CN104288896B - 一种颅脑灌注降温便携箱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种颅脑灌注降温便携箱，包括控制系统(1)、恒温冷却装置(2)、驱动灌注装置(3)、电源(4)、操作面板(5)以及对外接口(6，7)构成，其中所述的控制系统(1)通过控制驱动灌注装置(3)来控制恒温冷却装置(2)内灌注液的通过对外接口(6，7)的流动；所述恒温冷却装置(2)内置温度监测元件、水位监测元件，所述温度监测元件用于监测恒温冷却装置(2)内灌注液的温度信号以及监测室温的信号，所述水位监测元件用于监测灌注液的液位信息；所述的操作面板(5)可以实时显示灌注液温度、流速以及剩余液量等信息，可以将一定容量、温度在0‑4℃范围的颅脑灌注降温液以合适的速率灌注到脑部局部区域，以尽快让该区域的温度达到亚低温，满足对缺血性脑损伤的亚低温治疗需求。

Description

一种颅脑灌注降温便携箱

技术领域：

本发明涉及一种颅脑灌注降温便携箱，特别是涉及一种针对脑卒中、颅脑损伤患者及时进行脑功能保护的局部降温灌注装备。

背景技术：

脑血管疾病是由多种原因引起的脑组织供血障碍的一组疾病总称，其急性发作即称为脑卒中，具有高发率、高复发率、高致残率及高致死率的特点。临床上将脑卒中分为出血性和缺血性两大类，而缺血性占总发生率的80％以上。当大脑里的血管突然发生破裂出血或因血管堵塞造成大脑缺血、缺氧时，常会导致局部神经功能缺失。

颅脑损伤在全身创伤中占有很大的比重，其致残率和致死率也居各类创伤之首。颅脑创伤后会出现不同程度的中枢神经损伤，原发性脑损伤后，继而出现的脑水肿、炎症反应、缺血缺氧、毒性神经递质的释放等反应导致脑损伤的持续发生。

脑细胞代谢特点是持续不间断的高氧耗、没有糖储备，因此脑功能正常维持有赖于持续不间断的新鲜血液供应，一旦脑血流低于16-20ml100g/m，短时间内就会发生脑损害，产生严重的临床后果。大量临床及动物实验证明，亚低温疗法具有肯定的脑保护效果，对改善临床预后具有积极的作用。

近年的研究发现，亚低温时机、亚低温持续时间和亚低温方式对亚低温治疗的效果非常重要。缺血发生后，亚低温施行越早、持续时间越长，脑保护效果越佳。正常脑组织在缺血3小时后就可能出现不可逆变化，脑水肿首先发生在细胞内，血管间隙水肿一般发生在4-6小时以后，6小时后则缺血脑细胞出现坏死。实践证明在发病后3小时内的超早期实施溶栓治疗，能够较为有效地挽救患者缺血半暗带神经细胞。因此，在发病8小时以内实施亚低温治疗具有显著疗效。超过8小时后，其低温脑保护作用将明显减弱。

现有的亚低温治疗方式根据其诱导与维持所采用的方法分为血管内亚低温与血管外亚低温治疗两类，分为有创性和无创性两类；根据体温改变的范围将其分为全身亚低温与局部亚低温。研究发现，血管内区域性亚低温治疗方式的降温速度更迅速、神经保护起效更快、体温影响更小、全身副作用更少。在临床的脑部降温灌注中，常使用微导管(丝)介入式治疗降低局部脑温。从下肢静脉导入导丝至颅内，通过输液泵将300毫升0-4℃生理盐水注入颅内，保持大脑处在亚低温状态持续50分钟左右。在降温的同时，生理盐水还能冲洗颅内的盐性成分，在一定程度上降低脑损伤的危害。但是，临床上目前缺少对此种低温灌注实时监控灌注液温度、流速以及剩余液量的装置，而且在灌注过程中往往是从冷却装置中取出灌注液在室温下进行操作，由于热交换的发生，对灌注效果有一定影响。

发明内容：

本发明主要目的是依据脑部血管内热交换降温技术的原理和单片机控制技术，设计一种颅脑灌注降温便携箱。减少灌注液与外界环境进行热交换，并由系统精确控制，实时监控灌注液的情况，在急救时可以将一定容量的(如300毫升)，温度在0-4℃范围的颅脑灌注降温液以合适的速率(如30毫升/每分钟)，灌注到脑部局部区域，以尽快让该区域的温度达到亚低温，满足对缺血性脑损伤的亚低温治疗需求。

该颅脑灌注降温便携箱包括控制系统1、恒温冷却装置2、驱动灌注装置3、电源4、操作面板5以及对外接口(6，7)等部分构成，如附图1所示。

该颅脑灌注降温便携箱的控制系统1通过控制驱动灌注装置3来控制恒温冷却装置2内灌注液的通过对外接口(6，7)的流动；所述恒温冷却装置2内置温度监测元件、水位监测元件，所述温度监测元件用于监测恒温冷却装置2内灌注液的温度信号以及监测室温的信号，所述水位监测元件用于监测灌注液的液位信息；所述的操作面板5可以实时显示灌注液温度、流速以及剩余液量等信息。

使用前，由控制系统1控制对外接口6打开，将0-4℃灌注液加注到便携箱中的恒温冷却装置2中。

恒温冷却装置2由隔热性能好的材料以及蓝冰袋共同构成，确保灌注液温度能够在10-12个小时内保持在0-4℃之间。恒温冷却装置2包含温度监测元件、水位监测元件。相关实验结果如图2所示，最下方的白色曲线是恒温冷却装置内的温度信号，另外3条是监测室温的传感器信号，恒温冷却装置内灌注液温度保持0-4℃的时间超过40000秒，即11个小时。如果系统显示灌注液的温度高于4℃时，则给出红色温度警报，提示用户更换液体。

治疗时，介入式导管通过股动脉穿刺送入，在高清晰度X线机引导下，将导管置于脑部动脉的血管中。控制系统1接收到灌注命令后，驱动灌注装置3，将一定容量的(如300毫升)、温度在0-4℃范围的冷却液体通过对外接口7连接介入式导管，以合适的速率(如30毫升/每分钟)灌注到脑部局部区域，以尽快让该区域的温度达到亚低温。临床实验数据显示，这种灌注可以维持脑部区域亚低温状态长达50分钟，同时有助于冲洗掉血管内的盐性成分，灌注冷却液的通路也可以作为后续神经保护类药物的补给通道。

整个过程中，控制系统1可以是单片机控制系统，用于实时接收恒温冷却装置内温度监测元件、水位监测元件的信号，并在操作面板5的显示屏上实时显示冷却液的温度状态、灌注流速、计时信息和剩余冷却液容量的信息。当两次上传液位信息不同时，液位报警显示红色报警信号，如果此前操作人员并没有命令输液泵开始灌注，则提示操作人员有可能是系统发生漏液的故障，如图3所示。

此外，系统还装配有灌注流速设定装置、加注冷却液容量的设定装置，便于用户进行设定和操作。

本发明的有益效果是：在脑卒中、颅脑损伤患者发病6-8个小时之内，在院前急救过程中尽早采用颅脑灌注降温便携箱，进行亚低温疗法。院前治疗与入院后治疗相结合，可以有效避免再灌注损害，提高亚低温的脑保护作用，阻断脑缺血再灌注后的炎症级联反应，减轻缺血后脑梗塞灶和脑水肿，促进神经功能恢复。有利于延长手术抢救时间、提高抢救成功率，且方法可靠、操作简单易行，值得临床推广使用。

附图说明：

附图1是本发明的结构框图；

附图2为恒温冷却箱保温效果数据及温度报警示意图；

附图3为灌注液位信息报警示意图；

附图4是本发明的具体实施例实验装置示意图；

附图5是本发明的实验程序流程图；

附图6是利用LabVIEW设计的操作界面。

具体实施方式：

下面将参照附图1、2、3、4、5和6对本发明的技术方案做进一步的说明。

如附图1和4所示，控制系统1中的单片机控制系统可以选用单片机C8051F021作为驱动板，配以外部22.1184MHZ晶振。为方便下载程序而提供的立插JTAG接口，跳线J4～J15实现复用接口的切换，总线接口部分P1、P2、P3、P4实现FPGA用户IO口的连接。电源模块TPS78633为单片机芯片提供+3.3V电源，指示灯+5.0V为电源指示，电源可以通过总线或POWER接口两种方式提供+5V。恒温冷却装置中的温度监测元件可以选用STYC系列一体化温度变送器，它是一种高阻型的Pt1000铂电阻。优点是精度高，稳定性好，功耗低。恒温冷却装置中的水位监测元件可以选用US-100超声波测距模块，可实现2cm-4.5m的非接触测距功能，拥有2.4-5.5V的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，同时具有GPIO、串口等多种通信方式，工作稳定可靠。

驱动灌注装置3可以选用流速可控的蠕动输液泵，通过滚轮重复压缩弹性管使管中液体朝一定方向运动。输液泵采用220V供电，控制信号由10位组成，并通过串口线传输。系统通过PCA计时器/定时器阵列提供的方波信号驱动输液泵，通过调整方波信号的频率来控制输液速率。

单片机内部集成了两个UART串口，可编程的16位定时器/计数器阵列，以及12位ADC芯片；单片机管脚输出3.3V，可满足输液泵、超声液位计对控制信号的要求。单片机系统通过串行接口0(uart0)与计算机连接，通过数据线控制驱动灌注装置3工作，温度传感器数据通过ADC的模拟信号输入端读取，超声液位计通过串行接口1(uart1)接收、发送数据，单片机根据传感器反馈信号对灌注冷却液体温度、剩余液量进行实时监测。

恒温冷却装置2设计为双层箱体结构，箱体材料选用保温性能好的聚氨酯材料。两层箱体之间放置蓝冰盒(袋)，蓝冰是一种高效的蓄冷(或热)载体，采用国际最新材料-高聚化合物为原料制成，是一种无毒可重复使用的冷冻介质，保冷性能极好，环保又经济。外包装采用抑制细菌繁殖材料，可重复使用。

对外接口7的形状和尺寸要和医院常用的介入式导管相匹配，并且便于消毒。

控制系统的程序流程图如附图5所示，单片机系统开始初始化，开启对外接口，完成冷却液的加注。初始化后读取与发送数据循环进行，系统通过传感器监测恒温冷却箱内灌注液体的温度与剩余液位，并将数据传送至上位机。同时，单片机uart0中断接收上位机数据存入data1中控制输液泵的运转。等待灌注命令，将蠕动泵参数设定为速率30ml/min，蠕动泵开始工作，显示灯亮起，计时开始。10分钟后，蠕动泵将停止工作。

用LABVIEW编写控制系统1和操作面板5之间的人机交互界面，如附图6所示。交互界面上显示灌注冷却液的温度状态、剩余液量和计时等信息，同时提供控制输液泵运转的按键，以及温度异常和液位异常的报警。

在实验中，先选择串口，在硬件连接完毕后点击“开始”按键，程序开始运行，单片机循环采集并上传液位及温度信息，并同时显示时间信息。LabVIEW循环接收液位、温度数据包，并以每秒一组的速率更新至数组、波形图、柱状图。在点击“停止”按钮后，LabVIEW将把实验数据以TXT的格式保存，可方便地导入excel或matlab中以进行后续数据处理。输液泵控制按键可以实时的控制输液泵运作，在点击开始按键后发送信号使输液泵启动，点击结束按键或等待定时器计时10分钟后发送输液泵停止信号使输液泵停止。此外，为监控异常情况特设计了两种报警信息。当温度信号超过4℃时，温度报警信号报警，提示操作人员要更换灌注液。当两次采集的液位信号有变化时，液位报警信号报警，如果操作人员此前并没有给出灌注命令，这将提示操作人员系统可能出现漏液故障。

Claims (5)

1.一种颅脑灌注降温便携箱，包括控制系统(1)、恒温冷却装置(2)、驱动灌注装置(3)、电源(4)、操作面板(5)以及对外接口(6，7)构成，其中所述的控制系统(1)通过控制驱动灌注装置(3)来控制恒温冷却装置(2)内灌注液的通过对外接口(6，7)的流动；所述恒温冷却装置(2)内置温度监测元件、水位监测元件，所述温度监测元件用于监测恒温冷却装置(2)内灌注液的温度信号以及监测室温的信号，所述水位监测元件用于监测灌注液的液位信息；所述的操作面板(5)可以实时显示灌注液温度、流速以及剩余液量等信息；所述的恒温冷却装置(2)由隔热性能好的材料以及蓝冰袋共同构成，确保灌注液温度能够在10-12个小时内保持在0-4℃之间；所述的驱动灌注装置(3)选用流速可控的蠕动输液泵，通过滚轮重复压缩弹性管使管中液体朝一定方向运动，采用220V供电，控制信号由10位组成，并通过串口线传输。

2.根据权利要求1所述的一种颅脑灌注降温便携箱，所述的控制系统(1)采用单片机控制系统。

3.根据权利要求2所述的一种颅脑灌注降温便携箱，所述的单片机控制系统是单片机C8051F021作为驱动板，配以外部22.1184MHZ晶振。

4.根据权利要求1所述的一种颅脑灌注降温便携箱，所述的温度监测元件选用STYC系列一体化温度变送器；所述的水位监测元件选用US-100超声波测距模块。

5.根据权利要求1所述的一种颅脑灌注降温便携箱，所述的控制系统(1)通过PCA计时器/定时器阵列提供的方波信号驱动输液泵，通过调整方波信号的频率来控制输液速率。