(57)【要約】移植医療装置および外部電源は、該移植医療装置からの制御信号の送信用に使用されるコイルと同一のコイルを移植医療装置へのエネルギー転送用に使用する。１つの実施例において、移植回路は、負荷発生医療装置の負荷電圧レベルを示すフィードバック制御信号を生成し、該フィードバック信号をインダクタコンデンサ(ＬＣ)タンク回路上に重畳させて外部電力供給装置による検出に供する。外部電力供給装置は、フィードバック信号を使用して、移植医療装置へのエネルギー転送を制御することにより、負荷発生医療装置における負荷電圧を安定化する。
2005536286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作用に外部電源からの電力を必要とする移植可能装置であって、
前記外部電源から電力を受け取るＬＣタンク回路と、
前記受け取られた電力が供給される負荷発生装置と、
前記負荷発生装置に供給された前記電力の負荷電圧レベルを感知し、前記負荷電圧レベルを示すフィードバック信号を生成し、前記外部電源へ伝達するために前記フィードバック信号を前記ＬＣタンク回路上に重畳させるフィードバック回路とを備えた移植可能装置。
【請求項２】
前記フィードバック信号は、周波数が前記負荷電圧レベルを示すように生成される一連のパルスを含む請求項１に記載の移植可能装置。
【請求項３】
前記フィードバック回路は、
前記負荷電圧レベルを受け取り、前記負荷電圧レベルを基準電圧と比較し、前記負荷電圧レベルを示す差信号を生成する誤差増幅器と、
前記差信号を受け取り、前記フィードバック信号を生成する制御器とを備えた請求項２に記載の移植可能装置。
【請求項４】
前記パルスは、中心周波数を有する特定の範囲内の周波数で生成され、前記中心周波数は、前記負荷電圧レベルが所望のレベルであり、前記外部電源が供給している電力量の調整は不要であることを示唆し、一方、前記中心周波数の上下の周波数は、前記外部電源が供給している電力量を調整して前記負荷電圧レベルを前記所望のレベルに戻す必要があることを示唆する請求項２に記載の移植可能装置。
【請求項５】
前記中心周波数は、約１kHzである請求項4に記載の移植可能装置。
【請求項６】
前記フィードバック信号の前記周波数範囲は、前記外部電源によって生成された電力信号の周波数とは異なるので、前記外部電源において、前記電力信号は、前記フィードバック信号を抽出するためにフィルタ処理することができる請求項４に記載の移植可能装置。
【請求項７】
前記フィードバック信号の前記周波数範囲は、前記電力信号の前記周波数よりも低い請求項６に記載の移植可能装置。
【請求項８】
前記フィードバック回路は、スイッチを含み、前記スイッチは、前記フィードバック信号を受け取り、前記フィードバック信号が高レベルにパルス化されている間は閉じて前記ＬＣタンク回路を短絡し、前記フィードバック信号を前記ＬＣタンク回路上に重畳するように前記ＬＣタンク回路に結合される請求項２に記載の移植可能装置。
【請求項９】
第１および第２のダイオードであって、前記第１のダイオードは、前記ＬＣタンク回路の第１の端子に結合され、前記第２のダイオードは、前記ＬＣタンク回路の第２の端子に結合され、前記第１および第２のダイオードは、共に前記負荷発生装置の正の端子に向けられた順方向バイアスを有する前記第１および第２のダイオードと、
導電端子がそれぞれ、前記ＬＣタンク回路の前記第１の端子と前記負荷発生装置の負の端子との間、ならびに前記ＬＣタンク回路の前記第２の端子と前記負荷発生装置の負の端子との間に結合された第１および第２のトランジスタスイッチとを含む整流器を更に含み、
前記第１および第２のトランジスタスイッチは、スイッチとして働き、それぞれ前記フィードバック信号をゲートで受け取り、前記第１および第２のトランジスタスイッチは、前記フィードバック信号中の前記パルスによって作動させられる請求項８に記載の移植可能装置。
【請求項１０】
動作用に外部電源からの電力を必要とする移植可能装置であって、
前記外部電源から電力信号を受け取るＬＣタンク回路と、
前記電力信号を整流する整流器と、
前記整流された電力信号が供給される負荷発生装置と、
前記負荷発生装置へ供給された前記電力の負荷電圧レベルを感知し、一連のパルスを含むパルス化されたフィードバック信号を生成する電圧周波数変換器であって、前記パルスの周波数は、前記負荷電圧レベルを示すように生成される電圧周波数変換器と、
前記外部電源へ伝達するために前記パルス化されたフィードバック信号を前記ＬＣタンク回路上に重畳させるスイッチとを備えた移植可能装置。
【請求項１１】
前記整流器および前記スイッチは、共通の構成要素を使用する請求項１０に記載の移植可能装置。
【請求項１２】
前記電圧周波数変換器は、
前記負荷電圧レベルを受け取り、前記負荷電圧レベルを基準電圧と比較し、前記負荷電圧レベルを示す差信号を生成する誤差増幅器と、
前記差信号を受け取り、前記フィードバック信号を生成する制御器とを備えた請求項１０に記載の移植可能装置。
【請求項１３】
前記パルスは、中心周波数を有する特定の範囲内の周波数で生成され、前記中心周波数は、前記負荷電圧レベルが所望のレベルであり、前記外部電源が供給している電力量の調整は不要であることを示唆し、一方、前記中心周波数の上下の周波数は、前記外部電源が供給している電力量を調整して前記負荷電圧レベルを前記所望のレベルに戻す必要があることを示唆する請求項１０に記載の移植可能装置。
【請求項１４】
前記フィードバック信号の前記周波数範囲は、前記電力信号の周波数とは異なるので、前記外部電源において、前記電力信号は、前記フィードバック信号を抽出するためにフィルタ処理することができる請求項１３に記載の移植可能装置。
【請求項１５】
前記整流器は、
第１および第２のダイオードであって、前記第１のダイオードは、前記ＬＣタンク回路の第１の端子に結合され、前記第２のダイオードは、前記ＬＣタンク回路の第２の端子に結合され、前記第１および第２のダイオードは、共に前記負荷発生装置の正の端子に向けられた順方向バイアスを有する前記第１および第２のダイオードと、
導電端子がそれぞれ、前記ＬＣタンク回路の前記第１の端子と前記負荷発生装置の負の端子との間、ならびに前記ＬＣタンク回路の前記第２の端子と前記負荷発生装置の負の端子との間に結合された第１および第２のトランジスタスイッチとを含む整流器を含み、
前記第１および第２のトランジスタスイッチは、スイッチとして働き、それぞれ前記フィードバック信号をゲートで受け取り、前記第１および第２のトランジスタスイッチは、前記フィードバック信号中の前記パルスによって作動させられる請求項１０に記載の移植可能装置。
【請求項１６】
経皮的エネルギー転送を用いた医療装置であって、
電力駆動器および一次側ＬＣタンク回路を有する外部電源とを備え、
動作用に外部電源からの電力を必要とする移植可能装置と、
前記外部電源から電力を受け取る二次側ＬＣタンク回路と、
前記受け取られた電力が供給される負荷発生装置と、
前記負荷発生装置へ供給された前記電力の負荷電圧レベルを感知し、前記負荷電圧レベルを示すフィードバック信号を生成し、前記外部電源へ伝達するために前記フィードバック信号を前記二次側ＬＣタンク回路上に重畳させるフィードバック回路とを備えた医療装置。
【請求項１７】
前記フィードバック信号は、周波数が前記負荷電圧レベルを示すように生成される一連のパルスを含む請求項１６に記載の医療装置。
【請求項１８】
前記電力駆動器は、
前記移植可能装置から伝達された前記フィードバック信号を感知するセンサと、
前記センサによって感知された前記フィードバック信号を受け取り、前記フィードバック信号中の前記パルスの周波数を判定し、前記パルスの周波数を示す電圧信号を生成する復号器と、
前記電圧信号を受け取り、前記移植可能装置へ所望の量のエネルギーを転送する電力信号を生成するパルス幅変調器および駆動器とを備えた請求項１７に記載の医療装置。
【請求項１９】
前記電力信号は、デューティーサイクルが前記移植装置へ転送されるエネルギーの量を変化させる方形パルスである請求項１８に記載の医療装置。
【請求項２０】
前記フィードバック信号の前記周波数範囲は、前記電力信号の周波数とは異なるので、前記外部電源において、前記電力信号は、前記フィードバック信号を抽出するためにフィルタ処理することができる請求項１９に記載の医療装置。
【請求項２１】
前記電力駆動器は、前記電力信号の電圧成分および電流成分を監視して、前記信号成分が理想的なタイミング関係を有するように前記電力信号を調整する同調回路を更に含む請求項１８に記載の医療装置。
【請求項２２】
前記フィードバック回路は、
前記負荷電圧レベルを受け取り、前記負荷電圧レベルを基準電圧と比較し、前記負荷電圧レベルを示す差信号を生成する誤差増幅器と、
前記差信号を受け取り、前記フィードバック信号を生成する制御器とを備えた請求項１７に記載の医療装置。
【請求項２３】
前記フィードバック回路は、スイッチを含み、前記スイッチは、前記フィードバック信号を受け取り、前記フィードバック信号が高レベルにパルス化されている間は閉じて前記二次側ＬＣタンク回路を短絡し、前記フィードバック信号を前記二次側ＬＣタンク回路上に重畳するように前記二次側ＬＣタンク回路に結合されている請求項１７に記載の医療装置。
【請求項２４】
第１および第２のダイオードであって、前記第１のダイオードは、前記二次側ＬＣタンク回路の第１の端子に結合され、前記第２のダイオードは、前記二次側ＬＣタンク回路の第２の端子に結合され、前記第１および第２のダイオードは、共に前記負荷発生装置の正の端子に向けられた順方向バイアスを有する前記第１および第２のダイオードと、
導電端子がそれぞれ、前記二次側ＬＣタンク回路の前記第１の端子と前記負荷発生装置の負の端子との間、ならびに前記二次側ＬＣタンク回路の前記第２の端子と前記負荷発生装置の負の端子との間に結合された第１および第２のトランジスタスイッチとを含む整流器を更に含み、
前記第１および第２のトランジスタスイッチは、スイッチとして働き、それぞれ前記フィードバック信号をゲートで受け取り、前記第１および第２のトランジスタスイッチは、前記フィードバック信号中の前記パルスによって作動させられる請求項２３に記載の医療装置。
【請求項２５】
電源と、
電力信号を生成するためのパルス幅変調器および駆動器と、
電気エネルギーを送信するためのＬＣタンク回路と、
前記ＬＣタンク回路を介して移植可能装置によって供給される、負荷電圧レベルを示すフィードバック信号を感知するセンサとを備え、
前記フィードバック信号に応答して前記移植可能装置へ供給される電力の量を変化させる、動作用に外部電源からの電力を必要とする移植可能装置用の外部電源。
【請求項２６】
前記フィードバック信号は、周波数が前記負荷電圧レベルを示すように生成される一連のパルスを含む請求項２５に記載の外部電源。
【請求項２７】
前記センサによって感知された前記フィードバック信号を受け取り、前記フィードバック信号中の前記パルスの周波数を判定し、前記パルス幅変調器および駆動器によって受け取られ、前記パルスの周波数を示す電圧信号を生成する復号器を更に含む請求項２６に記載の外部電源。
【請求項２８】
前記電力信号は、デューティーサイクルが前記移植装置へ転送されるエネルギーの量を変化させる方形パルスである請求項２６に記載の外部電源。
【請求項２９】
前記フィードバック信号の前記周波数範囲は、前記電力信号の周波数とは異なるので、前記電力信号は、前記フィードバック信号を抽出するためにフィルタ処理することができる請求項２８に記載の外部電源。
【請求項３０】
前記電力信号の電圧成分および電流成分を監視して、前記信号成分が理想的なタイミング関係を有するように前記電力信号を調整する同調回路を更に含む請求項２５に記載の外部電源。
【請求項３１】
前記ＬＣタンク回路中の電流の変化率を感知する回路を更に含み、前記フィードバック信号は、前記ＬＣタンク回路中の電流の変化率を示す信号を更に含む請求項２６に記載の外部電源。
【請求項３２】
前記ＬＣタンク回路中の電流の変化率を感知する回路は、自らの中を流れ前記ＬＣタンク回路中の電流を示す電流を受け取り、自らの上に前記ＬＣタンク回路中の電流の変化率を示す電圧を有するコンデンサを含むＲ-Ｃ回路である請求項３１に記載の外部電源。
【請求項３３】
動作用に外部電源からの電力を必要とする移植可能装置であって、
前記外部電源から電力を受け取るＬＣタンク回路と、
前記受け取られた電力が供給される負荷発生装置と、
状態を感知し、前記状態を示す信号を生成し、前記外部電源へ伝達するために前記信号を前記ＬＣタンク回路上に重畳させる回路とを備えた移植可能装置。
【請求項３４】
前記信号は、１つもしくは複数のパルスを含む請求項３３に記載の移植可能装置。
【請求項３５】
前記負荷発生装置は、血液ポンプである請求項３４に記載の移植可能装置。
【請求項３６】
前記感知される状態は、前記血液ポンプが動作中であるのか、故障中であるのかに関する請求項３５に記載の移植可能装置。
【請求項３７】
前記感知される状態は、前記血液ポンプが主部品で動作しているのか、重複部品で動作しているのかに関する請求項３５に記載の移植可能装置。
【請求項３８】
前記感知される状態は、内臓電池の充電状態である請求項３４に記載の移植可能装置。
【請求項３９】
前記回路は、スイッチを含み、前記スイッチは、前記信号を受け取り、前記信号が高レベルにパルス化されている間は閉じて前記ＬＣタンク回路を短絡し、前記信号を前記ＬＣタンク回路上に重畳するように、前記ＬＣタンク回路に結合される請求項３４に記載の移植可能装置。
【請求項４０】
第１および第２のダイオードであって、前記第１のダイオードは、前記ＬＣタンク回路の第１の端子に結合され、前記第２のダイオードは、前記ＬＣタンク回路の第２の端子に結合され、前記第１および第２のダイオードは、共に前記負荷発生装置の正の端子に向けられた順方向バイアスを有する前記第１および第２のダイオードと、
導電端子がそれぞれ、前記ＬＣタンク回路の前記第１の端子と前記負荷発生装置の負の端子との間、ならびに前記ＬＣタンク回路の前記第２の端子と前記負荷発生装置の負の端子との間に結合された第１および第２のトランジスタスイッチとを含む整流器を更に含み、
前記第１および第２のトランジスタスイッチは、スイッチとして働き、それぞれ前記信号をゲートで受け取り、前記第１および第２のトランジスタスイッチは、前記信号中の前記パルスによって作動させられる請求項３４に記載の移植可能装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人体外部の電源装置から人体内に配置された移植医療装置へエネルギーの転送を要求する装置に関し、より詳細には、例えば、電源装置によって供給された電力を安定化するための、移植医療装置から電源装置への情報の送信に関する。
【背景技術】
【０００２】
経皮的エネルギー転送装置(ＴＥＴＳ)は、電気エネルギーを外部電源装置から移植医療装置へ、患者の皮膚を介して転送するための手段を提供する。典型的なＴＥＴＳにおいては、エネルギーは、外部電源装置内に配置された外部コイルを、移植医療装置に付随した内部コイルと磁気的に結合させることによって転送される。
【０００３】
外部電源より電力を受け取る移植装置は、通常、特定の動作範囲内の負荷電圧を要求する。例えば、移植血液ポンプは、１２ボルト以上で、１５ボルト以下の負荷電圧を要求する。外部電源装置は、したがって、負荷電圧が特定の動作範囲内に留まるように、適量のエネルギーを移植装置へ供給する必要がある。任意時刻の負荷電圧レベルは、外部電源装置から転送されるエネルギーの量、外部コイルと内部コイルとの間の磁気結合の効率、および移植医療装置によって課せられた負荷によって決定される。内部コイルに対する外部コイルの位置決めは、磁気結合の効率に影響し、もし磁気結合が最適でない場合、外部電源装置は、負荷電圧を特定の動作範囲内に維持するために、より多くのエネルギーを伝送する必要があるであろう。磁気結合の効率はまた、例えば、患者の動きが、内部コイルに対する外部コイルの位置の変化を招くので、もしくは、電磁結合に干渉する電磁信号の存在のために、経時変化する。もちろん、移植装置の動作の変動も発生し、したがって、医療装置によって課せられた負荷は、経時変化する。
【０００４】
負荷電圧レベルを安定化するために、現下の負荷電圧レベルを示すフィードバック信号は、移植装置から外部電源装置へ伝達される。このフィードバック情報を提供する既知の１つの方法は、移植装置から外部電源への無線周波数(ＲＦ)信号の送信に係わり、ＲＦ送信機および受信機を必要とする。既知の別の方法は、フィードバック情報を有する赤外線信号の、患者の皮膚を介した送信に係わる。更に別の方法は、フィードバック信号を移植装置から外部電源装置へ伝送するために、電力転送コイルに加えて、外部装置および移植装置にコイルを付加するものである。
【０００５】
負荷電圧レベルを安定化するために送信されるフィードバック情報に加えて、他の情報も移植医療装置から送信することができる。例えば、送信することができる他の情報は、テレメトリあるいは、血液ポンプが負荷発生装置である場合の、ポンプが適切に動作しているか、それとも故障しているかの通知、内部電池がフル充電されているか否かの通知、もしくはポンプが主部品で動作しているのか、それとも重複部品で動作しているのかの通知などの他の論理情報を含むことができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、１つの全般的な態様において、電力が外部電源から移植医療装置へ転送される際の介在コイルと同一のコイルを使用して、該移植医療装置から該外部電源へフィードバック情報を供給する医療用ＴＥＴＳを特徴付ける。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの態様において、動作用に外部電源を必要とする移植可能装置は、外部電源から電力を受け取り、該電力を負荷発生装置へ供給するインダクタ‐コンデンサ(ＬＣ)タンク回路を有する。フィードバック回路は、負荷発生装置へ供給された電力の負荷電圧レベルを感知し、負荷電圧レベルを示すフィードバック信号を生成する。該フィードバック信号は、ＬＣタンク回路上に重畳されて外部電源へ伝達される。
【０００８】
該フィードバック信号は、１つの実施において、負荷電圧レベルを示す可変周波数の一連のパルスを含む。該パルスは、例えば、１kHzの中心周波数を有する特定の範囲内の可変周波数で発生することができる。該中心周波数は、負荷電圧レベルが所望のレベルであり、外部電源が供給している電力量の調整は不要であることを示唆することができ、一方、前記中心周波数の上下の周波数は、外部電源が供給している電力量を調整して負荷電圧レベルを所望のレベルに戻す必要があることを示唆することができる。
【０００９】
フィードバック回路は、電圧周波数変換器を含むことができる。電圧周波数変換器は、負荷電圧レベルを基準電圧と比較し差信号を生成する誤差増幅器と、該差信号を受け取りフィードバック信号を生成する制御器とを含むことができる。フィードバック回路はまた、スイッチを含み、スイッチは、フィードバック信号を受け取り、フィードバック信号が高レベルにパルス化されている間は閉じてＬＣタンク回路を短絡し、フィードバック信号をＬＣタンク回路上に重畳するようにＬＣタンク回路に結合される。
【００１０】
移植医療装置はまた、負荷発生装置の正の端子に向けられた順方向バイアスを持つ第１および第２のダイオードを有する整流器を含むことができる。第１のダイオードは、ＬＣタンク回路の第１の端子へ結合することができ、第２のダイオードは、ＬＣタンク回路の第２の端子へ結合することができる。該整流器はまた、導電端子がそれぞれ、ＬＣタンク回路の前記第１の端子と負荷発生装置の負の端子との間、ならびに前記ＬＣタンク回路の第２の端子と負荷発生装置の負の端子との間に結合された第１および第２のトランジスタスイッチを含むことができる。第１および第２のトランジスタスイッチは、スイッチとして働き、それぞれフィードバック信号をゲートで受け取り、フィードバック信号中のパルスによって作動させられる。
【００１１】
別の態様において、本発明は、移植可能装置用の外部電源を特徴付ける。電源が提供される。パルス幅変調器および駆動器は、ＬＣタンク回路を介して送信される電力信号を生成する。センサは、ＬＣタンク回路を介して移植可能装置によって供給される、負荷電圧レベルを示すフィードバック信号を感知する。外部電源は、フィードバック信号に応答して、移植可能装置へ供給される電力の量を変化させる。
【００１２】
外部電源はまた、センサによって感知されたフィードバック信号を受け取り、フィードバック信号中のパルスの周波数を判定し、フィードバック信号パルスの周波数を示す電圧信号を生成する復号器を含む。外部電源によって感知されたフィードバック信号は、上記に説明したように、周波数が負荷電圧レベルを示すように生成される一連のパルスを含む。電力信号は、デューティーサイクルが移植装置へ転送されるエネルギーの量を変化させる方形パルスとすることができる。フィードバック信号の周波数範囲は、外部電源によって生成された電力信号の周波数とは異なるようにしてもよいので、外部電源において、電力信号は、フィードバック信号を抽出するためにフィルタ処理することができる。外部電源はまた、電力信号の電圧成分および電流成分を監視して、信号成分が理想的なタイミング関係を有するように電力信号を調整する同調回路を含むことができる。
【００１３】
別の実施の形態において、外部電源はまた、一次コイル中の電流の変化率を感知する回路を含むことができる。この実施の形態において、フィードバック信号は、上記に説明したタイプのパルス化されたフィードバック信号に加えて、ＬＣタンク回路中の電流の変化率を示す別の信号を含む。コイル中の電流の変化率を感知する回路は、自らの中を流れ、コイル中の電流を示す電流を受け取る抵抗-コンデンサ(Ｒ-Ｃ)回路とすることができる。該Ｒ-Ｃ回路は、自らの上に前記ＬＣタンク回路中の電流の変化率を示す電圧を有するコンデンサを含む。
【００１４】
更なる態様において、本発明は、経皮的エネルギー転送を有する医療装置を特徴付ける。該医療装置は、電力駆動器およびＬＣタンク回路一次コイルを有する外部電源を含む。移植可能装置は、動作用に外部電源からの電力を必要とする。移植可能装置はまた、外部電源から電力を受け取るＬＣタンク回路と、受け取られた電力が供給される負荷発生装置とを含む。移植可能装置中のフィードバック回路は、負荷発生装置へ供給された電力の負荷電圧レベルを感知し、負荷電圧レベルを示すフィードバック信号を生成し、外部電源へ伝達するためにフィードバック信号を移植可能装置のＬＣタンク回路上に重畳させる。
【００１５】
医療装置の外部電源は、移植可能装置から伝達されたフィードバック信号を感知するセンサを含むことができる。外部電源はまた、センサによって感知されたフィードバック信号を受け取り、フィードバック信号中のパルスの周波数を判定し、パルスの周波数を示す電圧信号を生成する復号器を含む。電圧信号を受け取り、移植可能装置へ所望の量のエネルギーを転送する電力信号を生成するパルス幅変調器および駆動器も含むことができる。外部電源はまた、電力信号の電圧成分および電流成分を監視して、信号成分が理想的なタイミング関係を有するように電力信号を調整する同調回路を含むことができる。
【００１６】
フィードバック信号は、周波数が前記負荷電圧レベルを示すように生成される一連のパルスを含むことができる。電力信号は、デューティーサイクルが移植可能装置へ転送されるエネルギーの量を変化させる方形パルスとすることができる。フィードバック信号の周波数範囲は、外部電源によって生成された電力信号の周波数とは異なるようにしてもよいので、外部電源において、電力信号は、フィードバック信号を抽出するためにフィルタ処理することができる。医療装置は、負荷電圧レベルを受け取り、負荷電圧レベルを基準電圧と比較し、負荷電圧レベルを示す差信号を生成する誤差増幅器を有するフィードバック回路を含むことができる。差信号を受け取り、フィードバック信号を生成する制御器も含むことができる。
【００１７】
医療装置の移植可能装置は、フィードバック信号を受け取り、フィードバック信号が高レベルにパルス化されている間は閉じてＬＣタンク回路を短絡し、フィードバック信号をＬＣタンク回路上に重畳するようにＬＣタンク回路に結合されているスイッチを含むフィードバック回路を更に含むことができる。移植可能装置は、負荷発生装置の正の端子に向けられた順方向バイアスを持つ第１および第２のダイオードを有する整流器を更に含むことができる。第１のダイオードは、ＬＣタンク回路の第１の端子へ結合することができ、第２のダイオードは、ＬＣタンク回路の第２の端子へ結合することができる。該整流器はまた、導電端子がそれぞれ、ＬＣタンク回路の第１の端子と負荷発生装置の負の端子との間、ならびにＬＣタンク回路の第２の端子と負荷発生装置の負の端子との間に結合された第１および第２のトランジスタスイッチを含むことができる。第１および第２のトランジスタスイッチは、スイッチとして働き、それぞれフィードバック信号をゲートで受け取り、フィードバック信号中のパルスによって作動させられる。
【００１８】
別の態様において、本発明は、動作用に外部電源からの電力を必要とする移植可能装置を提供する。移植可能装置は、外部電源から電力を受け取るＬＣタンク回路と、受け取られた電力が供給される負荷発生装置とを有する。移植可能装置中の回路は、状態を感知し、該状態を示す信号を生成し、外部電源へ伝達するために該信号をＬＣタンク回路上に重畳させる。
【００１９】
いろいろな実施の形態において、ＬＣタンク回路上に重畳される信号は、１つもしくは複数のパルスとすることが可能である。負荷発生装置は、例えば、血液ポンプであってもよく、その場合感知される状態は、血液ポンプは動作中なのかもしくは故障中であるのか、あるいは血液ポンプは主部品で動作しているのか、それとも重複部品で動作しているのかに関するものであってもよい。血液ポンプの実施例もしくは他の実施例において、感知される状態は、内臓電池の充電状態であってもよい。移植可能装置中の信号生成回路は、負荷電圧情報のフィードバックの場合と同様に、信号を受け取り、信号が高レベルにパルス化されている間は閉じてＬＣタンク回路を短絡し、信号を前記ＬＣタンク回路上に重畳するようにＬＣタンク回路に結合されるスイッチを含むことができる。移植可能装置はまた、整流器機能およびスイッチ機能の両方を実行する上記に説明した回路を含むことができる。
【００２０】
本発明の１つまたは複数の実施の形態が添付図面および以下の記述の中に詳細に説明されている。本発明の他の特徴、目的、および利点は、記述および図面から、また請求の範囲から明白であろう。
【００２１】
いろいろな図面中の同一参照記号は、同一構成要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１に示す、本発明による医療装置5は、移植装置20および、具体的には、移植装置20の一部分である、血液ポンプなどの負荷発生装置55に電力を供給する外部電源装置10を含む。外部装置10は、エネルギー転送が患者の皮膚8を介して経皮的に発生するように、移植装置20内の二次コイル45に隣接して配置することができる一次コイル40を有する。移植装置20は、同一の二次コイル45および一次コイル40を介してフィードバック信号を外部装置10に供給し、二次コイル45および一次コイル40間で移植装置20へのエネルギー転送が発生する。外部装置10は、フィードバック信号を使用して、移植装置20に転送されるエネルギーの量を制御することにより、装置55における負荷電圧(ＶLOAD)を安定化する。この制御は、例えば、装置55の負荷変動および一次コイル40と二次コイル45との間の磁気結合の効率の変化に起因するエネルギー転送効率の変化に適応する。
【００２３】
外部装置10は、一次電源25を含む。一次電源25は、ＤＣ信号を生成するためのＤＣ電池を含むことができるか、電力線からＡＣ信号を受け取り、該信号を整流してＤＣ信号を生成することができるか、もしくはＤＣ電池および電力線からＡＣ信号を受け取る能力の両方を有することができる。１つの実施における電源25は、従来と同様に、電力駆動器30にＤＣ信号を供給する。この実施において、電力駆動器30は、従来のパルス幅変調器(ＰＷＭ)ならびに可変デューティーサイクルおよび固定周波数、例えば、１６０kHzの出力電圧を有する電力信号を従来と同様に生成する駆動器35を含む。電力信号の出力電圧のデューティーサイクルは、後述するように、誤差信号ＶEによって決定される。
【００２４】
電力信号は、一次コイル40およびコンデンサＣ1を通って流れる電流Ｉ1を有する。一次コイル40およびコンデンサＣ1は、従来のＬＣタンク回路を形成する。ＬＣタンク回路は、共振周波数が、一次コイル40のインダクタンスおよびコンデンサＣ1のキャパシタンスによって設定される共振回路である。ＬＣタンク回路の共振周波数が、電力信号の周波数に等しい実施例において、電流Ｉ1は、一般的に、サイン波の形状である。
【００２５】
一次コイル40は、患者の皮膚8に隣接して位置決めされ、一次コイル40および二次コイル45が、磁気結合するように患者の皮膚8のすぐ下に配置された二次コイル45と並べられる。一次コイル40を通って流れる時間依存性の電流Ｉ1は、二次コイル45およびコンデンサＣ2を通って流れる、対応する時間依存性の電流Ｉ2を誘起する。二次コイル45およびコンデンサＣ2は、外部装置10上の一次コイル40およびコンデンサＣ1と同様なＬＣタンク回路を形成する。整流器50は、通常時開放スイッチ65が開放されているとき、電流Ｉ2を受け取り、負荷発生装置55用電力のＤＣ源を供給する。
【００２６】
負荷発生装置55における負荷電圧(ＶLOAD)を安定化するために、移植装置20は、フィードバック信号を外部装置10に伝達してＶLOADのレベルを通知する。上記に説明したように、例えば、装置55が、より多くの電流を引き込むとき、もしくは二次コイル45に対する一次コイル40の位置決めが若干変化して結合効率の変化を引き起こすとき、ＶLOADは、変動もしくは降下する恐れがある。電圧周波数(Ｖ-Ｆ)変換器60は、ＶLOADのレベルを監視するためにＶLOADの両端に接続された２つの入力61および62を有する。Ｖ-Ｆ変換器60は、その出力63において、ＶLOADのレベルを通知するフィードバック信号(ＶFB)を生成する。
【００２７】
この実施において、フィードバック信号ＶFBは、簡単なパルスのストリームであり、その周波数は、ＶLOADの変化と共に変動する。例えば、ＶLOADのレベルがより高くなると、フィードバック信号ＶFB中に、より低い周波数で発生するパルスのストリームをもたらし、一方、ＶLOADのレベルがより低くなると、フィードバック信号ＶFB中に、より高い周波数で発生するパルスのストリームをもたらす。フィードバック信号ＶFB中のパルスの周波数は、特定の中心周波数、例えば、１つの実施における１kHzなどに集中させることができ、負荷電圧ＶLOADの調整をする必要がないことを示す。パルスの周波数は、例えば、０.８kHzから１.３kHzに亘ることができる。周波数の範囲は、後で明らかになる理由により、通常、コイル40および45を通って流れる時間依存性の電流Ｉ1およびＩ2の周波数よりも低い。
【００２８】
Ｖ-Ｆ変換器60は、フィードバック信号ＶFBを通常時開放スイッチ65へ供給する。フィードバック信号ＶFBの各パルスは、スイッチ65に、該パルスの期間閉じさせる。スイッチ65を閉じることにより、二次コイル45およびコンデンサＣ1からなるＬＣタンク回路が短絡される、すなわち、二次コイル45およびコンデンサＣ2の直列結合の両端のノードが共通ノードに接続される。こうしてＬＣタンク回路を短絡することで、電流Ｉ2中のパルスが、二次コイル45の両端に発生する。コイル45とコイル40との間の結合により、一次コイル40中の電流Ｉ1は、二次コイル45中の電圧に関係付けられる。ＬＣタンク回路を短絡することによる、二次コイル45中の電圧の降下は、一次コイル中の電流Ｉ1を減少させる。したがって、二次コイル45中に発生したパルスは、電流Ｉ1中の対応パルスを一次コイル40の両端に誘起する。このように、フィードバック信号ＶFBに含まれたフィードバック情報は、電力が外部装置10から移植装置20へ転送される同一のコイル40および45を通して、移植装置20から外部装置10へ転送される。
【００２９】
外部装置10において、電流センサ/復調器70は、一次コイル40中の電流Ｉ1を感知する。電流Ｉ1は、２つの成分を含む。すなわち、1)ＰＷＭおよび駆動器35によって生成された電力信号、および2)フィードバック信号ＶFBに応答してスイッチ65を閉じることに起因するフィードバックパルスである。電流センサ/復調器70は、電流Ｉ1からフィードバックパルスを抽出する。電流センサ/復調器70はまた、フィードバックパルスを処理し、ＰＷＭおよび駆動器35に供給される誤差信号ＶEを生成する。誤差信号ＶEは、負荷電圧ＶLOADが降下すべきときには、電圧レベルが低下し、負荷電圧ＶLOADが上昇すべきときには、電圧レベルが高くなる信号であってもよい。誤差信号ＶEに基づいて、ＰＷＭおよび駆動器35は、自らが生成する電力信号のデューティーサイクルを変化させて、移植装置20へ転送されるエネルギーの量を変更する。例えば、もし誤差信号ＶEが、ＶLOADが低すぎることを示唆すると、ＰＷＭおよび駆動器35によって生成された電力信号のデューティーサイクルを増大させ、エネルギー転送量を増やすことにより、ＶLOADのレベルを上げる。反対に、もしＶLOADが高すぎると、電力信号のデューティーサイクルを減少させてＶLOADのレベルを下げる。ＰＷＭおよび駆動器35によって生成される電力信号のデューティーサイクルを変化させることにより、ＶLOADは、調整され、特定の動作範囲内に留まる。
【００３０】
図２は、図１に示した移植装置20の実施の形態の詳細を示す。図１に示した整流器50の機能は、図２では、ツェナーダイオード102および104、ならびに金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(ＭＯＳＦＥＴ)106および108によって実行される。例えば、コイル電流Ｉ2が正のときは、電流は、ダイオード102を通って負荷発生装置55の正の端子(＋)へ流れるが、ＭＯＳＦＥＴ106がオフであるために、負の端子(−)へは流れない。負の端子(−)からの電流帰還経路は、ＭＯＳＦＥＴ108であるが、これは、正のコイル電流Ｉ2がＭＯＳＦＥＴ108の駆動器112の入力における電圧レベルを上げることによりＭＯＳＦＥＴ108がオンになるので、可能となる。コイル電流Ｉ2が負のときは、電流は、ダイオード104を通って正の端子(＋)へ流れるが、ＭＯＳＦＥＴ108がオフであるために、負の端子(−)へは流れない。負の端子(−)からの電流帰還経路は、ＭＯＳＦＥＴ106であるが、これは、負のコイル電流Ｉ2がＭＯＳＦＥＴ106の駆動器110の入力における電圧レベルを上げることによりＭＯＳＦＥＴ106がオンになるので、可能となる。このように、時間依存性の電流Ｉ2は、整流されて医療装置55のＤＣ電力源を生成する。
【００３１】
負荷電圧ＶLOADを監視するために、この実施におけるＶ-Ｆ変換器60は、従来の誤差増幅器66を含む。誤差増幅器66は、ＶLOADと基準電圧との間の差を測定し、プログラムされたマイクロコントローラ64へ、ＶLOADと基準電圧との間の差に対応した差信号ＶDIFFを供給する。負荷発生装置55が１４ボルトの目標ＶLOADを有する実施例において、差信号ＶDIFFは、拡大縮小およびシフトされた後、１０ボルトなどの低いＶLOADに対する０ボルトから２０ボルトなどの高いＶLOADに対する５ボルトの範囲にある。マイクロコントローラ64は、負荷電圧ＶLOADの現下のレベルに関する情報を含む、受け取った差信号ＶDIFFを処理し、応答して、同じく負荷電圧ＶLOADの現下のレベルに関する情報を含む、前に説明したパルス化されたフィードバック信号ＶFBを生成するようにプログラムされている。
【００３２】
図２において、ＭＯＳＦＥＴ106および108は、スイッチとして動作することにより、図１に示したスイッチ65の機能を実行する。フィードバック信号ＶFBは、コンデンサＣ3ならびにダイオード114(駆動器110用)およびダイオード116(駆動器112用)経由駆動器110および112へ供給される。コンデンサＣ3は、ＶFBのＤＣ成分を排除し、パルス信号のみを手渡す。ダイオード114および116は、ＶFBが、駆動器110および112をオンにすることを可能にするが、駆動器110および112をオフにすることは阻止する。抵抗器Ｒ1およびＲ2は、駆動器110および112への電圧を制限する一方で、ＶFBがこれらの電圧に重畳することは可能にする。
【００３３】
駆動器110および112は、それぞれ、ＭＯＳＦＥＴ106および108を駆動する。駆動器110および112は、フィードバック信号ＶFBパルスが高いときは、同時にオンし、そのことが、ＭＯＳＦＥＴ106および108を同時にオンにする。ＭＯＳＦＥＴ106および108が同時にオンすると、二次コイル45およびコンデンサＣ1からなるＬＣタンク回路は、フィードバック信号ＶFBパルスが高い間短絡される。すなわち、二次コイル45およびコンデンサＣ2の直列結合の両端のノードが共通ノード118に結合される。上記のように、二次コイル45の短絡は、電流Ｉ2中にパルスを発生させ、その結果、一次コイル40を介して電流Ｉ1中に電流パルスを誘起する。このように、フィードバック信号ＶFBは、電力が外部装置10から内部装置20へ転送されるのと同一のコイル40および45を使用して、内部装置20から外部装置10へ転送される。
【００３４】
図２の実施において理解されるように、ＭＯＳＦＥＴ106および108は、整流器50の一部分として、またフィードバックパルスをコイル45に印加するスイッチ65としての二重機能を果たす。このように、スイッチ65は、整流器50の機能を補う方法で実現される。
【００３５】
図３は、図１に示した外部装置10の実施の形態の詳細を示す。一次コイル40に直列に配置された従来の電流感知コイル150は、一次コイル40を通って流れる電流Ｉ1を感知する。電流感知コイル150を通過する電流Ｉ1は、二次感知コイル152上の電流Ｉ1に比例する電圧信号(ＶSENSE)を誘起する。電流Ｉ1と同様に、二次感知コイル152上の電圧信号ＶSENSEは、２つの成分を含む。すなわち、1)ＰＷＭおよび駆動器35によって生成された電力信号、および2)フィードバックパルスである。
【００３６】
電圧信号ＶSENSEは、整流器/フィルタ155によって受け取られる。整流器/フィルタ155は、まず、電圧信号ＶSENSEを整流することにより、該信号の正の部分のみを維持する。次に、整流器/フィルタ155は、ＶSENSEからの電力信号成分をフィルタ処理することにより、フィードバック信号成分のみを残す。これは、従来の低域通過フィルタを用いて達成することができるが、フィードバック信号の周波数が、電力信号の周波数よりもかなり低いことが要求されるであろう。例えば、１つの実施において、電力信号は、１６０kHzの周波数を有し、フィードバック信号は、１kHzの中心周波数を有する。結果としての低周波数パルス信号ＶRは、こうして、移植装置20においてＶ-Ｆ変換器60によって生成されたフィードバック信号ＶFBを、外部装置10中に再生する。
【００３７】
フィードバック復号器165は、整流器/フィルタ155からフィードバック信号ＶRを受け取る。フィードバック信号ＶFBの周波数は、内部装置20の負荷電圧(ＶLOAD)の変化に応じて変調されることを、思い起こされたい。フィードバック復号器165は、パルス信号ＶRを復調することにより、電圧レベルがフィードバック信号パルスの周波数に対応する誤差信号ＶEを生成する。
【００３８】
１つの実施において、フィードバック復号器165は、まず、整流器/フィルタ155から受け取ったパルス信号ＶRを増幅し、条件付ける。次に、フィードバック復号器165中の制御器は、増幅および条件付けされたパルス信号ＶRを受け取り、デューティーサイクルが、ＶR中のパルスの周波数に対して変化する一定周波数の方形パルス信号を生成する。制御器によって生成された方形パルスは、次に、積分器によって平均値化されて誤差信号ＶEを生成する。フィードバック復号器165は、平均値化された信号ＶEをパルス幅変調器ＰＷＭ180の入力へ供給する。
【００３９】
自動同調回路175は、一次コイル40中の電流信号および電圧信号の両方を監視して、これらの信号が、お互いに関して理想的なタイミング関係を有するか否かを判定する。理想的なタイミング関係は、外部装置10での望ましくない電力消費を阻止するために必要であろう。例えば、一次コイル40中の電流信号のタイミングが、電圧信号のタイミングに対して若干遅れているときが理想的であろう。
【００４０】
１つの実施において、自動同調回路175は、一次コイル40上の電圧と電流との間のタイミング関係に関連する信号を生成するフリップフロップを含む。例えば、第１のフリップフロップは、一次コイル40中の電流信号が極性を変える、すなわち、電流信号が負から正へ、もしくは、正から負へ横断する瞬間に信号を生成することができる。同様に、第２のフリップフロップは、一次コイル40中の電圧信号が極性を変えるときに信号を生成することができる。これらのフリップフロップの出力は、次に、加算し、固定の基準と比較することができる。もし電圧信号および電流信号が、理想的なタイミング関係を持たないときは、比較器は、ＰＷＭ180によって受け取られることになる同調信号を生成することができる。この同調信号を受け取ると、ＰＷＭ180は、自らが発生する信号の周波数を調整することにより、一次コイル40中の電圧信号と電流信号との間の理想的なタイミング関係を達成することができる。
【００４１】
ＰＷＭ180は、該技術において既知の、任意の従来のＰＷＭでも、もしくは今後開発されるＰＷＭでもよい。１つの実施において、ＰＷＭ180は、フィードバック復号器165から誤差信号ＶEを受け取り、ＰＷＭ185へ送られる方形パルス信号(ＶPWM)を生成する。ＰＷＭ出力信号ＶPWMのデューティーサイクルは、ＶEに従って変化する。ＰＷＭ180の出力信号(ＶPWM)のデューティーサイクルを変化させることにより、外部装置10は、内部装置20へ転送されるエネルギーの量を制御する。１つの実施例において、ＶPWMのデューティーサイクルが５０％のときに、一次コイル40に最も大きい駆動電流Ｉ1がもたらされる。もし、誤差信号ＶEが、ＶLOADは、最適レベル未満であることを示すときは、ＰＷＭ180によって生成された信号のデューティーサイクルは、５０％まで調整できることより、内部装置20へ転送されるエネルギーの量を増大させることができる。同様に、もし誤差信号ＶEが、ＶLOADは、最適レベルを超えていることを示すときは、ＰＷＭ180によって生成された信号のデューティーサイクルは、５０％からゼロまで減少させることができる。ＰＷＭ180によって生成される信号ＶPWMのデューティーサイクルを連続的に変化させることにより、ＶLOADは、調整され、特定の動作範囲内に留まる。
【００４２】
ＰＷＭ駆動器185は、該技術において既知の、従来の任意の駆動器でも、もしくは今後開発される駆動器でもよい。駆動器185は、ＰＷＭ180の出力信号ＶPWMを受け取り、出力信号中の電流のレベルを上げる。駆動器185は、出力信号を一次コイル40およびコンデンサＣ1からなるＬＣタンク回路へ印加する。
【００４３】
要約すれば、負荷電圧ＶLOADが上昇すると、パルス化されたフィードバック信号ＶFB中のパルスの周波数は、低下する。このように、誤差信号ＶEが低下することによって、ＰＷＭ出力信号ＶPWMのデューティーサイクル、移植装置20へ転送されるエネルギーは、減少する。反対に、負荷電圧ＶLOADが低下すると、パルス化されたフィードバック信号ＶFB中のパルスの周波数は、誤差電圧ＶEと同じく上昇する。このことは、ＰＷＭ出力信号ＶPWMのデューティーサイクル、結果的に、移植装置20へ転送されるエネルギーを上昇させる。このように、負荷電圧ＶLOADは、所望の範囲内に維持される。
【００４４】
図４は、外部電源装置10に含むことが可能な回路の実施例(example circuitry)を示す。整流器/フィルタ155は、感知された電圧信号ＶSENSEを受け取る整流器190を含む。整流された、感知された電圧信号は、低域通過フィルタ192へ送られ、低域通過フィルタ192は、上記に説明したように、ＶSENSE信号中の電力信号成分を排除する。フィルタ処理され、整流されたパルス信号ＶRは、次に、フィードバック復号器165へ、特に復号器165中のマイクロコントローラ194へ送られる。マイクロコントローラ194は、１つの実施においては、周波数は一定であるが、デューティーサイクルは整流されフィルタ処理された、パルス化された信号ＶR中のパルスの周波数に対応する別のパルス化された信号ＶMCを生成するようにプログラムされている。すなわち、パルス化された信号ＶR中のパルスの周波数が低くなると、信号ＶMCのデューティーサイクルは、減少する。マイクロコントローラ出力信号ＶMCは、積分器196へ送られる。積分器196は、１つの実施の形態において、信号ＶMCをある時間に亘って平均化し、特定の時間の間に受け取られたＶMCの平均電圧レベルに対応する電圧レベルを有する出力信号ＶEを生成する。したがって、もし信号ＶMCのデューティーサイクルが高くなれば、誤差信号ＶEも同様に高くなる。
【００４５】
場合によっては、フィードバック系の応答性は、フィードバック信号中の情報のみ(したがって、マイクロコントローラ出力信号ＶMCのみ)を使用しても許容できるであろう。他の場合には、より高い応答性が望まれるかもしれない。一次コイル40を通って流れる電流Ｉ1は、装置55へ向かう負荷電流、コイル40と45との結合などの影響を受ける。このように、一次電流Ｉ1の大きさは、フィードバック情報源として信頼できない恐れがある。
【００４６】
しかし、一次電流Ｉ1の変化率は、負荷電圧ＶLOADの変化率を反映する。例えば、負荷電圧ＶLOADが急速に増加するときは、一次電流Ｉ1が急速に増加している。このように、フィードバック制御ループ中の要因として一次電流Ｉ1の差分(すなわち、変化率)を使用することが可能である。
【００４７】
この高い応答性を達成するために、抵抗器-コンデンサ(Ｒ-Ｃ)回路198を付加することができ、また、図４に示すように、整流器190の出力に接続することができる。Ｒ-Ｃ回路198は、整流された電圧信号を整流器190から受け取り、一次電流Ｉ1の変化率がより大きくなると、電圧Ｖ2は、徐々に増加する。
【００４８】
この実施において、積分器196は、マイクロコントローラ194からの信号ＶMCに加えて、Ｒ-Ｃ回路198から、Ｖ2と名づけられた別の信号を受け取る。積分器196は、両入力ＶMCおよびＶ2を加算し、信号ＶR中のフィードバックパルスの周波数(したがって、VMCのデューティーサイクル)および発生している可能性のあるI2の変化率の両方を考慮する誤差信号ＶEを生成する。このように、フィードバックの応答性は、フィードバックパルスの周波数が別の方法で可能にする応答性を超えて、増大させることができる。
【００４９】
本発明のいくつかの実施の形態を説明した。例えば、負荷電圧ＶLOAD以外の情報は、二次コイル45(図２参照)上に重畳されたパルスを使用して、移植装置から外部装置へ送信される。例えば、送信することができる他の情報として、テレメトリあるいは、血液ポンプが負荷発生装置である場合の、ポンプが適切に動作しているか、それとも故障しているかの通知、内部電池がフル充電されているか否かの通知、もしくはポンプが主部品で動作しているのか、それとも重複部品で動作しているのかの通知などの他の論理情報を挙げることができる。このような情報が、送信される場合には、異なる認識可能なパルス配列が異なる状態に対応し、したがって、外部装置が、送信されている状態を確認することができるように、符号体系を使用することができる。符号体系はまた、「スタートビット」として働くパルス配列を含むことができ、該パルス群が状態情報であることを外部装置に知らせることができる。マイクロコントローラもしくは他の回路は、移植装置内に内蔵することが可能であり(図２に示したマイクロコントローラ64と同様に)、感知された状態に関する情報を受け取り、該状態に対応したパルスを生成する。したがって、本発明の精神および範囲より乖離することなく、いろいろな変更ができることを理解されたい。したがって、他の実施の形態は、以下の請求項の範囲に入っている。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明による医療装置の実施の形態の構成図である。
【図２】図１に示す医療装置の中で使用することができる移植装置の実施の形態の、部分的に構成図で、部分的に概略図となっている図である。
【図３】図１に示す医療装置の中で使用することができる外部装置の実施の形態の構成図である。
【図４】図３の外部装置のいろいろな実施の形態の中で使用できる回路の、部分的に構成図で、部分的に概略図となっている図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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