专利名称：在热疗过程中或诱导脑低温的过程中相对于身体选择性地冷却大脑的体外血液处理设备 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及到诱导高温或低温领域用于医疗治疗和诊断目的。本发明尤其涉及到用于体外血液处理的生物医学设备，系统和方法以及用建立和维持一个升高的体温来热疗治疗癌症，艾滋病和其他疾病。
背景技术：
人体的正常体温，也被称为常温或适温，它取决于在哪个身体部位进行测量，和你在一天的什么时间进行测量以及一个人的活动水平。身体的不同部位有不同的温度。采取体腔直接测量通常略高于口腔测量，而口腔测量则略高于皮肤温度。普遍接受的平均核心体温(体内测量)为37. (TC (98.6° F)。一个典型的口腔(舌下)测量是36. 8±0. 7°C，或 98.2±1.3° F。有目的的冷却来降低体温从而建立一种低温状态的方法具有很多益处，例如，可以减缓新陈代谢过程和降低耗氧量，而降低耗氧量在心脏手术等医疗治疗中是很有益的。用热量来创建一个升高体温的方法，即热疗作为一种治疗癌症和其他疾病的手段，自古以来一直被人们认可和研究。最近，热疗已被报告在一系列条件下的治疗上有益，其中包括癌症，艾滋病毒/艾滋病，丙型肝炎，慢性炎症性疾病如溃疡性结肠炎和克罗恩病，风湿病，支气管哮喘，慢性和复发性病毒感染，以及需要解毒的病例，和单纯疱疹病毒。1975年在华盛顿召开的第一次肿瘤热疗国际大会上热疗作为治疗癌症的手段引起了全球的注意。在过去的几十年里热疗已被证明是治疗癌症的有效手段之一，无论是单独治疗或与放疗或化疗等其他治疗方法同时使用。事实上，大家已经认识到体内肿瘤细胞较正常健康的细胞对热更敏感[1，2]。实现对肿瘤细胞的杀伤作用是在40°C到44°C之间的温度。在温度高于42. 5°C到43°C时，随温度每增加1°C给予同等细胞杀死的曝光时间可减半[2]。在温度高达44°C时，高温治疗I小时后，大多数正常细胞和组织仍然保持完好[3]。诱导热疗有多种不同的方式。局部热疗可通过外部或内部的能量来源来诱导。区域热疗可以通过器官或肢体灌注或由体腔灌注来实现。全身热疗，也可用在癌细胞已经扩散到几个不同部位的患者身上。热疗的治疗效果是和在治疗过程中所达到的温度和治疗时间的长短以及细胞和组织的特性有关的。在热疗时，如果温度保持在111° F或44°C之下，正常组织一般不会被损坏。因此，尽可能提高对肿瘤的温度而控制对周围健康组织的温度为44°C或更低的温度时是很有益的。局部热疗:用局部热疗，能量来源可使肿瘤的温度被局部加热和提高。局部热疗对肿瘤附近的组织也有一定的加温。然而，很难保证在整个肿瘤被暴露在足够高的温度时不会过分加热肿瘤周围的组织。此外，如果肿瘤部位加热不够，某些癌症细胞在治疗后存活下来的话，它们会继续繁衍。区域热疗:区域热疗是高温加热身体的某些部位如器官，肢体，或体腔。它一般要结合化疗或放疗来进行。有一种方法，称为局部灌注，它通过隔离身体某部分的血液供应，使用加热装置加热这部分血液，再将加热的这部分血液泵回到原来的部位。目前正在研究这种方法在治疗手臂或腿上的某些癌症。
类似的技术正在腹腔肿瘤手术上进行测试。手术过程中，加热化疗药物通过腹腔进行传递。这就是所谓的连续腹腔热疗灌注，或叫CHPP。还有一个区域热疗的方法就是深部组织热疗。此方法使用射频或是通过放在器官或体腔表面的微波辐射装置将其所产生的高能量波定向在一个特定的区域进行治疗。全身热疗:全身热疗作为对转移性癌症患者治疗中使化疗更有效的一种方法还正在被研究。体温的提高是通过使用温水毯，电感线圈(象在电热毯上)，或热室(很像一个大孵化器)来完成的。中度全身热疗可以刺激免疫系统。通过提高核心体温至约39. 5°C (103. 1° F)引起了自然发烧，这反过来又增加了天然细胞，T辅助细胞和毒性T细胞的数量和活性。这种治疗方法也可用于与免疫系统有特殊关联的肾细胞癌，恶性黑色素瘤和特殊的淋巴瘤。这种方法也可以用于防止癌症的复发。极限全身热疗通常与化疗结合，治疗晚期或转移性癌症。身体的核心温度被提高到42°C (107.6° F)。这种方法对晚期癌症治疗很有用，尤其是对癌细胞已经转移到肝脏，骨骼或肺部等不同器官的患者。在与全身热疗结合后，化疗已被证明更为有效。化疗开始的温度在约41°C (105.8° F)。通常，当化疗与热疗相结合，可以使用非常低剂量的化疗，从而使其副作用减至最低。通过结合化疗和全身热疗，我们可以成功地治疗抗化疗的肿瘤或转移性肿瘤。热疗对艾滋病毒和艾滋病的治疗研究发现热疗在治疗艾滋病毒和艾滋病以及其他可能的其病毒或细菌对高温敏感的传染病有一些成效。一些已经完成的研究在过去十年里表明，全身热疗是一种有希望的治疗艾滋病的手段。例如，阿隆索报道了对有着散发性卡波西氏肉瘤和深度免疫损伤的29名男性和2名女性进行的一次性低流量(0. 3升/分钟)体外循环灌注热疗的长期结果[4]。抗逆转病毒治疗在热疗治疗前72小时停止,并在后续期间停止使用。他们用将体外加热血液到49°C的温度控制方法，进行体外循环灌注，从而使核心体温提高到42°C并保持一小时之久。在31例患者中，有2例因继发并发症的治疗(心律失常；中枢神经系统出血)而死亡。有两例出现血管内凝血的情况。在30天的治疗后，29名患者中有20名出现肿瘤完全或部分变小现象，在120天后的治疗后，29名患者中有14名出现肿瘤持续变小现象。在360天的治疗后，29名患者中有4名出现肿瘤变小现象而I名出现肿瘤完全消失现象(在26个月后)。这名肿瘤完全消失的患者呈现艾滋病毒的培养(culture)阴性和聚合酶链反应(PCR)阴性，而且他的CD4细胞计数也从约250上升至约800。选定病灶愈合活检表明肿瘤消失。如果患者在治疗前肿瘤活检测试显示在体外热暴露后有变小现象，患者将被选择参加治疗。对早期和中期的失败案例分析表明如果患者的总CD4细胞计数低于50，并长时间保持在如此低的水平，那么他的CD4细胞计数很少能呈现持续上升。对热疗没有反应的少数肿瘤患者的分析表明，他们的IL_6(细胞介素6)水平相比那些对热疗有反应的肿瘤患者而升高(12对比小于I皮克/毫升)。在热疗治疗120天后，31名患者中有29名仍然活着(预计为20人)。在热疗治疗360天后，31名患者中有21名仍然活着(预计为11人)。没有病人在热疗后艾滋病变得更严重。阿隆索等人注意到对那些有着严重免疫缺陷和⑶4细胞计数很低的患者来说，热疗对提高CD4细胞计数和淋巴细胞的成效并不显著，而对CD4细胞计数较高的患者(300或者更高)来说，治疗后观察，热疗对提高CD4细胞计数和淋巴细胞的成效很显著。 在阿隆索和他的同事们进行的临床试验中，他们使用低流量(0. 3升/分钟)体外循环灌注加热方式进行热疗。一个灌注导管被插入股动脉而另一个灌注导管被插入相反肢体的股静脉。血流被病人自身的动脉血压推动到一个滚压式血泵中，然后被加热块加热至490C，再被重新插入到相反肢体的股静脉中。使用血液温度计，直肠温度计和肌肉注射温度计同时监测病人的体温。Steinhart后来将热疗变成美国FDA批准的治疗艾滋病的一种手段。在第一个FDA批准的热疗试验中，Steinhart登记了六名男子，他们的⑶4计数低于200，至少三人有KS病变。参加者进行了一个一小时的40°C或42°C的全身热疗。在观察治疗期间没有发现任何不良副作用。在全身热疗后KS病变立即部分消退，但有五人一周后返回到治疗前水平。而对这五人进行加热至42°C后立即冷却的治疗，使他们的艾滋病毒RNA显著减少。也有一些相当大的研究机构，确立了艾滋病毒对温度的敏感性。艾滋病毒，和其他的包膜病毒一样对温度敏感，在一段给定的时间长度内，随着逐步增加温度至37°C以上，艾滋病毒将遭受到很大的失活[5]。Spire等人的研究表明当在温水浴呆上30分钟后，40%的艾滋病毒被灭活[6]。McDougal等人则展示了从37°C至56°C艾滋病毒被杀死的线性关系日志[7]。Marcial-Vega(马歇尔-维加)等人的研究表明，如果一个艾滋病患者两小时暴露在42°C的高温下，那么他的所有病毒(其浓度可达到800毫微克/毫升)以及所有感染的细胞将会被有效地杀死[8]。Wong等人的研究发现艾滋病感染病毒的细胞较未受感染的细胞更敏感于热损伤，而这种敏感性是由肿瘤坏死因子A所引起的。全身热疗的第二个好处是，随着体温的升高将刺激抗体的产生[9，10]。这就是为什么阿隆索的研究表明⑶4计数只有200的患者在全身热疗后⑶4有所增加的原因。基于上述的研究表明，加热或热疗是一种很有前途的治疗艾滋病的方法。虽然还没有任何报道该病毒被完全消灭的情况，但全身热疗的前期工作进展情况已经证明全身热疗有能力减缓艾滋病的进展，延长患者生命。此外，有目的研究艾滋病毒对温度敏感性的大研究机构已经表明，42°C范围内的全身热疗可有效地杀死所有病毒以及感染的细胞[8]。近年来越来越多的研究机构开始研究用全身热疗治疗丙型肝炎。在2002年荷兰肝寿基金(NLF)发起了一项临床试验，以评估全身热疗作为一种治疗丙型肝炎的方法。该试验是在乌得勒支肝病医学中心进行的。使用全身热疗治疗丙型肝炎和用全身热疗治疗艾滋病毒类似。正如上面所讨论的，在高温条件下优先杀死丙型肝炎病毒，并刺激其免疫系统，这就是热疗的第二个好处。其他疾病还应该指出的是，热疗也可以用于治疗其他疾病。任何传染病的病原体在被加热后发现有不良影响的都有可能用热疗来治疗。此外，由于免疫系统可被升高的核心体温所刺激，所以甚至是对温度不敏感的传染性疾病，热疗也是很有益处的。因此，总而言之，全身热疗可以被诱导高达约42°C的温度。当核心体温高达42°C或在一些情况下低至39°C时被发现对治疗癌症，艾滋病，丙型肝炎及其他传染病或慢性疾病是很有效的。许多研究已经开始使用热疗治疗癌症，而热疗对艾滋病毒治疗的使用是一个相当新的领域，但已显示出一些可喜的成果。热疗也被用于治疗许多慢性炎症性疾病如 溃疡性结肠炎和克罗恩病，风湿性疾病，支气管哮喘，慢性和复发性病毒感染，甚至一些需要解毒慢性炎症的情况。然而，大家都知道，无论在低温或高温的治疗过程中，大脑比身体的其他部位对温度变化更为敏感。虽然在某些情况下，大脑已被发现能够承受低达30°C的加长时间的低温治疗，即比正常体温低7°C的低温治疗。但众所周知，大脑很难抵御类似的高于正常体温的温差，甚至长时间42°C以上的高温热疗，很难做到无重大损害或没有危及生命的风险。有研究表明，当核心温度达到41°C时，人的大脑开始出现损坏。大脑的损害，以及由下丘脑引起的生理反应，是限制提高人体温度至42°C以上的关键所在。因此，在使用热疗治疗癌症，艾滋病或其他病症的过程中，保护病人的大脑免受热疗的不利影响就成为一种需要。作为例子，全身热疗系统已在下列专利中被披露，一是Sever的美国专利5817045号，题为“在一个连续的时间间隔内对至少一半活着的患者的整个血液循环供应进行体外治疗的设备和方法”，一是Kroyer等人的美国专利5074838号，题为“使用渗透剂治疗疾病的体外热疗设备和方法”。Lennox在他的美国专利7241307号，题为“管理病人体温的方法和设备”中披露了只在低温治疗下局部冷却头部的方法，例如在治疗脑损伤，中风，或在心脏骤停期间使用一个导管系统取出一部分血液，进行冷却，再重新注入这部分血液回到系统中，这种反复过程提供了有限的温度控制。如上所述，这种系统对热疗治疗将会有问题，因为加热的身体血流在泵回系统过程中会直接进入大脑，从而对大脑造成潜在的不利影响。例如，Yee在他的美国专利6669661号，题为“在全身热疗或低温治疗时对中央神经系统的保护装置和方法”中披露了一种试图解决在热疗过程中如何保护大脑和神经系统问题的系统和方法。但这种系统不仅复杂且价格昂贵，而且这个过程涉及到麻醉和中枢神经系统循环与身体其余部分的彻底分离，这给病人带来了许多相关的风险。对于加长的热疗治疗，需要避免许多极端的干预，例如，对一个有意识的病人治疗时应尽量减少其正常血液循环的受阻情况，同时应保护大脑免受温度过高的影响。因此，我们需要一种改进的体外血液循环处理设备，系统和方法，以此建立和维持热疗的诊断和治疗。
本发明的目的在于克服或至少是改善一种或多种已知设备，系统和方法的缺陷，或者至少提供一个新的选择。发明内容披露本发明一方面提供了一个高温处理方法，特点是在热疗中将颈部以下的体温提高到高于正常的核心体温，同时保持大脑的温度低于颈部以下的身体温度。我们应该优先提到的是，该方法包括通过至少一个颈动脉来体外冷却从身体到大脑的血流和通过至少一个颈静脉来体外加热从大脑到身体的血液回流,例如,通过适当的带有冷却和加热功能的体外血液循环旁路系统来进行热疗。该方法优先地提供了如何保持颈内动脉足够的血管压力，将冷却的颈动脉血流通过威利斯循环传递到由脊椎和基底动脉提供的脑血管中去。本发明另一方面提供了一种低温或高温(热疗)的治疗方法，特点是从颈部以下加热或冷却至少身体的一部分到高于或低于一个正常的核心体温，同时保持一个相对正常 的大脑温度。该方法的特点是通过颈动脉分流从心脏到大脑的血流，这需要通过一个体外血液循环旁路系统，该系统包括一个热交换器，它可以加热或冷却血流到你想要的温度，然后将加热或冷却的血流送回到颈动脉里，从而提供了一个大脑与身体其它部位的温度差。我们应该优先提到的是，该方法还包括通过颈静脉分流从大脑回流到身体的血流，通过第二个体外血液循环旁路系统，加热或冷却这部分血流到所需温度，以维持颈部以下所需的正常体温。例如，从颈下加热身体，同时冷却颈动脉血流到大脑的血流。在最好的实施中，该方法包括在一个设定的温度下保持颈下的热疗状态，同时冷却从大脑到颈动脉的血流，以维持一个正常的脑温，这样就可以使全身热疗的温度提高到42°C以上。这种方法还运用于治疗其他癌症形式的疾病，艾滋病毒感染或与艾滋病相关的病毒感染，热敏感病毒或细菌感染，并可能包括管理身体热疗状态下的化疗。如果需要，这种方法还可以提供局部冷却一部分或多部分的肺部，脊髓，睾丸和其他身体的热敏感部位和组织。本发明另一个方面还提供了一个热疗治疗系统特点是它提供了通过至少一个颈动脉将从身体流向大脑的血液进行体外冷却的方法；或选择性地通过至少一个颈静脉将从大脑流回身体的血液进行体外加热的方法；同时控制从颈动脉到大脑的血流温度，以保持在颈下全身热疗时维持一个正常的脑温的方法。本发明的另一个方面进一步提供了一个体外血液循环治疗系统特点为它是一个动脉血流旁路系统电路，这个电路具有输入手段-用来接收从身体流出的动脉血流；也具有输出手段-用来将冷却的血流重新注入颈动脉然后流向大脑；它也具有热交换手段-用来调节从旁路系统到颈动脉再流向大脑的血液的温度；同时具有泵的手段-用来控制从旁路系统到颈动脉再流向大脑的血流流速和压力；它也有传感器的手段-用来监测从旁路系统输入和输出血流的温度，流速和压力；和控制手段-用来控制从旁路系统输出到颈动脉再流向大脑的血流温度，流速和压力。我们应该优先提到的是，该系统的进一步特点为它是一个静脉血流旁路电路，这个电路具有输入手段-用来接收从大脑流出的静脉血流；也具有输出手段-用来将加热的血流重新注入到颈静脉中，然后流向身体；它也具有热交换手段-用来调节刚才提到的流向身体的颈静脉血液的温度；同时具有控制手段-进一步提供了控制输出的静脉血流到身体的血流温度。控制手段具有可操作性，它是用来建立和维持颈部以下的体温与脑温的差距，例如在预定的治疗时间内进行颈部以下的热疗同时维持正常的脑温。温度差可以在一个治疗期间内用计算机软件来调控。传感器手段是用来提供接收标志着核心体温和脑温的数据，其中控制手段是用来保持输入的动脉血流和输出到颈静脉的血流之间所需的温差，从而提供核心体温和脑温之间的所需温差。静脉旁路电路包括了一个类似的泵和传感器，用来监测和控制温度，压力和从大脑经颈内静脉回流到全身的血流。
本发明另一个方面也进一步提供了一个用于热疗的有着冷却装置的体外血液循环处理设备。它的特点为它有着一个动脉血流旁路电路，它可以接收来自身体的动 脉血流的输入和输出血流到颈动脉再传到大脑；它有着一个通过旁路电路泵回血液系统的泵；一个制冷装置和热交换装置，以冷却经过旁路电路的血流；一个温度传感器，用来监测输入和输出的血流温度；一个压力传感器，用来监测输入和输出的血流压力；一个控制装置，用来监测温度，压力和流量参数和调控温度，压力和流量，以确保输出的血流传递到动脉再到大脑的温度低于从身体输入的动脉血流温度。这种设备可进一步包括一个相应的加热装置-加热从大脑返回身体的血流，或这种设备可包括另一个冷却装置-以调节从大脑到心脏和肺部的血液温度。另外，这种设备可包括一个动脉或静脉血流旁路电路，它有一个包括加热和冷却元件的换热器，以调节输出的血流量温度更高于或更低于输入的血液温度。在一个核心体温高于44°C的热疗中，冷却一部分回流到心脏的静脉血流也许是很有利的，因为回流到心脏和肺部的静脉血流温度总是略低于颈部下面的核心体温。这样就有可能使颈部以下的大部分身体接触到更多的高温，同时保持心脏和流到肺部的血液有较低的温度，从而延缓发病的不良反应，如心脏骤停。因此，根据本发明的各个方面，此方法，系统和设备允许颈部以下的核心体温被提高并维持在这个较高的温度中，而大脑则处在较低的温度下，或最好，处在接近正常的温度下，从而使热疗治疗中允许的最高温度得以增加，或者，使治疗的持续时间得以延长。通过保持大脑温度与体温的温差，从而降低了脑损伤的风险，以及克服了由下丘脑引起的生理反应，这是提高体温超过42°C的一个主要限制。因此，举例来说，位于颈部以下的各种形式的癌症都可以用更积极的热疗来治疗，而同时大脑则维持比较正常的核心体温，或接近于正常的核心体温。因此，根据本发明的各个实施方案，此方法，系统和设备可以提供明显提高的最高治疗温度，或者显著延长的治疗时间，使病人能安全暴露在热疗下，同时减低造成严重副作用的风险。更有益的是，如果核心体温高于42°C并且保持这个温度在一个相当长的治疗时间内，而病人无不良影响，那么热疗就可以更有效地治疗，并可能治愈如癌症，艾滋病，丙型肝炎和潜在的其他疾病。另外，如果目前可以实现的核心体温，例如低于42°C，能够维持较长的时间，热疗也可能会更有效。更具体地说，该方法提供了对癌症或病毒感染或以前所列的慢性病进行从颈部以下诱导热疗的治疗。通过使用血液的体外加热，水毛毯，射频，红外线辐射，孵化器或任何其他的加热装置，人体的核心体温得以提高。最好的是，该方法包括了通过发送颈动脉血液到外部的热交换器，即热冷却系统，使大脑温度保持在一个较低的或正常的温度。这个可以通过使用一个体外泵来实现，体外泵抽取颈动脉血液，然后把它发送到一个冷却装置中，在那里血液温度被调节到接近正常的体温，如37°C，并在第二个更接近于大脑的入口点重新插入它到颈动脉中。另外，动脉血液可以从手臂或腿部的动脉抽出，例如，通过使用体外冷却系统冷却其到一个正常的温度，再重新注入它到颈内动脉，从而使低于热疗治疗温度的血液流到大脑。由于流向大脑的血液温度低于颈部以下热疗治疗所需的温度，所以在一些实施方案中，从大脑返回的血液在经过颈内静脉进入心脏时，最好加热到一个低于颈部以下体温的目标温度。加热可以通过发送血液经过第二个体外旁路系统来完成，使其加热到一个目标温度。旁路系统可能包括使用体外泵抽取颈内静脉血液，将血液送入加热装置，使其达到低于颈部以下核心温度的目标，并将其重新插入到在第一个位置下方的第二个位置的颈内静脉内。另外，也可将从颈内静脉抽出的血液重新加热到所需温度，再重新注入到手臂或腿部的静脉中。虽然安装在颈内静脉的体外加热系统，可以充分加热病人颈部以下的核心体温，但我们也可以提供更多额外的加热装置，如用热水毯子，感性毛毯或特别用于诱导全身热疗的孵化器，或其它的体外加热装置，它们能加热血液并将其重新注入到静脉中，从而导致其身体加热到目标温度，或采用如红外线或无线电波等电磁波来加热身体。由于大脑被维持在较低或正常的温度下，所以通常在全身热疗时，颈部以下的体温可提高到42°C以上，或者选择使用延长全身热疗的治疗时间。因此，这种改进的系统，设备和方法提供了在低温或高温热疗时体外血液处理所建立和维持的颈部以下的身体温度差，同时保持一个相对正常温度的大脑。特别是，在降低脑损伤和减少其他有害影响的风险的同时，热疗治疗可使用更高的温度，如42°C以上或更高和/或更长的时间，来治疗癌症，其他疾病和医疗状况。通过下面的详细说明并结合本发明首选实施方案的附图，即只是举例说明，本发明上述的和其他的对象，特点，方面和优势将变得更加明显。
简介图一是颈部和脑部的主要动脉，以及它们如何分支的示意图； 图二是威利斯循环的图示，它展示了冷却的动脉血液如何从颈内动脉流到通常由脊椎-基底动脉供应的脑部的各个部位；图三是本发明第一实施方案系统的高层次图，展示了当所有的导管被插入病人的在颈部的动脉或静脉时，如何将有着冷却和加热装置的旁路电路连接到病人身上；图四是本发明第二实施方案系统的高层次图，展示了当一个导管被插入病人的颈动脉或颈静脉时，在同一电路上的另一个导管被插入手臂的动脉或静脉中时，如何将有着冷却和加热装置的旁路电路连接到病人身上；图五显示了有着体外冷却装置的第一实施方案的设备关键部件的示意图；图六显示了有着体外加热装置的第一实施方案的设备关键部件的示意图；图七显示了在实施本发明第一优选实施方案的方法时关键参数的温度曲线。该图显示了大脑的温度(脑温)，通过体外加热装置颈静脉的血流温度和病人的核心体温；
图八显示了在实施本发明第一优选实施方案的方法时的传热参数(如图七的实施)。该图显示了怎样通过体外加热装置将流过颈内静脉的血流加热，和怎样通过体外冷却装置将流向颈动脉的动脉血液进行冷却，以及如何对周围环境进行热量散失；图九显示了在实施本发明第二优选实施方案的方法时关键参数的温度曲线。该图显示了大脑的温度(脑温)，通过体外加热装置颈静脉的血流温度和病人的核心体温，以及通过体外冷却装置流向颈动脉的动脉血液温度。在这个实施方案中动脉血被冷却至37°C以下，以确保脑温有一个相对的恒温；图十显示了在实施本发明第二优选实施方案的方法时的传热参数。该图显示了怎样通过体外加热装置将流过颈内静脉的血流加热，怎样通过体外冷却装置将流向颈动脉的动脉血液进行冷却，以及如何对周围环境进行热量散失；图十一显示了在实施本发明第三优选实施方案的方法时关键参数的温度曲线。该图显示了大脑的温度(脑温)，通过体外加热装置颈静脉的血流温度和病人的核心体温，以 及通过体外冷却装置流向颈动脉的动脉血液温度。在这个实施方案中动脉血被冷却至37°C以下，从而对大脑增强了冷却效果。两个阶段的温度曲线也可被用来利用突然降温的敏感机制；图十二显示了在实施本发明第三优选实施方案的方法时主要传热参数。该图显示了怎样通过体外加热装置将流过颈内静脉的血流加热，怎样通过体外冷却装置将流向颈动脉的动脉血液进行冷却，以及如何对周围环境进行热量散失，如何通过红外线加热灯管对病人进行加热；图十三显示了在实施本发明第四优选实施方案的方法时关键参数的温度曲线。该图显示了大脑的温度(脑温)，通过体外加热装置颈静脉的血流温度和病人的核心体温，以及通过体外冷却装置流向颈动脉的动脉血液温度。在这个实施方案中动脉血被冷却至37°C以下，从而对大脑增强了冷却效果。此外，大脑也可被冷却到低于其正常的温度；图十四显示了在实施本发明第四优选实施方案的方法时主要传热参数。该图显示了怎样通过体外加热装置将流过颈内静脉的血流加热，怎样通过体外冷却装置将流向颈动脉的动脉血液进行冷却，以及如何对周围环境进行热量散失，如何通过红外线加热灯管对病人进行加热；图十五显示了在实施本发明第五优选实施方案的方法时关键参数的温度曲线。该图显示了大脑的温度(脑温)，病人的核心体温，以及通过体外冷却装置流向颈动脉的动脉血液温度。在这个实施方案中流过颈静脉的血流不再通过体外加热装置，因此这个血流温度总是以负0. 3°C的温差跟随着大脑的温度；图十六显示了在实施本发明第五优选实施方案的方法时主要热传导参数。该图显示了怎样通过体外冷却装置将流向颈动脉的动脉血液进行冷却，如何对周围环境进行热量散失，以及如何通过温水浴对病人进行加热；图十七显示了在实施本发明第六优选实施方案的方法时关键参数的温度曲线。该图显示了大脑的温度(脑温)，病人的核心体温，以及通过体外冷却装置流向颈动脉的动脉血液温度。在这个实施方案中流过颈静脉的血流被冷却到相对较低的30°C的温度。对静脉血液的降温，优先帮助了心脏和肺部的冷却，使在保护这些重要器官的同时，可采取更高温度的治疗；
图十八显示了在实施本发明第六优选实施方案的方法时主要热传导参数。该图显示了怎样通过体外冷却装置将流向颈动脉的动脉血液进行冷却，如何对周围环境进行热量散失，以及如何通过温水浴对病人进行加热。大量的热量被附在颈内静脉的体外冷却装置删除，因为这个血流要被冷却到30°C ；图十九显示了颈内动脉和两个16规导管的横截面示意图，并显示了这个导管被插入到这个动脉上以实施体外循环电路；图二十显示了通过两个16规导管抽出的有一定流速的血液在进线和出线的压力，假设动脉压为100毫米汞柱；图二十一显示了出口导管上方的动脉压力(脑压)和固有的动脉压力(动脉压)对泵过体外旁路电路的血流体积的函数关系；图二十二显示了被颈内动脉供应到大脑的血流量与通过旁路电路的血流的函数 关系。它也显示了由于两个导管的动脉血液流动方向相反使通过进口导管进入冷却装置的动脉血温有一个突然的拐点；和图二十三显示了传热块的横截面图。优选实施方案的详细说明根据本发明的优选实施方案，本系统，仪器和方法提供了独立调节头部或脑部与身体的其他部分的温度，这样颈部以下的核心温度可上升到足以有针对性地治疗疾病，同时维持脑温接近正常温度约37°C，或者维持至少低于颈部以下热疗治疗的温度。正如将在下面详细介绍的，参考图三，四，五和六，根据本发明的优选实施方案本系统和设备提供了颈部以下的热疗，例如，以此来治疗癌症或其它感染性疾病。颈部以下的热疗是通过下面的方法来完成的。人体核心温度可以通过使用体外血液加热器，热水毛毯，孵化器，射频辐射，红外线辐射或任何其他的加热仪器来增加。由于大脑主要是由脑血流来冷却，所以它可以将通过颈内动脉的血液发送至外部热冷却系统从而保持大脑温度比人体核心温度低。它通过使用一个体外泵来抽取颈动脉血液，发送其至一个冷却装置，在那里可以将颈动脉血液调节到37°C或低于颈部以下的热疗治疗温度，并将冷却的颈动脉血液在上面取出颈动脉血液的地方重新被插入到颈动脉中。血管钳或任何其他装置，可以用来完全或部分限制血液直接流入颈动脉中，但它并非是必不可少的。另外，血液可以通过使用体外泵在容易手术的腿或手臂的动脉处取出血液，发送其通过冷却系统，然后再重新注入到颈内动脉中。这将确保供应到大脑的动脉血的温度比颈部以下的核心体温低。在具体描述本实施方案的方法，系统和设备前，解释人体热调节的关键概念，介绍头部和颈部循环系统的有关术语将是很有用的，请参考图一和图二。人体热调节如果人们在认真注意热量的产生和传热的同时考虑人体的话，我们就可以理解为什么大脑是第一个被升高的核心体温破坏的器官了。首先，清醒的成人大脑消耗大约人体总能量的百分之二十，而大脑只占身体整个重量的百分之二。在休息的状况下，神经元细胞需要比其他细胞多几千倍的能量。一个单一的中央神经元的功耗约为0. 5-4. 0nff(纳瓦)，300-2500倍多于身体细胞的平均功耗(I. 6pff)。由于神经代谢所使用的所有能源最终转化为热量，所以神经活动应同时伴随着热释放。这种新陈代谢所释放的热量不断从脑组织中消耗。如果我们进一步考虑，大脑被颅骨包裹，而它每单位重量所消耗的热量比身体平均总消耗量多十倍以上，那么似乎很少有不是通过脑血流来冷却大脑的其他机会。因此，脑循环似乎是从大脑到肺部和皮肤，然后到外部环境散热的主要手段。E. Kiyathin提供了对脑热疗在生理和病理条件下[11]很好的概述，也提供了对体内测量流入大脑的动脉血液温度和流出大脑的静脉血液温度的很好的概述。如果我们假定大脑消耗的大部分热量被脑循环所消耗，应用能源关系的基本保存，我们会期望通过颈内静脉流出大脑的静脉血流，将比通过颈动脉或脊椎动脉流入大脑的血液温度高。这一原则可以用下列公式来表示
权利要求
1.一种用于热疗治疗的方法，其特点是为治疗或诊断的目的使颈部以下身体受到一个高于正常核心体温的温度，同时保持大脑温度低于颈部以下热疗治疗温度。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，通过至少一个颈内动脉，体外冷却从身体流向大脑的血液。
3.根据权利要求2所述的方法，其进一步特征在于，通过至少一个颈内静脉，体外加热从大脑返回到身体的血液。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，提供体外动脉旁路系统来冷却从心脏通过颈内动脉流向大脑的血流。
5.根据权利要求4所述的方法，其进一步特征在于，提供一个体外旁路系统，其中通过颈内静脉从大脑回流的血液被加热回目标热疗温度。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的方法，其进一步特征在于，保持颈内动脉足够的血管压力，使传递到大脑的颈动脉的冷却血流通过威利斯循环到达椎动脉和基底动脉提供的大脑区域。
7.一种用于低温或高温治疗的方法，其特点是加热或冷却从颈部向下，至少身体的一部分到高于或低于正常体温的核心体温，同时保持大脑在一个相对正常的温度下，包括通过体外血液循环旁路系统包括热交换器来分流从心脏经过颈内动脉流向大脑的血液，力口热或冷却血流到目标温度，然后以目标温度返回血液到颈内动脉以提供一个核心体温和脑温之间的温度差。
8.根据权利要求7所述的方法，其进一步特征在于，通过第二个体外旁路系统来分流从大脑返回经过颈内静脉流向身体的血液，加热或冷却刚才提到的血流到需要的目标温度，然后以刚才提到的目标温度返回血液到静脉，以维持刚才提到的颈部以下的核心体温。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，颈部以下身体被加热到热疗状态而流向大脑的颈动脉血液被冷却。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，保持颈部以下核心体温为42°C以上的热疗状态并冷却流向大脑的颈动脉的血液以保持一个接近正常的脑温。
11.根据权利要求I至10中任一项所述的方法，其特征在于，其中正在接受治疗的疾病包括癌症的任何一种形式之一，艾滋病毒或与艾滋病有关的感染，热敏感的病毒或细菌感染。
12.根据权利要求I至11中任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括了人体在热疗状态下的化疗管理。
13.根据权利要求I至12中任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括了对肺，脊髓，睾丸和其他热敏感的一个或多个身体部位和组织进行局部冷却。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，其中冷却肺部包括用冷气通风来进行。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，其中冷却睾丸包括应用阴凉包或浸泡在清凉的液体中来进行。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，其中冷却脊髓包括沿脊柱的颈部和背部地区应用冷却方式来进行。
17.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，冷却从大脑返回的刚才所说的血液，然后运送温度调节好的血液到心脏和肺。
18.一种用于诱导脑低温的方法，其特征为，冷却从心脏经过至少一个颈动脉流向大脑的血流，同时保持颈部以下核心体温在一个相对正常的体温下。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，提供体外旁路系统来冷却从心脏经过颈内动脉流向大脑的血流。
20.根据权利要求18或19中任一项所述的方法，其进一步特征在于，保持颈内动脉足够的血管压力，从而传递冷却的颈动脉血流到大脑，通过威利斯循环，到达由椎和基底动脉供应的大脑区域。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其特征在于，冷却大脑，以减少在心脏骤停，脑震荡，或其他创伤导致的大脑缺氧或血时的脑损伤。
22.一个用于热疗治疗的系统，其特点是它对经过至少一个颈动脉从身体流向大脑的血流有体外冷却手段(100，400，600)，对到大脑的动脉血流温度有控制手段(300)，以保持颈部以下热疗的核心体温，同时保持大脑在所需的温度下。
23.根据权利要求22所述的系统，其进一步特征在于，体外加热(200，500，700)从大脑经过至少一个颈内静脉回流到身体的血液。
24.根据权利要求22至23中任一项所述的系统，其特征在于，体外冷却(100，400，600)血液的手段包括冷却装置，而冷却装置包括体外血液循环旁路电路，体外血液循环旁路电路包括一台泵(104)，一台冰箱和热交换器(108，106，103)以及温度，压力和流量传感器(110，105，111，115，112，114)，和其中以前提到的控制手段(300)用来调节目标温度，压力和从颈动脉流向大脑的血流量。
25.根据权利要求22至24中任一项所述的系统，其特征在于，体外加热(200，500，700)血液的手段包括加热装置,而加热装置包括体外血液循环旁路电路，体外血液循环旁路电路包括一台泵(104)，一个加热器和热交换器(208，106，103)，以及温度，压力和流量传感器(110，105，111，115，112，114)，和其中以前提到的控制手段(300)用来调节目标温度，压力和从颈静脉流向身体的血流量。
26.根据权利要求22所述的系统，其进一步特征在于，它有体外冷却(100)从大脑返回的经过颈内静脉到达心脏和肺部的血流的手段。
27.一种用于体外血液治疗的系统，其特点是动脉血流旁路电路有接收从身体流出的动脉血流的输入手段(101)和连结颈动脉的血液流向大脑的输出手段(102);热交换手段(103)用来调节刚才提到的流到大脑的颈动脉旁路血流的温度；泵手段(104)用来控制刚才提到的流到大脑的颈动脉血流量率；传感器手段(110，105，111，115，112，114)用来监测输入和输出血流的压力，血流量率和温度，以及控制手段(300)用来控制输出到大脑的动脉血的压力，血流量和温度。
28.根据权利要求27所述的系统，其特征在于，静脉血流旁路电路有接收从大脑流出的颈内静脉血流的输入手段(101)和连结静脉血流到身体的输出手段(102)，换热器手段(103)用来调节刚才提到的静脉血流到身体的温度；泵手段(104)用来控制刚才提到的静脉旁路血流的压力和流量；传感器手段(110，105，111，115，114)用来监测输入和输出血流的压力，血流量和温度，其中刚才提到的控制手段(300)进一步提供了控制静脉血液流向身体的输出压力，流量和温度。
29.根据权利要求27或28所述的系统，其特征在于，其中的控制手段建立和维持了颈部以下的体温与大脑温度的温度差。
30.根据权利要求27至29中任一项所述的系统，其特征在于，其中的控制手段建立和维持了在预定治疗时间中的相对于正常脑温的颈部以下的热疗。
31.根据权利要求27至29中任一项所述的系统，其特征在于，其中的控制手段建立和维持了在预定治疗时间中的相对于正常脑温的颈部以下的低温治疗。
32.根据权利要求27至31中任一项所述的系统，其特征在于，其中刚才提到的温度差是可在治疗期间中被编程调控的。
33.根据权利要求27至32中任一项所述的系统，其进一步特征在于，传感器手段用来接收核心体温和脑核心温度的数据指示，而系统中的控制手段维持了刚才提到的输入的动脉血流和输出的颈动脉血流之间的所需的温度差，从而提供了刚才提到的核心体温和脑核心温度之间的所需的温度差。
34.根据权利要求33所述的系统，其特征在于，控制手段维持了刚才提到的动脉旁路输出和静脉旁路输出之间的温度差，从而维持病人的大脑温度与颈部以下核心体温之间的预定的温度差。
35.根据权利要求27至34中任一项所述的系统，其特征在于，其中每个各自的旁路电路的输入和输出方式进一步包括了导管和血管钳或球囊导管，它们安排分流至少一部分的通过各自旁路电路的颈动脉血流或颈内静脉血流。
36.一种用于热疗的体外血液治疗设备，包括一个冷却装置(100)，其特点是，动脉血流旁路电路有输入口 101，用来接收从身体流出的动脉血，和输出口 102，用来输送流向大脑的动脉血流；泵(104)用来从旁路电路中抽出血液；一个冷却装置和热交换的手段(108/106/103)用来通过旁路电路来冷却血流；温度传感器(113，115，114)用来监测输入和输出血流的温度；压力传感器(110，111，112)用来监测输入和输出的血液流动的压力；控制手段(300/117)用来监测温度，压力和流量参数以及控制在设备输出点的温度，压力和流量，以使传送动脉血流到大脑的温度比从身体流出的动脉血流输入温度要低。
37.根据权利要求36所述的设备，其进一步特征包括，加热装置(200)的特点是动脉血流旁路电路有输入口(101)，用来接收从大脑流出的静脉血流，和有输出口(102)，用来输送静脉血流到身体；泵(104)用来从旁路电路抽出血液；加热器和热交换手段(208/106/103)用来加热经过旁路电路的血流；温度传感器(113，115，114)用来监测输入和输出血流的温度；压力传感器(110，111，112)用来监测输入和输出血流的压力；刚才提到的控制手段(300/117)进一步提供了监测温度，压力和血流参数以及调节在输出点的温度，压力和血流，以使输送静脉血流到大脑的温度高于从大脑返回的静脉血流的输入温度。
38.根据权利要求36至37中任一项所述的设备，其特征在于，其中的系统具有可操作性，同时保持颈部以下热疗在核心体温42°C以上，以保持流到大脑的动脉血温度和核心体温之间的温度差，以维持接近正常的脑温。
39.根据权利要求36至38中任一项所述的设备，其特征在于，其中冷却装置能够接收42°C或更高温度的输入的血流，并冷却流到大脑的动脉血至少5°C。
40.根据权利要求36至39中任一项所述的设备，其特征在于，其中一个或多个前面提到的旁路电路中的换热器的特点在于，加热和冷却元件(108/208)，使输出血流的温度相对于输入血液的温度能够调节到所需的较高或较低的温度。
41.根据权利要求36至40中任一项所述的设备，其特征在于，能够在每旁路电路中提供约400毫升/分钟的流速。
42.根据权利要求36至41中任一项所述的设备，其特征在于，其中每个旁路电路能够提供范围从50到1000毫升/分钟的流速。
43.根据权利要求36至42中任一项所述的设备，其特征在于，其中每个各自的加热和/或冷却装置有一个至少300瓦的热交换能力。
44.根据权利要求36至43中任一项所述的设备，其特征在于，具有可操作性，以维持一个核心体温和一个核心脑温之间至少8°C的温度差。
45.根据权利要求36至44中任一项所述的设备，其特征在于，其中热交换手段的特点是热交换块包括第一和第二的蛤壳部分，它在第一和第二蛤壳部分之间建立了输送血液的渠道，其中在传热方向上的渠道截面宽度明显大于渠道的厚度。
全文摘要
本发明提供了一个体外血液治疗的系统，设备和方法，特别是建立和维持了颈部以下的温度差，同时保持接近正常的脑组织温度，以保护大脑免受加长时间的或极端低温或热疗的影响。一种血液治疗的设备和系统提供了大脑温度和身体颈部以下温度的控制差。例如，用于脑部血液循环的第一个有换热器的旁路电路，保持了一个接近正常的血液温度，而用于颈部以下血液循环的第二个旁路电路，则提供了热处理以引导温度差，例如，相对于脑循环的热疗或低温治疗。这些系统和设备的应用在于，例如，用热疗诊断和治疗，特别是对加长时间的或超过42℃的高温下的治疗，再例如，用热疗治疗癌症，传染性细菌或病毒引起的疾病。
文档编号A61B18/04GK102781378SQ201080023995
公开日2012年11月14日 申请日期2010年3月30日 优先权日2009年3月30日
发明者史蒂夫·安德烈·博丹 申请人:史蒂夫·安德烈·博丹