CN102458318A - 用于增加血液灌注以及改善对皮肤的散热的装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于通过升高温度来增加皮肤中的血液灌注、以及用于提供热耗散设备对皮肤的优越的散热的装置。增加的灌注引起了在升高温度的部位附近的改善的热传输特性，通过将耗散设备热连接到皮肤而有利地使用了所述改善的热传输特性。由所述热耗散设备产生的热量可以补充或代替分离的加热元件以便升高皮肤温度。可替代地，将皮肤的被加热的区域与耗散设备的散热器热隔离可以最小化与所述散热器接触的皮肤的温度。

Description

用于增加血液灌注以及改善对皮肤的散热的装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年6月4日提交的、名称为“Apparatus ForIncreasing Blood Perfusion And Improving Heat Sinking To Skin”的第61/184,056号美国临时专利申请的根据35U.S.C.§119(e)的优先权，该美国临时专利申请通过全文引用而合并于此。

技术领域

本发明涉及通过控制温度来改善血液流经的活的生物组织的散热特性，该温度继而对局部血液灌注产生影响。

背景技术

在一些应用中，通过在活组织上安装某种设备或者设备集合来测量该活组织的一个或多个特性，其中设备所包括的一些部件进行散热。如果必需对热耗散部件进行散热，则使用空气的自由对流来进行散热可能不是有利的，这是因为散热能力可能不足。使用强制空气对流也可能不是有利的，这是因为增加的功耗，这尤其是对于电池供电设备的关注点。在一些情况下，必须依赖生物组织来为热耗散部件提供有利的散热。

除非使用血液对皮肤进行良好的灌注，否则皮肤的热传导率较低，因此，除非在散热部位灌注是足够的，否则皮肤可能不适于散热。

而且，在对生物组织的特性进行测量的一些应用中，出于测量准确性的目的而控制组织内部的血液灌注是有利的。这种情况的一个示例是人类皮肤中的葡萄糖的测量，其中充足的血液灌注是必需的以便血液中的葡萄糖局部浓度和间质(interstitial)液体达到具有身体总血量中的平均葡萄糖浓度的平衡。

此外，在需要低暗电流光检测器的应用中，将检测器的温度维持在与用于冷却的功耗限制一致的、尽可能低的值是有利的。因此，用于检测器或者用于检测器的冷却器(如果采用了的话)的散热器温度应该尽可能低，而例如在测量附近的生物样品的温度可以有利地更高以便增加血液灌注。因此，具有如下的一些装置是有用的，这些装置提供用于不同的热耗散部件的散热器和用于生物样品上的测量部位的散热器之间的温度差。

如在W.F.Taylor等的“Effect of high local temperature on reflexcutaneous vasodilation”(J.Appl.Physiol.：Respirat.Environ.ExercisePhysiol.57(1)，191-196页，1984年)中所展示的，如果将生物样品从室温加热到40℃附近，则生物样品中血液灌注可以升高多达一个数量级。在美国专利7,509,153中，Blank等公开了一种用于控制皮肤灌注的装置，其中对测量葡萄糖的部位的温度进行控制。上面的专利是美国专利6,640,117和7,039,446的部分接续专利。Blank教导了用于通过温度控制来控制皮肤中的血液灌注、以及用于对其效果进行光谱监测的装置，在该装置中监测和温度控制可以是闭环系统的部分。对于皮肤散热没有给出热耗散部件可以是该装置的一部分的考虑、或者维持部件加热的皮肤温度与测量部位的温度之间的温度差的考虑。也不存在保证在用于热耗散部件的散热器附近的足够的血液灌注的布置。

发明内容

本发明解决了这些限制和其他限制，本发明公开了一种装置，借助该装置可以通过增加局部血液灌注而增强用于在生物样品的表面上的热耗散部件的散热器的热传导。此外，维持对于部件散热器以及对于测量生物组织特性的部位的不同温度是可能的。从流体流动的连续性的需要可以看出必须在邻近加热部位的区域中增加灌注，从而改善在这些邻近位置的热传导，而不将它们的温度增加到与加热部位相同的程度。显示了可以如何维持在装置与生物样品接触的不同区域之间的热隔离。也显示了可以如何有益地使用该热隔离将与光检测器相关联的散热器和与光源相关联的散热器隔离，这两个散热器都与测量生物样品特性的部位热隔离。

附图说明

图1是根据本发明的实施方式的装置的框图，该装置可以维持生物样品在不同部位的不同温度，并且用于在一个或多个部位测量生物样品的特性。

图2是根据本发明的实施方式的、具有图1的特定于对生物样品的特性进行光学测量的功能的装置的框图。

图3是根据参考图2描述的功能的装置的优选实施方式的等距图。

具体实施方式

图1图示了血液流经的生物样品10，并且在某个温度范围上对于生物样品10的血流量是温度的递增函数。加热器20用于对生物样品10的针对其测量特性的一部分进行加热，所述特性诸如人类血液中的葡萄糖浓度。设备30监测处于与加热器20的热平衡中的测量部位15的温度。测量装置40用于测量生物样品10的测量部位15的特性。热隔离体50阻止从加热器20到生物样品10的其他区域的热流动。用于一个散热部件的散热器60包含在测量装置40中。用于第二散热部件的第二散热器70也包含在测量装置40中。

当在测量部位15的温度增加时，流入和流出测量部位15附近的生物组织10的血流量增加。在一个示例中，生物组织在至少20mm²的区域中被加热。增加的血流量持续到距离被加热区域某个距离处，并且实质上增加流量的区域75作为生物样品10的一部分在图1中示出。当样品10由以下生物组织组成时样品10的局部热传导可能在很大程度上受到血流量的影响，该生物组织的热传导率在温度没有被升高到超过对于未施加热量的样品的典型的均衡温度时较低。这是对于人类皮肤的情况。如果必需在受限区域上对具有低热阻的热耗散部件进行散热，则增加的血流量可能是关键的。如果散热器被连接到实质上增加血流量的区域75，则可以将来自热耗散设备的热路径的热阻最小化。

图2是显示了对于对生物样品10执行光学测量的设备的图1的方案的基本实现方式的框图。已将光学窗80插入在加热器20和样品10之间。光90可以通过窗80被射入样品10中，并且散射光100也可以穿过窗80。散热器60连接到来自光源的热流110。散热器70连接到来自光检测器的热流120。应理解可以将不同的、或附加的热耗散设备连接到散热器60和/或70、或者连接到其他散热器。当来自光源的热流较大时，图2中显示的实施方式是特别有利的，但是期望将检测器维持在最小温度，因为散热器60和70是热隔离的，而每个散热器因为附近的加热而在热阻方面改善。

加热器20被合适地选为电阻加热器，在特别优选的实施方式中该电阻加热器可以使用镍铬电阻导体或来自其他电阻合金的导体、用柔性电路来制备。温度传感器30可以被选为例如热敏电阻或热电偶。在一个实施方式中，光学窗80应该从热传导率比皮肤的热传导率高很多的材料中选择，以保证在测量部位15处的均匀的热分布。好的选择是用于可见辐射或近红外辐射的碳化硅单晶材料、蓝宝石、或金刚石。低掺杂硅是用于在1-6μm波长区中辐射的优秀的选择。

测量装置(如果是光学的)可以适于拉曼(Raman)光谱、近红外光谱、中红外光谱、光学相干层析成像、以及漫反射率测量，但是不限于这些应用。

可以测量的特性包括但不限于分析物浓度，所述分析物诸如葡萄糖、血红蛋白、水、甘油三酯或电解质。此外可以包括诸如温度、脉搏率和血液灌注之类的特性。

隔离体50可以被选为聚合物或空气。二氧化硅气凝胶也是减轻通过对流的热传输的好的选择。

从诸如铝或铜之类的高热传导率金属中合适地选择散热器60和70。

图3是适于在活的哺乳动物有机体的皮肤上使用的特别优选实施方式的等距分解图。激光器120通过激光架130安装到块140，热敏电阻150、柔性电路160上的加热器、窗170以及窗固定器175也安装到块140。块140的底面230靠着基座220的顶面180。如例如图3中所示，封装的检测器190、热电冷却器200和散热器210也安装到基座220，以便进行从冷却器200的热侧到基座220的转移。

加热器160对窗170进行加热，在一个实施方式中，对于可见和近红外应用，使用碳化硅、蓝宝石或金刚石来有利地制备窗170。窗固定器175由诸如聚合物之类的低热传导率材料制备，并且将被加热的窗170与基座220热隔离从而保证热量仅被施加在所需的区域中。基座220在与顶侧180相对的一侧与皮肤接触。使用铝来有利地制备基座220以便获得良好的热传导率。热电冷却器200对检测器190进行冷却，并且来自其热侧的热量沉积在散热器210中然后流入基座220中。散热器210的位置与被加热的窗170和包含激光器120的组件两者很好地隔开，从而皮肤不会由来自被加热的窗170的热流或者由激光器120所耗散的热量而升高温度。这允许热电冷却器200对于固定的功耗而在其冷侧上获得更低的温度，这是因为对于冷却器200的热侧的散热器210的温度是最小化的。如果不需要进行冷却，则热电冷却器200可以被省略，而且检测器190可以被直接安装到散热器210。

如果在与皮肤接触的被加热的窗170附近维持大约40℃的皮肤温度，则血液灌注将是较高的。在一些实施方式中，被加热的生物组织的一部分具有高于20℃并且低于50℃的温度。块140在被加热的窗170的附近将热量从激光器120传导到基座220，在被加热的窗170的附近血液灌注仍然较高，但是由于窗固定器175所提供的隔离所以温度没有被升高到如被加热的窗170处那么高。该布置既提供了低热阻又提供了激光器120的更低的散热器温度。

在一个实施方式中，图3是近似地按比例的，并且窗170在大于约8mm的直径上与皮肤接触。已经发现这是为了局部地得到人类皮肤的血液灌注中的最大可获得的增加的足够的区域。

在另一优选实施方式中，窗固定器175可以利用例如超过40W/m°K的高热传导率来制备。用于激光器120的散热器和被加热的窗170因而将会是热连接的。当由于除了改善散热之外的其他原因而需要增加血液灌注、并且期望通过利用最小功耗加热来增加血液灌注时，该布置可以是有利的。所提出的布置因而将会利用激光器120产生的热量、通过经过物件130、140和220的热传导来对皮肤进行加热，从而允许来自加热器160的减少的加热以及更低的净功耗。

尽管详细的描述包含许多细节，但是这些细节不应该被解释为对本发明的范围进行限制，而是仅作为对本发明的不同示例和方面进行例示。应该理解本发明的范围包括没有在上面详细讨论的其他实施方式。对于本领域技术人员将是明显的各种其他修改、改变和变化可以在本文公开的发明的装置的布置和细节中做出，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种用于改善热耗散部件对于生物组织的散热的装置，包括：

散热器，连接到热耗散部件以及在第一位置连接到所述生物组织，以及

用于在与所述第一位置不同的位置对所述生物组织的一部分进行加热，以便在所述生物组织的包括所述第一位置的区域内增加血液灌注的部件。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括在所述散热器和所述用于加热的部件之间的热隔离体。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述生物组织是皮肤。

4.根据权利要求1所述的装置，其中被加热的所述生物组织的所述部分具有高于20℃并且低于50℃的温度。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述热耗散部件是光发射器。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述热耗散部件是光检测器。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述热耗散部件是热电冷却器。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述用于加热的部件包括电阻加热器。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述用于加热的部件包括光发射器。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述用于加热的部件附接到与所述生物组织接触的光学窗。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述窗具有超过40W/m°K的热传导率。

12.根据权利要求1所述的装置，其中所述用于对生物组织的一部分进行加热的部件对至少20mm²的区域进行加热。

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