Separate capacitors installed in one capacitor group allow different values of charge voltage and capacitance. Mutual recharging of the capacitors is excluded, since the parallel connection circuits of the individual capacitors are decoupled by
Очевидно, что увеличение числа конденсаторных групп приводит к усложнению дефибриллятора, снижению его надежности и росту стоимости. Несмотря на множество вариантов реализации изобретения наиболее приемлемыми вариантами для практической реализации можно считать схемы на основе фигуры 4.Obviously, an increase in the number of capacitor groups leads to a complication of the defibrillator, a decrease in its reliability and an increase in cost. Despite the many options for implementing the invention, the most suitable options for practical implementation can be considered schemes based on figure 4.
Использование в качестве ключа 15 доступного биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT) на максимальное обратное напряжение 1600 В и соответствующих этому напряжению диодов 13 и 14 позволяет использовать максимальное напряжение заряда конденсаторов 11 и 12 до 1400 В. Такое решение позволяет получить уровень тока более 16 А в конце первой фазы импульса восходящей формы (длительность фазы 6 мс) на нагрузке 150 Ом, что соответствует требованиям эффективного импульса дефибрилляции для пациентов с высоким значением СГК.Using as a key 15 an available insulated gate bipolar transistor (IGBT) for a maximum reverse voltage of 1600 V and
Для опробования варианта изобретения с несколькими конденсаторными группами изготовлен макет формирователя импульсов дефибриллятора с емкостным накопителем энергии, состоящим из трех конденсаторных групп. Каждая группа содержит по два конденсатора (1000 мкФ, 450 В), которые переключают в параллельное или последовательное соединение с помощью коммутаторов, как это показано на фиг. 4. Все три конденсаторные группы стационарно соединены в последовательную цепь в одной полярности включения. Максимальное напряжение емкостного накопителя энергии 2700 В при эквивалентной емкости 167 мкФ для последовательного соединения цепей разряда конденсаторов всех трех групп и 1350 В и 667 мкФ для параллельного соединения цепей разряда конденсаторов всех трех групп. Индуктивность дополнительного накопителя энергии 3 мГн, а его сопротивление 3 Ом.To test an embodiment of the invention with several capacitor groups, a prototype of a defibrillator pulse shaper with a capacitive energy storage device consisting of three capacitor groups was manufactured. Each group contains two capacitors (1000 uF, 450 V), which are switched in parallel or serial connection using switches, as shown in FIG. 4. All three capacitor groups are stationary connected in a series circuit in the same polarity. The maximum voltage of a capacitive energy storage device is 2700 V with an equivalent capacity of 167 μF for series connection of capacitor discharge circuits of all three groups and 1350 V and 667 μF for parallel connection of capacitor discharge circuits of all three groups. The inductance of the additional energy storage is 3 mH, and its resistance is 3 ohms.
Для снижения коэффициента пульсаций тока при переключениях конденсаторов в высокочастотном режиме использовалась только одна из трех конденсаторных групп. Остальные две конденсаторные группы переключались в стационарное последовательное соединение поочередно, по мере разряда конденсаторов накопителя энергии. Коэффициент полезного использования энергии емкостного накопителя при формировании прямолинейной формы импульса составил η≈0,80. Коэффициент η определяют как отношение энергии, поглощенной пациентом в момент завершения разряда, к энергии заряда емкостного накопителя при заданном сопротивлении нагрузки 50 Ом. Формирование прямолинейной формы импульса проводилось на частоте переключения конденсаторов от 20 до 40 кГц и токе ±30 А (см. диаграмму биполярного импульса на фиг. 6 с положительной фазой 19 и отрицательной фазой 20). В макете использован тиристорный мост для переключения направления тока в нагрузке и транзисторно-варисторный динамический коммутатор, который обеспечивал формирование благоприятных переходных режимов для тиристоров и их выключения (см. технические решения по патентам РФ 2497274 и РФ 2510774).To reduce the current ripple coefficient when switching capacitors in high-frequency mode, only one of the three capacitor groups was used. The remaining two capacitor groups switched to a stationary series connection in turn, as the capacitors of the energy storage discharge. The energy efficiency of the capacitive storage during the formation of the rectilinear pulse shape was η≈0.80. The coefficient η is defined as the ratio of the energy absorbed by the patient at the time of discharge completion to the charge energy of the capacitive storage at a given load resistance of 50 Ohms. The rectilinear pulse shape was formed at a switching frequency of capacitors from 20 to 40 kHz and a current of ± 30 A (see the bipolar pulse diagram in Fig. 6 with a
Технический результат изобретения достигают за счет того, что проводят многократное изменение схемы соединения двух конденсаторов как минимум одной конденсаторной группы накопителя энергии дефибриллятора из параллельной схемы в последовательную схему и от последовательной схемы в параллельную, чем обеспечивают преобразование напряжения с амплитудой входящей в интервал ограниченный напряжением конденсаторов в их параллельной схеме и напряжением конденсаторов в их последовательной схеме. Преобразование напряжения выполняют так, чтобы напряжение, подаваемое в цепь грудной клетки пациента, противодействовало бы отклонению тока дефибрилляции от требуемого значения. Тем самым оптимизируют форму импульса дефибрилляции и поглощаемую пациентом энергию.The technical result of the invention is achieved due to the fact that a multiple change of the connection circuit of two capacitors of at least one capacitor group of the defibrillator energy storage device is carried out from a parallel circuit to a serial circuit and from a serial circuit to a parallel circuit, which ensures voltage conversion with an amplitude included in the range limited by the voltage of the capacitors their parallel circuit and the voltage of the capacitors in their series circuit. The voltage conversion is performed so that the voltage supplied to the patient’s chest circuit counteracts the deviation of the defibrillation current from the desired value. This optimizes the shape of the defibrillation pulse and the energy absorbed by the patient.
В блок контроля электрического режима дефибриллятора введен модулятор переключения конденсаторов, на первый вход модулятора подается масштабированное напряжение датчика электрического режима, на второй вход модулятора подается опорное напряжение. Сформированный модулятором сигнал подают в контур управления коммутатора конденсаторов емкостного накопителя энергии, по меньшей мере, одной конденсаторной группы. Коммутатор конденсаторов выполнен с возможностью переключений ключей на максимальной частоте задаваемой модулятором.A capacitor switching modulator is introduced into the defibrillator electric mode control unit, a scaled voltage of the electric mode sensor is supplied to the first input of the modulator, and a reference voltage is supplied to the second input of the modulator. The signal generated by the modulator is supplied to the control circuit of the capacitor switch of the capacitive energy storage of at least one capacitor group. The capacitor switch is configured to switch keys at the maximum frequency specified by the modulator.
В отличие от прототипа (патент ЕР 2477329) в предлагаемом техническом решении не используют импульсный преобразователь энергии, установленный между накопителем энергии и цепью пациента. Применение предложенного технического решения позволяет обеспечить более благоприятные режимы высоковольтных ключей и самих конденсаторов накопителя энергии, снизить нежелательные высокочастотные колебания и помехи по сравнению с импульсным преобразователем прототипа, прерывающим ток разряда емкостного накопителя энергии и обеспечивающим дозированную подачу энергии в цепь пациента через индуктивность и коммутационный диод. Полученные в ходе экспериментов результаты показали, что возможности предлагаемого технического решения могут конкурировать с лучшими из известных технических решений, а по простоте реализации их превосходить.Unlike the prototype (patent EP 2477329), the proposed technical solution does not use a pulse energy converter installed between the energy storage device and the patient circuit. Application of the proposed technical solution makes it possible to provide more favorable modes of high-voltage switches and capacitors of the energy storage device, to reduce undesirable high-frequency oscillations and interference compared to the pulse converter of the prototype, interrupting the discharge current of the capacitive energy storage device and providing a metered energy supply to the patient circuit through the inductance and switching diode. The results obtained during the experiments showed that the capabilities of the proposed technical solution can compete with the best of the known technical solutions, and surpass them in terms of ease of implementation.
Изобретение обеспечивает повышение эффективности применения дефибриллятора за счет динамического регулирования напряжения емкостного накопителя энергии, снижение габаритов емкостного накопителя энергии за счет более полного использования его энергии в импульсе дефибрилляции при регулируемых модулятором параллельно-последовательных переключениях конденсаторов, а также формирование специальных форм тока дефибрилляции, которые могут потребоваться при проведении электротерапии.The invention improves the efficiency of the use of the defibrillator due to the dynamic regulation of the voltage of the capacitive energy storage device, reduces the size of the capacitive energy storage device due to the more complete use of its energy in the defibrillation pulse during parallel-series switching of capacitors controlled by the modulator, as well as the formation of special forms of defibrillation current that may be required during electrotherapy.
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016127320A RU2648868C2 (en) | 2016-07-06 | 2016-07-06 | Method and device for forming a defibrillation pulse |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016127320A RU2648868C2 (en) | 2016-07-06 | 2016-07-06 | Method and device for forming a defibrillation pulse |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2648868C2 true RU2648868C2 (en) | 2018-03-28 |
Family
ID=61867496
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016127320A RU2648868C2 (en) | 2016-07-06 | 2016-07-06 | Method and device for forming a defibrillation pulse |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2648868C2 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4800883A (en) * | 1986-04-02 | 1989-01-31 | Intermedics, Inc. | Apparatus for generating multiphasic defibrillation pulse waveform |
| WO1994027674A1 (en) * | 1993-05-18 | 1994-12-08 | Heartstream, Inc. | Defibrillator with self-test features |
| US5757167A (en) * | 1996-07-12 | 1998-05-26 | Cardiac Pacemakers, Inc. | Voltage regulator |
| RU2316363C2 (en) * | 2004-11-26 | 2008-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Медицинские Компьютерные Системы" | Automatic external defibrillator device |
| RU2365389C2 (en) * | 2004-12-23 | 2009-08-27 | Шиллер Медикаль Сас | Defibrillator with safe discharge contour, containing h-shaped bridge electric scheme |
| EP2477329A1 (en) * | 2011-01-12 | 2012-07-18 | BIOTRONIK SE & Co. KG | Defibrillator having specialized output waveforms |
-
2016
- 2016-07-06 RU RU2016127320A patent/RU2648868C2/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4800883A (en) * | 1986-04-02 | 1989-01-31 | Intermedics, Inc. | Apparatus for generating multiphasic defibrillation pulse waveform |
| WO1994027674A1 (en) * | 1993-05-18 | 1994-12-08 | Heartstream, Inc. | Defibrillator with self-test features |
| US5757167A (en) * | 1996-07-12 | 1998-05-26 | Cardiac Pacemakers, Inc. | Voltage regulator |
| RU2316363C2 (en) * | 2004-11-26 | 2008-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Медицинские Компьютерные Системы" | Automatic external defibrillator device |
| RU2365389C2 (en) * | 2004-12-23 | 2009-08-27 | Шиллер Медикаль Сас | Defibrillator with safe discharge contour, containing h-shaped bridge electric scheme |
| EP2477329A1 (en) * | 2011-01-12 | 2012-07-18 | BIOTRONIK SE & Co. KG | Defibrillator having specialized output waveforms |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6208896B1 (en) | Method and apparatus for providing variable defibrillation waveforms using switch-mode amplification | |
| CA2205321C (en) | Patient-worn energy delivery apparatus | |
| US5766124A (en) | Magnetic stimulator for neuro-muscular tissue | |
| US6647290B2 (en) | Charge-based defibrillation method and apparatus | |
| US6208895B1 (en) | Circuit for performing external pacing and biphasic defibrillation | |
| CN105377366B (en) | Medical running fire magnetic pulse generator | |
| US20170203116A1 (en) | Power management in transcranial magnetic stimulators | |
| US11666774B2 (en) | Pulse source and method for magnetically inductive nerve stimulation | |
| EP1064963A1 (en) | Patient-worn energy delivery apparatus | |
| US20030216786A1 (en) | Circuit for producing an arbitrary defibrillation waveform | |
| CN106264723B (en) | Cascade square wave irreversible electroporation instrument | |
| US8157718B2 (en) | Electric circuit, having transformer which can function as a buffer inductor, and magnetic stimulator therewith | |
| GB2298370A (en) | Magnetic stimulator with increased energy efficiency | |
| WO2001026732A1 (en) | Controlled-power defibrillator and method of defibrillation | |
| CN101827630B (en) | Biomedical electro-stimulator | |
| RU2648868C2 (en) | Method and device for forming a defibrillation pulse | |
| CN112426627B (en) | Biphase constant-current type heart defibrillator | |
| CN206355132U (en) | A kind of tandem type square wave irreversibility electroporation circuit | |
| CN113521536A (en) | Defibrillation current control method and defibrillator | |
| CN101917027B (en) | Charging system for defibrillator | |
| CN108365683B (en) | Wireless energy transmission structure based on current source | |
| Canacsinh et al. | Solid-state bipolar Marx generator with voltage droop compensation | |
| RU2263485C2 (en) | Method and device for controlling plasma flux at surgical influence onto body's tissues | |
| RU181259U1 (en) | DEVICE FOR FORMING A BIPOLAR PULSE | |
| EA034946B1 (en) | Method of adjustable capacitor bank discharge during defibrillation |