Electrical means for limiting the leakage current in the battery-powered patient-connected medical devices

本願は概して電池式患者接続型医療機器に関する。 これは特に患者接続型医療機器のための漏れ電流の制限と併せて応用され、特にそれに関して記載される。 しかしながら、他の使用シナリオにも応用され、必ずしも上述の応用に限定されないことが理解される。

患者接続型医療機器は一般に患者に対する漏れ電流を制限する安全基準を満たさなければならない。 例えば、世界中の医療市場は国際標準ＩＥＣ６０６０１‐１、第２版、１９８８‐１２を医療用品の承認基準として使用する。 ＩＥＣ６０６０１‐１は医療機器の露出した通電部品が患者接続から絶縁されることを要求し、必要な絶縁の水準を規定する。 例えば１０マイクロアンペアが心臓機能（ＣＦ）指定装置に対する患者漏れ電流の制限である。 漏れ電流に対する制限はとりわけ、皮膚インピーダンスが漏れ電流を制限しない内部接続を持つ患者と、生命維持装置であり得る繊細な医療インプラントを持つ患者にとって重要である。

一つ以上の電池を含む電源を持つ医療機器において電池を交換するとき、まだ設置されていない電池用の電池接続端子は接触可能であり、既に設置された電池の直列接続のために通電している可能性がある。 医療機器に接続されている患者が万一これらの電池接続端子の一つと接触するとしたら、結果として生じる漏れ電流は安全限度を超える可能性がある。 電流に対する唯一の制限は電池の電源インピーダンス、患者インピーダンス、間接経路インピーダンス、及び患者接続インピーダンスである。 通電している電池接続端子との接触は、患者が直接、若しくは電池を交換している介護者を通じて間接的に、電池接続端子に触れることから生じ得る。

患者漏れ電流を制限するために、電池接続端子へのアクセスを妨げる機械的手段が採用され得る。 しかしながら、機械的手段はユーザにとって煩わしく製造コストがかかる。 患者漏れ電流を制限する別の方法は、患者接続インピーダンスを増加することであり得る。 しかしながら呼吸などの一部の患者パラメータ測定は、必然的に低い入力インピーダンスを要する。 患者漏れ電流を制限するさらに別の考えられる方法は、変圧器及び／又は光アイソレータなどのガルバニック手段によって患者入力を絶縁することであり得る。 しかしながら、これらのアプローチは高価で、電力を消費し、貴重な空間を要する。 これらは小型で軽量の電池式医療機器の大きな利点を無効にする。

本願は上述の問題などを克服する電気手段を利用する新たな改良されたシステムと方法を提供する。

別の態様によれば、患者接続型医療機器における漏れ電流を電気的に制限するためのシステムが提供される。 システムは患者接続型医療機器の電池コンパートメントの第１の電源出力を電池コンパートメントからの入力電圧の第１の極性に基づいて患者接続型医療機器の電子部品の第１の電源入力と選択的に接続する一つ以上のスイッチング装置の第１のセットを含む。 システムは患者接続型医療機器の電池コンパートメントの第２の電源出力を入力電圧の第２の極性に基づいて電子部品の第２の電源入力と選択的に接続する一つ以上のスイッチング装置の第２のセットをさらに含み、第１の極性は第２の極性と反対である。

一態様によれば、患者接続型医療機器における漏れ電流を電気的に制限するための方法が提供される。 患者接続型医療機器は患者接続型医療機器の電池コンパートメントの第１の電源出力を電池コンパートメントからの入力電圧の第１の極性に基づいて患者接続型医療機器の電子部品の第１の電源入力と選択的に接続する一つ以上のスイッチング装置の第１のセットと、電池コンパートメントの第２の電源出力を入力電圧の第２の極性に基づいて電子部品の第２の電源入力と選択的に接続する一つ以上のスイッチング装置の第２のセットとを含む。 第２の極性は第１の極性と反対である。 さらに、患者接続型医療機器の患者は一つ以上の患者接続を介して電子部品に電気的に接続される。 方法は電池が電池コンパートメントの電源出力及び一つ以上の電池接続端子に電気的に接続されるように電池コンパートメントへ電池を挿入するステップを含む。 電源出力は第１の電源出力と第２の電源出力のうちの一方である。 方法は電池接続端子の一つと患者を電気的に接続するステップをさらに含む。 電気接続は患者接続から独立している。 さらに、方法は電源出力と対応する電源入力の間の電流を入力電圧が総入力電圧になるまで遮断するステップを含む。 第１のセット及び／又は第２のセットは電流の遮断を容易にする。

別の態様によれば、患者接続型医療機器が提供される。 患者接続型医療機器は一つ以上の電池のための電池コンパートメントを含む。 電池コンパートメントは電池を直列接続し、第１の電源出力と第２の電源出力を含む。 さらに、システムは第１の電源出力を電池コンパートメントからの入力電圧の第１の極性に基づいて第１の電源入力と選択的に接続する一つ以上のスイッチング装置の第１のセットを含む。 さらに、システムは第２の電源出力を入力電圧の第２の極性に基づいて第２の電源入力と選択的に接続する一つ以上のスイッチング装置の第２のセットを含む。 第１の極性は第２の極性と反対である。

一つの利点は患者に対する漏れ電流の制限にある。

別の利点は任意の数の電池に対する適応性にある。

別の利点は電池が任意の順序で挿入されるときの機能性にある。

別の利点は一つ以上の電池が適切に配向されていない場合であっても患者が保護されることにある。

別の利点は低コストの製造技術に従うことにある。

別の利点は小型さにある。

別の利点は使いやすさにある。

別の利点は低インピーダンス患者接続での機能性にある。

別の利点は低電力消費にある。

本発明のさらなる利点は以下の詳細な説明を読んで理解することで当業者に理解される。

本発明は様々な構成要素と構成要素の配置、様々なステップとステップの配置で具体化し得る。 図面は好適な実施形態を例示する目的に過ぎず、本発明を限定するものと解釈されない。

本開示の態様にかかる患者接続型医療機器の概念図である。

図１の患者接続型医療機器の一実施形態の詳細図である。

図１の患者接続型医療機器の別の実施形態の詳細図である。

図１の患者接続型医療機器のさらに別の実施形態の詳細図である。

本開示の態様にかかる漏れ電流を制限する方法を図示する。

図１を参照すると、本開示の態様にかかる患者接続型医療機器１００の概念図が提供される。 患者接続型医療機器１００は生命維持機能を観察及び／又は提供するために適切に利用される。 さらに、患者接続型医療機器１００は適切には移動式であり、患者の身体に装着される。 特定の実施形態において、患者接続型医療機器１００は患者モニタ、ペースメーカ、及び同様のものの一つであることが考えられる。

患者接続型医療機器１００は一つ以上の患者接続１０６を介して患者１０４に接続される電子部品１０２を含む。 患者接続１０６はセンサ及び／又は電極１０８の一つ以上を介して患者１０４に接続することが考えられる。 特定の実施形態において、電子部品１０２は患者接続１０６から患者データを受信する。 付加的に若しくは代替的に、特定の実施形態において、電子部品１０２は患者接続１０６へ信号を与える。 例えば、患者１０４が律動不整を患っている場合、患者の心臓にショックを与え適切な心拍を維持するように、センサ及び／又は電極１０８の関連電極を制御する信号が患者接続１０６の一つに供給され得る。

患者接続型医療機器１００の電池コンパートメント１１０は、一つ以上の電池１１２を受容し、電池１１２から患者接続型医療機器１００の電子部品１０２へ電力を供給する。 適切に、電池コンパートメント１１０は電池１１２の端子とインターフェースして電池１１２を直列接続する一つ以上の電池接続端子１１４を含む。 特定の実施形態において、電池１１２が電池コンパートメント１１０に挿入されるとき、電池接続端子１１４は外部からアクセスできない。 つまり、電池コンパートメント１１０の外側から電池１１２の電池接続端子１１４にアクセスすることができない。 これは典型的には電池コンパートメント１１０の物理的設計で実現されるが、これを実現する機械的及び／又は電気機械的アプローチもまた考慮される。

電子部品１０２と電池コンパートメント１１０の間に配置され、患者接続型医療機器１００は一つ以上のスイッチング装置１１８の第１のセット１１６と一つ以上のスイッチング装置１２２の第２のセット１２０を含む。 スイッチング装置１１８，１２２の各々は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、ＴＲＩＡＣ（Ｔｒｉｏｄｅｓ ｆｏｒ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ）、リレー、及び同様のものなどの一つ以上の電子スイッチを含む。 さらに、典型的には、第１のセット１１６のスイッチング装置１１８が直列接続されるか、及び／又は第２のセット１２０のスイッチング装置１２２が直列接続される。

第１のセット１１６と第２のセット１２０は、電池１１２を設置する順序及び／又は電池１１２の極性（正確若しくは不正確）にかかわらず、電流が電池接続端子１１４のいずれからも患者１０４へ誤って流れることを防ぐように配線される。 第１のセット１１６は電池コンパートメント１１０の第１の電源出力１２４を電子部品１０２の第１の電源入力１２６へ直接若しくは間接的に、選択的に接続し、第２のセット１２０は電池コンパートメント１１０の第２の電源出力１２８を電子部品１０２の第２の電源入力１３０へ直接若しくは間接的に、選択的に接続する。 間接的に接続することによって、抵抗器などの追加電子部品がスイッチング装置１１８，１２２の一方と電源入力１２６，１３０の一つ以上、電源出力１２４，１２８とスイッチング装置１１８，１２２の他方との間に配置されることが考えられる。 典型的に、第１の電源出力１２４と第１の電源入力１２６は正で第２の電源出力１２８と第２の電源入力１３０は負である。 しかしながら、特定の実施形態において、電池１１２の極性は反転でき、それによって第１の電源出力１２４と第１の電源入力１２６が負になり、第２の電源出力１２８と第２の電源入力１３０が正になり得る。

第１のセット１１６と第２のセット１２０は、全ての電池１１２が設置されるまでセット１１６，１２０がそれらの各々の電源入力をそれらの各々の電源出力と接続しないように、総入力電圧の異極性によって電子的に制御される。 つまり、第１のセット１１６は総入力電圧の第１の極性によって電子的に制御され、第２のセット１２０は総入力電圧の第１の極性と反対の第２の極性によって電子的に制御される。 総入力電圧は全ての電池１１２で完全に満たされるときに電池コンパートメント１１０によって出力される電圧（すなわち、第１の電源出力１２４と第２の電源出力１２８にかかる電圧）である。 特定の実施形態において、この制御は図示の通り、第１のセット１１６を電池コンパートメント１１０の第２の電源出力１２８で、第２のセット１２０を電池コンパートメント１１０の第１の電源出力１２４で制御することによって実施される。

スイッチング装置１１８，１２２がなく、全数未満の電池１１２が電池コンパートメント１１０に設置されると仮定すると、患者１０４は電池接続端子１１４の一つと接触する可能性があり、漏れ電流が生じ得る。 例えば、電池１１２の三つ目１３２が設置されなかった場合、電池１１２の他のもの１３４から患者へ第１の経路１３６及び患者接続１０６の一つを通って電流が流れる可能性がある。 第１の経路１３６は、患者１０４が電池１１２の三つ目１３２の電池接続端子１１４の一つ１３８に直接接触することから、又は例えば介護者が電池接続端子１１４の一つ１３８と患者１０４に同時に触れることによって間接的に生じ得る。

図２を参照すると、本開示の態様にかかる患者接続型医療機器の詳細な実施形態が提供される。 第１のセット１１６は第１のスイッチング装置１４０を含み、第２のセット１２０は第２のスイッチング装置１４２を含む。 第１のスイッチング装置１４０は逆並列接続される二つのｐチャネルＦＥＴ１４４と抵抗器１４６を含み、第２のスイッチング装置１４２は逆並列接続される二つのｎチャネルＦＥＴ１４８と抵抗器１５０を含む。 ＦＥＴ１４４，１４８の各々は、開・閉にかかわらずＦＥＴを通る一方向に電流が流れることを可能にする基板ダイオード１５２を含むので、ＦＥＴ１４４，１４８はスイッチング装置１４０，１４２を通る両方向に電流が流れるのを防ぐために逆並列接続される。 抵抗器１４６，１５０はＦＥＴ１４４，１４８にバイアスをかけるために基板ダイオード１５２と併用される。

電池コンパートメント１１０の第２の電源出力１２８からの制御信号１５４はｐチャネルＦＥＴ１４４を電子的に制御し、電池コンパートメント１１０の第１の電源出力１２４からの制御信号１５６はｎチャネルＦＥＴ１４８を電子的に制御する。 言い換えれば、スイッチング装置１４０，１４２に対する制御信号１５４，１５６は総入力電圧の異極性に交差結合される。 全ての電池１１２が電池コンパートメント１１０に設置されるときの総入力電圧がＦＥＴ１４４，１４８のゲート‐ソース立ち上がり電圧を超える限り、電流が流れることができる。 ＦＥＴ１４４，１４８の制御信号１５４，１５６を交差結合することで、患者１０４を通って電池１０２へ戻る完全な経路があり得ないように制御信号１５４，１５６を絶縁する。

図２で提供されるＦＥＴを利用することの一つの問題は、意図せぬ復路があることである。 例えば、電池１１２の三つ目１３２が設置されず患者が電池接続端子１１４の一つ１３８に触れるとしたら、電流が第１の電源入力１２６から基板ダイオード１５２の一つ１５８と第１のスイッチング装置１４０の抵抗器１４６を通って第２の電源出力１２８へ流れ出す可能性がある。 従って、この実施形態は主に電池接続端子１１４へのアクセスを遮るための機械的インターロック若しくは構成とともに使用されるか、又は心臓機能（ＣＦ）指定でない装置において使用される。 解決法が図３及び４において後述される。 考えられる意図せぬ復路は基板ダイオード１５２の結果であり、そのため他の電子スイッチには必ずしも適用できないことが理解される。

図２と併せて開示されるスイッチング装置１４０，１４２はＦＥＴに合わせてあるが、リレー及びＴＲＩＡＣなどの他の電子スイッチがＦＥＴの代わりに利用され得ることが理解される。 さらに、他の電子スイッチが利用されるとき、スイッチング装置１４０，１４２を具体化する回路は図示のものとは異なることが理解される。 例えば、他の電子スイッチとＦＥＴ１４４，１４８の間に１対１のマッピングがあるとは限らない。 基板ダイオード１５２は一方向の電流を可能にするので、スイッチング装置１４０，１４２の各々は複数のＦＥＴを持つ。 リレーなど他の電子スイッチはこうした制限に悩まされない可能性があり、そのため単一の電子スイッチのみが必要になり得る。

図３を参照すると、本開示の態様にかかる患者接続型医療機器１００の別の詳細な実施形態が提供される。 第１のセット１１６は第２のスイッチング装置１６２と直列に第１のスイッチング装置１６０を含み、第２のセット１２０は第３のスイッチング装置１６４を含む。 第１のスイッチング装置１６０と第２のスイッチング装置１６２は各々、逆並列接続される二つのｐチャネルＦＥＴ１６６、抵抗器１６８、及び任意のキャパシタ１７０を含む。 さらに、第３のスイッチング装置１６４は逆並列接続される二つのｎチャネルＦＥＴ１７２、抵抗器１７４、及び任意のキャパシタ１７６を含む。 ＦＥＴ１６６，１７２の各々は、開・閉にかかわらずＦＥＴを通る一方向に電流が流れることを可能にする基板ダイオード１７８を含むので、ＦＥＴ１６６，１７２はスイッチング装置１６０，１６２，１６４を通る両方向に電流が流れるのを防ぐために逆並列接続される。 抵抗器１６８，１７４はＦＥＴ１６６，１７２にバイアスをかけるために基板ダイオード１７８と併用される。 キャパシタ１７０，１７６はスイッチング動作を安定させるために任意に含まれる。

電池コンパートメント１１０の第２の電源出力１２８からの制御信号１８０は第１のスイッチング装置１６０のｐチャネルＦＥＴ１６６を電子的に制御し、第１のスイッチング装置１６０の出力若しくは入力（電流に依存）からの制御信号１８２は第３のスイッチング装置１６４のｎチャネルＦＥＴ１７２を電子的に制御する。 さらに、第３のスイッチング装置１６４の出力若しくは入力（電流に依存）からの制御信号１８４は第２のスイッチング装置１６２のｐチャネルＦＥＴ１６６を電子的に制御する。 言い換えれば、第１のセット１１６は第２のセット１２０と反対の総入力電圧の極性によって電子的に制御される。 全ての電池１１２が電池コンパートメント１１０に設置されるときの総入力電圧がＦＥＴ１６６，１７２のゲート‐ソース立ち上がり電圧を超える限り、電流が流れることができる。

上記の通り、図２の実施形態は基板ダイオード１５２のためにＦＥＴを利用するときに意図せぬ復路に悩まされる。 本実施形態は追加のスイッチング装置を利用することによってこれらの意図せぬ復路を防止する。 例えば、電池１１２の三つ目１３２が設置されておらず患者が電池接続端子１１４の端子１３８に触れるとしたら、第３のスイッチング装置１６４のために、第１の電源入力１２６から基板ダイオード１７８の一つ１８６と第２のスイッチング装置１６２の抵抗器１６８を通って第２の電源出力１２８へ電流が流れ出すことはできない。

図３に関連して開示されるスイッチング装置１６０，１６２，１６４はＦＥＴに合わせてあるが、リレー及びＴＲＩＡＣなど、他の電子スイッチがＦＥＴの代わりに利用され得ることが理解される。 さらに、他の電子スイッチが利用されるとき、スイッチング装置１６０，１６２，１６４を具体化する回路は図示のものとは異なることが理解される。 例えば、他の電子スイッチとＦＥＴ１６６，１７２の間に必ずしも１対１のマッピングがあるとは限らない。 基板ダイオード１７８は一方向の電流を可能にするので、スイッチング装置１６０，１６２，１６４の各々は複数のＦＥＴを要する。 リレーなどの他の電子スイッチはこうした問題に悩まされない可能性があり、そのため単一の電子スイッチのみが必要になり得る。

図４を参照すると、本開示の態様にかかる患者接続型医療機器１００のさらに別の詳細な実施形態が提供される。 第１のセット１１６は第１のスイッチング装置１８８を含み、第２のセット１２０は第３のスイッチング装置１９２と直列に第２のスイッチング装置１９０を含む。 第１のスイッチング装置１８８は逆並列接続される二つのｐチャネルＦＥＴ１９４、抵抗器１９６、及び任意のキャパシタ１９８を含む。 さらに、第２のスイッチング装置１９０と第３のスイッチング装置１９２は各々、逆並列接続される二つのｎチャネルＦＥＴ２００、抵抗器２０２、及び任意のキャパシタ２０４を含む。 ＦＥＴ１９４，２００の各々は、開・閉にかかわらずＦＥＴを通る一方向に電流が流れることを可能にする基板ダイオード２０６を含むので、ＦＥＴ１９４，２００はスイッチング装置１８８，１９０，１９２を通る両方向に電流が流れるのを防ぐために逆並列接続される。 抵抗器１９６，２０２はＦＥＴ１９４，２００にバイアスをかけるために基板ダイオード２０６と併用される。 キャパシタ１９８，２０４はスイッチング動作を安定させるために任意に含まれる。

第２のスイッチング装置１９０の出力若しくは入力（電流に依存）からの制御信号２０８は第１のスイッチング装置１８８のｐチャネルＦＥＴ１９４を電子的に制御する。 さらに、電池コンパートメント１１０の第１の電源出力１２４からの制御信号２１０は第２のスイッチング装置１９０のｎチャネルＦＥＴ２００を電子的に制御し、第１のスイッチング装置１８８の出力若しくは入力（電流に依存）からの制御信号２１２は第３のスイッチング装置１９２のｎチャネルＦＥＴ２００を電子的に制御する。 言い換えれば、第１のセット１１６は第２のセット１２０と反対の総入力電圧の極性によって電子的に制御される。 全ての電池１１２が電池コンパートメント１１０に設置されるときの総入力電圧がＦＥＴ１９４，２００のゲート‐ソース立ち上がり電圧を超える限り、電流が流れることができる。

上記の通り、図２の実施形態は基板ダイオード１５２のためにＦＥＴを利用するときに意図せぬ復路に悩まされる。 本実施形態は追加のスイッチング装置を利用することによってこれらの意図せぬ復路を防止する。 例えば、電池１１２の三つ目１３２が設置されておらず患者が電池接続端子１１４の一つ１３８に触れるとしたら、第１のスイッチング装置１８８及び／又は第２のスイッチング装置１９０のために、第１の電源入力１２６から第３のスイッチング装置１９２の基板ダイオード２０６の一つ２１４を通って第１の電源出力１２４及び／又は第２の電源出力１２８へ電流が流れ出すことはできない。

図４に関連して開示されるスイッチング装置１８８，１９０，１９２はＦＥＴに合わせてあるが、リレー及びＴＲＩＡＣなど、他の電子スイッチがＦＥＴの代わりに利用され得ることが理解される。 さらに、他の電子スイッチが利用されるとき、スイッチング装置１８８，１９０，１９２を具体化する回路は図示のものとは異なることが理解される。 例えば、他の電子スイッチとＦＥＴ１９４，２００の間に必ずしも１対１のマッピングがあるとは限らない。 基板ダイオード２０６は一方向の電流を可能にするので、スイッチング装置１８８，１９０，１９２の各々は複数のＦＥＴを要する。 リレーなどの他の電子スイッチはこうした問題に悩まされない可能性があり、そのため単一の電子スイッチのみが必要になり得る。

図５を参照すると、患者接続型医療機器１００における漏れ電流を電気的に制限するための方法５００が図示される。 電池１１２が電池コンパートメント１１０の電源出力１２４，１２８及び一つ以上の電池接続端子１１４に電気的に接続されるように、電池１１２が電池コンパートメント１１０に挿入される（５０２）。 電源出力１２４，１２８は第１の電源出力１２４と第２の電源出力１２８の一つである。 挿入（５０２）と同時に若しくはその後で、電池接続端子１１４の一つが患者１０４と接続され（５０４）、ここで電気接続は患者接続１０６から独立している。 例えば、電池１１４を交換しながら看護士が電池接続端子と患者１０４に触れる。 別の例として、患者１０４が誤って電池接続端子に触れる。 その後、電源出力１２４，１２８と対応する電源入力１２６，１３０の間の電流が、入力電圧が総入力電圧になるまで遮断される（５０６）。 典型的には、第１のセット１１６及び／又は第２のセット１２０は総入力電圧が総入力電圧であるときに関連するスイッチング装置を閉じることのみによって電流の遮断を容易にする。 さらに、総入力電圧は電池を満載するときに電池コンパートメント１１０によって出力される電圧である。

本発明は好適な実施形態を参照して記載されている。 修正及び変更は先の詳細な説明を読んで理解することで想到され得る。 本発明はかかる修正及び変更が添付の請求項若しくはその均等物の範囲内にある限り全て含むものと解釈されることが意図される。