利用低阻抗高容量双层电容器的除纤颤器 【发明背景】
相关技术介绍
心脏停搏就是心脏功能中断，使得没有血液流向有生命的器官。大多数心脏停搏都与心脏节律不齐，如心室纤维性颤动有关，在心室纤维性颤动期间，该正常节律的心脏收缩被快速的不规则的颤搐替代，导致无效的和严重减小的心脏泵浦作用。治疗心室纤维性颤动的一种方法就是利用除纤颤器来给病人的心脏实施电震，以便恢复正常节律的心脏收缩。
存在有多种形式的除纤颤器，每一种都用于不同的目的。内除纤颤器被植入患者的体内而且用来防止心室纤维性颤动和调节心脏的节律。外除纤颤器被医护人员和医院在心脏病发作时用来治疗心室纤维性颤动。外除纤颤器通常具有很多的附加特点，如较小的ECG单元，这些特点有助于治疗患者和评估在实施电震时地各种因素。外除纤颤器可以是全自动的，半自动的，或手动的，这取决于终端操作者(endoperator)。除纤颤器越自动，则该除纤颤器内的控制器在实施治疗时作用就越大。
这些除纤颤器可以是便携式的，如医护人员和EMS人员所使用的那些，也可是附着在推车上的，如在诊所和医院中看见的那些。一种这样的便携式外除纤颤器被公开在Rockwell等的美国专利U.S.Patent 6,141,584中，它通常被转让，其内容已作参考引入本发明中。
如图1所示，除纤颤器系统1包括一除纤颤器10，通过叶片(paddqe)/电极20向患者实施电震。如图2所示，用导线30将该叶片20与一连接件22相连。将该连接件22插入插座14中以便将除纤颤器10产生的电荷传送到该叶片20上。为了控制该除纤颤器10以便实施电震，该操作者按压一安置在该除纤颤器10上的电震按钮12。
此外，该除纤颤器10还具有一显示器16，该显示器被操作者用来观察在监护该患者病程中有用的ECG信息或其它的信息。提供关于患者心脏状态信息的ECG信息是通过叶片20接收的，该叶片还向患者提供电震。因为所示的该除纤颤器10是便携式的，因而它具有一电池电量指示器18，以便该操作者能估计该除纤颤器10继续给患者实施治疗的能力。
在操作过程中，当患者进入心脏停博状态时，将该电极20施加在患者胸的两边，以便从患者的心脏获取ECG信号。该ECG信息为操作者显示在该显示器16上。在手动除纤颤器中，该操作者从该ECG信息决定是否实施电震。对于自动和半自动的除纤颤器来说，该除纤颤器10有助于决定变化的程度。
但是决定，如果要用该除纤颤器系统1来治疗心室纤维性颤动，则该操作人员就将该叶片20贴在患者身上并按压该电震按钮12。该除纤颤器通过该叶片20将电震施加在患者身上，以便恢复该心脏的正常节律。然后再用该除纤颤器10来评估该患者的状态，以便根据检测的ECG信号实施进一步的治疗。一般来说，仅只提供三次这样的治疗，就有可能成功。
图3是该除纤颤器10的一示意图。该叶片20提供一ECG信号给该ECG前端102，该前端将该ECG信号提供给控制器106以便通过用户接口114为操作者提供评估和显示。这信息还被该控制器106存储在一存储器118中。存储在存储器118中的还可是一事件概要130，来自事件标记110，麦克风112，及/或来自时钟116的信息都存储于其中。这种信息在医院和门诊之间传送(通常叫做管制移交)以便对患者继续治疗时是有用的。在所示的装置中，提供有一红外通信口120，以便在传送时使存储器118中的信息与外部装置进行通信。
此外，提供有一电源140来给整个除纤颤器10供电。该电源140可以是一线路电源或电池，也可是任何提供足够电源来提供这里所述的电震和ECG检测功能的类似的装置。对于如图所示那样的便携式除纤颤器来说，通常用电池来作电源140。这种电池可以是一次性使用的，或可充电的。
高电压(HV)传送装置108按照该控制器106的指令通过叶片20给患者实施电震。在该操作者利用该电震按钮发出指令时，电荷就从高压传送装置108施加给患者以便产生正常节律的心脏收缩。该电源140在充电时向该高压传送装置108提供充电能量，以便存储足够的能量来实施治疗。这充电时间最好很短，这是因为要产生有利的结果，治疗的快速实施是理想的。
如图4中所示意的那样，该高压传送装置108具有两个主要的部件：变压器204和高电压电容器206(即，“HV电容”)。当操作时，电源140通过变压器204提供功率以便使该HV电容206充电。该HV电容206按操作者或图3所示控制器106的指令存储实施治疗需要的电压。该HV电容206通常是105f电容器，而且能将2100伏的电荷通过与图3所示的叶片相连的端子208传送给患者。在放电之后，如果继续需要除纤颤治疗，那时该HV电容206就被电源140重新充电。
第二种类型的除纤颤器是内除纤颤器，内除纤颤器利用相同的过程来使HV电容充电。如图5所示，一内除纤颤器300利用一电源310来对高电压传送装置320进行充电，该高电压传送装置与图4所示的高电压传送装置108的结构是相同的。该控制器330通过该心脏控制该高压传送装置320的放电，以便调节该心脏的节律。在该高电压传送装置320中使用多个电容器的地方，该高压传送装置320还包括一H-桥以便选择性地从各电容器向患者提供电震。此外，该电源310通常是电池。一个这样熟悉的内除纤颤器可在Perttu等人的美国专利U.S.Patent 6,035,235中找到。
传统除纤颤器结构，外部和内部的两者的缺点都是需要较大的电源来使HV电容充电，以便提供需要的电震。对于某些外部除纤颤器，特别是门诊所使用的那些来说，可提供线电压来代替电池。但是，这样的线电源却限制了这些除纤颤器的便携性，这时只能在受限的空间中使用。
在使用除纤颤器时遇到的另一问题是当存储的能量不打算应用到患者时怎样从该高压传送装置放电或者耗散能量。如图6所示，通常的解决方法是使用一泄放电阻400。本质上，高电压传送装置200的电压被泄放电阻400作为热耗散，该泄放电阻基本上是一大电阻。这能量耗散装置所遇到的问题是它得释放大量的热。这种释放，特别是如果在一段时间内反复进行时，就可能损坏该除纤颤器。
发明概述
本发明的一实施例具有一除纤颤器，该除纤颤器包括：电源；低阻抗高容量双层电容器，它从该电源存储能量；以及高电压电容器，该高电压电容器存储双层电容器提供的能量，并将该存储的能量释放给患者。
在本发明的另一实施例中，该高电压电容器存储由该双层电容器和电源联合提供的能量。在本发明的另一实施例中，该除纤颤器被安放在患者的体内。
在本发明的另一实施例中，一组无引线叶片或垫片内装有该高压电容器和该双层电容器以便无引线地给患者除纤颤。
在本发明的另一实施例中，提供了一给除纤颤器内的高压电容器充电的方法，它包括利用电源在第一时间给低阻抗高容量双层电容器提供能量和在第二时间从该低阻抗高容量双层电容器给高压电容器提供能量。
在本发明的再一实施例中，提供了一从除纤颤器给患者加电的方法，包括利用电源在第一时间给低阻抗高容量双层电容提供能量和在第二时间从该低阻抗高容量双层电容器给高压电容器提供能量，以及使该高电压电容器放电来给患者施电。
附图简介
本发明的这些和其它的目的及优点从下述的一些优选实施例的说明并结合附图来看就变得显而易见和更容易理解，附图如下：
图1表示一操作人员正在利用一传统的除纤颤器系统给患者实施治疗；
图2表示传统的便携式外部除纤颤器系统，它包括一除纤颤器和一组由导线连接的叶片或垫片；
图3是传统的除纤颤器的示意图；
图4是一传统的高电压传送装置的示意图；
图5是一传统的内部除纤颤器的示意图；
图6是一包括泄放电阻的传统的高电压传送装置的示意图；
图7是一按照本发明实施例的高电压传送装置的示意图；
图8是一按照本发明另一实施例的使用了无引线叶片组的除纤颤器的示意图；及
图9是按照本发明的另一实施例的该无引线叶片组的示意图，它包括低阻抗高容量电容器和高电压电容器。
优选实施例说明
现在来详细参考本发明的优选实施例，其例子都图示在附图中，其中相同的数字始终都指相同的元件。该实施例描述于下，以便通过参考附图来解说本发明。
如图7所示，按照本发明的实施例，一高电压传送装置1000包括限压器1002，低阻抗高容量双层电容器1004(即，“DL电容”)，变压器1006，和一高电压电容器1008(即，“HV电容”)。该高电压传送装置1000适于用在如图2所示的外部除纤颤器，或如图5所示的内部除纤颤器上。
该电源140通过该限压器1002向该DL电容1004提供能量。限压器1002是一开关模式的变换器电流源，它用来限制电流，因而额定能量是从该电源140，并随时间的过去最终从存储在该DL电容1004中的电压提取的。但是，任何限制电压的机构都是可用的。另外，如果不需限制电压，则就不必使用限压器1002。
该DL电容1004具有一个或多个常常叫做超级电容或双层电容的电容器，并具有一低的等效串联电阻(ESR)，一低阻抗，以及一大约为法拉，几十法拉，或几百法拉的高电容。在所示的实施例中，在该DL电容1004中总计使用了16个超级电容。这些超级电容被以并联的两个的8个串连来安排。一种这样的超级电容在这种应用中总是有用的，这种电容器就是Maxwell PC-10电容。该DL电容1004也可包括一较大的超级电容来代替多个较小的超级电容。
更为可取的是，总利用该超级电容放电的第一时间常数来使更多的能量能较快消除。
当在操作时，将该除纤颤器打开，而且该电源140将能量存储在该DL电容1004中，其电压的大小由该限压器1002调节。当该高电压传送装置1000要通过端子208向患者放电时，存储在该DL电容1004中的能量和该电源140提供的能量被联合用来通过变压器1006给该HV电容1008充电。在放电时，该HV电容1008就通过端子208向患者提供电压。
在两次放电之间，该电源140开始该DL电容1004再充电。通常，对该DL电容1004充电和再充电就发生在停延时间(dwell time)内，该停延时间就是加电后或放电后直到决定实施另一充电时为止的时间。在这停延时间内，该操作人员或控制器，如图3所示的控制器106或图5所示的控制器330，决定是否有需要实施另一次电震。在该停延时间后，如要实施另一次电震，则就可利用该电源140和该DL电容1004再次对该HV电容1008充电。利用这种系统，不要求该电源40提供给该HV电容1008充电的所有能量，而是可与该DL电容1004一起联合提供这种能量。这允许使用较小的电源140，或减少对该电源140的抽取。
例如，如果由该HV电容1008传送的总能量为200焦耳，而将该HV电容1008充电到232焦耳所需要的时间为4秒，则就需要该电源140在这4秒的时间提供所有的焦耳。利用如图4所示的传统的装置，将需要77.3瓦的电源(假定充电效率为75％)。但是，按照本发明的实施例，利用该DL电容1004，并假定在两次放电之间的该停延时间为大约6秒时，则30.9瓦的电源140在该DL电容1004上可充上185.2焦耳的电能。这样，当该HV电容1008要再充电时，77.3瓦的功率可从电源140和DL电容1004联合提供，前者提供30.9瓦的功率，后者提供46.4瓦。如从这例子显然可见的那样，利用DL电容1004时，30.9瓦的电源140就能用电源140提供多达77.3瓦的充电功率，而且因为电源140本身较小因而是较小，较轻和较廉价的。
来看第二个例子，按照本发明的实施例，当利用该DL电容1004时，则花费在使该HV电容1008充电上的时间可急剧减小。例如，在传统上用30.9瓦的线路电源或用具有2.15安的14.4伏的电池在该HV电容上充电309焦耳的能量时将花10秒钟。但是，如果使用该DL电容1004，则在6秒的停延时间就可利用相同的电源140在该DL电容1004中存储185.2焦耳的能量。假设在对HV电容1008充电过程中，这185.2焦耳的能量在4秒钟就要从该DL电容1004取出时，则为了联合提供使该HV电容1008充电到232焦耳所需要的309焦耳，该电源140只需提供123.8焦耳。照此，利用同样的30.9瓦的线路电源或2.15安14.4伏的电池时，按照本发明的实施例，该HV电容1008在4秒的时间就能接收309焦耳，而不是利用传统方法的10秒钟。
按照本发明的另一实施例，该HV电容1008和该DL电容1004之间的连接是对称的。这样，如果在HV电容1008中充的电不施加给患者，则就不需要图6所示的泄放电阻400，因为没排放的能量可从HV电容1008简单地再存入该DL电容1004。这样，该HV电容1008放电就不会产生热。
通过这种对称电路的例子，如果该变压器1006是DC到DC HV变换器或逆向变换器，这些都可通过在初级一侧添加一自由轮转二极管和在次级侧添加一附加开关的方法做成双向的。这样，当需要泄放能量时，该变换器总是反向运行，DL电容1004存储能量，并允许该HV电容1008安全放电。
此外，如果构造该除纤颤器使其能感知该DL电容1004中的充电是否在标称充电量之上，则在该DL电容1004处于这标称充电量之下前该除纤颤器都不会使用该电源140来补充该DL电容1004中的能量。这样，如果该HV电容1008向该DL电容1004放电，则该能量就被储存起来，因而对该电源140的利用就更加减少。
图8和图9表示按照本发明另一实施例的无引线叶片除纤颤器。如图所示，除纤颤器机壳2000包括一电源2003和一叶片端子2002。尽管为了简化的目的未画出，但这除纤颤器机壳2000还包含一些导线，这些导线连接ECG和在传统的除纤颤器中存在的其它类似装置，如图2所示。
无引线叶片组2004被该叶片端子2002所容纳，使得在缩进时，该电源2003就提供能量使该叶片组2004充电。该叶片组2004包括第一和第二叶片2100和2200。该第一叶片2100内装有一高电压电容器2150(即“HV电容”)。该第二叶片2200内装有一充电电路2250和一低阻抗高容量双层电容器2300(即“DL电容”)，后者使用一个或多个双层超级电容。该DL电容2300通过导线2400向该HV电容提供能量。
如图所示，该DL电容2300可在无电源2003时向该HV电容2150提供能量。因为没有电源，因而该DL电容2300就需要比在图7所示的实施例中供应更多的能量。例如，可使用Maxwell PC-100电容器而不使用Maxwell PC10电容器组合。
此外，该DL电容2300通常总使用多个超级电容，每个超级电容都被用于单次放电。这些超级电容都是与传统的H桥一起使用的，以便选择性地从单独电容向该HV电容2150提供能量。
尽管未画出，却应明白，在该叶片组2004中还可包括一些附加的东西，如变压器，或将ECG信息和其它信息发送进出该除纤颤器机壳2000的发送器，以便有助于实施治疗。还应明白，还可包括一小电源以便联合向该HV电容2150提供能量。
在DL电容2300中超级电容的数目是与预期的充电数相关的。虽然通常只进行三次充电，但却装有增大数目的超级电容，如8个，以便具有一安全裕度。
尽管画出和描述了本发明的几个优选实施例，但熟悉本技术的业内人士都应理解可对此实施例进行一些变化，而并不偏离本发明的原则和精神，本发明的范围被规定在各权利要求和它们的等效条款中。