CN101912669B - 一种体表冷却的无创辐射全身热疗装置 - Google Patents
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Abstract
一种体表冷却的无创辐射全身热疗方法，涉及一种采用体表冷却技术以迅速将大量辐射功率导入人体深层组织，避免体表灼伤增大辐射功率的无创辐射全身热疗方法。本发明采用辐射加热系统和体表冷却系统相结合，带走体表低衰减的电磁辐射，并将大剂量红外、微波、射频、各频段电磁波探针的能量辐射迅速辐射入人体的深部进行加热，从而实现无创辐射全身热疗。本发明在技术上突破了现有技术一味通过在加热方式、热源控制等方面进行改进的技术路线，首次引入超低温的冷却抵消体表局部辐射、避免过热和烧伤。同时，利用深层次辐射加热源进行无创辐射的全身热疗，在大幅度避免体表烧伤的同时提高机体可接受的功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种医疗方法，尤其涉及一种采用体表冷却技术以迅速将大量辐射功率导入人体深层组织的方法，避免体表灼伤增大辐射功率的无创辐射全身热疗方法，特别适用于肿瘤患者的全身热疗。
背景技术
当前，在人类所面临的各种重大疾病中，恶性肿瘤最主要的致死疾病之一。全身热疗正是在此背景下应运而生的，该方法通过将身体温度提高到39-43℃，引发继发生物效应来实现肿瘤治疗。全身热疗的机理在于通过人为提高体温，运用热效应选择性地杀死癌细胞，是控制癌细胞广泛转移比较有前景的治疗方法。其特点是不仅要提升癌灶处的局部温度，而且使全身温度升高到同一温度，它是一种全身性的治疗手段。临床实验表明全身热疗需要在一定温度下经过严格的温度控制才可以引发既定的生物继发效应并引起全身热疗。
为了提高身体的温度，摄入人体的热量必须高于总的散失热量。在热平衡状态下，新陈代谢产生的热量将与皮肤表面的蒸发、辐射、对流和传导相平衡。热疗设备的任务便在于引入额外的能量来打破这种平衡。当前的全身热疗方法及装置包括辐射式、对流式、接触式和生物应激式四大类。现有的辐射式热疗方法采用红外、微波等电磁波对身体进行辐射，这种全身热疗方法受到辐射源特性限制，因此穿透深度有限，容易在体表造成烧伤。直接接触式难以引起深部组织的升温，因此不适用于肿瘤热疗的全身热疗治疗。生物应激式全身热疗则存在控制特性差、风险大的缺点。
通常认为辐射式热疗是实现无创辐射全身热疗的优秀物理手法，广义定义的电磁辐射包括射频、微波、红外、可见光和紫外线在内的宽频电磁波谱系列。由于具有良好的产热特性，此波谱中的低频波段已被广泛地应用于各种加热设备中。常见加热频段包括微波、射频、近红外和远红外。电磁场在人体组织中传播的能量强度随深度指数衰减，且此衰减速度与频率相关。穿透系数是用于刻画这种与频率有关的衰减特性的参数，穿透系数指当地强度降低为入射强度1/e(约36％)时的深度。由于电磁辐射的这种衰减和不均匀分布特性，不难想象全身热疗中体表热区完全可能使皮肤表面烧伤。除了垂直吸收梯度和热不均外，低介电常数的皮肤和可能的横向(面)电流也将加剧热区和烧伤的可能性。因此寻找合适的全身热疗方法，实现全身的均匀、快速、可控升温对肿瘤治疗具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体表冷却的无创辐射全身热疗装置，首次借助对人体体表的冷却和深层辐射的联合作用来提升加热范围，从而在避免体表烧伤的前提下尽可能将热量导入体内，以解决现有辐射式全身热疗中体表易烧伤的问题。既能实现机体的均匀、快速升温，又可避免局部过热。
本发明提出一种体表冷却的无创辐射全身热疗装置，一种体表冷却的无创辐射全身热疗装置，其特征在于：所述装置包括辐射加热系统、体表冷却系统、体表温度传感器阵列以及体核温度传感器；所述的辐射加热系统包括辐射加热探针、辐射发生器和病床；体表冷却系统包括固着物和冷却介质，固着物采用纺织品、塑料或硅胶制成的多层结构，所述的冷却介质被包裹在固着物的多层结构中；
对病人进行加热时，在病人体表布置体表温度传感器阵列，采用体表温度传感器阵列监测体表温度，采用体核温度传感器监测身体的深层温度，并在体表裹紧带有冷却介质的固着物，同时对冷却介质进行循环或更换；每个体表温度传感器监视辐射加热系统中对应的辐射加热探针的加热温度。
本发明所述的辐射加热系统包括红外加热系统、微波加热系统或射频加热系统。所述的冷却介质采用冰袋、冷水袋、相变材料或冷却流体。所述多层结构可以采用服装或毯状结构，冷却介质被包裹在固着物的多层结构中。
上述技术方案中，当冷却介质为相变材料、冰袋或冷水袋时，冷却介质分块填充在固着物的多层结构中间，各块材料边缘相互重叠，整体厚度一致。
冷却流体包括液氮，冷却流体包括液氮，酒精或水，酒精温度为-110～10℃，水的温度为0～10℃。
本发明具有以下优点及突出性效果：
本发明的创新点在于：在技术上突破了现有装备一味通过在加热方式、热源控制等方面进行改进的技术路线，首次引入超低温的冷却抵消体表局部辐射、避免过热和烧伤。同时，利用深层次辐射加热源进行无创辐射的全身热疗，实现了理想的高效、可控加热，在大幅度避免体表烧伤的同时提高机体可接受的功率。
本发明的优点在于：采用体表冷却措施后，可以避免体表由于过量接触加热电磁波而产生过热和烫伤。同时辐射过程中由于避免了体表过热，因此可以采用更大剂量、高功率直接穿透深层组织进行无损的高温深层次选择性加热，提高了加热速度和效率。
本发明的关键之处在于首次提出了通过体表低温流体进行迅速冷却的方法来提高可透过辐射剂量，一反直观思维中尽可能对人体进行加热的作法，而是巧妙地通过全身体表引入冷却来提高热量渗透继而提升全身温度。这一原理基于辐射透热和体表热冷却的深度差，设计时充分考虑到辐射本身的衰减，将体表在仅接受辐射时的过吸收通过冷却流体带走，实现身体不同辐射深度的均匀升温。
附图说明
图1为本发明提供的一种体表冷却的无创辐射全身热疗方法的原理图。
图2为一种实现体表冷却的无创辐射全身热疗方法的装置的结构示意图。
图3为一种实现体表冷却的无创辐射全身热疗方法的控制算法流程图。
图4(a)为冷却介质为低温流体时固着物的结构图；
图4(b)为冷却介质为冰袋、水袋或相变材料时固着物的结构图。
图4(c)为冷却介质为冰袋、水袋或相变材料时固着物的多层结构图。
图中：1.辐射加热系统；2.病床；3.辐射发生器；4.辐射加热探针；5.体表温度传感器阵列；6.体核温度传感器；7.固着物；8.冷却介质。
具体实施方式
本发明首次借助对人体体表的冷却和深层辐射的联合作用来提升加热范围，从而在避免体表烧伤的前提下尽可能将热量导入体内。机体升温源自聚焦辐射源的能量及组织的热吸收和热传导。辐射能量从外层向体核的指数分布及其在体表的能量聚集限制了受辐总能量。增加辐射功率将造成体表的过多能量和烧伤。为了避免体表烧伤，则势必降低总辐射能量，带来升温效率的下降。因此，本发明通过冰袋、冷水袋、相变材料以及低温冷却流体循环系统采取体表冷却措施将提高可接受的受辐总能量，同时还可以避免体表烧伤。
实验研究表明，在体表采用温度等于10℃的冷却介质进行冷却，可将安全接受的最大功率增加为原来的两倍。利用增加的能量输入，腹部体核最终可达到的温度也增加到了41.厂，从而达到全身热疗温度。提高辐射剂量和采取体表冷却这一有趣的组合治疗措施，最大化利用了几种传热机制各自的特性，增大温度提升效果。
下面结合附图进一步描述本发明。
图1为本发明的一种体表冷却的无创辐射全身热疗方法的原理图。辐射传热具有两大特性。第一，衰减特性。未处理的辐射全身热疗装置具有从体表向下的指数衰减的热辐射剂量。因此，现有热疗装置在体表部位易于造成烧伤，而在体核深层则难以提升温度。加大热剂量将不可避免在体表造成烫伤。辐射传热的第二大特性是穿透深度大。虽然其能量沿身体介质衰减，但其衰减深度大，仍具有较深层次的穿透深度。微波的衰减深度可达30cm，穿透深度最低的红外辐射也可达数厘米。相反，热传导和对流的穿透深度较低，图中的冷却能力表明了在体表进行冷却时，传热深度仅在毫米量级。因此，在辐射热传导的同时采用体表冷却，不难发现在体表位置的高能高温区域将被冷却液流抵消。相应的，由于可用温升的空间分布恒定，应用时将不必担心体表部位的高温，从而可以通过同时提高热辐射剂量和冷却剂量，将实际温升大幅度提高。
图2为本发明的一种实现体表冷却的无创辐射全身热疗方法的装置结构图。体表冷却的无创辐射全身热疗装置，该装置包括辐射加热系统1、体表冷却系统、体表温度传感器阵列5以及体核温度传感器6；辐射加热系统包括辐射加热探针4、辐射发生器3和病床2，体表冷却系统包括固着物7和冷却介质8。辐射加热系统可采用红外加热系统、微波加热系统或射频加热系统。
为了避免人体的损伤，同时提高加热的效率，需要对加热的过程进行管理。传感元件包括体表温度传感器阵列和体核温度传感器。温度传感器阵列采集人体表温度信息，并传递给控制芯片运算，辐射加热系统和冷却系统接收控制芯片信号并进行调节。温度传感器阵列采集病人体表温度信息，并传递给控制芯片运算；辐射加热系统的加热探针辐射区域与传感器检测区域对应；某一传感器的检测温度升高时，通过控制芯降低对应辐射探针的加热功率。温度传感器直接采集的人体体表温度对防止体表过温具有重要作用，同时也是温度场重建，构建内部温度算法的需求。口腔、盲肠体核温度等对内部体核温度具有直接对应关系的温度也是温度传感器阵列采集的重要参数之一。
图3为本发明的一种实现体表冷却的无创辐射全身热疗方法的控制算法流程图。启动辐射加热系统和体表冷却系统后，应加热过程的高速和平稳，可以实行自适应温度控制算法。即在一个监测周期内，先获得传感器阵列每一传感器相对于上一计算时间的温度增量ΔTi，计算该传感器周围各传感器检测到的升温平均值
若此传感器的升温ΔTi高于周围传感器的升温平均值
则降低此传感器对应的辐射加热探针的辐射功率，反之提高对应辐射加热探针的功率。追踪参量除温度增量ΔT之外，也可以为温度T，或者两者的加权组合T+ΔT。当体核温度传感器检测到温度已达到既定的热疗温度时，则停止加热和算法的运行。
实施体表冷却的无创辐射全身热疗时，将病人安置于辐射加热系统的病床上，辐射加热系统含有辐射发生器和辐射加热探针；在病人体表布置体表温度传感器阵列，用温度传感器监测体核温度，体核温度的检测点可以选择腹部盲肠、口腔、腋下等处；在体表裹紧带有冷却介质的固着物；采用辐射加热系统对病人进行加热，加热过程采用体表温度传感器阵列监测体表温度，采用体核温度传感器监测身体的深层温度，同时对冷却介质进行循环或更换；每个体表温度传感器监视辐射加热系统中对应的辐射加热探针的加热温度，当体表温度传感器阵列中某一传感器的温度高于周围温度传感器温度时，则降低这一传感器所对应的辐射加热探针的辐射功率，并使各体表温度传感器的检测温度相等；当体表温度传感器超过30℃时，更换冷却介质或增加冷却介质的循环速度；当体核温度为37.2-45℃时，辐射加热系统停止加热，同时摘除带有冷却介质的固着物。
医生在执行操作时使用前拉起辐射加热装置外壳，病人躺上病床采取仰卧位，必要时可实施固定及轻微麻醉。固定妥当后，为病人连接温度传感阵列，生理参数采集设备各传感器及监控器，合上病位外壳。检查热疗装置的各部件连线是否完成，完成后启动加热按钮，电磁辐射辐射系统开始辐射电磁波并直接进入病人体壳深部，病人接受大量电磁辐射，身体升温。由于系统设定了按照一定安全剂量及热疗温度范围之内进行保温，并根据预定热疗计划实施热量管理。
图4(a)为本发明的冷却介质为低温流体时固着物的结构图；图4(b)为本发明的一种体表冷却的冷却介质为冰袋、水袋或相变材料时固着物的结构图；图4(c)为本发明的一种体表冷却的冷却介质为冰袋、水袋或相变材料时固着物的多层结构图。冷却介质采用冰袋、冷水袋、相变材料或冷却流体。固着物是采用纺织品、塑料或硅胶制成的多层结构，该多层结构可做成具有服装或毯状结构，冷却介质被包裹在固着物的多层结构中。冷却介质为相变材料、冰袋或冷水袋时，冷却介质分块填充在固着物的多层结构中间，各块材料边缘相互重叠，整体厚度一致。冷却流体包括液氮，或温度为-110-10℃酒精和0-10℃的水。采用流体冷却时，冷却系统还应包括制冷循环必要的泵、阀门、制冷机、交换器等部件。
Claims (2)
1.一种体表冷却的无创辐射全身热疗装置，其特征在于:所述装置包括辐射加热系统（1）、体表冷却系统、体表温度传感器阵列（5）以及体核温度传感器（6）；所述的辐射加热系统包括辐射加热探针（4）、辐射发生器（3）和病床（2）；体表冷却系统包括固着物（7）和冷却介质（8），固着物采用纺织品、塑料或硅胶制成的多层结构，所述的冷却介质被包裹在固着物的多层结构中；所述的辐射加热系统包括红外加热系统、微波加热系统或射频加热系统；所述的冷却介质采用冷却流体，该冷却流体采用液氮或温度为-110～10°C酒精；
对病人进行加热时，在病人体表布置体表温度传感器阵列，采用体表温度传感器阵列监测体表温度，采用体核温度传感器监测身体的深层温度，并在体表裹紧带有冷却介质的固着物，同时对冷却介质进行循环或更换；每个体表温度传感器监视辐射加热系统中对应的辐射加热探针的加热温度；
温度传感器阵列采集人体表温度信息，并传递给控制芯片运算，辐射加热系统和冷却系统接收控制芯片信号并进行调节；辐射加热系统的加热探针辐射区域与传感器检测区域对应；某一传感器的检测温度升高时，通过控制芯降低对应辐射探针的加热功率；每个体表温度传感器监视辐射加热系统中对应的辐射加热探针的加热温度，当体表温度传感器阵列中某一传感器的温度高于周围温度传感器温度时，则降低这一传感器所对应的辐射加热探针的辐射功率，并使各体表温度传感器的检测温度相等；反之则提高对应辐射加热探针的功率。
2.根据权利要求1所述的一种体表冷却的无创辐射全身热疗装置，其特征在于：多层结构采用服装或毯状结构。
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