DE69430893T2

DE69430893T2 - Implantierbarer Defibrillator mit einem optisch isolierten Elektroschockgenerator

Info

Publication number: DE69430893T2
Application number: DE69430893T
Authority: DE
Inventors: Peter Jacobson; Daniel Kroiss; Alan Ostroff
Original assignee: Ela Medical SAS
Current assignee: Sorin CRM SAS
Priority date: 1993-10-08
Filing date: 1994-10-05
Publication date: 2003-01-23
Anticipated expiration: 2014-10-06
Also published as: FR2710848B1; EP0647456B1; US5626619A; FR2710848A1; DE69430893D1; EP0647456A1; ES2177568T3

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Beaufschlagung eines implantierbaren Defibrillators mit hochenergetischen Elektroschocks.
Im vorliegenden Fall bezieht sich der Ausdruck "Defibrillator" auf jede Vorrichtung, welche dazu dient, eine Tachyarrhythmie mit elektrischer Energie zu beseitigen, welche die von implantierbaren Herzschrittmachern zugeführte Energie deutlich überschreitet, wobei darin alle Kombinationen oder Unterkombinationen von Defibrillatoren, Kardioversionsgeräten und implantierbaren Herzschrittmachern eingeschlossen sind.
Die Erfindung betrifft insbesondere die Steuerung in einem implantierbaren Defibrillator elektrisch isolierter elektronischer Schalter. Die Erfindung kann angewandt werden zum Senden einphasiger bzw. mehrphasiger abgekürzter Schocks an eine Ladung bzw. Last ausgehend von einem einzigen Kondensator. In der Beschreibung gelte:
- Ein einphasiger Schock sendet den Strom in eine Richtung.
- Ein mehrphasiger Schock sendet den Strom zuerst in eine Richtung (erste Phase des Schocks genannt) und dann in die entgegengesetzte Richtung (zweite Phase genannt) und kann zusätzliche alternierende Phasen zuführen. Ein zweiphasiger Schock weist zwei Phasen auf.
- Ein abgekürzter Schock beendet plötzlich das Senden des Stroms in die Last, entweder durch Unterbrechen des Stroms in der Last oder durch ein schnelles Entladen des Ladungskondensators.
- Die Ladung bzw. Last stellt die Impedanz von Sondendrähten, Defibrillationselektroden, der Schnittstelle zwischen Elektroden und Gewebe und der Gewebemasse zwischen den Elektroden dar.
- Der einzige Kondensator stellt jede Reihenkombination und/oder Parallelkombination von Kondensatorgruppen dar, die einem einzigen äquivalenten Kondensator entsprechen, dessen zwei Klemmen bzw. Anschlüsse an die Schockbeaufschlagungsschaltung bzw. Schockanwendungsschaltung angeschlossen sind.
Die Erfindung betrifft Schockgeneratoren für einphasige und mehrphasige Wellenformen, einschließlich zweiphasiger Wellenformen. Sie wird angewandt auf Generatoren mit mehrphasigen Wellenformen mit einem einzigen Kondensator sowie auf Generatoren mit mehrphasigen Wellenformen mit mehreren Kondensatoren. Die Wellenform eines einzigen Kondensators entlädt den Kondensator in die Last in einer ersten Richtung in der ersten Phase, unterbricht den Strom und fährt dann fort, den Kondensator in die Last in entgegengesetzter Richtung in der zweiten Phase zu entladen und bricht dann den Schock ab. Folglich ist die Amplitude der vorderen Kante der zweiten Phase gleich der Amplitude der hinteren Kante der ersten Phase. Die Wellenform eines Mehrfachkondensators entlädt einen für jede Richtung oder sogar für jede Phase unterschiedlichen Kondensator, und die Amplitude der vorderen Kante hängt nicht notwendigerweise von der Amplitude der hinteren Kante der vorhergehenden Phase ab.
Die herkömmlichen Defibrillatoren führen lediglich einphasige Wellenformen zu. Das Patent USRE 27652 auf den Namen Mirowski (Priorität vom 9. Februar 1970) beschreibt einen automatischen Defibrillator mit einer einphasigen Schockbeaufschlagungsschaltung, welche einen nicht abgekürzten Schock zuführt, sobald der Speicherkondensator bis zu einer festen Spannung aufgeladen ist (kein isoliertes Steuersignal ist notwendig). Das Patent EP 0 362 093 beschreibt einen implantierbaren Defibrillator mit einem einzigen Kondensator. Ein Ableiter ist zwischen dem Kondensator und dem Herz angebracht. Wenn die Ladespannung des Kondensators die Schwellenspannung des Ableiters erreicht, wird letzterer Leiter und entlädt den Kondensator über das Herz automatisch und komplett. Die Blitzentladung des Ableiters wird von einer Photozelle erfasst, die die Ladeschaltung bzw. Lastschaltung des Kondensators hemmt. Das Dokument DS A 4 823 796 beschreibt einen Defibrillator, um einen externen trapezförmigen Impuls an einen Patienten anzulegen, der an Herzkammerflimmern leidet. Ein Energiespeicherkondensator wird mit Elektroden unter der Steuerung von elektronischen Einrichtungen, die eine optischen Isolierung aufweisen, verbunden. Das Patent FR 2 257 312 auf den Namen Zacouto (Priorität vom 16. Januar 1974) zeigt Mittel zum Anwenden bzw. Anlegen einphasiger, sequentieller Schocks durch Mehrfach-Elektrodenpaare, was die Steuerung auch nicht isoliert.
Das US-Patent 4 403 614 auf den Namen Engle (Priorität vom 19. Juli 1979) und das US-Patent 4 384 585 auf den Namen Zipes (Priorität vom 6. März 1981) beschreiben Mittel zur Synchronisierung eines Impulses mit erfassten Ereignissen, geben jedoch keine Einzelheiten bezüglich der Entladungsschaltung an. Das US-Patent 4 614 192 auf den Namen Imran (Priorität vom 21. April 1982) fügt Mittel zur Abkürzung einphasiger Schocks durch schnelles Entladen des Speicherkondensators hinzu.
Der Schalter und die Elektroschocksteuerung bestehen aus einem Impulstransformator, der einen Thyristor steuert.
Im Anschluss an Untersuchungen betreffend bidirektionale Schocks aus den Jahren 1964 und 1980 haben J. G. Schulder et al. einen "Ultrahigh-energy hydrogen thyratron/SCR bidirectional waveform defibrillator" (Defibrillator mit bidirektionaler Wellenform mit ultrahochenergetischem Thyrathron/SCR) in Med Biol Eng Computing 20: 419, 1982 beschrieben, der einen zweiphasigen Generator mit einem Kondensator pro Phase umfasst. Die Druckschrift SU 1149979 auf den Namen Pekarski (Priorität vom 8. Oktober 1983) zeigt ebenfalls eine Schaltung zum Anlegen zweiphasiger abgekürzter Schocks mit einem Kondensator für jede Phase.
Im Jahre 1984 haben Schuder et al. die Ergebnisse einer simulierten, zweiphasigen, abgekürzten Wellenform mit einem einzigen Kondensator präsentiert. In ihrem Bericht mit dem Titel "Transthoracic Defibrillation of 100 kg Calves with Bidirectional Truncated Exponential Shocks", Band XXX Trans Am Soc Artif Intern Organs, 1984, beschrieben die Autoren Untersuchungen, die mit einer "zweiphasigen, exponentiellen, abgekürzten, asymmetrischen Wellenform..., die in einem Gerät mit klinischen Abmessungen durchgeführt werden kann", ausgeführt worden sind. Sie zeigten eine Wellenform, bei der die hintere Kante der ersten Phase gleich der vorderen Kante der zweiten Phase ist.
Eine Lösung mit einem einzigen Kondensator vereinfacht gleichzeitig die Ladungs- und Entladungsschaltungen, wobei die Abmessungen, das Gewicht und das Pannenrisiko der implantierbaren Vorrichtungen reduziert werden. In dem Maße, in dem sich die Daten angesammelt haben und verbesserte Ergebnisse aus Tierversuchen und klinischen Versuchen mit zweiphasigen abgekürzten Impulsen im Vergleich zu einphasigen abgekürzten Impulsen gezeigt haben, haben Erfinder eine Vielzahl von Generatoren mit einem einzigen Kondensator mehrphasiger, abgekürzter Wellenformen vorgeschlagen. Alle diese Schaltungen weisen mindestens vier Schalter in einer H-Brückenkonfiguration auf.
Die Entwickler verwenden häufig die H-Brückenkonfiguration, um Strom in eine Last in zwei Richtungen ausgehend von einer Gleichstromquelle zu schicken, um beispielsweise einen Schrittmotor oder einen Servomotor ausgehend von einer Batterie zu steuern. Während der ersten Phase verbindet ein erster Schalter den positiven Pol der Quelle mit einer ersten Seite der Last, und ein zweiter Schalter verbindet den negativen Pol der Quelle mit der zweiten Seite der Last. Während der zweiten Phase verbindet ein dritter Schalter den positiven Pol der Quelle mit der zweiten Seite der Last, und ein vierter Schalter verbindet den negativen Pol der Quelle mit der ersten Seite der Last. Die ersten und dritten Schalter, die mit dem positiven Pol der Quelle verbunden sind, werden Schalter der Oberseite genannt. Die zweiten und vierten Schalter, die mit dem negativen Pol der Quelle verbunden sind, werden Schalter der Unterseite genannt.
Die implantierbaren Entladungsschaltungen gemäß dem Stand der Technik verwenden einen oder mehrere von drei Schaltertypen in der H-förmigen Brücke. Jeder Schaltertyp weist einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss und einen Steueranschluss auf und reagiert auf ein Steuersignal zwischen den Steuer- und Ausgangsanschlüssen. Die Thyristoren (SCR) werden in Reaktion auf einen Impuls an dem Steueranschluss leitend und hören erst auf zu leiten, sobald der sie durchfließende Strom im Wesentlichen auf Null fällt. Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) und bipolare Transistoren mit isolierter Elektrode (IGBT) bleiben durchgängig, solange eine Steuerspannung an dem Steueranschluss anliegt.
Je nach der Art, wie sie die Stimulations- und Erfassungsschaltungen gegen Defibrillationsimpulse schützen, isolieren die Schaltungen gemäß dem Stand der Technik entweder den Kondensator und die Entladungsschaltung der Stimulations- und Erfassungsmasse oder verbinden die negative Seite des Kondensators mit Masse. In der isolierten Version müssen sie von den Schaltern isolierte Steuersignale zuführen. In der Version mit negativer Masse müssen sie immer isolierte Steuersignale an die Schalter der Oberseite anlegen.
So benötigt jede Schaltung zum Anlegen zweiphasiger Schocks mit einem einzigen Kondensator zwei Schalter auf der Oberseite und zwei Schalter auf der Unterseite, die durch eine H-Brücke verbunden sind, und mindestens zwei isolierte Schalter-Steuerungen. Die nachstehenden Patente gemäß dem Stand der Technik beschreiben alle eine H-Brücke zur Erzeugung einer mehrphasigen Wellenform mit einem einzigen Kondensator, wobei die Struktur der Schaltmittel und der Steuermittel der Schalter in jeder Konzeption anders ist:
Das US-Patent Nr. 4 800 883 auf den Namen Winstrom (Priorität vom 2. April 1986) schlägt eine isolierte Entladungsschaltung mit vier MOSFET-Schaltern vor und verwendet einen in Hochfrequenz gespeisten Transformator, eine Gleichrichtung und Schnell-Unterbrechungsschaltungen für die Steuerungen der Ober- und Unterseite. Ein einziger Transformator mit zwei Sekundärwicklungen steuert gleichzeitig die Schalter der Ober- und der Unterseite in derselben Phase. Alle seine Ansprüche beziehen sich auf einen mehrstufigen Kondensator mit mehreren Spannungsabgriffen.
Das Patent EP 0 281 219 auf den Namen Mehra (Priorität vom 14. Januar 1987) schlägt eine Entladungsschaltung mit negativer Masse mit einem MOSFET für jeden Schalter der Oberseite und einem SCR für jeden Schalter der Unterseite vor. Mehra gibt keine Einzelheiten bezüglich der Steuerungen der Schalter an.
Das Patent EP 0 280 526 auf den Namen Baker (Priorität vom 27. Februar 1987) verwendet die vorstehend genannte Winstrom-Schaltung mit der zusätzlichen Bedingung, dass die erste Phase länger dauere als die zweite Phase (es sei anzumerken, dass Jones et al im Jahre 1984 Ergebnisse für Defibrillationsimpulse mit einer ersten Phase von 5 ms und einer zweiten Phase von 1 ms veröffentlicht haben, siehe Am. J. Physiol. 247 (Heart Circ. Physiol. 16)). Die Druckschrift EP 0 324 380 auf den Namen Bach (Priorität vom 12. Januar 1988) schlägt eine weitere Entladungsschaltung mit negativer Masse und mit SCR für die Schalter der Oberseite und mit MOSFETS für die Schalter der Unterseite vor. Bach verwendet Impulstransformatoren für die Steuerungen der Oberseite und steuert direkt die Unterseite. Das Patent EP 0 326 290 auf den Namen De Coriolis (Priorität vom 19. Januar 1988) präsentiert eine weitere Entladungsschaltung mit negativer Masse mit zwei SCR in Reihe für den Schalter der Oberseite der ersten Phase, einen MOSFET für den Schalter der Unterseite der ersten Phase und SCR für die Schalter der Oberseite und der Unterseite der zweiten Phase. De Coriolis kürzt die zweite Phase durch ein schnelles Entladen des Speicherkondensators durch den Schalter der Oberseite der ersten Phase und den Schalter der Unterseite der zweiten Phase ab. De Coriolis steuert die Schalter der Oberseite mit Impulstransformatoren und die Schalter der Unterseite mit an eine positive Stromversorgung angeschlossenen Niveaureglern.
Das US-Patent Nr. 4 998 531 auf den Namen Bocchi (Priorität vom 28. März 1990) schlägt eine weitere Entladungsschaltung mit negativer Masse mit vier MOSFET-Schaltern vor. Bocchi verwendet Niveauregler für die Steuerungen der Unterseite und verwendet einen Transformator für die Steuerung der Oberseite, wobei ein Impuls in einer Richtung den MOSFET durchgängig schaltet und ein Impuls in entgegengesetzter Richtung diesen blockiert.
Das US-Patent Nr. 5 111 816 auf den Namen Pless (Priorität vom 22. Oktober 1990) schlägt eine weitere Entladungsschaltung mit negativer Masse mit IGBT- und MOSFET-Schaltern vor. Alle Varianten von Pless steuern gleichzeitig die Schalter der Ober- und der Unterseite in derselben Phase ausgehend von einem gemeinsamen, in Hochfrequenz (HF) gespeisten Transformator und einer Gleichrichtung sowie einer Schnell-Unterbrechungsschaltung für mindestens einen Schalter jeder Phase. Pless verbindet ebenfalls den negativen Anschluss der Batterie mit Masse und kehrt dies um, um die Stimulationsspannung zu erzeugen.
Es ist jedoch möglich, die Schockbeaufschlagungs- bzw. Schockanwendungsschaltungen mit hoher Spannung in implantierbaren Defibrillatoren zu verbessern.
Alle Konzepte gemäß dem Stand der Technik isolieren entweder die Entladungsschaltung von der Stimulations- und Erfassungsmasse oder verbinden den negativen Pol des Speicherkondensators mit der Stimulations- und Erfassungsmasse. Dies macht es erforderlich, die Steuersignale für die Schalter der Oberseite elektrisch zu isolieren. Alle Konzepte gemäß dem Stand der Technik verwenden eine Transformatorkopplung für diese Isolierung. Sie verwenden Impulstransformatoren zur Steuerung der SCR und entweder Impulstransformatoren oder Transformatoren in Hochfrequenz (HF) mit Gleichrichtung und Schnell-Unterbrechungsschaltung zur Steuerung der MOSFETs oder der IGBTs.
Die Nachteile der Transformatorkopplung sind also:
- magnetische Kopplung mit anderen Induktoren oder Transformatoren im Implantat, wie z. B. dem Transformator, der die Energiespeicherkondensatoren lädt,
- die magnetische Kopplung mit sensiblen, anderswo im Implantat angeordneten Schaltungen, wie z. B. Stromschleifen in den Wellenerfassungsschaltungen R mit hohem Ertrag,
- relativ umfangreiche und kostspielige magnetische Bestandteile, die in einer Technologie mit integrierten Schaltungen nicht in Betrieb genommen werden können,
- die Möglichkeit einer Sättigung des Transformatorkerns in einem kontinuierlichen, hohen magnetischen Feld, einschließlich der von gewöhnlich zum Testen der Herzschrittmacher und der Defibrillatoren verwendeten Permanentmagneten erzeugten Felder,
- die magnetische Kopplung mit durch einen externen Wechselstrom hervorgerufenen, starken magnetischen Feldern, wie z. B. die von industriellen Heizgeräten oder Schweißgeräten erzeugten Felder.
In den Ausgestaltungen gemäß dem Stand der Technik verlangen die Transformatoren gleichsam einen Hochfrequenzoszillator, der zusätzlich komplex ist und ein Energieverbraucher ist, oder Impulssteuerschaltungen.
Es ist also das Hauptziel der Erfindung, diese Nachteile in Steuerschaltungen für Schalter zum Anlegen bzw. Anwenden von Hochspannungsschocks durch Zuführen einer optisch isolierten Steuerung für elektrisch isolierte elektronische Schalter zu vermeiden. Die optische Steuerung benötigt einen Sender, um ein elektrisches Signal in ein optisches Signal umzuwandeln, eine elektrisch isolierten Lichtweg und einen Empfänger zum Umwandeln des optischen Signals in ein elektrisches Signal.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung liefert einen Kommunikationslichtweg für das Steuersignal für jeden Schalter, bei dem die Anwesenheit des optischen Signals den Empfänger informiert, dass er den angesteuerten Schalter schließen muss, während seine Abwesenheit dem Empfänger anzeigt, dass er ihn öffnen muss. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schlägt zwei Kommunikationslichtwege zur Steuerung jedes isolierten Schalters vor, wobei das Vorhandensein eines Signals in dem ersten dem Empfänger anzeigt, dass er den angesteuerten Schalter schließen muss, und das Vorhandensein eines zweiten optischen Signals in dem zweiten Weg dem Empfänger anzeigt, das er den angesteuerten Schalter öffnen muss.
Es ist weiterhin ein Ziel der Erfindung, optische Empfängerschaltungen für die isolierte Steuerung der Schalter vorzuschlagen. Eine Variante der Empfängerschaltung sieht eine schwebende Versorgung und einen Phototransistor zum Anlegen des Lade- bzw. Laststroms an die Steuerklemmen bzw. -anschlüsse des isolierten gesteuerten Schalters im Ansprechen auf ein optisches Steuersignal. Ein weiteres Ausführungsbeispiel schlägt eine oder mehrere Photodioden zum Erfüllen derselben Funktion vor.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, Schaltungen zum schnellen Öffnen des gesteuerten Schalters im Ansprechen auf einen bestimmten Zustand des oder der optischen Steuersignale vorzusehen.
Die Erfindung hat einen implantierbaren Defibrillator mit einem Elektroschockgenerator zum Ziel, welcher aufweist:
- eine Batterie zur Energiezufuhr,
- Steuerschaltungen zum Bestimmen der Schockzeitpunkte,
- eine Schockladeschaltung zum Umwandeln der Energie der Batterie in Schockenergie,
- einen Kondensator zum Speichern der Schockenergie,
- elektronische Schaltungseinrichtungen zum Verbinden des Kondensators mit einer Last und
-- Einrichtungen mit einer optischen Isolation zum Steuern der elektronischen Schaltungseinrichtungen, die aufweisen:
-- optische Sendeeinrichtungen zum Umwandeln mindestens eines, von den Steuerschaltungen ausgehenden elektrischen Signals in mindestens ein optisches Signal,
-- optische Empfangseinrichtungen zum Umwandeln mindestens eines optischen Signals in mindestens ein elektrisches Signal, um den elektronischen Schalter selektiv zu öffnen und zu schließen, und
-- einen elektrisch isolierten Lichtweg, der jedes von den optischen Sendeeinrichtungen ausgehende optische Signal zu den optischen Empfangseinrichtungen leitet, wobei
- die optischen Sendeeinrichtungen ein optisches Signal aussenden, dessen Vorhandensein die Empfangseinrichtungen darauf hinweist, den elektronischen Schalter zu schließen, und dessen Fehlen die Empfangseinrichtungen darauf hinweist, den elektronischen Schalter zu öffnen, wobei
- die Empfangseinrichtungen aufweisen:
-- Versorgungseinrichtungen zum Zuführen der Leistung, die die Steuerklemmen des elektronischen Schalters auflädt,
-- einen ersten Phototransistor-Schalter zum selektiven Lenken des von den Versorgungseinrichtungen ausgehenden Stroms zu den Steuerklemmen des elektronischen Schalters, um die Steuerklemmen des elektronischen Schalters aufzuladen und somit den elektronischen Schalter im Ansprechen auf das Vorhandensein des optischen Signals zu schließen, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtungen aufweisen:
- Unterbrechungseinrichtungen, um die Steuerklemmen des elektronischen Schalters selektiv zu entladen und somit den elektronischen Schalter im Ansprechen auf das Fehlen des Ladestroms zu öffnen.
Die Speiseeinrichtungen weisen auf:
- einen Kondensator zum Speichern von Niedrigspannungsenergie,
- eine Strombegrenzerschaltung mit mindestens einem hochohmigen Widerstand zum Aufladen des Kondensators zum Speichern der vom Kondensator ausgehenden Niedrigspannungsenergie zum Speichern der Schockenergie, und
- Spannungsbegrenzungseinrichtungen, um zu verhindern, dass der Kondensator zum Speichern von Niedrigspannungsenergie sich über eine festgelegte Spannung hinaus auflädt.
Die Spannungsbegrenzungseinrichtungen weisen eine Zener- Diode mit einer Zener-Spannung von ungefähr 15 V auf.
Die Unterbrechungseinrichtungen weisen Transistoreinrichtungen auf, um die Steuerklemmen des elektronischen Schalters zu entladen, wenn die Versorgungseinrichtungen und die Phototransistoreinrichtungen keinen Strom mehr zuführen.
Die optischen Empfangseinrichtungen weisen auf:
- mindestens eine Photodiode zum selektiven Zuführen von Strom zu den Steuerklemmen des elektronischen Schalters, um die Steuerklemmen des elektronischen Schalters aufzuladen und somit den elektronischen Schalter im Ansprechen auf das Vorhandensein des optischen Signals zu schließen, und
- Unterbrechungseinrichtungen, um die Steuerklemmen des elektronischen Schalters selektiv zu entladen und somit den elektronischen Schalter im Ansprechen auf das Fehlen des Ladungsstroms von der Photodiode oder den Photodioden zu öffnen.
Die Unterbrechungseinrichtungen weisen Transistoreinrichtungen zum Entladen der Steuerklemmen des elektronischen Schalters auf, wenn die Photodiode oder die Photodioden den Steuerklemmen des elektronischen Schalters keinen Strom mehr zuführen.
Die optischen Sendeeinrichtungen senden ein erstes optisches Signal aus, dessen Vorhandensein die Empfangseinrichtungen darauf hinweist, den elektronischen Schalter zu schließen, und die ein zweites optisches Signal aussenden, dessen Vorhandensein die Empfangseinrichtungen darauf hinweist, den elektronischen Schalter zu öffnen.
Die Empfangseinrichtungen weisen auf:
- Versorgungseinrichtungen zum Zuführen der die Steuerklemmen des elektronischen Schalters aufladenden Leistung,
- einen ersten Phototransistor-Schalter zum selektiven Leiten der Leistung von den Versorgungseinrichtungen zu den Steuerklemmen des elektronischen Schalters, zum Laden der Steuerklemmen des elektronischen Schalters und somit zum Schließen des elektronischen Schalters im Ansprechen auf das Vorhandensein des ersten optischen Signals und
- Unterbrechungseinrichtungen zum selektiven Entladen der Steuerklemmen des elektronischen Schalters und somit zum Öffnen des elektronischen Schalters im Ansprechen auf das Vorhandensein des zweiten optischen Signals.
Die Unterbrechungseinrichtungen weisen auf:
- einen zweiten Phototransistor, der durch das zweite optische Signal aktiviert wird und so angeschlossen ist, dass er die Steuerklemmen des elektronischen Schalters entlädt, wenn er aktiviert ist, und
- einen Widerstand, um zu verhindern, dass sich Ladung an den Steuerklemmen akkumuliert, wenn kein optisches Signal vorhanden ist.
Die optischen Empfangseinrichtungen weisen auf:
- mindestens eine Photodiode zum selektiven Zuführen von Strom zu den Steuerklemmen des elektronischen Schalters, um die Steuerklemmen des elektronischen Schalters aufzuladen und somit den elektronischen Schalter im Ansprechen auf das Vorhandensein des ersten optischen Signals zu schließen, und
- Unterbrechungseinrichtungen, um die Steuerklemmen des elektronischen Schalters selektiv zu entladen und somit den elektronischen Schalter im Ansprechen auf das Vorhandensein des zweiten optischen Signals.
Die Unterbrechungseinrichtungen weisen auf:
- einen zweiten Phototransistor, der durch das zweite optische Signal aktiviert wird und so angeschlossen ist, dass er die Steuerklemmen des elektronischen Schalters entlädt, wenn er aktiviert ist, und
- einen Widerstand, um zu verhindern, dass sich Ladung über den Steuerklemmen akkumuliert, wenn kein optisches Signal vorhanden ist.
Die elektronischen Schaltungseinrichtungen weisen zwei elektronische Schalter auf der Oberseite und zwei elektronische Schalter auf der Unterseite bei einer H- Brückenschaltung auf, um den Kondensator an eine Last bzw. Ladung mit einer selektiven Polarität anzuschließen.
Der Defibrillator weist des Weiteren eine Verbindung zwischen der Unterseite des Kondensators und der H-Brücke und einer Versorgungsspannung auf Masse auf.
Der Defibrillator weist des Weiteren eine Verbindung zwischen der Unterseite des Kondensators und der H-Brücke und einer Versorgungsspannung auf, die negativer als Masse ist.
Die Versorgungsspannung liegt zwischen -5 und -20 V.
Die Versorgungsspannung beträgt ungefähr -15 V.
Die Einrichtungen zum Steuern der elektronischen Schaltungseinrichtungen weisen auf:
- zwei isolierte Steuerungen an der Oberseite zum selektiven Steuern jedes Schalters der Oberseite im Ansprechen auf ein von den Steuerschaltungen ausgehendes, entsprechendes Signal und
- zwei Steuerungen an der Unterseite zum selektiven Steuern jeder Schaltungseinrichtung der Unterseite im Ansprechen auf ein von den Steuerschaltungen ausgehendes, entsprechendes Signal,
wobei die Steuerungen an der Oberseite optisch isoliert sind.
Die Steuerschaltungen zum Bestimmen der Schockzeitdauern aktivieren zuerst eine der Steuerungen an der Oberseite, dann, nach einer bestimmten, vorher festgelegten Zeitdauer, aktivieren sie die entsprechende Steuerung an der Unterseite, um jede Phase eines Schocks einzuleiten.
Die Steuerschaltungen für die Schockzeitdauern beginnen damit, eine der Steuerungen an der Oberseite zu deaktivieren, dann, nach einer bestimmten, vorher festgelegten Zeitdauer, deaktivieren sie die entsprechende Steuerung an der Unterseite, um jede Phase eines Schocks zu beenden.
Die Steuerschaltungen zum Bestimmen der Schockzeitdauern deaktivieren simultan eine der Steuerungen an der Oberseite und die entsprechende Steuerung an der Unterseite, um jede Phase eines Schocks zu beenden.
Die vorher festgelegte Zeitdauer liegt im Bereich von einigen hundert Mikrosekunden.
Die Erfindung wir nun anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
Fig. 1 eine Gesamtansicht der Erfindung, die bei einem mehrphasigen Elektroschockgenerator eines implantierbaren Defibrillators angewandt wird,
Fig. 2 den Sender, den Empfänger und den Lichtweg zum Steuern eines einzigen, isolierten Schalters,
Fig. 3 einen Sender für eine Variante der Erfindung mit einem Lichtsignal durch den isolierten Steuerschalter,
Fig. 4 einen Sender für eine weitere Variante der Erfindung mit zwei Lichtsignalen für jeden isolierten Steuerschalter,
Fig. 5 einen Empfänger für eine Variante der Erfindung, wobei diese Variante eine isolierte Stromversorgung und einen Phototransistor verwendet,
Fig. 6 einen Empfänger für eine weitere Variante der Erfindung, wobei diese Variante Phototransistoren verwendet,
Fig. 7 eine Unterbrechungsschaltung, die in Verbindung mit derjenigen Variante der Erfindung benutzt wird, die zwei Lichtwege für jeden isolierten Steuerschalter aufweist,
Fig. 8 bis 12 weitere Unterbrechungsschaltungen, die in Verbindung mit derjenigen Variante der Erfindung benutzt werden, die einen Lichtweg für jeden isolierten Steuerschalter aufweist,
Fig. 13 und 14 eine Folge von Steuersignalen zur Anwendung des Verfahrens der Erfindung bei einem mehrphasigen Elektroschockgenerator.
Wie die Fig. 1 zeigt, speist eine Batterie 1 Energie in die Schaltungen eines implantierbaren Defibrillators mit einer Spannung von typischerweise 5 bis 15 V ein. Die Steuerschaltungen 2, die die Folge der Elektroschocke bestimmen, führen Steuersignale elektronischen Schaltern des Elektroschockgenerators zu und führen in diesem Beispiel zweiphasige Elektroschocks zu, die von einem einzigen Kondensator stammen. Eine Ladeschaltung 3 für die Elektroschocke wandelt die Energie der Batterie 1 in Schockenergie um, typischerweise mit einer Spannung von 0,75 kV, die in einem Kondensator 4 gespeichert wird, der typischerweise eine Kapazität von 125 uF hat.
Die Fig. 1 zeigt eine elektronische Schaltungseinrichtung für die Verbindung des Kondensators 4 mit einer Last 5, wobei die Schaltungseinrichtung aus einer H-Brückenschaltung 6 besteht. Sie zeigt auch obere Steuerschaltungen 7 und 8 oder untere Steuerschaltungen 9 und 10 für den Betrieb der H-Brückenschaltung 6. Die optisch isolierten bzw. getrennten Steuerschaltungen 7, 8 werden in Verbindung mit der Fig. 2 beschrieben.
Wenn in Fig. 1 die Steuerschaltungen 2 die Steuersignale HF in 11 und LF in 12 erzeugen, leiten die obere Steuerschaltung 7 und die untere Steuerschaltung 10 diese Steuersignale in der Weise, dass sie die entsprechenden Schalter 13 und 14 schließen, und zwar derart, dass der Strom vom Kondensator 4 zur Last 5 in einer ersten Richtung von 15 nach 16 fließt (dadurch wird die erste Phase des Elektroschocks gebildet). Dann sperren die Steuerschaltungen alle Steuerausgänge 11, 12, 17, 18, so dass alle Schalter geöffnet werden. Damit wird eine Verzögerung zwischen den Phasen festgelegt, die die Zeit zum Öffnen aller Schalter zur Verfügung stellt. Danach erzeugen die Steuerschaltungen die Steuersignale HS in 17 und LS in 18, wodurch die obere Steuerschaltung 8 und die untere Steuerschaltung 9 die entsprechenden Schalter 19 und 20 schließen und der Strom vom Kondensator 4 zur Last 5 in einer zweiten Richtung von 16 nach 15 fließt (damit wird die zweite Phase des Elektroschocks gebildet). Die Schaltungen sperren daraufhin alle Steuerausgänge 11, 12, 17, 18, öffnen alle Schalter und schließen die zweite Phase ab. Die Steuerschaltungen können bedarfsweise diese Folge zum Erzeugen von zusätzlichen Phasen fortsetzen.
Die Schalter 13, 14, 19 und 20 der Fig. 1 können durch MOSFET- oder IGBT-Transistoren gebildet sein, die dem Fachmann bekannt sind. Die MOSFET- und IGBT-Transistoren sollten Dioden in Reihe aufweisen, wie es beim Vorbekannten gezeigt ist, um zu vermeiden, dass eine äußere Defibrillation oder Leitung in umgekehrter Richtung die Schalter durchquert. Die Schalter sollten Nennwerte von etwa 30 A und 1,0 kV haben, und ihr Leckstrom im Sperrzustand sollte nicht einige Mikroampere überschreiten.
Die unteren Steuerschaltungen 9 und 10 in Fig. 1 können in klassischer Weise ausgebildet sein, in Bezug darauf, dass sie nicht isoliert bzw. galvanisch entkoppelt sind. Im Allgemeinen werden die MOSFET-Transistoren, die einen Widerstand von einigen hundert Ohm aufweisen, in einer Gegentaktschaltung (Push-Pull-Konfiguration) betrieben. Dadurch ergibt sich eine Anstiegszeit und eine Abfallzeit der Steuerspannung für die typischen Schalttransistoren 14, 20 von etwa 10 us. Ein (nicht dargestellter) Kondensator von einigen Nanofarad kann eventuell zwischen die Ausgangsanschlüsse der Schaltersteuerung eingefügt werden, um die Anstiegszeit zu steuern und die Stärke des Miller-Effekts zu vermindern. Es ist wichtig, eine mäßige Anstiegsfront für den Schockstoß (in der Größenordnung von einigen Ampere je Mikrosekunde) zu erhalten, um die induktive oder kapazitive Kopplung des Schockstoßes mit anderen empfindlichen Schaltungen des implantierbaren Defibrillators zu vermindern, wie Fernmessschaltungen und Verstärkern zur Feststellung der Welle P oder Welle R.
Die Fig. 1 zeigt ferner eine Verbindung 21 zwischen der Unterseite des Kondensators 4 und der Unterseite der H- Brückenschaltung 6 sowie eine negative Stromversorgung VSS in der Nähe des Masseanschlusses GND. Daher können die Steuerschaltung 2 und die unteren Steuerschaltungen 9 und 10 zwischen dem Masseanschluss und dieser negativen Versorgungsspannung arbeiten, so dass ihre Schaltungen vereinfacht werden. Die Erfindung kann jedoch auch bei Schockgeneratoren angewandt werden, bei denen die untere Seite mit Masse verbunden oder hochgelegt ist.
Die Steuerschaltungen 7, 8, 9, 10 weisen einen Eingang "in", einen Ausgang "out" und negativen Ausgang "out-" auf. Diese Bezugszeichen finden sich auch in den anderen Figuren.
Zahlreiche Varianten der Fig. 1 in den Grenzen des Anwendungsgebiets der Erfindung sind möglich. Beispielsweise kann eine zusätzliche Stromversorgungsschaltung zur Einspeisung von getrennten, negativen Stromversorgungen verwendet werden, um die Steuerschaltung 2, die nicht dargestellte Stimulations- und Erfassungsschaltung und die unteren Steuerschaltungen 9 und 10 zu betreiben, anstatt diese Schaltungen von der Batterie her zu speisen. Pegelverschiebungsschaltungen können dazu verwendet werden, logische Signale von einem Bezugspunkt der Stromversorgung auf einen anderen Bezugspunkt zu beziehen. Diese zusätzliche Schaltung ist hier aus Verständlichkeitsgründen nicht dargestellt.
Die Fig. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung wie der Steuerschaltung 7 oder 8 der Fig. 1 dar.
Die Fig. 2 zeigt den Sender 22, den Empfänger 23 und einen Lichtweg 24 zum Steuern eines einzigen, isolierten bzw. galvanisch getrennten Schalters. Der Sender 22 hat Stromversorgungseingänge "+" bei 25 und "-" bei 26 und einen Signalsteuereingang "in" bei 27. Der Eingang 27 führt ein logisches Pegelsignal, das zwischen GND bei 25 und VSS bei 26 arbeitet. Der Empfänger 23 weist Stromversorgungsleistungseingänge "HV+" bei 28 und "HV-" bei 29 auf. Sein Ausgangssignal "out" befindet sich bei 30 und ist durch den Bezug zu "out-" bei 31 definiert. Eine erste Variante der Erfindung benutzt einen einzigen Lichtweg 24A für den Steuerschalter, und eine zweite Variante verwendet zwei Lichtwege 24A und 24B; beide Varianten werden nachfolgend beschrieben.
Wenn die Steuerschaltung 2 der Fig. 1 ein Signal "in" mit einem H-Pegel bei 27 führt, dann sendet der Sender ein Lichtsignal über den Lichtweg 24A zum Empfänger 23, der mit der Führung eines Signals "out" im H-Pegel bei 30 antwortet. Wenn die Steuerschaltung den Eingang "in" auf einen L-Pegel einstellt, dann sperrt der Sender bei einer ersten Variante der Erfindung die Aussendung des Lichtsignals, und der Empfänger gibt am Ausgang "out" einen L- Pegel bei 30 ab. Bei einer zweiten Variante sperrt der Sender die Aussendung des ersten Lichtsignals und sendet einen kurzen Impuls eines zweiten Lichtsignals über den Lichtweg 24B, den der Empfänger zum Deaktivieren des Ausgangs bei 30 verwendet.
Die Fig. 3 zeigt eine im Folgenden beschriebene Senderschaltung für die erste Variante der Erfindung, wobei die Variante einen einzigen Lichtweg verwendet. Wenn die Steuerschaltung 2 der Fig. 1 am Eingang "in" bei 27 einen H-Pegel führt, wird dadurch der Kanal N des MOSFET- Transistors bei 34 leitend gesteuert, so dass ein Strom über den Begrenzungswiderstand 32 und die Lichtemissionsdiode (LED) 33 fließen kann, bis die Steuerschaltung am Eingang "in" zu einem L-Pegel zurückkehrt. Der Strom der LED beträgt typischerweise etwa 30 bis 100 mA. Während des Stromflusses sendet die Diode 33 Licht über den Lichtweg 24A der Fig. 2, um die Information zum Empfänger 23 der Fig. 2 zu leiten. Das Vorhandensein dieses Lichtsignals zeigt dem Empfänger an, dass er den elektronischen Schalter schließen muss, und das Fehlen dieses Lichtsignals zeigt dem Empfänger an, dass er den elektronischen Schalter öffnen muss.
Die Fig. 4 zeigt eine Senderschaltung für die im Folgenden beschriebene zweite Variante der Erfindung, wobei diese Variante zwei Lichtwege verwendet. Die Bauteile 25 bis 27 und 32 bis 34 arbeiten, wie es in der Erläuterung der Fig. 3 beschrieben wurde, außer dass es zwei Lichtwege 24A, 24B gibt. Die LED 33 sendet nur über den Lichtweg 24A. Ebenso sendet der Sender ein erstes Lichtsignal, dessen Vorhandensein dem Empfänger anzeigt, dass er den elektronischen Steuerschalter schließen muss. Wenn die Steuerschaltung 2 veranlasst, dass am Eingang "in" bei 27 ein L-Pegel ansteht, wird dadurch die LED bei 33 leitend gesteuert und der monostabile Multivibrator 35 gestartet. Der Multivibrator definiert eine Zeitspanne von etwa 0,10 ms, während der sein Ausgang Q bei 36 einen H-Pegel hat. Wenn der Ausgang Q bei 36 einen H-Pegel führt, wird dadurch der Kanal N des MOSFET-Transistors leitend gemacht, wobei Strom über den Begrenzungswiderstand 37 und die LED 38 fließen kann; der Strom beträgt auch in diesem Fall typischerweise etwa 30 bis 100 mA. Die LED 38 sendet Licht über einen zweiten Lichtweg 24B der Fig. 2. Das Vorhandensein dieses zweiten Lichtsignals zeigt dem Empfänger 23 der Fig. 2 an, dass er den Steuerschalter öffnen muss.
Die Fig. 5 zeigt eine Empfängerschaltung (der Fig. 2), die aus Folgendem besteht: eine Stromversorgung Alim. 40 zum Einspeisen der Leistung, die die Steueranschlüsse des Steuerschalters belädt, und einen Phototransistor- Schalter 41 zum Führen eines Versorgungsstroms 40 gegenüber den Steueranschlüssen des Steuerschalters, wenn er durch ein Lichtsignal gemäß dem Lichtweg 24A der Fig. 2 aktiviert wird. Der Widerstand 47, der typischerweise einen Wert von 0,47 MΩ hat, hilft den Phototransistor 41 sehr schnell zu sperren. Die Fig. 5 zeigt auch eine Unterbrechungsschaltung bzw. Abschaltschaltung 42 zum Entladen der Steueranschlüsse des Steuerschalters, wenn der Transistorschalter 41 bei der ersten Variante der Erfindung mit der Stromeinspeisung aufhört oder wenn die Unterbrechungsschaltung bei der zweiten Variante der Erfindung ein zweites Lichtsignal über den Lichtweg 24B (nicht gezeigt)empfängt.
Die Stromversorgung 40 der Fig. 5 enthält einen Kondensator 43 mit einer typischen Kapazität von 50 nF zum Speichern von Energie niedriger Spannung und einen Stromzweig zur Strombegrenzung mit hochohmigen Widerständen 44 und 45, um den Kondensator 43 mit der Last durch den Hochspannungskondensator der Stromversorgung des Defibrillators der Fig. 1 zu verbinden. Da der Wert des Widerstands hoch ist, typischerweise 10 MΩ, fließt aufgrund der Widerstände 44 und 45 nur ein schwacher Strom durch die Last 5 der Fig. 1. (Es ist klar, dass die Stromversorgung 40 bei Verwendung in Verbindung mit in den Fig. 8, 10 oder 12 gezeigten Entladeschaltungen dieser Strom auf einen Wert vermindert werden kann, der sehr schwach aufgrund der in diesen Schaltungen gezeigten Sperrdioden 57, 58 ist). Die Stromversorgung 40 der Fig. 5 weist auch einen Spannungsbegrenzer bei 46 zum Vermeiden einer Überladung des Kondensators 43 auf. Der Begrenzer 46 kann eine Zenerdiode mit einer Zenerspannung von etwa 15 V sein.
Die Fig. 6 zeigt eine weitere Gestaltung des Empfängers, der mindestens eine Photodiode (zwei sind bei 48 und 49 gezeigt)verwendet, um die Leistungsstromversorgung 40 und den Phototransistor-Schalter 41 der Fig. 5 zu ersetzen und um den Steueranschlüssen des Steuerschalters als Antwort auf den Lichtweg bei 24A einen Ladestrom zuzuführen. Die Photodioden liefern einen Strom, der nur einige Prozent des Stroms der LED 33 des Senders beträgt, von einigen Volt je Photodiode, ohne jede weitere Stromversorgung. Dadurch vereinfacht sich die Schaltung beträchtlich, und dadurch wird die Anzahl der Bauteile vermindert. Es ist möglich, zur Erhöhung der Ausgangsspannung zusätzliche Photodioden in Reihe zu schalten oder diese zur Erhöhung des Stroms pararallel zu schalten. Im Allgemeinen ist es vorteilhaft, mindestens 0,15 mA bei 15 V für die Steuerung der typischen Schalter MOSFET oder IGBT vorzusehen. Die Fig. 6 weist ferner eine Unterbrechungsschaltung 42 zum Entladen der Steueranschlüsse des Steuerschalters auf, wie in der Beschreibung der Fig. 5 erläutert wurde.
Die Fig. 7 bis 12 zeigen verschiedene Unterbrechungsschaltungen 42. Die im Folgenden beschriebene Schaltung der Fig. 7 wird in Verbindung mit der zwei Lichtwege aufweisenden zweiten Variante der Erfindung verwendet, und die anderen Schaltungen werden in Verbindung mit der nur einen Lichtweg aufweisenden Variante verwendet. Jede dieser Schaltungen ist mit ihren Eingängen 53, 54 mit den in Fig. 6 oder 7 gezeigten Stromgeneratoren verbunden. Der Strom tritt in den Anschluss bzw. die Klemme 53 ein und tritt aus dem Anschluss 54 aus. Jede dieser Schaltungen ist über Ausgänge 30 und 31 mit den Steuerklemmen bzw. Steueranschlüssen des Steuerschalters verbunden. Wenn die Unterbrechungsschaltung aktiviert wird, entlädt sie die Steueranschlüsse durch Herstellung eines Weges mit geringem Widerstand zwischen 30 und 31.
Die Schaltung der Fig. 7 wird durch ein Lichtsignal über den vorher beschriebenen Weg 24B aktiviert. Dadurch wird der Phototransistor 50 leitend gemacht, der einen Weg mit niedrigem Widerstand zwischen 30 und 31 herstellt. Der Widerstand 51 mit einem typischen Wert von 0,47 MΩ erhöht die Rauschfreiheit des Phototransistors. Der Widerstand 52 mit einem typischen Wert von 1,0 MΩ verhindert den Anstieg der Belastung an den Steueranschlüssen 30 und 31, der fälschlicher Weise einen Schock während des Zeitabschnitts zwischen den Schocks auslösen könnte.
Die Fig. 8 bis 12 zeigen Unterbrechungsschaltungen, die normalerweise aktiviert sind und die durch den in den Anschluss 53 eintretenden und aus dem Anschluss 54 austretenden Strom deaktiviert werden. Diese Schaltungen halten daher normalerweise den Steuerschalter (dessen Steueranschlüsse bei 30 und 31 sind) im offenen Zustand, bis die Stromversorgung und der Phototransistor oder die Photokoppelschaltung der Fig. 5 und 6 einen Strom zum Schließen des Steuerschalters senden. Jede Schaltung verwendet einen Transistor 55 zur Herstellung eines Weges mit niedriger Impedanz zwischen 30 und 31. Jede Schaltung weist einen Polarisierungswiderstand 56 mit einem typischen Wert von 1,5 MΩ zum Halten des Transistors 55 im leitenden Zustand auf, wenn kein Strom zwischen den Eingangsanschlüssen 53 und 54 fließt. Jede Schaltung verwendet eine oder zwei Schwachsignal-Dioden bei 57 und 58 mit den Kennwerten von O,10 A und 15 PIV, die für einen Spannungsabfall sorgen, um den Transistor zu depolarisieren, wenn der Strom über die Steueranschlüsse 30, 31 des Schalters fließt.
- Die Fig. 8 zeigt die Unterbrechungsschaltung im Betrieb mit einem N-Kanal-MOSFET-Transistor vom Verarmungstyp, der mit einer Gate-Source-Spannung von Null leitend ist und der gesperrt ist, wenn das Gate-Potential um einige Volt negativer als das Source-Potential ist.
- Die Fig. 9 verwendet einen Feldeffekttransistor mit einer P-Kanal-Verbindung (JFET), der mit einer Gate- Source-Spannung von Null leitend ist und der gesperrt ist, wenn das Gate-Potential um einige Volt positiver als das Source-Potential ist.
- Die Fig. 10 verwendet einen N-kanaligen JFET- Transistor, der wie der MOSFET-Transistor der Fig. 8 mit einem N-Kanal arbeitet und vom Verarmungstyp ist.
- Die Fig. 11 verwendet einen bipolaren pnp-Transistor, der leitend ist, wenn der Emitter um etwa 0,7 V positiver als die Basis ist. Sobald daher der Steueranschluss des Schalters 30 gegenüber dem Anschluss 31 über diesem Wert liegt und kein Strom durch die Diode 57 fließt, wird der Transistor 55 dann leitend, und er hält die Steuerspannung auf etwa 0,7 V maximal fest. Wenn Strom durch die Diode 57 zum Schließen des Steuerschalters fließt, wird dadurch der Transistor 55 gesperrt.
- Die Fig. 12 verwendet einen bipolaren npn-Transistor, der leitend ist, wenn die Basis um etwa 0,7 V positiver als der Emitter ist. Die Schaltung arbeitet in gleichartiger Weise wie die Schaltung der Fig. 11.
Die Fig. 13 und 14 zeigen Folgen von vier Steuersignalen des in Fig. 1 dargestellten Schalters. Jedes Signal aktiviert eine Schaltersteuerung, die ihrerseits einen Schalter betätigt, wie in der folgenden Tabelle gezeigt ist:
Die oberen Steuerschaltungen verwenden eine Lichtkopplung, und insbesondere diejenigen, die Photodioden benutzen, können eine ausreichende Zeit benötigen, um den gesteuerten Transistor leitend zu machen oder zu sperren. Diese Zeit kann nach der Leistung der Lichtübertragung und dem Strom in der LED des Senders in der Größenordnung von einigen hundert Mikrosekunden liegen.
Wenn ein Schalter sich beim Stromdurchfluss schließt oder öffnet, wird dies Heißschalten genannt. Der Schalter muss eine Verlustleistung während des Heißschaltens haben. Die vom Schalter erzeugte Verlustenergie ist das Produkt aus dem durch den Schalter fließenden Strom und der an diesen Schalter angelegten Spannung, wobei dieses Produkt über die Dauer des Übergangs integriert wird. Wenn ein Heißschalten verwendet wird, ist es nötig, die Übergangsdauer auf einige zehn Mikrosekunden bei praktischen Schaltern für implantierbare Elektroschockgeneratoren zu begrenzen. Andererseits darf die Übergangsdauer nicht zu kurz sein, denn große Änderungsgeschwindigkeiten des Stroms oder der Spannung können eine induktive oder kapazitive Kopplung mit anderswo in der Schaltung gelegenen, empfindlichen Punkten hervorrufen.
Da es zwei Schalter in Reihe für jede Schockphase in der in Fig. 1 gezeigten H-Brückenschaltung gibt, muss nur ein einziger heißgeschaltet werden. Die vorliegende Erfindung verwirklicht das Heißschalten auf der Unterseite, bei der das Steuern der Öffnungs- und Schließdauer leicht ist.
Aus diesem Grund beginnen die Steuerschaltungen 2 zum Hervorbringen einer Schockphase mit dem Zuführen von HF bei 11, dann werden einige hundert Mikrosekunden abgewartet, um der oberen Steuerschaltung 7 Zeit zum Schließen des Schalters 14 zu geben, bevor LF bei 12 zugeführt wird. Dabei ist der Schalter 13 schon geschlossen, wenn der Schalter 14 mit seinem Schließen beginnt. Es gibt kein Heißschalten für den Schalter 13. In dieser Weise bestimmt die Schließgeschwindigkeit des Schalters 14 die Anstiegsfront des Schocks der Defibrillation. Die untere Steuerschaltung 10 ist aufgebaut, wie es in der Erläuterung der Fig. 1 vorstehend beschrieben wurde, um eine gesteuerte Anstiegsfront festzulegen.
Am Ende der ersten Phase können die Steuerschaltungen zunächst der unteren Steuerschaltung 10 befehlen, den Schalter 14 zu öffnen, wie es in Fig. 14 gezeigt ist. Oder aber die Steuerschaltungen können, wenn die durch die Unterbrechungsschaltung der oberen Steuerung 7 bestimmte Öffnungsdauer des Schalters 13 gleich ist, gleichzeitig der unteren Steuerschaltung und der oberen Steuerschaltung befehlen, ihre Schalter zu öffnen, wie es in Fig. 13 gezeigt ist. Die Steuerschaltungen erzeugen die zweite Phase in gleichartiger Weise.
Eine vorsehbare, im Anwendungsgebiet der Erfindung enthaltene Abänderung könnte in der Bildung einer Ausgangsstufe bestehen, die wie bei den bekannten implantierbaren Defibrillatoren schwebend ist. In diesem Fall könnten die Lichtsteuerschaltungen gemäß der Erfindung dazu verwendet werden, die unteren Schalter wie die oberen Schalter zu steuern, vorausgesetzt, dass eine schnelle Steuerschaltung für mindestens einen in Reihe liegenden Schalter in jeder Schockphase verwendet wird, um schließlich die Übergangsdauern zu begrenzen, wie es vorstehend beschrieben wurde. Ein einziger Sender könnte mehrere Empfänger steuern, um diese Empfänger in jeder Phase in einer vielphasigen Entladeschaltung gleichzeitig zu betreiben.
Eine im Anwendungsgebiet der Erfindung enthaltene, weitere, mögliche Abänderung könnte darin bestehen, die Entladeschaltungen mittels P-Kanal-MOSFET-Transistoren, IGBT-Transistoren des P-Typs oder bipolaren pnp- Transistoren hoher Spannung zu realisieren, wobei die gezeigte Version in besserer Weise als die obenstehende Ausführung umgestellt wird.

Claims

1. Implantierbarer Defibrillator mit einem Elektroschockgenerator, der aufweist:

- eine Batterie (1) zur Energiezufuhr,

- Steuerschaltungen (2) zum Bestimmen der Schockzeitpunkte,

- eine Schockladeschaltung (3) zum Umwandeln der Energie der Batterie (1) in Schockenergie,

- einen Kondensator (4) zum Speichern der Schockenergie,

- elektronische Schaltungseinrichtungen (13, 14, 19, 20) zum Verbinden des Kondensators (4) mit einer Last (5) und

- Einrichtungen (7, 8, 9, 10) mit einer optischen Isolation zum Steuern der elektronischen Schaltungseinrichtungen (13, 14, 19, 20), die aufweisen:

- optische Sendeeinrichtungen (22) zum Umwandeln mindestens eines, von den Steuerschaltungen (2) ausgehenden elektrischen Signals (27) in mindestens ein optisches Signal,

-- optische Empfangseinrichtungen (23) zum Umwandeln mindestens eines optischen Signals in mindestens ein elektrisches Signal (30), um den elektronischen Schalter (13, 14, 19, 20) selektiv zu öffnen und zu schließen, und

-- einen elektrisch isolierten Lichtweg (24A, 24B), der jedes von den optischen Sendeeinrichtungen (22) ausgehende optische Signal zu den optischen Empfangseinrichtungen (23) leitet,

wobei

- die optischen Sendeeinrichtungen (22) ein optisches Signal aussenden, dessen Vorhandensein die Empfangseinrichtungen (23) darauf hinweist, den elektronischen Schalter (13, 14, 19, 20) zu schließen, und dessen Fehlen die Empfangseinrichtungen (23) darauf hinweist, den elektronischen Schalter (13, 14, 19, 20) zu öffnen, wobei

- die Empfangseinrichtungen (23) aufweisen:

-- Versorgungseinrichtungen (40) zum Zuführen der Leistung, die die Steuerklemmen des elektronischen Schalters auflädt,

-- einen ersten Phototransistor-Schalter (41) zum selektiven Lenken des von den Versorgungseinrichtungen (40) ausgehenden Stroms zu den Steuerklemmen des elektronischen Schalters, um die Steuerklemmen des elektronischen Schalters aufzuladen und somit den elektronischen Schalter im Ansprechen auf das Vorhandensein des optischen Signals zu schließen,

dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtungen (23) aufweisen:

- Unterbrechungseinrichtungen (42), um die Steuerklemmen des elektronischen Schalters selektiv zu entladen und somit den elektronischen Schalter im Ansprechen auf das Fehlen des Ladestroms zu öffnen.

2. Defibrillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungseinrichtungen (40) aufweisen:

- einen Kondensator (43) zum Speichern von Niedrigspannungsenergie,

- eine Strombegrenzerschaltung mit mindestens einem hochohmigen Widerstand (44, 45) zum Aufladen des Kondensators (43) zum Speichern der vom Kondensator (4) ausgehenden Niedrigspannungsenergie zum Speichern der Schockenergie, und

- Spannungsbegrenzungseinrichtungen (46), um zu verhindern, dass der Kondensator (43) zum Speichern von Niedrigspannungsenergie sich über eine festgelegte Spannung hinaus auflädt.

3. Defibrillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzungseinrichtungen (46) eine Zener-Diode mit einer Zener-Spannung von ungefähr 15 V aufweisen.

4. Defibrillator nach der Gesamtheit der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungseinrichtungen (42) Transistoreinrichtungen (55) aufweisen, um die Steuerklemmen des elektronischen Schalters zu entladen, wenn die Versorgungseinrichtungen (40) und die Phototransistoreinrichtungen (41) keinen Strom mehr zuführen.

5. Defibrillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Empfangseinrichtungen (23) aufweisen:

- mindestens eine Photodiode (48, 49) zum selektiven Zuführen von Strom zu den Steuerklemmen des elektronischen Schalters, um die Steuerklemmen des elektronischen Schalters aufzuladen und somit den elektronischen Schalter im Ansprechen auf das Vorhandensein des optischen Signals zu schließen, und

- Unterbrechungseinrichtungen (42), um die Steuerklemmen des elektronischen Schalters selektiv zu entladen und somit den elektronischen Schalter im Ansprechen auf das Fehlen des Ladungsstroms von der Photodiode oder den Photodioden zu öffnen.

6. Defibrillator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungseinrichtungen (42) Transistoreinrichtungen (55) zum Entladen der Steuerklemmen des elektronischen Schalters aufweisen, wenn die Photodiode oder die Photodioden (48, 49) den Steuerklemmen des elektronischen Schalters keinen Strom mehr zuführen.

7. Defibrillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sendeeinrichtungen (22) ein erstes optisches Signal aussenden, dessen Vorhandensein die Empfangseinrichtungen (23) darauf hinweist, den elektronischen Schalter zu schließen, und die ein zweites optisches Signal aussenden, dessen Vorhandensein die Empfangseinrichtungen (23) darauf hinweist, den elektronischen Schalter zu öffnen.

8. Defibrillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtungen aufweisen:

- Versorgungseinrichtungen (40) zum Zuführen der die Steuerklemmen des elektronischen Schalters aufladenden Leistung,

- einen ersten Phototransistor-Schalter (41) zum selektiven Leiten der Leistung von den Versorgungseinrichtungen zu den Steuerklemmen des elektronischen Schalters, zum Laden der Steuerklemmen des elektronischen Schalters und somit zum Schließen des elektronischen Schalters im Ansprechen auf das Vorhandensein des ersten optischen Signals und

- Unterbrechungseinrichtungen (42) zum selektiven Entladen der Steuerklemmen des elektronischen Schalters und somit zum Öffnen des elektronischen Schalters im Ansprechen auf das Vorhandensein des zweiten optischen Signals.

9. Defibrillator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungseinrichtungen (40) aufweisen:

- einen Kondensator (43) zum Speichern der Niedrigspannungsenergie,

- einen Strombegrenzerweg mit mindestens einem hochohmigen Widerstand (44, 45) zum Aufladen des Kondensators (43) zum Speichern der von dem Kondensator (4) ausgehenden Niedrigspannungsenergie zum Speichern der Schockenergie und

- Spannungsbegrenzungseinrichtungen (46), um zu verhindern, dass sich der Kondensator zum Speichern von Niedrigspannungsenergie (43) über eine festgelegte Spannung hinaus auflädt.

10. Defibrillator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzungs-Einrichtungen (46) eine Zener-Diode mit einer Zener-Spannung von ungefähr 15 V umfassen.

11. Defibrillator nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungseinrichtungen (42) aufweisen:

- einen zweiten Phototransistor (50), der durch das zweite optische Signal aktiviert wird und so angeschlossen ist, dass er die Steuerklemmen des elektronischen Schalters entlädt, wenn er aktiviert ist, und

- einen Widerstand (52), um zu verhindern, dass sich Ladung an den Steuerklemmen akkumuliert, wenn kein optisches Signal vorhanden ist.

12. Defibrillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Empfangseinrichtungen (23) aufweisen:

- mindestens eine Photodiode (48, 49) zum selektiven Liefern von Strom zu den Steuerklemmen des elektronischen Schalters zum Laden der Steuerklemmen des elektronischen Schalters und somit zum Schließen des elektronischen Schalters im Ansprechen auf das Vorhandensein des ersten optischen Signals und

- Unterbrechungsungseinrichtungen (42) zum selektiven Entladen der Steuerklemmen des elektronischen Schalters und somit zum Öffnen des elektronischen Schalters im Ansprechen auf das Vorhandensein des zweiten optischen Signals.

13. Defibrillator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungsungseinrichtungen aufweisen:

- einen zweiten Phototransistor (50), der durch das zweite optische Signal aktiviert wird und derart angeschlossen ist, dass er die Steuerklemmen des elektronischen Schalters entlädt, wenn er aktiviert ist, und

14. Defibrillator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Schaltungseinrichtungen zwei elektronische Schalter auf der Oberseite (13, 19) und zwei elektronische Schalter auf der Unterseite (14, 20) bei einer H-Brückenschaltung aufweisen, um den Kondensator (4) an eine Last (5) mit einer selektiven Polarität anzuschließen.

15. Defibrillator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass er des Weiteren eine Verbindung zwischen der Unterseite des Kondensators (4) und der H-Brücke und Masse aufweist.

16. Defibrillator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass er des Weiteren eine Verbindung (21) zwischen der Unterseite des Kondensators (4) und der H-Brücke und einer Versorgungsspannung aufweist, die negativer als Masse ist.

17. Defibrillator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung zwischen -5 und -20 V liegt.

18. Defibrillator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung ungefähr -15 V beträgt.

19. Defibrillator nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (7, 8, 9, 10) zum Steuern der elektronischen Schaltungseinrichtungen (13, 14, 19, 20) aufweisen:

- zwei isolierte Steuerungen (7, 8) an der Oberseite zum selektiven Steuern jedes Schalters (13, 19) der Oberseite im Ansprechen auf ein von den Steuerschaltungen (2) ausgehendes, entsprechendes Signal und

- zwei Steuerungen (9, 10) an der Unterseite zum selektiven Steuern jeder Schaltungseinrichtung (14, 20) der Unterseite im Ansprechen auf ein von den Steuerschaltungen (2) ausgehendes, entsprechendes Signal, wobei die Steuerungen (7, 8) an der Oberseite optisch isoliert sind.

20. Defibrillator nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltungen (2) zum Bestimmen der Schockzeitdauern zuerst eine der Steuerungen (7, 8) an der Oberseite aktivieren, dann, nach einer bestimmten, vorher festgelegten Zeitdauer, die entsprechende Steuerung (9, 10) an der Unterseite aktivieren, um jede Phase eines Schocks einzuleiten.

21. Defibrillator nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltungen (2) zum Bestimmen der Schockzeitdauern damit beginnen, eine der Steuerungen (7, 8) an der Oberseite zu deaktivieren, dann, nach einer bestimmten, vorher festgelegten Zeitdauer die entsprechende Steuerung (9, 10) an der Unterseite deaktivieren, um jede Phase eines Schocks zu beenden.

22. Defibrillator nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltungen (2) zum Bestimmen der Schockzeitdauern simultan eine der Steuerungen (7, 8) an der Oberseite und die entsprechende Steuerung (9, 10) an der Unterseite deaktivieren, um jede Phase eines Schocks zu beenden.

23. Defibrillator nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die vorher festgelegte Zeitdauer im Bereich von einigen Hundert Mikrosekunden liegt.