CN102781378B - 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,系统和方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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,系统和方法

相互参照相关的申请

该申请对2009年3月30号提交的美国临时申请61/164,713有优先权。这项临时申请题为“Neck Down Induced Hyperthermia withbypass cooling to the brain，for the treatment of Cancer，HIV and otherDiseases“(“颈部以下诱导热疗同时对脑部进行旁路冷却，用于治疗癌症，艾滋病和其他疾病“。)它应纳入本申请的范围内作为参考。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37.0℃(98.6°F)。一个典型的口腔(舌下)测量是36.8±0.7℃，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℃到44℃之间的温度。在温度高于42.5℃到43℃时，随温度每增加1℃给予同等细胞杀死的曝光时间可减半[2]。在温度高达44℃时，高温治疗1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℃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℃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℃(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℃(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℃(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℃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℃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1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1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CD4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49℃，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CD4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℃或42℃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℃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℃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℃至56℃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℃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CD4计数只有200的患者在全身热疗后CD4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℃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℃的温度。当核心体温高达42℃或在一些情况下低至39℃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℃的加长时间的低温治疗，即比正常体温低7℃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℃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℃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℃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℃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℃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℃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℃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℃，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℃，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℃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℃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。

附图说明简介：

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℃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℃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℃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℃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℃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℃；

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℃，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℃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0.5-4.0nW(纳瓦)，300-2500倍多于身体细胞的平均功耗(1.6pW)。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：

${\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{brain}}=\stackrel{\·}{V}\·\mathrm{\ρ}\·c_p(T_{\mathrm{jugular}}-T_{\mathrm{arterial}})$

其中：

是用瓦表示的大脑消耗的热量。

是用毫升/秒表示的脑血流。

ρ是用克/毫升表示的血浓度。

c_p是用焦耳/克摄氏度表示的血液比热。

T_jugular是用摄氏度表示的通过颈静脉流出大脑的静脉血液温度。

T_arterial是通过颈内动脉或基底动脉流入大脑的动脉血液温度。

在大脑处于平衡状态的稳定状态条件下，由大脑产生的热量被转移并被脑血流带走，上述的等式将成立。如果我们使用典型的成年男性的数值到上述等式关系中，并假定5升/分钟的心输出量，20％的心输出量(16.6毫升/秒)则为脑血流量，血液浓度ρ为1.06克/毫升，并假定血液比热c_p为3.77焦耳/克摄氏度，我们发现，动脉供应和静脉流出的温差约为0.3℃。我们对人进行了测量，得出0.3℃的动脉和静脉血液的温度差[11]，与我们的计算一致。由于大脑产生热量，其散热的主要方式是通过转移热量到脑血液，大脑的温度天生会比静脉血高，而静脉血液的温度会比动脉血液高。动脉血液的温度大约为核心体温。

此外，研究人员观察和报道了脑内部的温度梯度。位于大脑后部的温度(如海马)低于大脑前部的温度(即腹侧纹状体，腹侧大脑脚盖和下丘脑)达1℃。而位于脑中部的温度则有其中间值，如丘脑和背侧纹状体。对动脉血温度的直接测量表明，它总是低于任何脑结构的温度。这意味着，位于大脑前部的脑温会比动脉血温度或体温高达1℃以上。调节体温的下丘脑位于人类大脑的前部，因此有着最高温度，所以可以成为人体的温度设定点。大脑前部的较高温度部分归因于一个事实就是这部分大脑区域总是很活跃并消耗更多的能量。由于大脑温度高于核心体温，所以当核心体温因为热疗或中暑或生病而开始上升，大脑通常是第一个开始受到不可逆转损害的器官。因此，一个系统如果可以增加颈部以下的核心体温，同时保持头部在较低的温度或正常的温度，它将可以提高要达到的治疗温度或延长要达到的治疗时间。

交感神经系统试图维持身体的各个部位达到其所需的温度。中央温度设定点就是位于大脑前部的下丘脑。温度的稳定性由下丘脑通过各种反馈机制来维持。调节身体温度设定点的下丘脑呈现出昼夜节律并由于传染性病原体和内毒素而偶尔重新设定温度点到一个较高的水平。然而在热疗诱导治疗期间，下丘脑将试图维持身体在其预定的设定点。在热疗启动时，交感神经系统就会作出反应，以试图抵消升高的温度。血管会扩张，心率会上升，通过试图携带热量到达身体表面从而消耗到环境中而使血流量增加。平均而言每增加1℃每分钟心跳会增加11.7下。对于一个在37℃下有着每分钟心跳70下的典型的成年人来说，他的心跳会在40℃时增加到每分钟105下和在43℃时增加到每分钟140下。收缩血压会增加，从而使血液流动更快，但由于血管扩张引起的血液阻力减少和在高温下血液粘度的减少而使舒张血压降低。由于心跳加快和血压升高，热疗目前禁忌于大多数心脏病患者。呼吸率也会增加，呼吸变浅。身体也试图通过排汗来降温，这将导致脱水和失重，尽管不断摄入液体。在42.5℃时，反馈机制停止工作，身体呈现出深度中暑症状，具体地说，就是缺乏出汗，心跳加速，潮式呼吸，中枢神经系统功能障碍和意识丧失。尽管心跳仍在延续但呼吸停止。热疗的上述不利影响，可以由本发明的系统得到缓解，因为下丘脑仍然维持在较低或正常的温度，而不直接知道，颈部以下的核心体温被增加到理想的温度。这使得患者可以忍受更长时间的热疗治疗。

因此，根据本发明的优选实施方案，此系统，设备和方法旨在提供两个好处。首先，颈部以下的核心体温可以被提高到一个理想的治疗水平，同时保持大脑在一个较低的或相对正常的温度，从而减少对大脑的不良效果，这通常是由一个升高的核心体温引起的。第二个好处就是，因为控制着交感神经系统体温调节补偿机制的下丘脑保持在一个接近正常的温度，因此它不能直接知道，颈部以下的温度已经被提高到设定温度以上，因此它的体温调节补偿机制被抑制。

头颈循环系统。

在开始详细描述本发明的优选实施方案前，重要的是要了解头部和颈部的循环系统。有两个动脉将血液运送到颈部再将血液供应到大脑。左和右颈内动脉供应大脑所需的大部分血液，而其它较小数量的所需则是由左和右椎动脉来供应的。颈动脉运送约4倍以上的椎动脉血液。同样，从大脑流出的大部分血液也会通过颈部，然后经过两个静脉，也就是颈内静脉和椎静脉。颈静脉携带大部分的血液，而椎静脉则携带较小数量的血液。鉴于颈内动脉和颈内静脉位于靠近颈部的表面且携带约80％的流出或流进大脑的血液，所以对它们实施体外旁路电路是最理想的，从而热调节脑温有一个比颈部以下的核心体温较低的设定值。

图1是头部和颈部的动脉系统示意图，它显示了一些与本讨论相关的动脉。它并不完整，而只是一个示意图，它显示了其逻辑互连及颈内动脉和连同其主要分支的椎动脉分支。动脉系统从肺动脉开始，它携带氧气耗尽的来自右心室的血液到肺，在那里废气发生转化，并回到左心室。然后左心室将含氧血液泵入主动脉。最终将含氧血液输送到头部和颈部的主动脉的主要分支-无名动脉，它通向右锁骨动脉，左锁骨动脉和左颈总动脉。右锁骨的分支有右颈总动脉和右椎动脉。左，右颈动脉的起源不同，右颈总动脉起源于锁骨动脉而左颈总动脉则直接起源于主动脉弓。在左锁骨下边就是左椎动脉。

颈动脉分为颈外动脉和颈内动脉。颈外动脉及其分支供应血液到部分头部和颈部，但那些供应的血液部分不是供应头骨的内部，因此不是调节脑部温度的关键。颈内动脉，是从主总动脉分支出来的，直接经过脖子并通过颈动脉管进入头骨。头骨内的颈内动脉及其分支供应血液到大脑。颈内动脉的主要分支如图所示。它们是眼动脉，脉络膜前动脉，大脑前动脉，大脑中动脉和后交通动脉。由于颈内动脉是冷却旁路电路的一部分，因此，通过颈内动脉及其分支机构的血液将被调整到一个比颈下身体热疗处理温度低的温度。

颈内动脉的主要分支和它们供应哪部分的大脑。

大脑前动脉是一对供应氧气到最内侧部分的额叶和上内侧顶叶的动脉。这两个动脉是威利斯循环的一部分，我们将在下面进一步讨论。

大脑中动脉是供血到大脑的三对主要配对动脉之一。它产生于颈内动脉，延伸至外侧沟，然后分支来供应侧大脑皮层的许多地方。它还提供血液到前颞叶和狭窄的皮质。

后交通动脉是威利斯循环中一对右侧和左侧的血管之一。它连接三个同一侧的脑动脉。前方是颈内动脉末端三分支的一个分支。大脑前动脉和大脑中动脉是三分支的其他两个分支。后方则沟通大脑后动脉。

眼动脉是颈内动脉的一个分支，它供应眼分支和在眼眶上的其他结构。它通过视神经管进入眼球，并连同视神经。

脉络膜前动脉是一个相当小的动脉，是颈内动脉的一个分支。这个动脉供应脉络丛，视交叉，内囊，外侧膝状体，苍白球，尾状核，海马尾，杏仁核，黑质，红核和小脑脚瘤。

椎动脉通过颈部向上伸展，然后分支成脊髓和肌肉动脉。一旦椎动脉进入颅骨，就会有多个分支提供血液给大脑和脊髓。具体地来说就是后下小脑，延髓，前脊髓，后脊髓及脑膜动脉。左和右椎动脉在颅骨底层会合形成基底动脉。从基底动脉分支出多个小动脉，统称为桥脑，即前下小脑动脉和后小脑动脉。

由椎动脉及其分支提供的大脑区域。

椎动脉的脑膜分支供应小脑镰。

从椎动脉分支出来的后脊髓动脉，最终进入分蛛网膜腔，以供应含氧血给脊髓。

前脊髓动脉供应脊髓的前部。

后下小脑动脉是椎动脉最大的分支，它是三个主要为小脑供应动脉血的动脉之一。这个动脉分支供应脉络丛和第四脑室。

基底动脉是在左和右椎动脉会合时形成的。基底动脉提供血到威利斯循环的后一部分，颈动脉提供血到威利斯循环的前一部分，然后两股血流在威利斯循环中混合。

·从基底动脉分支出的前下小脑动脉供应小脑的上下面以及小脑桥分支。

·然后，基底动脉分成大脑后动脉和小脑上动脉。

大脑后动脉是一对供应含氧血液到大脑后部即枕叶的血管之一。

上小脑动脉供应第三脑室的松果体，前髓软颚和脉络组织。

由于下丘脑控制交感神经系统的体温调节补偿机制，所以考虑选择哪个动脉系统供应含氧血液到这个关键区域是很重要的。杏仁大小的下丘脑只占大脑很小一部分，并与脑下垂体在同一个地方。其中有两个动脉供应含氧血液给下丘脑和脑下垂体。具体来说，它们就是上垂体动脉和下垂体动脉。上垂体动脉供应垂体结节部，它是脑下垂体和正中隆起的漏斗。它也是从威利斯循环中颈内动脉分支出来的后交通动脉的一个分支。下垂体动脉是供应脑下垂体的动脉。它是颈内动脉的一个分支。重要的是要注意，供应血液给下丘脑的这两个动脉都来自颈动脉而不是椎动脉。因此，如果我们只热调节通过颈动脉的血液，让较热的血液流过椎动脉，我们仍然可以将较凉的血液发送到下丘脑，因此将减少体温调节补偿机制，它通常会在核心体温提高时而出现。

威利斯循环

对脑血管系统的最后一个环节，我们需要认真讨论的是威利斯循环。威利斯循环把颈内动脉和椎动脉/基底动脉系统连接在一起，以提供充足的或附属的循环到大脑。在图1中可以看出，左，右颈动脉分支成它们各自的大脑前动脉。这两个大脑前动脉被前交通动脉所连接。因此，前交通动脉的血液可以到达或从被每一个颈内动脉供应的区域由左到右流动，反之亦然。同样，基底动脉分支成大脑后动脉。然后，大脑后动脉通过后交通动脉连接到各自的颈内动脉。这使血液通常从椎动脉/基底动脉或颈动脉供应的区域由前向后流动，反之亦然。在图2中可以看到威利斯循环图。

通常在正常条件下，当主要动脉之一被阻塞或损坏，威利斯循环将提供一条额外的途径。例如，如果椎动脉被阻塞，那么在其顶端或末端的基底动脉不再能够接收含氧血，因此，在基底动脉将有一个压力下降。而在威利斯循环的血液将会开始从颈内动脉，通过后交通动脉，流向并供应大脑后动脉和基底动脉。

在本应用中，由于颈动脉同椎动脉相比是相当表皮的(即靠近体表)，所以更容易实施颈动脉热旁路系统。通过增加对颈内动脉血管的压力，有可能诱发较凉的，被调节的颈动脉血液通过威利斯循环来供应大脑区域，而那些大脑区域通常是由椎动脉和基底动脉来供应的。因此，虽然冷却动脉血液的旁路系统仅在颈动脉上实施，但它将有可能用较冷的血液供应大部分的大脑。

优选实施方案

现在，我们将描述两个优选实施方案，它们的不同之处主要在于导管的放置，这些导管将连接系统的一个或多个循环旁路电路来进行体外血液治疗，从而对动脉或静脉血流的温度提供调控。在第一个优选实施方案中，所有导管被连接到颈部区域的血管(见图3)。在第二个优选实施方案中，一个导管被插入颈部的血管，而同一电路的第二个导管则被插入不太重要的手臂，腿或躯干的血管(见图4)。

本发明的第一优选实施方案：

本发明的第一个优选实施方案更详细的程序框图可以参见图3。这是一个突显人体血管系统的基本图，并显示如何将颈部向下热疗系统通过第一和第二体外血液循环的旁路循环连接到人体上。每个旁路循环包括热交换器，而每个热交换器又包括各自的左冷却装置400和右冷却装置600，左加热装置500和右加热装置700。一个控制系统300包括一个计算机数据采集/控制模块117，再加以各自的加热装置500和700，冷却装置400和600，通过数据采集控制总线116，还包括一个合适的用户界面。

进入血管可以使用众所周知的Seldinger技术，它是以瑞典放射科医生Sven-Ivar Seldinger博士的名字命名。所需的血管被一个称为套管的锋利的空心针刺破，如果必要，这个过程要在超声波的指导下进行。然后，圆尖的导丝通过套管的针管腔先进入，套管撤回。鞘或导管可以通过导丝进入血管。鞘或导管进入血管后，导丝被撤回。Seldinger技术是一种常用的引入动脉导管的方法。使用这种方法，动脉导管可被插入颈部的颈动脉，或使用其它的方法被插入到胳膊或腿，或躯干的其他适当的动脉上。

图3显示了如何将冷却和加热装置连接到病人身上。在此设置中，所有动脉和静脉导管都连接到颈部。要保持系统尽可能的灵活和充足，我们需要在左右两侧使用单独的加热和冷却装置。

冷却装置400冷却行驶在右颈内动脉的血液。右颈内动脉的血液被导管抽出，连接到进线401，然后被送到冷却装置400，血液的温度被冷却到一个目标温度比如说37℃，在这之后由出线402，重新注入冷却的血液到病人的右颈内动脉，只是重新注入点要高于上述提取点。同样，冷却装置600冷却行驶在左颈内动脉的血液。左颈内动脉的血液被导管抽出，连接到进线601，然后被送到冷却装置600，血液的温度被冷却到一个目标温度比如说37℃，在这之后由出线602，重新注入冷却的血液到病人的左侧颈内动脉，只是重新注入点要高于上述提取点。

加热装置500加热返回右颈内静脉的血液到治疗的热疗温度，然后才允许混合它与已经为核心体温的其它血液。右颈内静脉的血液被导管提取后，连接到进线501，在这之后被送入加热装置500，在那里被加热到所需的温度，以达到或维持病人的热疗，然后通过出线502，将血液由导管重新注入到病人的颈内静脉中，只是重新注入点要低于上述提取点。

同样的，加热装置700加热返回左颈内静脉的血液到治疗的热疗温度，然后才允许混合它与已经为核心体温的其它血液。左颈内静脉的血液被导管提取后，连接到进线701，在这之后被送入加热装置700，在那里被加热到所需的温度，以达到或维持病人的热疗，然后通过出线702，将血液由导管重新注入到病人的颈内静脉中，只是重新注入点要低于上述提取点。

图4显示了一个具有不同设置的另类体现，其中每个体外循环导管均在脖子上，而在同一电路的其他导管则被插入到手臂上的动脉。这种设置的好处是，脖子上不那么拥挤，对颈部重要血管的损害减少到最小。

温暖的动脉血被导管从手臂的动脉抽出，连接到进线401，然后被送到冷却装置400，血液的温度被冷却到一个目标温度比如说37℃，在这之后由出线402，重新注入冷却的血液到病人的右颈内动脉，以便冷却的动脉血返回大脑并保持它的温度接近37℃。

同样的，冷却装置600冷却向上流动的左颈内动脉的血液。温血由导管从手臂的动脉抽出，连接到进线601，然后被送到冷却装置600，在那里被冷却到一个目标温度比如说37℃，然后通过出线602，将血液重新注入到病人的左颈内动脉，让冷却的动脉血回到病人的大脑。

加热装置500加热向下流动的右颈内静脉血液到治疗的热疗温度，然后才允许混合它与已经为核心体温的其它血液。右颈内静脉的血液被导管提取后，连接到进线501，在这之后被送入加热装置500，在那里被加热到所需的温度，以达到或维持病人的热疗，然后通过出线502，将血液重新注入到病人的手臂静脉。

同样的，加热装置700加热向下流动的右颈内静脉血液到治疗的热疗温度，然后才允许混合它与已经为核心体温的其它血液。左颈内静脉的血液被导管提取后，连接到进线701，在这之后被送入加热装置700，在那里被加热到所需的温度，以达到或维持病人的热疗，然后通过出线702，将血液重新注入到病人的手臂静脉。

图5显示了在第一和第二的实施方案系统中的动脉血冷却装置的详细示意图。这个装置的目的在于冷却温暖的动脉血到大脑可以忍受的温度，然后重新注入动脉血液到颈内动脉。一个导管被安装到动脉上，在那里血液被抽出，然后将导管连接到使用适当大小的医用管做成的进线101。泵104从进线101通过导管抽取血液。虽然可使用其他类型的泵，但首选泵是蠕动泵。在泵之前的进线上，我们安装了一个温度传感器113和压力传感器110。这两个传感器的目的在于衡量入口血液的温度和压力。当入口和出口导管连接到相同的动脉上，温度传感器113的温度读数显示在核心体温以下，这种情况表明出口和入口导管之间产生了再循环。一个准确的入口压力读数是非常重要的，它可以确保整个导管的降压不超标，否则将会有潜在的堵塞。使用少量的仪器放置在泵104的进口处，以尽量减少泵吸入侧的降压。在泵104的输出口，我们有一个流量计105，它是用来监控体积血流量，并确保足够的循环可通过仪器。接下来的是一个压力传感器111，它是用来测量泵的输出端上的压力。通过比较压力传感器110和111之间的压力读数，我们可以得到一个泵104的压力增加的直接读数。下一个装置就是换热器块103(即热交换器)。传热块的目的在于将温暖的动脉血的热量转移到无菌水浴106。换热器块103的设计有两个目标。首先是已经在传热块内的血液应该是非常接近等于无菌水浴106的温度。第二个目标是尽量减少被困在换热块内的血液量，因为本仪器不需要一个大的血流量。它是通过一个很宽但窄的矩形通道来实现血液和换热块之间的传热面的最大化，同时尽量减少换热块内的血容量。换热块的外面与消毒水浴接触，换热块包含许多散热鳍，将水中的热量尽可能有效地转移到金属块中。

图23描绘了一个建议的换热块117的横截面图。换热块117包括两个类似的一半部分，左翻盖120和右翻盖121，形成了一个蛤壳结构。在蛤壳结构的外部是外部散热鳍片123，它提高了将热从水浴106转移到换热块117的工作效率。两个蛤壳部分，最好设计成一个大大的长方形，狭窄的内部通道122，由此可使血液通过。该通道的设计，减少了换热块所需的血量，从而使所需的热交换更有效。这是通过设计内部通道122的宽度明显大于其厚度来完成的，这样，适合传热的表面积大于通道的横截面。此外，一个小的厚度确保内部通道的大部分血液非常接近于传热表面。可选的是，内部散热鳍片124可设计在内部通道122的内表面以提高传热效率。一个医疗级O形圈树丛125可使两个蛤壳部分保持密封，并可分离两个部分进行清洁。在操作过程中，保持内部通道122的压力高于水浴106的压力，使任何潜在的泄漏只会造成少量的血液流出装置，而不是将潜在的污染物泄漏进体外电路装置中。

阻止渗漏水进到换热块中是通过保持内部通道血液的压力高于水浴的压力来完成的。无菌水浴106的温度是由温度传感器115来监测的。冷却装置108冷却在无菌水浴106中的通过冷却线圈107进行循环的制冷剂，使无菌水浴维持所需的温度。电机和叶轮109循环水的温度，以确保整个浴缸的温度的平等分配。在换热器的出口侧，我们有压力传感器112和温度传感器114。温度传感器114是非常重要的，因为它提供了在重新注入到颈内动脉之前的动脉血温度。压力传感器112提供一个直接测量导管输入端的动脉血压，并给出了整个出口导管的降压指示。所有的温度传感器，压力传感器，流量计，泵，电机叶轮和制冷机组被数据采集/控制总线116连接在一起，以便它们能被计算机数据采集/控制模块117监测与控制。

计算机数据采集/控制模块117有多种用途。控制系统300的模块117的主要目的是提供监测和控制系统的其他要素，如温度，流速和整个系统压力等关键参数的调节。各种传感点的温度读数用来控制冷却装置，以确保无菌水浴的温度得到非常严格的调控，从而确保所需的在系统出口102的动脉血液温度。通过蠕动泵104的流量也得到控制，以确保通过该系统的所需的血液流动。由于蠕动泵是一种容积式泵，体积流量与泵的转速成正比。流量计105对泵所提供的所需流量提供了核查。多重压力传感器主要用于报警和检测是否系统有堵塞的情况。如果进口压力传感器110低于一定的数值，这表明进口导管造成了对所需血流量的太大的压力下降。进一步降压可能会导致血液中的废气积聚，这是不可取的，因此进行报警并告知医疗团队减少进气口和泵的转速，以确保压力不低于一定的数值。同样的，在系统出口的压力传感器112监控通过导管回流到颈内动脉的所需血液的必要压力。如果压力变得过高，这可能表明导管堵塞，并会引发报警。如果出口压力过高，控制模块将降低泵的转速，以确保不超过所需的数值。额外的压力传感器可用于直接测量颈内动脉的动脉压，并安装在上述出口导管的位置之上，这个动脉压将是进入大脑的血液压力。压力传感器也可是一个单独的设备，连接到控制装置117上。

要提供非常稳定的温度调节就要求水浴有足够的热质量，以确保一个相对较小的温度变化率。一个20公升的浴缸需要83.4千焦去创造了1℃的温度变化。用这样的浴缸，即使换热块传输500瓦的水，1分钟后浴缸里的水只会经历0.36℃的温度变化。这种热质对比例控制模块提供了充足的时间来调整冷却装置108的输出，从而非常严格地调节了水浴温度。此外，在冷却装置发生故障从而使过于温暖的血液开始流到患者大脑之前，医务人员会有几分钟去回应这种状况。

蠕动泵104提供了许多优点。首先，它是一种容积式泵。这意味着，通过设备的流量可以很容易地被控制，因为它与泵的转速成正比。其次，该泵是自我充电，并在进线上创建一个吸力，将血液抽到进线。第三，血液不接触泵的机械零件，而完全封闭在消毒管内，这个消毒管可以很容易地在病人之间被更换消毒，最大限度地减少了感染的风险。

图6描述了一个加热装置200的详细图解。加热装置200与在上述图5中描述的冷却装置100非常相似，除少数例外。在系统的进口侧，加热装置200接收从大脑返回的凉爽的通过颈内静脉的静脉血。静脉血被导管从颈内静脉抽出，然后由医用导管送到进线101。加热装置的目的在于加热血液到所需的温度，诱导或维持热疗，然后通过出线102退出系统，再通过导管重新插入到静脉中。相对于用冷却装置和冷却盘管去冷却无菌水浴，加热装置则有一个电源供应器，通过加热元件发出的电力去温暖无菌水浴达到所需的温度。除了这些例外情况外，传感器和控制系统都非常类似上文所述的冷却装置。

实施体外的动脉或静脉旁路循环的流体机械考量：

现在让我们讨论如何实施血管搭桥。我们需要达到几个目标。首先，我们希望对动脉或静脉的血液流动实施体外旁路循环以调节通过加热装置或冷却装置的血液温度。其次，我们希望尽量减少对静脉或动脉的损伤。第三，需要尽量减少对脑动脉系统的压力变化。

泊瓦泽伊氏(Poiseuille)流体方程对那些有流体力学背景的人来说是众所周知的。这个方程可以通过象导管等这样的循环管或渠道来预测流体流动率或降压率。该方程适用于层流流动和当流动变得动荡时需要使用的其他关系。

泊瓦泽伊氏方程表明：

$h_{\mathrm{loss}}=\frac{128\·\mathrm{\μ}\·L\·\stackrel{\·}{V}}{\mathrm{\π}\·D^4\·\mathrm{\ρ}}$ 其中

h_loss表示通过管的降压。

μ是血液粘稠度。

L是管或导管的长度。

是通过管或导管的血流率。

π是众所周知的常数3.14。

D为管或导管的内部直径。

ρ是血液的密度。

应讨论的其他重要的流体机械参数是雷诺尔德氏数。雷诺尔德氏数是一个无量数，它给出了一个内力与粘滞力的比例衡量，因此量化了这两种效应的相对重要性，从而用来预测液体流动是否为层流流动或湍流流动。这对有流体力学背景的人来说是众所周知。在圆形管道或管流动的雷诺尔德氏数为：

其中V是流体在管子里的平均速度，μ是血液粘稠度。其他的变量都在以上被定义了。

通常情况下，对于圆截面的管道或管的流体流动，R_ey为2300被用于预测湍流开始的标志。如上所述，泊瓦泽伊氏公式只适用于层流，因此只适用于R_ey少于2300的情况。在动荡的情况下，需要用经验公式来计算通过导管或管的降压，而不是用泊瓦泽伊氏公式。

在我们的应用过程中，通过颈内动脉或颈内静脉血流量的典型速率大约为400毫升/分钟。正常的血液粘度为大于水的3倍左右，但随着不同的温度和个人的体质，特别是细胞的积压量而变化。对某些个人，血液粘度可高达水的10倍。而我们的计算，将假设一个血液粘度的典型值为μ＝3.26x10^-3Pa＊s。

对于一个400毫升/分钟的流速和μ＝3.26x10^-3Pa＊s的血粘度，内部直径为1.2mm的导管R_ey将为2300。导管尺寸用规来测量，1规等于1英寸除以导管的外径。典型的静脉或动脉导管有大小12规，14规和16规，这样它的外径就分别为2.11毫米，1.81毫米，和1.587毫米。通常情况下，内径约为0.3毫米，小于外径，因此12，14和16规的导管的内部直径分别为1.81，1.51和1.29毫米。对于这些大小的导管，假设上述的流速和血液粘度，R_ey分别将是1530，1830和2140。所以，即便是一个相对较小的16规导管，流动也将会是层流。

用于传输血液的两种医用导管是一个内部直径3.0毫米的DelmedY型血溶解管套装(Delmed Y-Blood Solution Set)和一个内部直径为3.66毫米的Fenwal大口径管材(Fenwal Large Bore Tubing)。对于以上的流量和粘度，由此产生的R_ey将会分别为920和754，它们将远远低于湍流的起始点。

图19描绘了两个导管301和302插入到颈内动脉304的示意图。该图的目的在于为了给我们提供一个样本计算，即通过冷却装置100的流速如何计算影响颈内动脉的动脉压力，以及如何计算评估在各个利益点的压力。第一导管302，用于从动脉中抽出血液进入进线101，然后被送进冷却装置100。第二导管301，用于接收从冷却装置100回流的较冷的血液，并重新插入它到颈内动脉，以供应已经冷却到较低温度的血液给大脑，这个温度比病人正在经历的颈部以下的热疗治疗温度要低很多。

在正常情况下，让我们假设病人有一个正常的动脉血压，即120毫米汞柱的收缩压和80毫米汞柱的舒张压。然后让我们来计算上面所讨论的400毫升/分钟的流速通过颈动脉的压力，和当我们使用全流量(400毫升/分钟)通过冷却装置时的压力。因此，对于一个16规的导管，4cm长，内部直径1.29毫米，我们期望看到由于粘性损失，通过导管的降压为13.2千帕(泊瓦泽伊氏方程)。此外，由于突然收缩的结果，血流从直径为3mm的颈动脉转换到内部直径为1.29毫米的导管似乎体验到另外10.7千帕的压力损失。这个突如其来的不连续性造成的压力损失通常是利用经验公式来计算的。结果是，为了将血液以400毫升/分钟的流速吸到一个16规的导管内，进线101的压力即进线与导管相遇地方的压力必须在约24千帕，它低于颈动脉的动脉压力。这将导致进线的负表压，约-10.7千帕(相对于大气压)或90.6千帕(绝对压)，假设动脉的平均压力约100mmHg。因为90.6千帕的绝对压力远远高于血的蒸气压，所以系统应该没有困难保持此流速。随着核心体温增加到37℃以上，血液粘度会大幅下降，这将会使抽出的血液通过导管容易得多。仔细考虑进线的压力是很重要的，因为当压力接近血液的蒸汽压时，这就代表着一个严格的限制，超过这个限制我们就不能通过导管抽出额外的血液，因此最好使用一个较大的导管在进血处以减少降压。流速400毫升/分的流速，我们应该使用16规的导管并使用一个正排量泵，和我们在系统中使用的类似。医用导管，就是用于进线101的导管，应该有足够的刚性，以便它不会因在此线路上的负表压的结果而崩溃。

同样，为了推动血液通过导管进入动脉，出口线102的压力应大大高于颈动脉压力。由于我们仍使用16规导管，我们会再次遇到由于粘性损失而导致的12.8千帕的压力下降。此外，由于急剧的不连续性，即当血流从内部直径为1.29毫米的导管转换到内部直径为3毫米的颈动脉时，血流将会经历13.2千帕的压力损失。最终的结果是，在出口线102的压力，必须在颈动脉压以上约26千帕。在此范围内适度的正压已经不是主要问题，因为大多数医用导管是能够承受这个压力的。

对颈静脉的分析将是非常相似。既然我们的目标是在颈静脉上相同的流速，并且通过进口和出口导管的降压同我们上述所观察到的，将会非常相似。一个关键的区别是，颈静脉血管的压力相当地低，约为10毫米汞柱(一般情况下，取决于病人是站着或躺着)。因此，在进线的压力表压将会较低，约为-22.6千帕(相对于大气压)，或78.6千帕的绝对压。所以，假设我们使用相同尺寸的导管，使用通过静脉电路与动脉电路相等的流动，我们将会在静脉电路上首先达到血液的蒸气压。因此，在某些情况下，使用稍大的导管在静脉进口处可能是有益的。

现在让我们看看一个更有活力的系统并评价当我们改变和控制通过动脉冷却装置100的血液速率时，脑动脉压力如何变化。如前所述，由于冷却装置100和加热装置200使用一个正排量蠕动泵，所以通过旁路电路的流速可以很容易地被控制，因为它与泵的转速成正比。因此，我们能够通过增加泵的旋转速度，从而增加通过旁路电路的血液量，只要我们将系统进口处的血压不低于蒸汽压力。现在让我们分析随着我们发送越来越多的血液通过旁路电路，颈动脉血压将会怎样变化。图20，21和22是这个实验的结果。

图20显示了进线101和出线102的压力与被驱动而通过冷却装置100或加热装置200的血流的一种函数关系。在这个分析中，我们假设颈内动脉的平均动脉压为100毫米汞柱(相对于大气压)。最初，由于0毫升/分钟的旁路血流通过进线导管不会有任何压力下降，因此，进线的压力等于100毫米汞柱(相对于大气压)的动脉血压。在出线，因为这两个被插入颈动脉的导管，部分阻断血液流动，使通过颈动脉的压力下降，血流量约为320毫升/分钟，从而进线的压力等同于平均动脉压，为80.1毫米汞柱。假如说通过旁路系统的血流量增加到400毫升/分钟，那么通过导管将会有一个较大的压力下降，进线101和出线102的压力将分别下降到-80毫米汞柱(相对于大气压)和280毫米汞柱(相对于大气压)。随着通过旁通电路的血流速进一步增加至600毫升/分钟，整个导管的压力降低也会再次增加，现在进线101和出线102的压力分别变成了-170毫米汞柱(相对于大气压)和380毫米汞柱(相对于大气压)。

图21显示了平均动脉压，以及在旁路血流被重新插入动脉后，颈动脉提供给大脑的动脉压力。位置对应图19的上部，并打出了“退出条件”的字样。这些压力被显示了与被加热或冷却旁路电路驱动的血流量的关系。没有导管的插入，整个颈动脉的降压将会很小，脑压将几乎等于动脉压。由于两个导管的插入，颈动脉的截面被部分减少，结果是整个颈动脉在两个导管的尖端由此产生了一个约20毫米汞柱的降压。这个20毫米汞柱的降压也适用于当没有血流通过旁路电路时。渐渐地，当通过旁路电路的血流量增加至400毫升/分钟时(通过病人颈动脉的原始流速)，在示意图出口处的到大脑的压力恢复到100毫米汞柱的原始值。最后，随着通过旁路电路血流量的增加超越了原来的400毫升/分钟，到大脑的压力开始增加到超越了原来的动脉压。通过这样做，我们能够增加颈内动脉的动脉压，与椎动脉/基底动脉相比，这迫使血液更早地流过威尔斯循环，正如我们前面的讨论。当我们发送600毫升/分钟的血液通过旁路系统时，在示意图出口处的平均动脉压已经增加至约110毫米汞柱，而相比原始值则为100毫米汞柱。这代表了平均动脉压增加了10％。如果进一步增加通过旁路电路的血流量，或在进口和出口导管尖端之间的内部导管增加血流的阻力，压力可能会被增加至超出10％的水平。这可以通过在颈内动脉上施加压力而实现，或者如果使用双软颚导管，导管的外套筒可以被部分膨胀(就象在球囊导管里)，从而进一步地部分限制血流量。

图22描绘了颈动脉供应大脑的体积血流量，以及在进口和出口导管尖端之间的直接流向颈内动脉的血流速度。最初，当血流通过旁路电路的流速为0毫升/分钟时，所有的脑供血一定直接流往了颈内动脉，而且传递到大脑的总血流量是320毫升/分钟。在插入导管之前通过动脉流往大脑的血流量为400毫升/分钟。这个血流量的减少是由于动脉被插入的导管局部堵塞而使阻力增大。由于通过旁路电路并被出口导管重新注入到动脉的血流速度的增加，直接流入动脉的血液量开始下降。随着流过旁路系统的血液量达到400毫升/分钟的原始值，不再有任何血液直接流入在两个导管尖端之间的颈内动脉。当达到这样的条件时，我们将所有血液大幅度地通过加热或冷却装置，这样旁路热疗可有效地工作。从大脑的角度来看，我们又回到了原来的状态，即插入导管之前的状态。平均动脉压再次为100毫米汞柱，而这个动脉的脑血流量也再次为400毫升/分钟。

随着我们将通过旁路系统的血液量提高至超过400毫升/分钟，我们开始看到两个导管之间的血流反向流动。由于颈动脉被导管部分阻塞，所以当血流开始反向流动时，相比图19入口侧303的压力，图19出口侧304的压力一定会增加，从而驱动血液流动。渐渐地，随着通过旁路电路的血流量增加至600毫升/分钟，流向大脑的大脑血流已增加至440毫升/分钟。增加的血流量主要被推动通过威利斯循环，并供应许多大脑区域，这通常是由椎/基底动脉来提供的。

要想看到血液的反向流动，可以通过对进线血液温度的突然变化来检测。例如，流入进线101的动脉血流，将会是患者热疗的核心温度42℃，只要没有血流的反向流动。一旦我们开始看到血流的反向流动，进线101的血流将会是流向颈动脉并有着热疗温度的血流与在出口和进口导管之间进行反向流动并已经被冷却至37℃的血液的组合。在图22中可以看到，随着血流开始反向流动，入口温度曲线将会有一个很突然的变化。有利的是，这种现象可以通过系统的控制算法得到平衡。

其它的实施方案

虽然具体的实施方案已经在上面被详细地描述，但我们还是提倡对这些实施方案的不同使用中的其他安排，以实现颈下的不同温差，例如到大脑的热疗或大脑的低温治疗。

在上面描述的实施方案中制冷和制热旁路电路被左右颈动脉和颈内静脉血流所提供。对这些旁路电路中用于加热和冷却的换热器的其他安排可以被使用。选择性地冷却身体的其他部位，如热敏感组织，也可能被要求，现在我们将描述它。

上面描述的本发明的实施方案有利地包括了热调节头部或大脑，且独立于身体的其它部位，这样颈部以下的核心体温可被有效地提高，以有目标地治疗疾病，同时保持大脑温度接近人体正常的核心温度，约为37℃，或至少低于身体正在进行的颈部以下的热疗治疗温度。在诱导颈部以下的热疗治疗癌症或其他感染状况时，身体的核心温度也可以通过使用一个或多个体外血液加热器，水毯，孵化器，射频辐射或红外线辐射，温水浴，或任何其他的加热机制来增加。

如上所述，颈部以下热疗，由于大脑主要是被脑血流而冷却，所以，通过发送流过颈内动脉或共同颈动脉的血液经过一个外部的散热系统，大脑可以维持在一个比身体核心体温较低的温度。它可以通过使用一个体外泵抽出颈动脉的血液，发送其经过冷却装置，在那里将温度调节到37℃，或调节到比颈部以下热疗治疗温度较低的温度，然后再重新插入到颈动脉中，插入点要高于抽出点。血管钳或球囊导管，压力的应用或任何可以完全或部分限制血液直接流入颈动脉的其他设备都可以被使用，但它并非是必不可少的。另外，从动脉抽出的血液可以从容易接触的位置如腿或手臂取出，使用体外泵，发送其通过一个冷却系统，然后重新注入到颈动脉中。这将确保供应到大脑的动脉血温度比颈部以下的核心体温低。

如果颈动脉的血管压力可以保持比椎动脉的血管压力稍高，那么冷血将流过威利斯循环，即从颈内动脉到基底动脉和椎动脉和它们各自的分支机构，从而冷却大脑的大部分，并保持大脑温度低于受到热疗治疗的颈部以下的身体温度。

从大脑返回到心脏的颈内静脉血液将会比颈下热疗治疗温度较低。因此，它必须被加热或者向下流经颈内静脉的凉爽的血液将会对核心体温有一个散热效果。如果我们依靠颈内静脉体外加热系统做为诱导热疗的主要方法，那么血液则必须被加热到比目标热疗温度稍高的温度以补偿热损失。如果使用其他的加热方法，那么血液只需要被加热足够到以防止过度冷却。血液加热可以通过使用体外泵从颈内静脉抽出血液并发送血液至加热系统来实现。旁路循环将包括使用一个体外泵从颈静脉抽出血液，将血液发送至一个加热装置，使其达到目标温度，并重新插入到血管钳下方的一个颈内静脉中。或者，可以使用体外泵从颈内静脉抽出血液，加热到目标温度，并重新注入到一个更易于接触的位置，如手臂或腿部的主要静脉之一。

虽然安装在颈静脉上的体外加热系统应该足够加热病人到目标温度即颈部以下核心温度，但是，如果需要的话，额外的加热也可以被提供，例如，使用一个或多个

·热水毛毯，感性毛毯或孵化器，这些通常是被用来诱发全身热疗。

·一个体外加热装置，可以加热血液并重新将其注入到静脉中，从而导致身体加热到目标温度。

·使用电磁波，如红外线或无线电波来加热身体。

由于大脑被保持在接近常温的温度即约为37℃，或维持在一个较低的温度，所以，颈部向下的体温可被提高到摄氏42度以上，这个温度通常被用于全身热疗。高达摄氏45度或潜在的更高的温度可以在颈部以下被保持，而这样的高温也许可以足够有效地治疗癌症和其他传染病，如艾滋病，慢性炎症的疾病，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，甚至需要解毒的病症。

此外，由于大脑被保持在比较正常的温度，下丘脑不会直接意识到颈部以下身体的核心体温被升高，因此体温调节补偿机制将会减少。

其他注意事项

由于大脑被维持在一个相对正常的的温度下，目前还不清楚什么样的其他机制将限制人体对颈部以下核心温度升高的适应能力。据发明者所知，在所有其他报告的实验中，大脑的温度总是随着身体的其他部位而上升，因此大脑产生了如心率加快，呼吸加速，出汗等反应，因为它试图防止身体过热。根据本发明的实施方案使用其系统和方法，大脑可以被保持在一个正常的温度下，同时颈部以下身体的其余部分被暴露在升高的温度下。

其他组织的辅助冷却

然而，被暴露在高温下的组织细胞损伤是一个值得关注的问题。随着颈部以下核心温度被增加到45℃和45℃以上，脊椎，肺和睾丸将是下一个可能会被损坏的元素。这些器官的损害可能是可逆的，它们可能会在恢复期间重新恢复自己。否则，它们可以被优先冷却和维持在一个比“颈部以下核心温度”的治疗温度较低的温度。

脊髓：通过直接与骨干接触，将冰袋紧紧贴在背部，脊柱可以被冷却至所需的低于颈部以下热疗治疗的温度。局部热疗的实验表明，一个应用在皮肤表面的温度差(热或冷)可以渗透进入人体约2厘米。在局部热疗的实验中，热源通常约为45℃；只比正常体温高8摄氏度，温度梯度表明可渗透进人体约2厘米。冷却脊柱的能力应该对热疗稍微更有利，因为冷敷可以低至0℃，因此冰袋与热疗治疗的温度差应该大于40℃。

睾丸：睾丸是人体对热敏感的另外一个器官。鉴于它们的位置，保持睾丸温度略低于颈部以下核心热疗治疗温度应该是相当简单的。在治疗期间睾丸可以被冰袋冷敷，或在阴囊周围附加某种形式的袋子使睾丸可能会潜在地沉浸在寒冷的液体中。

肺脏：肺部细胞也可能会对高温敏感。优先冷却肺部的一个潜在的手段就是让病人呼吸冷的空气。远低于冰点的空气可以提供给病人呼吸，这应该可以有利地冷却肺部，相比身体的其余部分，肺部的温度会低。患者可通过强制空气输送系统进行呼吸，那里的空气被冷却到所需的温度。低至-20℃或甚至-30℃的空气可被长时间地吸入而无不良影响。在这样的温度下冷空气应进入肺泡深处，并防止血液/空气屏障被打破。

对肺，睾丸和脊髓的优先冷却将会使身体的其余部分有热损失。因此，如果要保持颈部向下所需的目标热疗治疗温度，额外的热量将需要被添加到体内，以克服这种热损失。额外的热量添加，可使用上面已经讨论过的几种方法之一。

实验系统：

根据本发明的优先实施方案，以下实验描绘了六个模拟方法，向人们展示了颈部以下热疗系统可如何用于临床治疗病人。

实验A是一个最简单的系统实施，它使用在每个颈内动脉上的冷却装置去冷却前往大脑的动脉血，结合在每个颈内静脉上的加热装置去加热返回到躯干的静脉血，从而诱导颈部以下的热疗状态。

实验B类似上述A，只是冷却装置用于冷却颈内动脉的动脉血，并用这种方式控制大脑的温度保持在一个恒定的温度下。

实验C使用红外线照明作为一个额外的加热系统，以产生一个快速升温。此外，病人暴露于两个温度高原，第一个比第二个温暖，从而受益于温度突然降低的敏感作用。红外线灯和颈静脉上的加热装置用来加热病人到所需的温度。用于冷却流向颈内动脉的动脉血液的冷却装置受控制循环掌控，旨在保持大脑温度的恒定。

实验D除了一个例外类似上述实验C。大脑的温度被调节到一个稍低于正常值的温度，导致病人感到一点寒冷，尽管核心体温被提高。

实验E使用温水浴，迅速加热病人到一个相当高的46℃的核心体温。冷却装置被安装在颈内动脉上以维持大脑在一个相对较凉的温度上。没有加热装置被安装在颈内静脉上，因为没有加热装置的冷却效果相比温水浴引起的传热率是很小的。

实验F除了两个例外类似实验E。首先是，大脑的温度被调节到一个比正常温度较低的温度，从而对大脑有保护作用。其次，冷却装置被安装在颈内静脉上，而不是加热装置。冷却装置显著降低回流到心脏的静脉血液温度，从而使心脏和肺部体验较凉的温度，而身体的大部分则暴露在非常高的热疗温度下。

每个实验的一个更详细的说明如下：

实验A：

这是最简单的设置，我们使用的是动脉的冷却装置，以保持流向颈内动脉的动脉血液凉爽，同时我们使用加热装置加热向下流动的颈内静脉的血液到一个必要的温度，以加热颈部向下的身体，从而诱导热疗，并达到一定的治疗作用。目标治疗温度约为42℃。

系统设置：

动脉冷却装置将被安装在左，右颈内动脉上，以保持大脑在较凉的温度下，这个大脑温度相比病人将会从颈部以下接触的热疗温度要低。

·颈内动脉的动脉压力将会比患者正常的动脉血压略有增加，以利于血液流过颈动脉，而不是原先的椎/基底动脉。

·在这种情况下，流向颈内动脉的血液将会被调节到37℃左右的温度。加热装置被安装在颈内静脉上。

·加热装置将温暖向下流向颈内静脉的血液到约43℃的温度。

没有额外的热源将被使用。病人将被允许加热到一个达到热平衡的温度，并保持这个治疗温度水平约24小时。24小时后，通过加热装置的血流将被停止，患者将被允许下降回落到正常温度。在整个冷却过程中，冷却装置将继续调控流向大脑的通过颈内静脉的动脉血液，以确保病人保持舒服的感觉。

患者的体温在整个过程中将被密切地监测。如果病人是绝缘的，那么他的基础代谢可能会超过他的对环境的热损失率，在这一点上，当被注射到他的颈内静脉的静脉血温度为43℃时，而他的核心体温可能会上升到43℃以上。如果病人的体温上升到高于目标温度，毛毯应该从病人身上拿开，以增加其对环境的热损失率，这样，他的颈部向下的核心体温将回落至目标温度。同样，如果病人的核心体温仍然低于目标温度，那么他的对环境的热损失率应被减少，这可以通过添加毛毯等绝缘体来实现。

实验结果与讨论：

病人的温度曲线如图7所示。当t＝0时，旁路电路被安装在颈内静脉和颈内动脉上。在大约5个小时内，患者的核心体温会从37℃上升到约41.7℃，并在几个小时后最终达到41.9℃的平衡温度，并在治疗期间保持此温度。脑温会略高于初始温度37.6℃，最高升高到38.1℃。虽然流向椎动脉的温暖的动脉血液引起大脑温度的少量增加，但是大多数的动脉血流向颈内动脉而且这部分血液的温度被调节到37℃，所以大脑温度较凉爽。在未来，尽管有流向椎动脉的温暖的血液，我们仍然可以将流向颈内动脉的血液温度调节为稍微低于37℃，这样，大脑的整体温度将保持在正常的温度下。整个24小时内，流向颈内静脉的血液温度通过加热装置被调节到43℃。

病人体温的升降可以采用基本能量保护原理来计算：

T_Core＝Q_total/(m·c_p)

这里：

Q_total＝患者体内总热量，相对于参考温度。

m＝病人的体重。

CP＝患者体内的平均比热。

$Q_{\mathrm{total}}={\∫\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{environment}}\mathrm{dt}+\∫{\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{Carotid}}\mathrm{dt}+{\∫\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{Jugular}}\mathrm{dt}+{\∫\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{BasalMetabolism}}\mathrm{dt}$

其中，第一项是对环境的热量吸收/损失率，第二项是来自于安装在颈动脉上的动脉冷却装置带来的热量添加/清除率，第三项是来自于安装在患者的颈静脉上的加热装置带来的热量添加/清除率，最后一项是从患者自己的基础代谢产生的热量率。所有这些参数用瓦来测量，它们是随着时间的变化用焦耳来计算能量总值。如果这些项的总合为正数，那么热的总量将随着时间的推移而增加，病人将感觉他或她的核心体温的增加。相反，如果这些项的总合为负数，那么热的总量将随着时间的推移而减少，病人的核心体温将会逐渐下降。

由加热装置和冷却装置添加或清除的热量分别可以近似如下：

${\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{Carotid}}=\stackrel{\·}{V}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{blood}}\·c_{p\_\mathrm{blood}}(T_{\mathrm{Carotid}}-T_{\mathrm{Core}})$

这里：

是用毫升/秒来表示的流经仪器的血液量。

ρ_blood是用克/毫升表示的血液密度。

c_{p_blood}是用J/gK表示的血液的比热。

T_jugular是重新注射到患者静脉之前，经过加热装置调节的静脉血液温度。

T_carotid是重新注射到患者颈内动脉之前，经过冷却装置调节的动脉血液温度。

T_cerebral-0.3℃是通过加热装置之前的从大脑返回的在颈内静脉的静脉血液温度。我们将这个温度近似为大脑的温度减去0.3℃。

T_Core是从颈部向下病人的核心体温，即有效的热疗治疗温度。从心脏流向颈内动脉的血液被假定为大约的颈部向下的核心体温。

与本实验相关的所有传热参数都可以在图8中看到。正数表明热量被添加到病人身上，而负数表明热量从患者身上被删除。当t＝0时，从加热装置得到的超过400瓦的热量被添加到病人身上，而没有热量从动脉的冷却装置中被删除。这就使得静脉的加热装置将接收一个相当正常温度的约为37.3℃的血液，并加热其至43℃。相反，动脉的冷却装置将接收当前的核心体温37℃的动脉血，由于37℃是要求的温度，因而不会发生热量删除。渐渐地，随着病人的核心体温的增加，动脉上的冷却装置开始删除血液中的热量。当温度平衡实现时，所有添加和删除的热量总和应等于零。

实验B：

这个实验除了一个主要区别外与以前的实验相同。在这里，我们希望保持大脑温度的恒定。因此，颈动脉血液冷却装置的设定温度允许变化。冷却装置的设定温度被控制在一个循环内，以从大脑返回的静脉血液的温度为基础。我们的目标是保持大脑的平均温度恒定在37.6℃，这大约相当于从大脑返回的静脉血液的温度37.3℃。如果从大脑返回的流向颈内静脉的静脉血液的温度超过37.3℃(在经过加热装置之前)，那么，控制循环就会被实施，然后颈动脉血液冷却装置的设定温度就会下降0.02℃。更新率是每2分钟。反之，如果静脉血液的温度低于37.3℃时，那么颈动脉血液冷却装置的设定温度就会上升0.02℃。这是一个非常简单的控制系统，但由于非常缓慢的温度变化速率，它能够非常精确地跟踪和保持大脑的温度恒定在37.6℃。

图9显示了与本实验相关的关键温度。在以前的实验中颈动脉血液温度在整个过程中被调节到37℃，大脑的温度从37.6℃(核心体温的起始温度为37℃)被增加到38.09℃，而核心体温最终则达到41.9℃。脑温的略有增加是由于流向椎动脉的温暖的动脉血液的结果。但在此过程中，颈动脉血液温度被逐渐调节到一个较低的温度36.45℃，从而导致脑平均温度为37.6℃，甚至当核心体温已经上升到41.9℃也是一样。从下丘脑的角度来看，病人的体温在整个过程中一直保持相对的恒定。

有趣的考虑是，如果通过调节流向颈动脉的动脉血液的温度到一个稍低的温度，将可能使病人感到寒冷并希望保持温暖，尽管事实上他颈部以下的核心温度已显著高于正常核心体温37℃。如果或当进行人体试验时，调节温度到一个略低的温度，可以使病人在整个热疗过程中感觉更舒适。

图10显示了所有与本实验相关的热交换参数。它们非常类似于上述实验，因此将不会被详细讨论。唯一真正显著的不同之处在于颈动脉冷却装置的热负荷稍大，因为我们调节动脉血温度到较低的温度，同样，颈静脉加热装置的热负荷也稍大，因为43℃的出口温度是不变的，但入口温度低于前面的例子，因此更多的热量需要被添加到静脉血液中。

实验C：

此程序的目的在于使病人暴露在两个温度高原中。第一个温度高原为在4个小时的治疗期间患者体温将达到44℃，然后，患者体温将被允许下降到42℃，并保持此温度直到12小时过后。此温度变化的目的在于有效利用温度骤降现象，这已在全身热疗试验中得到临床观察，并认识到细胞癌变组织比以前暴露于高温下更敏感于热度。

此外，产生长波长红外辐射的红外线加热系统已被添加到设置中。长波长的红外线被认为是最适合热疗的诱导，因为这种光的频率可深入渗透皮肤，并且热流分布在相当厚的一层组织上，这将有助于防止烫伤。红外灯能够诱导高达1000瓦的热量给病人，并被比例控制系统所控制，当病人的核心体温达到所需的温度时，这个系统可以逐渐减少辐射输出。一旦达到所需的温度，红外灯就会关闭。如果核心体温下降到低于所需的温度水平，红外灯就会重新打开，直到核心体温返回到设定值，一旦核心体温达到目标温度，又会导致红外灯的开/关循环。

系统设置：

动脉冷却装置将被安装在左，右颈内动脉上并维持大脑在一个相比病人颈部以下接触的热疗温度相对较凉的温度下。

·颈内动脉的动脉压将会比患者的正常动脉压略有增加，这将有利于血液流过颈动脉而不是椎/基底动脉。

·在这种情况下，流向颈内动脉的血液温度将被调节到37℃左右或更低。精确的血液温度将会被循环所控制，这个循环旨在保持从大脑回流的通过颈内静脉的静脉血液温度约为37.3℃。控制循环的更新率是每60秒更新一次。如果向下流向颈内静脉的血液温度高于37.3℃，动脉血冷却装置的设定值将被减少0.05℃。反之，如果向下流向颈内静脉的血液温度低于37.3℃，动脉血冷却装置的设定值将被增加0.05℃。

加热装置被安装在颈内静脉上。

·加热装置将温暖向下流向颈内静脉的血液，使血液温度在最初的4个小时的高温治疗中达到约43.75℃，同时，我们的目标是颈部向下的核心体温为44℃。

·设定值将在第二个高温治疗中(4-12小时)被下降到41.75℃，在此期间，所需的颈部向下的核心体温为42℃。

·12小时后，血液将被停止泵送通过加热装置，并将被允许自然地向下流向颈内静脉回到心脏。这将对病人有一个冷却效果，因为血液温度将会在约37.3℃(脑温度则少了0.3℃)

红外线加热灯管被放置在病人周围，估计最大供热能力为1000瓦。长波长的红外线是首选，因为它能更深入渗透皮肤，因此更容易被血管系统吸收和运输。

·红外灯的功率输出被比例控制系统所控制。

·在核心体温为37℃时，灯具产生的最大输出功率为1000瓦。1000瓦被认为是能够足够实现我们需要的约1小时的上升时间，但1000瓦并不是那么高，从而不会导致皮肤灼伤。

·随着核心体温向44℃或42℃的设定值增加时(取决于时间)，灯的输出功率将下降。这一点对防止烫伤很重要，因为随着核心体温增加至44℃并结合1000瓦的红外辐射，表面温度可能变得相当高。

·一旦达到目标温度，红外灯就会进入开/关状态，目的在于维持病人颈部向下的目标治疗的核心体温。

12小时后，病人将被允许可以回落到一个正常的核心体温，在此期间，动脉血冷却装置将继续调节向上流向颈内动脉的血液温度到一个必要的温度，以保持脑温约为37.6℃。

病人的皮肤将继续保持裸露，因为红外辐射必须被皮肤所吸收。为了限制对环境的热损失，患者可能会被放置在孵化帐篷中。很有可能在提升核心体温时患者的基础代谢会大于他对环境的热损失，此时病人的核心体温可能会继续上升，从而高于预期的核心体温。出于这个原因，孵化帐篷的温度应足够低，从而使他对环境的热损失率大于他的基础代谢。

实验结果与讨论：

在实验过程中跟踪的关键温度在图11中可以看到，而关键传热参数则在图12中被绘制出来。结合红外灯和颈静脉加热装置的热效应，能够增加病人的核心体温，使其在不到1个小时的时间内从37℃上升到44℃。在这段时间内，当核心体温达到44℃时，红外灯的热输出从约1000瓦逐渐下降至约200瓦，之后，预计随着核心体温分别降至低于或上升高于设定温度时，红外灯会进入开/关状态，在这段时间内，颈静脉加热装置将调节静脉血温度至43.75℃。

4小时后，随着被颈静脉加热装置加热的静脉血的调节温度被减少到41.75℃，红外灯的设定温度将下降至42℃，。在超过1.7小时的治疗过程中，患者的核心体温从44℃下降至42℃。在此冷却阶段，红外灯保持关闭，因为病人的核心体温高于所需的42℃的设定温度。一旦核心体温降至低于42℃时，在大约5.7小时后，红外灯将恢复开/关调制，并使患者的核心体温稳定所需的42℃。12小时后，红外灯被关闭，颈颈静脉加热装置被停止使用，病人被允许冷却回落到正常体温。经过3个小时的冷却，病人会恢复到一个比较正常的37.6℃的核心体温。

在整个过程中，动脉冷却装置被用来调节向上流向颈内动脉到大脑的动脉血温度，以此保持脑的温度恒定在约37.6℃。在被泵过颈内静脉加热装置之前，从大脑返回的在颈内静脉内的静脉血液的温度被进行监测。假设脑的平均温度约等于颈内静脉血液温度加上0.3℃。如果在颈内静脉的静脉血液温度上升至37.3℃以上，颈内动脉冷却装置的设定值将被减少0.05℃，相反，如果静脉血液温度降至37.3℃以下，冷却装置的设定值将被增加0.05℃。相比以前的实验，控制系统的更新率下降为60秒，温度的升高从0.02℃增加到0.05℃，以增加控制循环的反应时间，从而更积极地跟踪由红外灯引起的温度变化率。

在整个过程中，我们成功地使患者的核心体温遵循一个理想的治疗曲线，同时保持大脑在一个较低的温度下。在这种情况下，保持脑温在一个非常接近恒定的温度，从而使下丘脑不能有效地察觉到颈部向下的核心体温被暴露在提升的热疗治疗温度下。

实验D：

这个实验除了一个关键的例外同实验C类似。在整个过程中，我们使大脑温度减少1℃。在最初的一小时内，大脑温度从初始值37.6℃下降至36.6℃，并保持这个温度整整12小时之久。12小时后，大脑的温度被逐渐增加至其正常温度37.6℃。大脑温度的被修改是通过控制向上流向颈内动脉的动脉血液温度来实现的。像以前一样，通过测量从大脑返回的颈内静脉的血液温度，大脑温度被监测。在这个特殊的实验中，动脉血被冷却到35.1℃的低温，以达到预期的36.6℃脑温。假设10％的脑供血来自于椎动脉，在这种情况下，它会以44℃的高核心体温进入大脑。本实验的关键温度和传热曲线被分别绘制在图13和14中。

调节大脑温度到一个较低值有几个好处。第一个好处是，下丘脑会遇到比其所需的设定点低的温度，因此病人会感到寒冷，从而将享受红外灯的变暖效应。第二个好处是，病人将不会出汗，从而不会导致脱水和长时间的不适。从本质上讲，患者将会感到同核心体温上升的初期阶段的发烧相似。虽然体温上升，但仍低于下丘脑试图达到的预期温度水平，因此，交感神经系统的反应是病人感觉寒冷，尽管核心体温在升高。在这种情况下，我们将下丘脑暴露在低于其所需的设定点温度，尽管颈部向下升高的核心体温，交感神经系统的反应仍然会试图温暖身体。

另一个好处是，较低温度将会对大脑有一个保护作用，并将有助于抵消任何可能由通过椎/基底动脉进入大脑的温暖的动脉血产生的热点。在此范围内的低温不会损害大脑，但过热的温度会损害大脑。

方案E：

在这个方案下，我们将试图达到几分钟的46℃的高温，以杀死病毒，细菌或对这种高温有所反应的其他疾病。例如，艾滋病毒已被证实在体内死亡，如果可以达到足够高的温度。由于人体不能长时间暴露在46℃的高温，所以需要非常迅速地加热患者到所需温度，保持此温度足够长刚好杀死病毒或细菌，然后迅速将核心体温回落到一个更可接受的水平。

系统设置：

为了非常迅速地加热病人，病人将会被沉浸在47℃的水浴。快速加热和冷却是必要的，因为我们想在非常具体的时间内实现一个目标温度，但我们想要减少在升温和降温的周期中病人暴露在高温下的时间。

动脉冷却装置将被安装在左，右颈内动脉上以保持大脑在一个相对较冷的温度下。

·颈内动脉的动脉压力将会比患者的正常动脉压略有增加，以便使血液流过颈动脉而不是椎/基底动脉。

加热装置将不会被安装在颈内静脉上。

·鉴于水浴能够传输大量的热量给病人，对向下流进颈内静脉的不加热的血液进行冷却的效果是相当轻微的。

·其次，在这种情况下，暴露心脏在稍低的温度下是有宜的，因此，将来自颈内静脉的凉血与其他静脉血混合将有助于保持心脏比颈部向下的热疗治疗温度稍低的温度。

·假设心脏排血量为5升/分钟并且颈部从心脏得到1升/分钟的血液，那么进入心脏的血液平均温度将是对以核心体温流进心脏的血流量和以较低温度的来自颈内静脉的血流量的加权平均。

在病人保持46℃的核心温度达5分钟后，病人将会被浸泡在30℃的冷水浴中，以便更迅速地将他的核心体温恢复到正常水平，这比他在凉爽空气中冷却要快。

实验结果与讨论：

温度的关键参数被绘制在图15中，而关键的热传递参数被绘制在图16中。当时间＝0分钟时，病人从躯干向下被沉浸在47℃的水浴中。水被射流泵进行循环，以确保强制的对流，从而使病人得到良好的热传导。在约1分钟后核心体温开始迅速增加。当时间＝5分钟时，核心体温已经达到43℃。由于脑血流量的大部分是由颈内动脉来提供的，所以，流经颈内动脉的血液被调节到约37℃，大脑的温度比原来的37.6℃仅增加了0.6℃，达到38.2℃。当时间＝13分钟时，46℃的目标温度已经被达到。现在大脑温度为38.6℃，它仍然是非常合理的温度。脑温的增加是一个流经颈动脉与椎动脉的血液量比率的函数。在这种情况下，由于我们稍微增加了颈动脉的动脉压，所以约90％的脑血流似乎被颈动脉所供应，而约10％的脑血流仍然是由椎动脉来供应。因此，脑的平均温度被近似为：

T_cerebral＝0.9×T_carotid+0.1×T_vertebral+0.6℃

假设这里的0.6℃为动脉血液和大脑之间的温差。

在这里，Tcarotid被维持在约37℃，而Tvertebral则随着核心体温的上升按比例地增加，并在13分钟后有效地达到约46℃。其结果为38.6℃的平均脑温，这完全在可接受的限度内。如果需要的话，流经动脉冷却装置的血液温度可被减少到36℃，从而导致Tcerebral为正常的37.6℃。

根据向下流向颈内静脉的血液温度可密切跟踪大脑的平均温度，只是有一些小的负偏移。鉴于清除由大脑产生的热量的主要方法是将热转移到脑血流内，因此大脑通常比流出大脑的静脉血液温度高约0.3℃。

从动脉血冷却装置(100)流出的血液温度在整个过程中保持非常接近于37℃。约7分钟后，由于被用来调节系统温度的比例控制系统的有限增益，我们开始看到Tcarotid有一个非常小的增加。这个时间的滞后是由前面所述的无菌水洗浴106的大热容量而引起的。最大的Tcarotid＝37.18℃是在时间＝12分钟时实现的。

在时间＝18分钟时，核心温度要在所需的5分钟内一直保持在46℃，水浴的水被交换成30℃的冷却水以使患者体温迅速回落到更舒服的温度。约5分钟后，病人的核心体温降为近38℃，冷水被从水浴中取出。

图16显示了热量被转移到病人身上的各种不同的方法。最具优势的传热机制是用水浴传热给病人。最大的热量转移是在时间＝0，水温为47℃时实现的，而皮肤表面温度只有约34℃，从而导致一个大的温度差和最大的传热结果。随着病人表面温度的增加，核心体温也开始增加，皮肤温度的开始增加使热水浴对病人的传热开始下降。传热近似为：

${\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{Water}}=(T_{\mathrm{water}}-T_{\mathrm{skin}})*h*A$

这里：

T_water＝水浴的温度

T_skin＝患者的皮肤表面温度

h＝从水浴到病人的有效对流系数

A＝病人浸没在水浴中的表面积。

当时间＝0时，我们观察到热传递速率约为12千瓦，然后，随着核心体温的增加和水与皮肤间的温度差的减少，热传递速率开始成指数地衰减。当时间＝18分钟时，30℃的冷水被引入水浴，患者的皮肤与水之间的温差为16℃，因此，一个很大的散热效果被实现，热量以19千瓦的速率被从患者身上清除。病人的体温迅速下降到38℃，然后，冷却水被从水浴中取出。

另一个主导的传热过程是由动脉血冷却装置100将热量从动脉血中清除。有着病人核心体温的加热的动脉血流进冷却装置，热量被足够量地删除，以使血液温度返回到约37℃。近似的热损失可以通过下式被计算出来：

这里：

是流经冷却装置100的动脉血液的散热率。

是用毫升/秒表示的通过冷却装置的血流量。

ρ是用克/毫升表示的血液密度。

c_p是用焦耳/克度表示的具体的血热。

当时间＝16.5分钟时冷却装置的散热率达到最高，为604瓦，当核心体温为46.24℃时，动脉血退出冷却装置100，为37.17℃。

也有少量的对环境的热损失。虽然很难衡量对环境的热损失，但我们估计，当核心温度达到最高时，大约有125瓦热量被散失给环境，它主要是由呼吸冷空气，和使肩膀，颈部和头部接触到环境空气来实现的。

需要提及的是，最终的热量来源为基础代谢。在室温条件下一个典型的成年人的基础代谢约为84瓦，随着核心体温上升至41.8℃，基础代谢则呈指数增长约为162瓦。

因为在这个方案中我们不使用静脉血液加热装置200，所以通过颈内静脉从大脑流回的血液不再被重新加热，从而使到达心脏的血液比核心体温略低。经过络脉静脉进入心脏的血液温度可以通过对两个血流量的加权平均被近似为如下：

T_{vanae_cava}＝f_cervical*T_Jugular+(1-f_cervical)*T_Core

这里：

f_cervical等于被大脑供给的一部分心输出量，约为0.2。

T_jugular是从大脑返回的静脉血液的温度。在时间＝16分钟时，它等于38.8℃。

T_core是核心体温，我们估计，从身体的其它部位返回的非颈静脉血液温度大约为身体的核心体温。

使用这种近似值，我们发现，当时间＝16分钟时，通过络脉静脉进入心脏的血液温度为44.7℃，而此时核心体温为46.28℃。使心脏体验比核心体温稍低的温度有利于在增加实现的核心温度的同时不过度疲劳心脏肌肉。此外，通过肺动脉进入肺部的血液温度也将在约为44.7℃这个稍低的温度下，这有助于延缓在肺泡中气血屏障的破裂。

最后，如果患者是一名男性，阴囊可以被包裹在一个不漏水的塑料袋里，一小管的冷却水可以被泵入袋中，以确保睾丸不被暴露在47℃的水中而在较低温度下的水中。

总之，在这个方案下，我们在13分钟内成功地使病人的核心体温提高到了46℃，温度保持在46℃达5分钟，以达到理想的治疗效果，然后在冷水浴中冷却5分钟后核心体温被带回到38℃。大脑温度保持在显著低于治疗的热疗温度下，并没有超过38.7℃。向上流向颈内动脉的动脉血被动脉血冷却装置冷却并在整个热疗过程中被调节到约37℃。颈动脉的动脉压相对于椎动脉略有增加以促使血流流过颈动脉，并推动通过威利斯循环返回的动脉血液流入那些通常由椎-基底动脉供应的区域。从大脑流回的静脉血液，通过颈内静脉，不再重新加热。虽然这对核心体温有散热效果，但相比温水浴带来的加热效果这是非常小的。此外，因为来自颈内静脉的冷血混合了从身体的其它部位返回的其它温暖的血液，从而使心脏和肺部暴露在略低于核心治疗体温的温度下，可有利于保护心脏和肺的气血屏障免受提升的核心体温的影响，从而延长最大的可实现的治疗温度。

实验F：

这个方案除了两个例外与上面所述是相似的。

首先，在这种情况下，我们将添加一个额外的冷却装置，并用它来冷却回流到心脏的静脉血液。这样做的目的是在静脉血液返回心脏之前优先冷却它，以使心脏和肺的气血屏障暴露在远比治疗的热疗温度低的温度下，从而可以实施更高的温度而不损害心脏或肺部。

其次，由于我们正在努力实现热疗温度的升高，所以我们将调节大脑的温度到比典型的正常脑温37.6℃低的温度。这将在类似实验D的情况下被完成，其中向上流向颈动脉的动脉血温度被调节到一个必要的值，以维持通过颈内静脉由大脑返回的静脉血在一个理想的温度。这将有助于消散由直接流向椎动脉的温暖的动脉血引起的任何高温区。在这种情况下，在将病人沉浸在温水浴之前，大脑的温度将会一直调节至36.6℃，这比一个典型的脑温低约1℃。

系统设置：

为了非常迅速地加热病人，病人将被沉浸在47.5℃的水浴中。快速加热和冷却是必要的，因为我们想在一个非常具体的时间内实现目标温度，但我们想在升温和降温的周期里减少病人暴露在高温下的时间。

动脉冷却装置被安装在左，右颈内动脉上，以保持大脑在相对较凉的温度下。流经冷却装置的动脉血液温度被控制系统调节，这个控制系统试图保持大脑温度在36.6℃，较正常脑温低约1℃。控制系统的反馈是通过测量从大脑返回的，在颈内静脉的，并在通过冷却装置之前的静脉血液的温度。

·颈内动脉的动脉压被增加到略高于病人的正常动脉压，以促使血流通过颈动脉而不是椎/基底动脉，并驱动动脉血从颈动脉通过威利斯循环到那些通常由椎-基底动脉供应的地区。

加热装置将不会被安装在颈内静脉上。

相反，一个额外的冷却装置100将被安装在颈内静脉上或手臂的静脉上，或是一个组合电路，其中一个导管插在颈内静脉上而另一个导管则插在手臂的静脉上。

·在这种情况下，静脉血液被冷却至30℃左右，每分钟约1升的静脉血液被通过这个系统，使回流到心脏的血液温度有相当大的减少。

·鉴于水浴能够传输大量的热给病人，冷却的静脉血的冷却效果将不能阻止所需的热疗温度被实现。

·其次，通过冷却静脉血，在腔静脉的流入心脏的血液以及在肺动脉的流入肺部的血液温度将比热疗治疗温度低，这将有利于提高最高治疗温度或延长治疗时间同时对心脏没有损害。

在这种情况下，由于心脏和肺部血气屏障被维持在较低的温度下，所以病人可以在约为14.5分钟的一个较长时间内被维持在46℃。一旦达到所需的治疗时间，患者将被迅速地浸泡在30℃的冷水浴中，以使患者的核心体温恢复到正常。

实验结果与讨论：

鉴于实验的许多方面与上述情况类似，我们将主要集中在关键的差异上。关键温度显示在图17中，而关键传热参数则如图18所示。

在这种情况下，额外的冷却装置100被安装到颈内静脉上。随着核心体温开始增加到超过37℃，静脉血被直接通过额外的冷却装置，使其温度下降到约30.1℃。随着病人的核心体温的升高，最终来自颈内静脉的所有血液将被大幅度地通过额外的冷却装置。这将导致向下流入颈内静脉的静脉血液温度的线性降低，即从初始温度37.3℃(时间＝0分)下降到30.1℃(时间＝7分钟)。

由于颈内静脉的凉血与从身体的其它部位返回的温暖的静脉血液混合，使腔静脉的血液温度比体温低得多。我们上面讨论过的一个类似的公式，认为：

T_{vanae_cava}＝f_cervical*T_Jugular+(1-f_cervical)*T_Core

在这种情况下，每分钟大约1升的血液被直接通过额外的冷却装置，并以30.1℃的温度被重新注入到颈内静脉中。心输出量大约是每分钟5升。这样f_cervica＝0.2，T_Core＝46.6℃，经过腔静脉进入心脏的血液温度则为43.2℃，这比体温要低3.4℃，非常可观。这将有利于心脏肌肉和肺部，因为流过肺静脉到肺泡的血液比核心体温要低。

与以前的方案相比，其他区别是该病人被允许保持在46℃达14分钟之久，因为脑，心脏和肺被优先冷却和暴露在远低于46℃的温度下。在这种情况下，大脑的温度被保持在比正常体温略低的温度下，不会超过37℃，尽管颈部向下的核心温度已经提高到相当高的46.6℃。

关键传热参数如图18所示。在这种情况下，除了用来加热病人的Q_water例外，所有其他模式的传热都为负数并是从病人的身上删除热量，其中包括放在患者颈内静脉上的冷却装置。

此处所描述的方法和系统，可用于与膜气体交换或其他类型的氧合结合，以提供氧气给大脑，例如在心脏骤停的情况下，这可能会导致热疗温度的升高，例如，上述的44℃。该系统也可用于配合血液透析机，以调整或维持长时间热疗治疗中的血液化学成分。这两个系统在此领域中是众所周知的，它们可以与建议的方法和装置相结合。另外，如上所述，热疗治疗期间较高的身体核心温度可能会允许使用有效的剂量较低的治疗药物，或对诊断程序提供便利。

替代的实施方案

设备的首选实施方案使用体积小的旁路循环，这样在任何一个时间内只需要使相对较小的血液量被转移到旁路循环，但加热和/或冷却装置提供了50至1000毫升/分钟的高流速，一般约400毫升/分钟，并对快速冷却或加热的血流量提供足够的热容量，例如，在约300瓦或300瓦以上的范围内。最好对旁路循环换热器的设计允许转移热量的表面积大同时最大限度地减少热交换器的内容积。这将有益于该系统也能以足够高的压力，供应血液流向大脑，通过威利斯循环，到达通常由椎基底动脉供应的大脑区域。因此，该系统可提供有效和快速地冷却大脑以保持与核心体温的温度差。最好的是，该系统允许血液温度的热管理范围相对于正常体温从大约-7℃到约10℃。该系统还能提供治疗后的迅速升温或冷却到目标温度。

如果需要，该系统也可以对通过加热或冷却从大脑回流的血流提供温度调节。那里有最小限度的正常血流中断，该系统也有可能允许使患者保持意识和舒适，例如，在延长的颈下热疗治疗中。

虽然本发明的实施方案已经被详细地描述和说明，但替代的实施方案或不同的方法也将会被赏识，本发明的系统和设备将被使用，例如用一个或多个旁路电路来冷却动脉或静脉血流和用一个或多个旁路电路来加热血流。因此，从大脑返回心脏和肺部的血流温度也有可能被调节到适当的温度，以保护这些器官免于温度过高。此外，在其他实施方案中的系统和仪器也可能适用于其他的诊断或治疗程序，相对于颈部以下身体其他部位的热疗温度，在那里要求维持正常或接近正常的脑(脑核心)温。

虽然具体的动脉和静脉被提到使用在上述实施方案中，但其他合适的血管也可被使用。例如，主要提到的是供应血流到大脑的颈内动脉。然而，取决于内部和外部颈动脉的分支地方，导管可以潜在地被放在颈动脉或颈内动脉上。在某些情况下，如果它们的分界点在颈部的位置太高，导管将需要被放置在颈脉上，因为它容易被接触到。在这种情况下，处理后的血液将向上流动到内部和外部的颈动脉里。在后一种情况下，需要一点点额外的血液处理以供应两个分支。在其他情况下，进口导管可能被放置在颈脉上，而出口导管可能被放置在颈内动脉上，因为它在脖子的上方和分割点的下方。此外，出口导管的尖端可以被推向颈内动脉到超越颈脉分支处，使冷却的血流流向颈内动脉。

当一个旁路电路被联接到胳膊，腿或躯干的血管，将由医疗专业人士选择一个合适的血管。例如，在手臂上，较大的血管为腋动脉和静脉，肱动脉和静脉及头侧动脉和静脉。

其他已知的血液处理设备也将被赏识，额外的元件和传感器可被提供给一个或更多的旁路电路，例如允许对栓子(血块或气泡)，或对端子(用来引进治疗或诊断试剂的血液流)的检测和过滤。例如，当启动操作时，常规程序将被用来准备和启动旁路循环和消除气泡。该系统可能包括，例如额外传感器，它是用来监测温度，压力及在其他点的流量，和监测表明病人的核心体温和核心脑温或其他生命体征的适当的参数。

此外，虽然根据实施方案的方法已经详细介绍了实施颈部以下热疗的治疗方法，但本文所述的系统和仪器可能也有其他应用程序，它可以相对身体对大脑迅速降温，并保持脑核心温度和核心体温之间的温度差。

例如，动脉冷却装置也可以被用来迅速地冷却大脑到一个低温状态，以防止或减少在心脏骤停，脑震荡，或意外事故或受伤可能导致的大脑缺血或氧气时，对大脑的损害。连接动脉冷却装置到颈动脉上并冷却供应大脑的的血液会使大脑温度急剧下降，并可能减轻使病人被送到医院治疗前的脑损伤。

工业适用性

一个系统，仪器和方法提供了体外血液治疗。特别是血液处理设备和系统提供了对大脑温度和身体颈部以下的温度控制差，而方法则提供了建立和维持颈部以下的体温差，同时保持接近正常的大脑温度，以保护大脑不受长时间的或极端的低温或热疗的影响。例如，第一个旁路电路，有脑部血液循环换热器，它保持一个接近正常的血液温度，而第二个旁路电路是对颈部以下的血液循环提供热处理，例如热疗，从而引起相对脑循环的温度差。这些系统和仪器有很多应用，例如，可使用热疗进行诊断和治疗。有利的是，例如延长时间或42℃以上的高温处理可能会适用于热疗治疗癌症，传染性细菌或病毒引起的疾病，同时避免或减少对大脑和其他对温度敏感的人体组织的不利影响。

对大脑温度和体温的控制差也可用来平衡冷却大脑到一个低温状态，而同时颈部以下的体温达到或接近正常核心体温。此应用程序也可在心脏骤停，头部外伤造成脑震荡，意外事故或中风时预防脑损伤。

虽然本发明的实施方案已经详细地被描述和说明，但我们还是要清楚地了解到，这里所描述和说明的发明的实施方案只是例证和范例，而本发明不受此处所公开的这些实施方案的限制，目前本发明的范围仅受限于所附的权利要求，所有落入本申请的权利要求范围内的实施方案都属于本发明的保护范围。

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Claims (32)

1.一个用于热疗治疗的系统，其特点是：i)它有体外冷却(100，400，600)从身体经过至少一个颈动脉流向大脑的血流的手段，ii)同时有加热颈部以下的身体到所需的热疗温度的手段，它包含一个静脉血流旁路电路，这个旁路电路具有输入装置(501)，用于接收来自大脑的静脉血流，输出装置(502)，用于连接回流到体内的静脉血流，和换热器(103)，用于设置调节在返回身体之前从大脑流出的刚才提到的静脉血流的温度，iii)和同时有保持颈部以下身体在一个所需的热疗温度下，而保持大脑在较低温度下的控制手段(300)。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，加热手段包括体外加热(200，500，700)从大脑经过至少一个颈内静脉回流到身体的血液。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，加热手段包括一个或更多的体外血液加热器，红外线灯，加热灯，一个热水浴，暖气毛毯，无线电波，一个孵化器，感应式毛毯。

4.根据权利要求1至3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)，热交换手段(108，106，103)，温度传感器(113，114)，而以前提到的控制手段(300)是用来调节目标温度和从颈动脉流向大脑的血流量。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，静脉血流旁路电路包括加热装置，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)，加热器和热交换器(208，106，103)，温度传感器(113，114)，和其中以前提到的控制手段(300)是用来调节目标温度和从颈静脉流向身体的血流量。

6.根据权利要求1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。

7.一种用于体外血液治疗的系统，其特点是：

I)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)；第一个热交换手段(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(114)用来监测血流输出量的温度，和

II)第二个热交换手段是指同时加热或冷却病人的颈部以下部位到所需的温度，

III)控制手段(300)是指同时监测和控制动脉血流旁路电路，以获得所需的大脑温度，而刚才提到的第二个热交换手段是为了获得所需的核心体温，其中第二热交换装置包括一个静脉血流旁路电路，它具有输入装置(501)，用于接收来自大脑的静脉血流；输出装置(502)，用于连接回流到体内的静脉血流；换热器(103)，用于设置调节在返回身体之前从大脑流出的刚才提到的静脉血流的温度；和泵装置(104)，用于控制刚才提到的静脉旁路血流的流速。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，刚才提到的第二热交换手段包括：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(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(114)用来监测血流输出量的温度，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流量和温度。

9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，其中的第二个热交换手段包括一个或多个体外血液加热器，红外线辐射或红外线灯，水浴，水毯，一个孵化器，射频辐射，无线电波，感性毛毯。

10.根据权利要求9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。

11.根据权利要求7或8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。

12.根据权利要求7或8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。

13.根据权利要求10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。

14.根据权利要求7或8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。

15.根据权利要求14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。

16.根据权利要求7或8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。

17.一种用于热疗的体外血液治疗设备，包括：

i)冷却装置(100)的特点是，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；热交换的手段(108/106/103)用来通过旁路电路来冷却血流；

ii)加热装置用来同时对病人的颈部以下的身体增加热量，它包含一个静脉血流旁路电路，这个旁路电路具有输入装置(501)，用于接收来自大脑的静脉血流，和输出装置(502)，用于连接经过温度调节的来自大脑的静脉血流和回流到体内的静脉血流；

iii)控制手段(300/117)用来同时监测和控制通过冷却装置(100)的动脉血流温度，以保持所需的大脑温度，也监测和控制加热装置以维持所需的颈部向下的核心体温。

18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，加热装置(500，700)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；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(114)用来监测输出血流的温度；刚才提到的控制手段(300/117)进一步提供了监测和调节输送静脉血流到身体的输出温度高于从大脑返回的静脉血流的输入温度。

19.根据权利要求17至18中任一项所述的设备，其特征在于，加热装置包括一个或多个体外血液加热器，红外线辐射或红外线灯，水浴，水毯，一个孵化器，射频辐射，无线电波，感性毛毯。

20.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，其中的控制手段具有可操作性，同时保持颈部以下的核心体温42℃以上的热疗，并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。

21.根据权利要求17或18所述的设备，其特征在于，其中冷却装置能够接收42℃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℃。

22.根据权利要求17或18所述的设备，其特征在于，其中一个或多个前面提到的加热装置或冷却装置包括加热和冷却元件(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。

23.根据权利要求17或18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。

24.根据权利要求17或18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。

25.根据权利要求17或18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100瓦的热交换能力。

26.根据权利要求17或18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4℃的温度差。

27.根据权利要求17或18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，其中在传热方向上渠道的截面宽度明显大于渠道的厚度。

28.根据权利要求27所述的设备，其特征在于，其中第一和第二的蛤壳部分是可以分离的，以便清洗和消毒，从而使换热器被重新使用。

29.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括一个传感器，以监测经过颈内静脉从大脑回流的静脉血液温度，作为脑温的一个指标，使用此温度来对调节体外冷却(100，400，600)温度的控制手段(300)提供反馈，这个体外冷却装置用于调节传递到大脑的血液温度，以达到所需的脑温。

30.根据权利要求1或29所述的系统，其特征在于，其中用于控制调节通过动脉冷却装置(100)的血流速度的手段，以患者的平均动脉压或高于患者的平均动脉压来提供一个颈动脉的动脉压。

31.根据权利要求30所述的系统，其特征在于，通过对放置在颈动脉上的进线(401，601)导管和出线(402，602)导管的操作，使其控制手段用于通过传感到随着旁路电路血流速超出一定水平而产生的进线动脉血温度减少，从而检测到进线和出线的动脉血的反向流动。

32.根据权利要求31所述的系统，其特征在于，它具有可操作性，在需要发起进线和出线之间的反向流动所需的流量范围内或这个范围以上，通过动脉冷却装置(400，600)来调控流速。