JP2014502528A - 経皮エネルギー伝送システムにおいて使用可能な充電を正確に追跡するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

経皮エネルギー伝送（ＴＥＴ）システムにおいて電力消費および使用可能な充電を追跡するための改善された装置および方法を提供する。その方法は、電池における使用可能な充電および埋め込まれた医療装置における最新の電力消費速度を測定するステップと、該電池の充電レベルが所定の閾値レベルに達するまでの残り時間を割り出すステップと、該残り時間を使用者に伝達するステップとを含む。
【選択図】図１

Description

本願は、２０１０年１２月２０日に出願し、米国仮特許出願第６１／４２５，１６２号の、「経皮エネルギー伝送システムにおいて使用可能な充電を正確に追跡するための方法および装置」の出願の優先権を主張する。

本発明は、経皮エネルギー伝送（ＴＥＴ）システムに関するものであり、とくに、ＴＥＴシステムにおいて電池充電を正確に追跡し患者に正確な電池駆動時間を提供するための改善された装置および方法に関するものである。

埋め込み用に構成された多くの医療装置は高電力要件を有し、外部電力源に頻繁に接続しなければならない。これらの高電力埋め込み可能装置に接続して用いられる、誘導的に接続した経皮エネルギー伝送（ＴＥＴ）システムはますます普及してきている。ＴＥＴシステムを用い、再充電可能な電池のような埋め込まれた電源を補充、交換、または充電することができる。他のタイプの電力伝送システムとは異なり、ＴＥＴシステムは、皮膚に穴をあけることなく、埋め込まれた電気装置および／または機械装置に電力を提供する、または内部電源を再充電することができるという利点を有する。よって、感染の可能性が低減し、快適さと便利さが向上する。

ＴＥＴ装置は、組織の層をはさむことにより離れた、外部の一次コイルおよび埋め込まれた二次コイルを備える。一次コイルは、一般的に直流電流に変換して埋め込まれた装置に電力を供給するため、皮下の二次コイルにおいて交流電流を誘導するように設計される。ＴＥＴ装置は従って一般的には、一次コイルに適切な交流電流を提供するためのオシレータおよび他の電気回路も備える。これらの回路は一般的には電力を外部電源から受ける。

ＴＥＴシステムは一般に、外部電源が使用可能でない場合に、いずれかの埋め込まれた装置に電力を供給するのに用いることができる、埋め込まれた再充電可能な電池パックを備える。しかしながら、外部電源から切断された際、患者は内部電池パックが充電サイクルを要するまでどれだけ持続するかわからない場合が多い。残り充電を計算するための従来技術の方法は、実際の残り充電ではなく、電池電圧に基づく。電池電圧は充電に対して線形ではないので、これらの方法は時間とともに線形的減少を報告するのではなく、長時間ほぼ完全充電を報告した後すぐに完全消耗となり得る。この電池充電の誤解を招く表示は、生存を埋め込まれたＴＥＴシステムに依存し、外部電力または充電源にすぐに再接続することができない場合があり得る患者にとって、極めて危険であり得る。

従来のシステムの上記の欠点および他の欠点を克服するため、本発明は、経皮エネルギー伝送（ＴＥＴ）システムにおいて、電池パックまたは充電貯蔵装置の充電および放電を追跡するための改善された方法および装置を提供する。

本発明の第１態様は、電池パックに残る最新の充電を割り出し、心臓補助装置の最新の電力消費速度を測定するステップと、電池パックのエネルギーレベルが測定された電力消費速度で所定の閾値レベルを下回るまでの残り時間を割り出すステップと、電池パックの消耗までの残り時間を使用者に伝達するステップとを含む、経皮エネルギー伝送システムにおいて電力消費および電力補充を追跡する方法を提供する。

１つの実施形態では、これらのステップを繰り返し行って、使用者に報告される残り時間を更新する。

特定の実施形態では、残り時間は外部ディスプレイによって使用者に伝達することができるが、他の実施形態では、振動信号または聴覚信号を用いて、電池パックの消耗までの残り時間を伝達する。

本発明の第２態様は、心臓補助装置、再充電可能な電池パック、および制御装置を備える埋め込み可能な装置を提供する。制御装置は心臓補助装置および再充電可能な電池パックに接続する。制御装置は電池パックの充電レベルおよび心臓補助装置の電力消費速度を測定するように構成される。制御装置はさらに、電池パックの充電レベルが所定の閾値レベルに達するまでの残り時間を計算し、その時間を使用者に伝達するように構成される。

１つの実施形態では、制御装置はさらに電池充電レベルおよび電力消費速度を繰り返し測定し、更新された残り時間を使用者に継続的に伝達するように構成される。制御装置は履歴負荷監視および残り電池容量に基づき残り電池時間を予測することができる。

特定の実施形態では、制御装置は残り時間を外部ディスプレイによって使用者に伝達する。他の実施形態では、制御装置は振動信号または聴覚信号を用いて、残り時間を使用者に伝達することができる。

本発明の埋め込み可能な装置を備える典型的なＴＥＴシステムの図である。 典型的な埋め込み可能な二次コイルの図である。 典型的な一次コイルの図である。 ＴＥＴシステムにより電力を供給される典型的な心室補助装置の正面透視図である。 電力および制御回路、および再充電可能な電池パックを含む、典型的な埋め込み可能な制御装置の図である。 残り充電時間を使用者に伝達するための典型的な外部ディスプレイの図である。 図１に示す制御装置の典型的な回路図である。

本発明は添付の図面に関連する以下の詳細な説明からより完全に理解されるだろう。ここで特定の典型的な実施形態について記載し、本明細書に開示する方法および装置の原理の全体的な理解を提供する。これらの実施形態の１つ以上の例を添付の図面に示す。当業者であれば、本明細書に具体的に記載し添付の図面に示す方法および装置が、非限定的な典型的な実施形態であり、本発明の範囲が特許請求の範囲によってのみ定義されることを理解するだろう。１つの典型的な実施形態に関して示される、または記載される特徴は他の実施形態の特徴と組み合わせてもよい。こうした変更および変形は本発明の範囲内に含まれることを意図する。

経皮エネルギー伝送（ＴＥＴ）システムは、一次コイルを二次コイルに誘導的に接続することにより作動する。患者の体外へ配置するために構成された一次コイルは電源に接続され、当該一次コイルは時変磁場を生成する。一次コイルを二次コイルと適切に位置調整すると、一次コイルからの時変磁場が二次コイルにおいて交流電流を誘導する。二次コイルは患者の体内への埋め込み用に構成され、電流を配線しこれを用い、例えば、電池パックを充電する、または心室補助装置（ＶＡＤ）、心臓補助装置、または他の埋め込み可能な装置のような埋め込み可能な装置に電力を供給する制御装置に接続することができる。誘導を用いてエネルギーを伝送することにより、ＴＥＴシステムは、埋め込み可能な装置に電力を供給するのに患者の皮膚を貫通した開放通路を維持する必要を回避する。

ＴＥＴシステムは、患者が外部の一次コイルおよび電源との接続を切断していくらかの時間を過ごすことを可能にする、埋め込まれた再充電可能な電池パックを備える。再充電可能な電池パックに接続した制御装置は、その充電を測定し、残り駆動時間に基づき、電池がほぼ消耗し尽くしている場合に患者に警告するように構成される。

従来技術の方法および装置は、残り充電を電池パックの電圧のみに基づき割り出す。しかしながら、電池電圧と残り充電との間の関係は線形ではないため、これは誤解を招き得る。結果として、電池は予想される時間より長く完全充電を報告する場合があり得る。さらに悪いことには、電池の測定電圧が低下し始めた後、完全消耗の状態まで急速に低下する場合があり得る。これは埋め込まれたＴＥＴシステムを有する患者にとって極めて危険である。多くの場合、彼らの意識および生存が、電池パックおよび接続された心臓補助装置の作動に依存しているためである。

本発明は、電池パックの残り充電および接続された心臓補助装置の電力消費速度を測定し、電池パックの充電レベルが測定消費速度で所定の閾値レベルに達するまでの残り時間を計算し、残り時間を使用者に伝達するＴＥＴシステムにおいて電力消費を追跡する埋め込み可能な装置および方法を提供することにより、これらの問題を解決する。この方法は充電サイクルが必要になるまでの残り時間のより正確な表示を使用者に提供する。これは、従って、外部電力供給を必要としない時間の、より信頼できる推定値を提供することにより、患者の生活の質を向上させる。

図１は、本発明の典型的なＴＥＴシステムの図を示す。埋め込み可能な装置は、患者の体内への配置用に構成された、複数の二次コイル１００、または単一の二次コイルを備える。二次コイルは、使用または貯蔵のため、単一または複数の二次コイルから電流を受けるように構成された制御装置１０２に接続される。制御装置は次に、電流が、例えば、（制御装置１０２と一体化させることができる）電池を充電するまたは心室補助装置１０４もしくは他の埋め込み可能な装置に電力を供給するように、指示することができる。

図１は、体外に残り、二次コイルにエネルギーを誘導的に伝送するように構成された、一次コイル１０６の典型的な実施形態も示す。一次コイル１０６は外部電源に接続し、当該外部電源は、例えば調整および制御回路を備えることができる。任意で、２つ以上の一次コイル１０６を多数の二次コイル１００と同時に用いて、埋め込まれた電池を充電するのに必要な時間を低減することができる。

使用時に、一次コイル１０６と二次コイル１００とが実質的に軸方向に位置合わせされるように、一次コイル１０６は二次コイル１００の領域の上に配置される。電源１０８を次に作動し、一次コイル１０６において時変磁場を生成する。電源１０８は所望の出力電圧および電流プロファイルを生成する調整回路を備えることができる。時変磁場は二次コイル１００において電流を誘導し、電流はその後、制御装置１０２および接続されたいずれかの心室補助装置１０４または充電貯蔵装置に分配される。

図２は、患者の体内への配置用に構成された典型的な二次コイル２００を示す。二次コイル２００は、数巻きの導電線で構成されるコイル部２０２、接続部２０４、および任意のインターフェース部２０６を特徴とする。コイル部２０２は、意図する埋め込み部位のような多数の要因に応じて、大きさおよび電線の巻き数が異なり得る。典型的な実施形態では、コイル部２０２は、直径２インチのコイルに１２回巻きのリッツ線を備える。電線に加えて、コイル２０２は鉄のコアと、ＡＣ電流を整流し、外部コイルおよび駆動装置と通信し、制御されたＤＣ出力電圧を提供する電子回路とを含むことができる。典型的な二次コイルについては、本明細書に参照により組み入れられる、米国特許公開第２００３／０１７１７９２号に記載される。

コイル部２０２は接続部２０４に電気的に接続する。接続部２０４は、コイル部を形成するのに用いた電線と同じ電線の部分から形成することができる。接続部２０４の長さも、例えば二次コイルの埋め込み部位から制御装置の埋め込み部位までの距離に基づき、異なり得る。

接続部２０４も任意のインターフェース部２０６に電気的に接続する。インターフェース部２０６を用いて、二次コイル２００を制御装置１０２に接続する。インターフェース部は、当技術分野において知られるいずれかの電気コネクタを備え、制御装置１０２とのモジュラー接続を促進することができ、または制御装置に電気的に接続することができる接続部２０４の末端で構成することができる。

図３は、図２に示すような二次コイルに経皮的にエネルギーを伝送するように構成された典型的な一次コイル３００を示す。図２における二次コイル２００と同様に、一次コイル３００はコイル部３０２、接続部３０４、およびインターフェース部３０６を備えることができる。一次コイル３００は患者の体外への配置用に構成されるが、コイル部３０２から時変磁場を放射することにより、二次コイル２００において電流を誘導する。

コイル部３０２は、例えばともに用いるいずれかの二次コイルの大きさを含む、いくつかの要因に応じて、大きさおよび電線の巻き数が異なり得る。コイル部３０２は接続部３０４に電気的に接続される。接続部３０４は、コイル部３０２を形成するのに用いた電線の一部から形成することができる。接続部３０４は、例えば患者が電源からどれくらいの距離かを含む、いくつかの要因のいずれかに応じて、長さが異なり得る。接続部３０４は従って、インターフェース部３０６に電気的に接続する。インターフェース部３０６は、図１の電源１０８のような電源（または関連する調整回路もしくは制御回路）に接続するように構成される。インターフェース部３０６は、当技術分野において知られるいずれかの電気コネクタを備え、外部電源１０８とのモジュラー接続を促進することができ、または電源１０８に電気的に接続するように構成された接続部３０４の末端で構成することができる。

図４に示す心室補助装置（ＶＡＤ）４００のような埋め込み可能な装置を最終的にサポートするため、一次コイル３００を用い、電力を経皮的に伝送する。心室補助装置４００は心臓が血液を体全体に循環させるのを補助する。心室補助装置は、ＴＥＴシステムから利益を得ることができる埋め込み可能な装置の典型的な実施形態であるが、これは決してこの方法で電力を供給することができる唯一の埋め込み可能な装置であるわけではない。多くの他のタイプの電力を供給された埋め込み可能な装置と同様に、他の心臓補助装置を本発明のシステムとともに用いることができる。

図１は、図５に示すような制御装置によって心室補助装置１０４に接続された二次コイル１００を示す。図５は、患者の体内への配置用に構成された一体化した制御装置および電池パック５００を示す。再充電可能な電池パックは、二次コイル１００から受けた電流を用いて充電することができる電池セル５０２を備える。二次コイル１００から受けた電流はＴＥＴインターフェース回路５１４によって処理され、充電装置回路５１８によって電池セル５０２とともに用いるため、または電力制御回路５０４により内部電子機器および心室補助装置１０４に電力を供給するために調整される。電力制御回路５０４は、ＴＥＴインターフェース回路５１４から受けた電圧および電流を、内部電子機器回路５０６、５０８、５１０、５１２、および血液ポンプモータードライバ５１６を経由して心室補助装置１０４に電力を供給するのに用いることができる所望の出力電圧および電流に変換するのに効果的な、当技術分野において知られるいくつかの回路設計のいずれかを含むことができる。

制御装置５００は心室補助装置１０４を制御するように構成されたＶＡＤ回路５０６および５１６も備えることができる。ＶＡＤ回路は監視機構を備えることができ、心室補助装置１０４におけるいずれの障害も制御装置５００において検出される。制御装置５００はさらに、充電装置回路５１８、電力制御回路５０４、血液ポンプモータードライバ回路５１６、およびＡ／Ｄ回路５０６により実行される機能を調整する中央処理装置５１０を備えることができる。

処理装置５１０も二次コイル１００および心室補助装置１０４の機能を監視する。いずれかの部品において障害が検出される場合、処理装置５１０はＲＦテレメトリモジュール５０８を用い、外部ディスプレイまたは制御コンソールによって障害情報を使用者と通信することを可能にすることができる。ディスプレイまたは制御コンソールは一般的なデスクトップコンピュータ、携帯電話、ＰＤＡ、ベッドサイド制御コンソール、または当技術分野において知られるその他のタイプの計算装置もしくは信号伝達装置の形態をとることができる。使用者に伝達される障害情報を、上述のようなディスプレイまたは制御コンソールにより鳴らされる警報の形態とすることもできる。あるいは、制御装置５００は、障害の場合には振動警報を鳴らすことができる警報モジュール５１２を備えることができる。なお、外部電源１０８も、接続した二次コイル１００における障害を検出し、患者にその旨を警告するように構成することができる。

制御装置５００は、電池セル５０２に残る最新の充電およびＶＡＤ１０４の電力消費速度の両方を測定するように構成された燃料ゲージ回路５２０も備える。残り充電を割り出すため、燃料ゲージ回路５２０は、電池インピーダンス、開放回路電圧、温度、放電速度、およびセル老朽化のような複数の測定基準を記録する。結果として得られる測定値は、電圧のみに基づき充電を測定する従来システムより正確である。

これらの追加の電池セル測定基準を監視することは他の利点も有する。例えば、電池セル温度に基づき、長時間高温であることを回避するように、充電速度を調節することができる。電池の作動温度をこの方法で低減することは、セル老朽化を遅らせ、電池パックを交換する必要性を低減する。なお、外部電源に安全に接続しながら完全に監視された放電／充電サイクルを行うことができる。これらの完全な放電／充電サイクルを定期的に行うことは、患者が外部電源から離れる際のサイクル寿命を向上させる。

電池充電を正確に割り出すための典型的なシステムは、Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｔｒａｃｋ（商標）測定技術を特徴とするＴａｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．によるｂｑ２０ｚ９５プラットフォームである。このシステムについてのさらなる情報は、ｈｔｔｐ：／／ｆｏｃｕｓ．ｔｉ．ｃｏｍ／ｌｉｔ／ａｎ／ｓｌｕａ３６４／ｓｌｕａ３６４.ｐｄｆおよびｈｔｔｐ：／／ｆｏｃｕｓ．ｔｉ．ｃｏｍ／ｌｉｔ／ｄｓ／ｓｌｕｓ７５７ｂ／ｓｌｕｓ７５７ｂ.ｐｄｆで見つけることができる。これらの刊行物はその全開示を本明細書に参照により組み入れられる。当業者であれば、同程度またはより良好な正確さを提供する他の電力追跡システムを用いることができ、ｂｑ２０ｚ９５プラットフォームは例としてのみ提示されていることを理解するだろう。

電池セル５０２に残る正確な充電レベルおよびＶＡＤ１０４の電力消費速度を割り出した後、燃料ゲージ回路５２０またはマイクロプロセッサ５１０は、最新の消費レベルに基づき、電池が所定の閾値レベルに達するまでの残り時間を計算することができる。これは、例えば（充電の単位として表すことができる）測定充電量を（単位時間当たりの充電の単位として表すことができる）測定消費速度で割ることにより行うことができる。結果は測定充電量が消耗し尽くすまでの予想時間である。この計算は、計算前の測定充電レベルから閾値充電レベルを単純に引くことにより、所定の閾値充電レベルに達するまでの予測時間を測定するように調節することができる。当業者であれば、電池が所定のレベルに達するまでの残り時間を計算するための代替方法を理解することができ、当該方法のすべてが本発明の範囲内であると考えられる。

所定の閾値レベルは、電池を消耗し尽くしたレベルよりも高く設定し、いくらかの予備時間を提供し、患者が外部電源に到着することができるようにする。なお、多数の閾値レベルを設定し、電池が消耗するにつれ多数の警告を患者に提供することができる。

マイクロプロセッサ５１０は、ＲＦテレメトリモジュール５０８または警報モジュール５１２を用い、使用者に残り時間を伝達することができる。例えば、図６に示すように、ＲＦテレメトリモジュール５０８を用い、残り時間を外部ディスプレイ６００によって使用者に伝達することができる。外部ディスプレイ６００は、制御コンソールまたは診断装置に一体化したディスプレイ、ＰＤＡ、ラップトップコンピュータまたはデスクトップコンピュータ、等を含む、当技術分野において知られるいずれのディスプレイであってもよい。

電池電力で作動する場合、外部ディスプレイ６００は、燃料ゲージおよび充電装置回路５１８により測定される最新の消費速度６０２および最新の残り充電６０４、用いられる閾値レベル６０８、および電池がその閾値レベルに達するまでの残り時間６０６を表示するように構成することができる。一次コイル１０６を二次コイル１００に接続する場合、外部ディスプレイ６００は電池が完全に充電されるまでの時間６１０を表示するように構成することができる。当業者であれば、この作動データおよび他の作動データの多くの異なる組み合わせは、ＲＦテレメトリモジュール５０８を用いて制御装置５００から外部ディスプレイ６００まで伝達することができることを理解するだろう。

他の実施形態では、制御装置５００は残り時間を振動信号により患者に伝達することができる。これらの実施形態では、警報モジュール５１２は振動信号を生成するように構成され、またはＲＦテレメトリモジュール５０８を用いて制御装置５００外に位置する聴覚信号伝達装置または振動信号伝達装置と通信することができる。

聴覚信号伝達の場合、信号は残り時間のアナウンスの形態であってもよく、または残り充電レベルを表す一連のビープ音であってもよい。振動信号伝達の場合、信号は残り充電レベルを示す一連のオンオフまたは定時振動であってもよい。例えば、閾値レベルが３０分に設定された場合、電池セル５０２の充電容量が３０分に達すると、警報モジュール５１２は、外部電源が使用されるまで３０秒毎に３秒間振動信号を生成することができる。同様に、極めて低い閾値レベルは１５分に設定され得、電池セル５０２の容量がそのレベルに達すると、警報モジュール５１２は外部ＴＥＴが使用されるまで１０秒毎に３秒間振動信号を生成することができる。警報閾値および振動パターンは、患者、医療専門家または製造業者の要件に応じて、ソフトウェアにおいて構成可能である。最後の手段として、ＶＡＤは、装置の駆動時間を延長するため、自動的に低電力モードに入るように構成することができる。

本発明の方法を一度実行して電池セル５０２が所定の閾値レベルに達するまでの残り時間を割り出すことができ、または当該方法のステップを繰り返し行い、継続的に更新される残り時間の推定値を提供することができる。当該推定値は、ＶＡＤにより消費される電力の変化により変わり得る。当業者であれば、これらの２つの方法のハイブリッドも可能であり、方法のステップをスケジュールに基づき、例えば２分毎に一度、繰り返すことができ、タイマーを合間に用い、最後に計算された残り時間推定値からカウントダウンすることができることを理解するだろう。

図７は本発明の埋め込み可能な装置の典型的な回路図を示す。その図は、（血液ポンプモータードライバ５１６を含む）ＶＡＤ回路、電池セル５０２、燃料ゲージ回路５２０、電池充電装置回路５１８、マイクロプロセッサ５１０、ＲＦテレメトリモジュール５０８、および警報モジュール５１２の間の電気接続を示す。当業者であれば、これが典型的な回路図であるのみで、本発明の埋め込み可能な装置を製造するのに同様に効果的ないくつかの他の構成があることを理解するだろう。

本発明のシステムは、従来のＴＥＴシステムに対するいくつかの利点を提供する。例えば、本発明の方法は、再充電可能な電池パックが所定の閾値レベルに達するまでの残り時間のより正確な推定値を提供する。これは患者が外部電源から離れる時間をより安心して計画し、彼らの生活の質を向上することを可能にする。

本明細書に引用したすべての文書および刊行物はその全開示を本明細書に参照により組み入れられる。当業者であれば、上述の実施形態に基づき、本発明のさらなる特徴および利点を理解するだろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲により示す以外、とくに図示および記載したものにより限定されるものではない。

Claims (11)

1. 経皮エネルギー伝送システムにおいて貯蔵された使用可能な充電を正確に追跡する方法であって、
   電池パックに残る最新の充電を割り出し、埋め込み可能な装置の最新の電力消費速度を測定するステップと、
   該電池パックのエネルギーレベルが該測定された電力消費速度で所定の閾値レベルを下回るまでの残り時間を割り出すステップと、
   該電池パックの消耗までの該残り時間を使用者に伝達するステップと、を含む方法。
2. 前記複数のステップを繰り返して行って、前記電池パックの消耗までの前記残り時間を更新する、請求項１に記載の方法。
3. 前記残り時間が外部ディスプレイによって使用者に伝達される、請求項１に記載の方法。
4. 前記残り時間が内部振動信号によって使用者に伝達される、請求項１に記載の方法。
5. 前記残り時間が外部聴覚信号によって使用者に伝達される、請求項１に記載の方法。
6. 埋め込み可能な補助装置と、
   再充電可能な電池パックと、
   該埋め込み可能な補助装置および該再充電可能な電池パックに接続される制御装置と、
   を備える埋め込み可能な装置であって、
   該制御装置が、該電池パックの充電レベル、および該埋め込み可能な補助装置の電力消費速度を測定し、該電池パックのエネルギーレベルが所定の閾値レベルに達するまでの残り時間を計算し、該残り時間を使用者に伝達するように構成される、装置。
7. 前記制御装置が使用可能な充電レベルおよび電力消費速度を繰り返し測定し、更新された残り時間を前記使用者に継続的に伝達する、請求項６に記載の装置。
8. 前記制御装置が前記残り時間を外部ディスプレイによって前記使用者に伝達する、請求項６に記載の装置。
9. 前記制御装置が前記残り時間を振動信号によって前記使用者に伝達する、請求項６に記載の装置。
10. 前記制御装置が前記残り時間を聴覚信号によって前記使用者に伝達する、請求項６に記載の装置。
11. 前記埋め込み可能な補助装置が心室補助装置である、請求項６に記載の装置。

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