CN107847658A - 用于预防或治疗一氧化碳中毒的光疗系统和方法 - Google Patents

用于预防或治疗一氧化碳中毒的光疗系统和方法 Download PDF

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Abstract

提供了用于治疗或预防一氧化碳中毒的系统和方法。具体而言，提供了用于光疗治疗或预防系统的系统和方法，其将光辐射传递到患者的身体以从血红蛋白光解离一氧化碳。

Description

用于预防或治疗一氧化碳中毒的光疗系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请基于2015年5月18日提交的名称为“用于预防或治疗一氧化碳中毒的光疗系统和方法”的美国临时专利申请号62/163,277、要求该优先权并且在此通过引用将其全部并入本文。
关于联邦资助研究的声明
不适用。
背景技术
本公开一般涉及光疗，并且更具体地涉及使用光疗来治疗或预防一氧化碳中毒的系统和方法。
一氧化碳(CO)中毒会削弱组织的氧合作用，因为CO易与血红蛋白(Hb)结合形成碳氧血红蛋白(COHb)，从而血红蛋白不能输送氧气。目前，一氧化碳中毒的治疗包括呼吸100％的氧气以试图快速清除一氧化碳。高压氧疗法和/或过度换气疗法或运动可以进一步提高一氧化碳排出率，但必要的设施和设备可能不容易获得。还已知可见光能使来自Hb的CO光解离，其中一个光子从Hb中分离出一个CO分子。
Smyczynski在美国专利申请公开第2013/0101464号中提出，可以使用540纳米(nm)和/或570纳米的光辐射通过使通过体外气体交换器的血液中的COHb光解离来治疗CO中毒。Smyczynski的治疗系统涉及通过体外充氧器从患者体内去除并再循环抗凝的血。穿过体外充氧器的血液用540nm和/或570nm的光照射。体外充氧器被设计为使得血液-光接触表面尽可能大，因为540nm和/或570nm的光在尚未穿透血流深处就会被完全吸收。
Smyczynski选择540nm和570nm的光波长，因为这些波长与COHb吸收光谱中的峰一致。然而，540nm和570nm的光线难以透过人体组织，这就需要Smyczynski的治疗系统才能将血液从病人体内移出以进行光疗。
发明内容
本公开提供了用于治疗或预防一氧化碳中毒的系统和方法。具体而言，提供了用于光疗治疗或预防系统的系统和方法，所述系统将光辐射传递到患者的身体以从血红蛋白中光解离一氧化碳。从血液中除去的CO被输送到肺部的肺泡或空气或皮肤周围的其他气体中，以从身体中除去。
在一个方面中，本公开提供了用于治疗或控制患者体内一氧化碳中毒量的光疗系统，包括配置成输出光的光源。从光源输出的光具有能够使患者中的碳氧血红蛋白光解离的特性。光疗系统还包括耦合到光源的光缆，其具有布置在光缆内的一个或多个波导。所述一个或多个波导被配置成将来自所述光源的光直接发射到所述患者身体的部分上以光解离碳氧血红蛋白。
在另一方面，本公开提供一种用于治疗或控制患者体内一氧化碳中毒量的光疗系统，包括：包括中心腔的管；附连到所述管的远端的袋；和光源，其被配置为经由所述中心腔流体连通到所述袋中以发射光到所述袋中。从光源发射的光具有能够使患者中的碳氧血红蛋白光解离的特性。所述管和所述袋被配置成待插入所述患者身体的部分中或放置到其上以将通过所述袋发射的光传递到所述患者身体的所述部分上从而光解离碳氧血红蛋白。
在另一方面，本公开提供用于治疗或控制患者体内一氧化碳中毒量的光疗系统，包括与雾化元件连通的光源，以及配置成提供所述光源与气道之间的连通的管。气道被配置为提供与患者的鼻部和口部中的至少一个的连通。所述雾化元件被配置成雾化所述光源以将光源通过所述气道的通气递送给患者。
又一方面，本公开内容提供了用于治疗或预防患者中的一氧化碳中毒的方法，包括提供光源，将光源定位在患者身体的部分附近或其内部，以及直接从光源发射光到患者身体的部位上。
通过以下描述可以清楚地了解本发明的上述和其他方面和优势。在以下说明书中，参照构成说明书的一部分的附图，其中以说明性方式显示了本发明的优选实施方式。这类实施方式不必然代表本发明的全部范围，而是因此对权利要求进行说明并在本文中解释本发明的范围。
附图的简要说明
当考虑以下的详细描述时，本发明将被更好地理解，并且除了上述内容之外的特征，方面和优点将变得显而易见。这样的详细描述参照可能没有按比例绘制的以下附图。
图1示出了根据本公开的一个实施方式的光疗系统。
图2是沿线2-2截取的图1的光疗系统的光缆的横截面图。
图3示出了根据本公开的一个实施方式的限定基本圆锥形状的尖端。
图4示出了根据本公开的一个实施方式的限定基本圆形形状的尖端。
图5示出了根据本公开的又一个实施方式的包括一个或多个散射元件的尖端。
图6示出了插入到患者的食道中的图1的光疗系统的光缆。
图7示出插入患者的右主干支气管中的图1的光疗系统的光缆。
图8示出了在患者的支气管树中遍布移位(displaced)的图1的光疗系统的波导。
图9示出了根据本公开的另一实施方式的包括用于控制穿过尖端的拖曳力的翅片的尖端。
图10示出了图1的光疗系统，其中光缆的远端被分成第一远端区段和第二远端区段。
图11示出了在患者的支气管树中遍布移位的图10的光疗系统的波导。
图12示出了图1的光疗系统，其包括气囊，液体源和气体源。
图13示出了气囊处于充气状态的图12的光疗系统。
图14示出了插入到患者的食道中的图13的光疗系统的光缆。
图15示出了根据本公开的一个实施方式的与支气管镜整合的图1的光疗系统。
图16概述了根据本公开的一个实施方式的用于操作图1的光疗系统的步骤。
图17示出了根据本公开的另一个实施方式的光疗系统。
图18概述了根据本公开的一个实施方式的用于操作图17的光疗系统的步骤。
图19示出了根据本公开的另一个实施方式的光疗系统。
图20概述了根据本公开的一个实施方式的用于操作图19的光疗系统的步骤。
图21A显示了一氧化碳中毒的小鼠模型的吸入或呼出一氧化碳浓度与时间的关系。
图21B显示了一氧化碳中毒的小鼠模型的碳氧血红蛋白百分比与时间的关系。
图22示出了根据本公开的一个实施方式的将激光直接施加到小鼠的肺部的光疗系统。
图23A显示在用400ppm CO中毒1小时后呼吸空气或100％氧气的小鼠的光疗期间，吸入或呼出的一氧化碳浓度与时间的关系。
图23B显示了在用400ppm CO中毒1小时后呼吸100％氧气的小鼠的光疗期间，碳氧血红蛋白百分比与时间的关系。
图23C显示在用400ppm CO中毒1小时后呼吸空气的小鼠的光疗期间，吸入或呼出的一氧化碳浓度与时间的关系。
图23D显示了在用400ppm CO中毒1小时后呼吸空气的小鼠的光疗期间，碳氧血红蛋白百分比与时间的关系。
图24A显示了在有和没有628nm光疗的小鼠的收缩动脉压与时间的关系。
图24B显示了在有和没有628nm光疗的小鼠的心率与时间的关系。
图25显示了628nm光疗对小鼠身体和肺的温度的影响。
图26A显示了波长对消除90％一氧化碳的时间的影响。
图26B显示碳氧血红蛋白半衰期与628nm处的辐照度的关系。
图26C显示了脉冲持续时间和辐照度对消除90％一氧化碳的时间的影响。
图26D显示了在532nm处消除90％一氧化碳的时间与辐射曝光量的关系。
图27A显示了具有或不具有同时光疗的小鼠的吸入和呼出一氧化碳浓度与时间的关系。
图27B显示了具有或不具有同时光疗的小鼠的累积一氧化碳摄取与时间的关系。
图27C显示了具有或不具有同时光疗的小鼠的碳氧血红蛋白百分比与时间的关系。
图28A显示了在有和没有532nm光疗的小鼠的存活率与时间的关系。
图28B显示了在有和没有532nm光疗的小鼠的碳氧血红蛋白百分比与时间的关系。
图28C显示了在有和没有532nm光疗的小鼠的收缩动脉压与时间的关系。
图28D显示了在有和没有532nm光疗的小鼠的心率与时间的关系。
图28E显示了在有和没有532nm光疗的小鼠的血乳酸盐水平与时间的关系。
图29A显示了在小鼠食道中放置有光纤的小鼠的CT扫描。
图29B显示呼吸100％氧气的小鼠在有和没有食道光疗的情况下，吸入或呼出的一氧化碳浓度与时间的关系。
图29C显示了呼吸100％氧气的小鼠在有和没有食道光疗的情况下，碳氧血红蛋白百分比与时间的关系。
图30A显示在用500ppm CO中毒90分钟后呼吸空气或100％氧气的大鼠的光疗期间，吸入或呼出的一氧化碳浓度与时间的关系。
图30B显示在用500ppm CO中毒90分钟后呼吸空气或100％氧气的大鼠的光疗期间，碳氧血红蛋白与时间的函数关系。
图31A显示了在用500ppm CO中毒90分钟后呼吸空气或100％氧气的大鼠，在有和没有532nm光疗的情况下，呼出一氧化碳浓度与时间的函数关系。
图31B显示了在用500ppm CO中毒90分钟后呼吸空气或100％氧气的大鼠，在有或没有532nm光疗的情况下，碳氧血红蛋白百分比与时间的函数关系。
图32A显示在用500ppm CO中毒90分钟后呼吸空气的大鼠在有和没有532nm光疗的情况下，平均动脉压与时间的函数关系。
图32B显示在用500ppm CO中毒90分钟后呼吸空气的大鼠在有和没有532nm光疗的情况下，心率与时间的函数关系。
图32C显示在用500ppm CO中毒90分钟后呼吸空气的大鼠在有和没有532nm光疗的情况下，碳氧血红蛋白百分比与时间的函数关系。
图32D显示在用500ppm CO中毒90分钟后呼吸空气的大鼠在有和没有532nm光疗的情况下，乳酸盐水平与时间的函数关系。
图33A显示了在用500ppm CO中毒90分钟后呼吸100％氧气的大鼠，在有或没有过度通气和532nm光疗的情况下，吸入或呼出一氧化碳浓度与时间的函数关系。
图33B显示了在用500ppm CO中毒90分钟后呼吸100％氧气的大鼠，在有或没有过度通气和532nm光疗的情况下，碳氧血红蛋白百分比与时间的函数关系。
图34A显示在用500ppm CO中毒90分钟后呼吸100％氧气的大鼠，在有和没有532nm胸膜内光疗的情况下消除的一氧化碳。
图34B显示在用500ppm CO中毒90分钟后呼吸100％氧气的大鼠，在有和没有532nm胸膜内光疗的情况下碳氧血红蛋白的半衰期。
图35显示了用于化学发光光疗的化学发光反应产生的光谱。
图36A显示在用500ppm CO中毒90分钟后呼吸100％氧气的大鼠，在有和没有532nm化学发光光疗的情况下消除的一氧化碳。
图36B显示在用500ppm CO中毒90分钟后呼吸100％氧气的大鼠，在有和没有532nm化学发光光疗的情况下碳氧血红蛋白的半衰期。
详述
如本文所用，术语“可见光”是指电磁光谱的一部分，通常约束在约380纳米(nm)和约750nm的波长之间，其对人眼可见。本领域的技术人员将认识到，可见光的波长范围将因人而异。因此，380nm至750nm的范围是通常可接受的范围，并且不意味着以任何方式明确限制。
一氧化碳(CO)中毒是世界范围内与毒害有关的死亡的最常见原因之一。在美国，一氧化碳吸入每年导致约5万次急诊室抢救和400多起意外死亡事件。即使不是致命的，一氧化碳中毒也与显著的发病有关，包括记忆，注意力和情感障碍。
CO和氧气与血红蛋白(Hb)结合的概率相等；然而，一旦结合，CO结合Hb的亲和力约为氧气的200倍。因此，从Hb解离CO需要更长的时间，从而降低了氧与Hb键合的可能性。
如上所述，可见光的光疗可用于光离解COHb。通常，光疗技术已经利用了被COHb高度吸收的光波长(例如，540nm和570nm)。然而，在光疗期间光解离COHb的可能性可以独立于光的波长。也就是说，定义为化学产量(有多少分子与Hb发生光解离)与多少光子被吸收之间的比例的量子产率可以独立于光的波长。本公开的CO中毒治疗或预防系统和方法通过利用被COHb吸收不佳但可充分穿透人体组织的光的波长来利用这种非直观现象。在一个非限制性示例中，这些光波长可以在590nm和630nm之间。
利用能够充分穿透人体组织的光波长使得本公开的CO中毒治疗或预防系统和方法(在下面详细描述)能够给患者身体的提供大体积血流的一个或多个部分直接提供光疗。特别感兴趣的患者身体的一个部分是肺部，特别是肺血管。如果辐射的可见光可以充分穿透干扰组织，则在患者体内辐射的可见光可以到达肺血管。包括动脉、肺泡-毛细血管网络和静脉在内的肺血管系统提供了大体积的血流(整个心输出量)，由于通气灌注匹配，每个呼吸循环过程中该血流不断地再循环。在一个健康的人中，约5升的全血量每分钟循环通过肺一次。此外，肺血管被肺泡所包围，在这里光解离的CO可以释放到肺泡气体空间中，并在呼气时从患者身体排出。
可见光照射也有可能使肺内的氧合血红蛋白(HbO2)发生光解离，从而通过进一步损害组织氧合作用来阻碍CO中毒的治疗或预防。然而，使用可见光光解离HbO2的相关的量子产量约为0.008，而使用可见光的光解离COHb的相关的量子产量约为0.5或更高。因此，与帮助恢复血液中HbO2水平的HbO2相比，显著更大部分的COHb被光解离为脱氧Hb。
以下详细描述涉及可通过将可见光照射到肺血管或皮肤中而提供光疗以治疗或预防CO中毒的系统和方法的各种非限制性示例。
图1示出了用于治疗或预防CO中毒的光疗系统10的一个非限制性示例。光疗系统10包括与光源14连通的控制器12。光源14可以是被配置为输出在约590nm和650nm之间的波长的可见光的激光器的形式。在其它非限制性示例中，光源14可以是发光二极管(LED)或本领域已知的任何其他可见光发射装置的形式。控制器12被配置为控制光源14的脉冲宽度，频率和能量输出。控制器12还被配置为根据需要循环打开和关闭光源14，并且控制光源14开启的持续时间。另外，如图1所示，控制器12与患者的EKG信号13和气流计15连通。气流计15配置为测量通过患者的气管和支气管树的氧气或空气的流速，并使控制器12能够识别患者何时吸气和呼气。因此，控制器12可以被配置为对提供给光源14的光信号进行门选以结束吸气，从而节省功率并且减少肺组织的加热，并且允许随即呼出富含CO的气体。此外或或者，控制器12可以与能够连续测量患者血液中的动脉CO浓度的测量装置(例如经皮COHb脉冲血氧计)连通。一旦患者血液中的CO浓度已经充分降低，控制器12可以被配置为关闭光源14。
如上所述，由COHb引起的可见光的峰值吸收在540nm和570nm附近出现。当波长增加到570nm以上时，COHb对可见光的吸收大大降低，在690nm以上从几乎没有吸收至没有吸收。尽管在570nm以上，COHb对可见光的吸收大大减少，但可见光进入或穿透人体组织的穿透深度随着波长增加到约570nm以上而增加。因此，由光源14输出的光的波长能够充分穿透到人体组织中或穿过人体组织，并且能够被COHb吸收。
在其他非限制性示例中，光源14可以被配置为输出波长在约380nm和约750nm之间的光。在其他非限制性示例中，光源14可以被配置为根据需要输出由COHb吸收的任何波长的光。
参照图1和2，光源14耦合到光缆16，使得从光源14输出的光通过布置在光缆16内且沿光缆16的一个或多个波导18传输。光缆16限定了基本上圆柱形的形状，并且其尺寸被设定为使得光缆16的直径D足够小以确保在插入患者的食道或气管时患者可以借光缆16周围空隙进行通气或呼吸。在一个非限制性示例中，光缆16的直径D可以小于约10毫米(mm)。在其他非限制性示例中，根据需要，光缆16可以限定不同的形状。
光缆16可以由柔性的、生物相容的材料制成，所述材料能够弯曲而不会在插入患者的食道或呼吸道中时变形。可选地或附加地，光缆16可以容纳在柔性的、生物相容的管内，例如PVC管，PTFE管，PES管或本领域已知的任何柔性的生物相容性管。光缆16或管可以是气管内插管的一部分，或者装配有额外内腔的气管内插管(或双腔气管内插管，例如用于在胸外科中获得肺隔离)。在光纤支气管镜的直接观察下，波导18可以分开位于每个主干支气管中，或者超过它们。
波导18由能够有效地传输由光源14输出的光的柔性、生物相容性材料制成，例如玻璃，塑料，液体，凝胶或本领域已知的任何其他可行的材料。在所示的非限制性示例中，波导18是一个或多个光纤。在另一个非限制性的例子中，波导18可以是胶原凝胶，除了柔性和生物相容性之外，胶原凝胶也是可生物降解的。波导18可以各自限定波导直径Df，并且可以比光缆16更长，使得波导18的一部分从光缆16的远端20突出。波导直径Df可以在约5微米(μm)和1000μm之间。在其他非限制性示例中，根据需要，波导直径Df可以小于5μm或大于1000μm。
在图1所示的非限制性示例中，每个波导18从光缆16的远端20突出相等的距离。在另一个非限制性示例中，波导18可以各自从光缆16的远端20突出不同的距离。每个波导18突出的距离可以是对于每个波导18不同或相同的固定的预定值，或者在其他非限制性示例中，每个波导18从光缆16突出的距离可以受光疗系统10的用户的可变控制。光缆16的远端20可以包括支架状结构(未示出)，其包含从光缆16突出的波导18的部分。当光缆16被插入到患者的食道或呼吸道中时，支架状结构可有助于防止波导18接触组织表面。
如图2所示，光缆16包括40个波导18。然而，光疗系统10不限于这种配置，因为在其他配置中波导18的数量可以不同。例如，根据需要，光缆16可以包括一个波导18，或者光缆16可以包括任意数量的波导18，只要波导直径Df足够小以适合光缆16的直径D内的所需数量的波导18即可。
参照图1-5，每个波导18包括远离光源14布置的尖端22。尖端22被配置为发射从光源14输出通过波导18透射的光。尖端22可以通过如下方式被配置为漫射地发光：通过设计尖端22的形状，如图3和4所示，和/或通过将漫射光学器件或元件包括在尖端22之上或之内，如图5所示。从尖端22漫射地发射光使得光疗系统10能够均匀地治疗患者体内大体积的组织(例如气体交换肺)。另外，从尖端22漫射地发射光或者通过新鲜气体的末尾吸入(end-inhalation)来门控照明降低了在患者体内受到治疗的组织的辐照度(每单位面积的能量)，这降低了治疗组织过热的可能性。
如图3所示，在一个非限制性示例中，尖端22可以限定从波导的直径Df逐渐减小到尖端直径Dt的基本圆锥的形状，其中Dt小于Df。从Df逐渐减小到Dt使得尖端22能够通过以径向地围绕尖端22并轴向地沿尖端22的方式发射光来漫射地发射来自光源14的光。如图4所示，在另一个非限制性示例中，尖端22可以限定基本圆形的形状。尖端22的圆形形状使得尖端22能够以径向地围绕尖端22的方式漫射地发射光。图4所示的尖端22限定了近似等于波导直径Df的尖端直径Dt。或者，根据需要，尖端直径Dt可以大于或小于波导直径Df。本领域的技术人员将会知道，尖端22的其他形状或几何形状可能有助于从尖端22发射的光的漫射。
如图5所示，在又一个非限定性示例中，尖端22可以包括布置在尖端22上或尖端22内的一个或多个漫射元件24。漫射元件24可以是被加工入尖端22的槽口形式，布置在尖端22上或其内的光学透镜，布置在尖端22内的散射粒子或本领域已知的任何其它漫射元件的形式。不管漫射元件24的形式如何，一旦从通过波导18透射的光源14输出的光接触漫射元件24，漫射元件24即散射入射光，这即使光以径向地围绕尖端22的侧面的方式漫射地发射。
在另外的非限制性示例中，尖端22可以利用光束发散和通过空气或水的自然散射来漫射地传播从尖端22发射的光。
转向图6，光缆16可以被配置为待插入到患者30的食道28中以将波导18定位在食道28内。光缆16可以由光疗系统10的用户经口或者通过患者30的鼻孔插入到食道28中。光缆16的远端20以及由此尖端22可以被定位在沿着食道28的任何所需的位置处。在一个非限制性示例中，光缆16可以包括递增距离标记，其向光疗系统10的用户提供光缆16的远端20被插入到食道28中远近程度的指示。
或者或此外，如图7所示，光缆16可以被配置为待插入到患者30的气管32中，以将波导18定位在患者30的气管32和/或支气管树内。在一个非限制性示例中，光缆16可以通过插管或沿着插管的一侧插入。或者或此外，光缆16可以经口插入或通过患者30的鼻孔插入。光缆16可以由光疗系统10的用户操纵，以将光缆16的远端20以及尖端22定位在沿气管32或支气管树的任何所需的位置处。例如，如图7所示，光缆16的远端20位于患者30的左主干支气管34内。或者，光缆16的远端20可由光疗系统10的用户操纵以位于患者30的右主干支气管36内。光缆16的直径D的尺寸可以足够小，使得光缆16可以通过右主干支气管或左主支气管插进较小的气道。
或者或此外，根据需要，光缆16可以被配置成待通过胸管插入以将波导18定位在围绕患者30的肺33的胸膜腔中，或者光缆16可以被配置成将波导18定位在患者身体上或患者体内的任何位置以提供光疗。
在一个非限制性示例中，波导18的波导直径Df可以足够小，并且制造波导18的材料可以具有足够柔性，以使波导18能够通过流过患者的呼吸道的空气来定位。也就是说，当光缆16穿过患者的气管插入时，当患者30吸气(或以正压通气)时，波导18可以由流经患者呼吸道的气体携带，以将波导18在支气管树中遍布定位，如图8所示。为了辅助该过程，如图9所示，每个尖端22可以包括翅片26。翅片26被配置为增加穿过尖端22的拖拽力或气体阻力，以在由正压通气或自愿深呼吸驱动的强制机械深吸气或大的自发换气(tidal)量期间帮助移位波导18。或者，波导18可在光疗系统10的用户所施用的正压进行(depolyment)期间移位。每个翅片26可以在尺寸，形状或会影响拖拽力的任何其他物理特性上变化，以促进尖端22遍布在支气管树中。或者或此外，尖端22可以涂覆有能够粘附至患者30的支气管树内的组织和/或粘液的粘合剂。
图10示出了光疗系统10的另一个非限制性示例，其中光缆16的远端20被分成第一远端区段38和第二远端区段40。一部分波导18从第一远端区段38突出，并且波导18的剩余部分从第二远端区段40突出。第一远端区段38和第二远端区段40形成所需的尺寸，使得当光缆16通过患者的气管32插入时，第一远端区段38或第二远端区段40可以容纳在患者30的左主干支气管34或右主干支气管36内，如图11所示。另外，在该非限制性示例中，如图11所示，波导18可以在患者30的两个肺部33中(例如借助于翅片26)在支气管树中遍布移位。
图12和13示出了光疗系统10的又一个非限制性示例，其中气囊44可以附接到光缆16的远端20。气囊44包围从光缆16的远端20突出的波导18的部分。气囊44由能够有效地透射从尖端22发射的光的生物相容性材料制成。气囊44经由布置在光缆16内和沿着光缆16的流体通路与气体源46和/或液体源48连通。气囊44配置成可扩展的，以在收缩状态(图12)和膨胀状态(图13)之间变化。气体源46和/或液体源48可以用来使气囊44在收缩状态(图12)和膨胀状态(图13)之间扩展变化。在一个非限制性示例中，气体源46可以是空气或氧气的加压供应源。如图14所示，当将光缆16插入到患者30的食道28中，并且气囊44处于膨胀状态时，气囊44可以扩展并使食道28的壁变薄，从而使得食道28的壁的厚度最小。这可以使得，在患者30的食道28内应用光疗时，从尖端22发射的光必须穿透的组织的量最小化。
气体源46和/或液体源48可以在气囊44内提供冷却流体。冷却流体可以减少由波导18的尖端22发射的光所照射的组织的加热。因此，当在气囊44内存在冷却流体时，与在气囊44内不存在冷却流体时相比，接收光疗法的组织能够承受来自光源14的较高功率的光输出。或者或此外，冷却流体可以是低吸收流体，例如用于供给IV的脂质乳剂，其能够透射和漫射从光源14输出的光。
图15示出了光疗系统10的另一个非限制性示例，其中光疗系统10被集成到支气管镜50中。支气管镜50包括耦合到光源14的光学端口52，耦合到光缆16的工作端口54，抽吸端口56，观察端口58和一个或多个调整机构60，调整机构60机械地耦合到光学电缆16。抽吸端口56与布置在光缆16内并且沿着光缆16的抽吸通路连通。观察端口58使得光疗系统10的用户能够查看由布置在光缆16的远端20上的光学器件获取的图像。调节机构60配置成调节光缆16的远端20的位置。
抽吸端口56可连接到抽吸装置，该抽吸装置被配置为在整个抽吸通路中产生真空，以从患者的气管和/或支气管树上移出流体样品。观察端口58和调节机构60使得光疗系统10的用户能够实时查看和调节光缆16的远端20的位置。
将参考图1-16来描述光疗系统10的操作的一个非限制性示例。在操作中，光疗系统10的用户可以治疗CO中毒的患者。图16中示出了用户可以执行的治疗CO中毒患者的步骤。光疗系统10的用户通常是训练有素的医疗保健专业人员。应该知道，使用光疗系统10治疗CO中毒的以下描述是一个示例性的非限制性示例，并且如本领域技术人员将认识到的，可以使用替代方法或不同步骤。
如图16所示，首先，在步骤62由用户定位波导18，使得波导18将光直接发射到患者身体的部分(例如，肺或皮肤)上。在步骤62定位波导18可以通过将光缆16插入患者的食道，气管，支气管树或胸膜腔(例如经由开胸管或管)来实现。或者，根据需要，波导18可定位在患者身体的任何部分之上，之内或上方(例如皮肤)。在另一个非限制性示例中，波导18可以在步骤62经定位，以在开胸术后直接将光发射到患者的肺上。在又一个非限制性示例中，波导18可以在步骤62经定位，以将光直接发射到患者皮肤的全部或部分上。在这个非限制性的例子中，可以向患者提供纯氧(即100％O2)以呼吸，和/或患者的身体表面(即皮肤)可以用纯氧冲洗或暴露于纯氧。
在步骤62中定位波导18之后，用户在步骤64通过控制器12打开光源14。一旦在步骤64中打开光源14，光从光源14通过波导18输出并发射到患者身体的部分上。如上所述，在一个非限制性示例中，光源14可以被配置为输出波长在590nm和650nm之间的光，这些波长能够穿透进入或通过人体组织并被COHb吸收。因此，无论波导18是否定位在患者的食道，气管，支气管树或胸膜腔内，从波导18发射的光穿透周围组织到达患者的肺脉管系统。在步骤64中打开光源的情况下，从光源14发出并通过波导18的光到达肺血管。在肺血管系统中，发射的光被COHb吸收，从而从Hb光离解CO。由于肺部或身体周围氧气的肺泡分压可能远大于肺血管系统或皮肤血管系统中CO的分压，所以氧气压力梯度驱动氧分子结合脱氧Hb的速度远大于CO。因此，CO从COHb光解离到患者的肺泡，并在下一次换气气体排出期间呼出。
一旦在步骤64打开光源14，控制器12即在步骤66确定是否已经发射了所需的光量。如果是这样68，则在步骤70由控制器12自动关闭或者由用户通过控制器12手动关闭光源14。如果不是这样72，则光源14继续开启，直到控制器12在步骤66确定已经发射了所需的光量。由光源14发射的所需的光量可以与在提供足够的光疗以降低患者的动脉COHb水平(可以使用数字脉冲CO-血氧计(Massimo公司)非侵入性连续测量)并防止由波导18发射的光所照射的周围组织过热之间实现平衡相关联。用户可以通过控制器12控制光源14的脉冲宽度、频率和能量输出，使得由光源14输出的功率不会损坏被照射的组织，但仍然提供足够的COHb的光解离。另外，用户可以指示控制器12在预定时间之后关闭光源14，以确保发射所需量的光并且照射的组织不被损坏。或者或此外，从光源14提供的光可以经由控制器12门控至新鲜气体的吸气的一部分，然后在呼气期间关闭以减少组织加热。
一旦控制器12或用户在步骤70关闭了光源14，就可以在步骤74从食道、气管、支气管树、胸膜腔或患者身体的其他部分移除波导18。或者或此外，由于如上所述波导18可以由可生物降解材料制成，所以波导18可留在患者体内。
或者或此外，如上所述，光缆16可以包括附接到光缆16的远端20的气囊44。在该非限制性构造中，一旦用户已经在步骤62中将波导18定位在沿着患者的食道的所需位置中，则气囊44可以在步骤76中扩展到使食道壁变薄的膨胀状态。一旦气囊44在步骤76膨胀，就可以在步骤78处从气体源46或液体源48向气囊44内供应冷却流体以冷却周围组织。利用步骤78中供给的气囊内的冷却流体，然后用户可以通过控制器12在步骤64开启光源14。
或者或此外，如上所述，波导18的尖端22可以包括翅片26。在该非限制性配置中，一旦用户在步骤62将波导18定位在患者的远端气管或支气管树内的所需位置中，则波导18可在步骤80中在吸气或正压进行中移位，从而使波导18遍布在患者的气管和/或支气管树中。在步骤80中通过波导18移位后，光源14可以在步骤64中由用户通过控制器12打开。
或者或此外，如上所述，患者的EKG信号和/或通过患者的呼吸道的气流速率可以被传送到控制器12。在这种非限制配置中，一旦在步骤64中打开光源14，控制器12可以被配置为在步骤82调控光源14。也就是说，控制器12可以被配置为基于EKG信号在患者的心动周期期间的特定时间开启和关闭光源14，或者控制器12可以被配置为在吸气期间开启光源14并且在呼气期间关闭光源14，如通过患者的呼吸道的气流速度或使用周向胸部/腹部腰带容量传感器的胸部的扩张所指示。在其他非限制性示例中，可以使用或联用(例如，EKG在峰值肺动脉血流速上门控和呼吸机阶段在吸气上门控)任何生理学标记或特征包括心率(即，触发EKG QRS复合波)在步骤82触发或者门控光源14的调控。
图17示出了用于治疗或预防CO中毒的光疗系统100的另一非限制性示例。光疗系统100包括具有中心腔104的管102。管102的中心腔104提供液体源106和袋108之间的连通。中心腔104还提供光源110和袋108之间的连通。管102可以由诸如PVC，PTFE，PES的柔性生物相容性材料或本领域已知的任何其他柔性生物相容性材料制成。管102的尺寸被设计成使得管102的直径D足够小以确保如果插入患者食管中患者仍可以借助管102周围空隙呼吸(特别是不阻碍呼气)。或者或此外，管102可以被配置成待插入到一个或多个胸部(开胸)管中以将袋108放置在围绕患者肺部的胸膜腔中。在一个非限制性示例中，管102可以限定小于至少10mm的直径D.
液体源106配置成将通过中心腔104的液体流供应到袋108。液体源106可以被配置为提供水，盐水溶液，散射光的低光吸收流体，诸如用于供给IV的脂质乳剂，或本领域已知的任何其它生物相容性液体。由液体源106提供的液体可以使袋108周围的组织冷却和/或可以与光源110混合以使光源110流化并且在整个袋108中漫射地分布。袋108可以由能够有效地传输从光源110发射的光的可折叠的生物相容性材料制成。袋108和/或管102可以被配置为使得袋108和/或管102可以适合位于患者食管内，围绕患者肺部的胸膜腔内或者患者身体的任何其他部分内。
光源110可以是化学发光液体，多个化学发光颗粒，多个磷光颗粒，激光器或LED。在本领域中众所周知的是，可以选择光化学反应的反应物来产生在所需波长下发射光的化学发光液体/颗粒。因此，如果光源110是化学发光液体或颗粒，则化学发光液体/颗粒可以包含产生在约590nm和650nm之间的波长处发射光的光化学反应的反应物。在其他非限制性实例中，化学发光液体/颗粒可包含产生发射波长在约390nm与约690nm之间的光的光化学反应的反应物。在其他非限制性实例中，化学发光液体/颗粒是组成的反应物，其产生能够发射具有COHb吸收的任何波长的光的光化学反应。
典型地，磷光颗粒包括掺杂到主晶格中的掺杂离子(通常也称为磷光体)。掺杂离子被外部源(例如光辐射)激发到上激发态，并且在弛豫回到其基态时，掺杂离子发射给定波长的光。磷光颗粒是特别感兴趣的，因为它们通常是化学惰性的并且可以将吸收的激发能量转换成发射光，量子效率接近百分之百。在本领域中众所周知的是，主晶格内的掺杂离子、主晶格、主晶格的晶体结构、激发源以及掺杂离子的浓度等可以影响由磷光颗粒发射的光的波长。因此，如果光源110包括磷光颗粒，则磷光颗粒可以包括掺杂离子和主晶格，当被激发源112激发时，所述掺杂离子和主晶格发射波长在约590nm与约650nm之间的光。在其他非限制性实例中，磷光颗粒可包含掺杂离子和主晶格，当被激发源激发时，所述掺杂离子和主晶格发射波长在约390nm和约690nm之间的光。在其他非限制性示例中，磷光颗粒可以包括当被激发源激发时发射被COHb吸收的任何波长的光的掺杂离子和主晶格。
如果光源110包括磷光颗粒，则光疗系统100可以包括激发源112，其被配置为激活磷光颗粒并且使磷光颗粒以所需的波长发光。激发源112可以是激光器，灯，一个或多个LED或能够激活磷光颗粒的任何可行的激发源。
如上所述，液体源106可被配置成提供散射光的低吸收流体。在这个非限制性示例中，低吸收流体可以被配置为透射和散射由光源110发射的光。光源110可以是耦合到放置在袋108内的波导(例如光纤)的激光器。填充有低吸收液体的袋108可以充当在患者的胸膜腔或任何其他体腔内由激光器产生并传递到袋108的光的漫射器。
将参考图17和18来描述光疗系统100的操作的一个非限制性示例。在操作中，光疗系统100的用户可以治疗CO中毒的患者。图18中示出了用户可以执行的治疗CO中毒患者的步骤。光疗系统100的用户通常是训练有素的医疗保健专业人员。应该知道，使用光疗系统100治疗CO中毒的以下描述是一个示例性的非限制性示例，并且如本领域技术人员将认识到的，可以使用替代方法或不同步骤。
如图18所示，首先，袋108可以由用户在步骤114定位，使得袋108位于患者身体的部分内。如上所述，患者身体的部分可以包括食道，胸膜腔或身体的任何其他部分。在袋108的定位114之后，光源110可以在步骤116中经由中心腔104流体连通到袋108中。或者或此外，来自液体源106的液体可以在步骤116中经由中心腔104流体连通到袋108中。一旦光源110在袋108内，则从光源110输出的光透过袋108并发射到患者身体的所述部分上。如上所述，光源110可以被配置为输出波长在590nm和650nm之间的光，这些波长能够穿透进入或通过人体组织并被碳氧血红蛋白吸收。因此，无论袋108是否定位在患者的食道或胸膜腔内，从光源110发射的光穿透周围组织到达患者的肺脉管系统。当从光源110发射的光到达肺血管系统时，发射的光被COHb吸收，从而从Hb光离解CO。由于氧气的肺泡分压远大于肺血管系统中CO的分压，所以氧气压力梯度驱使氧分子以比CO更高的速率结合脱氧Hb。因此，CO从COHb光解离入病人的肺泡并在呼气过程中排出。
可以是薄壁且透明的袋108可以留在患者身体的部分内持续预定的时间量，以确保提供所需量的光疗并且辐照的组织不被损坏。一旦袋108已经在患者身体的所述部分内达到预定的时间量，那么用户就可以在步骤118中从患者身体的所述部分内取出袋108。
或者或此外，如上所述，光源110可以包括磷光颗粒。在这个非限制性示例中，在步骤116中，在将光源110流体连通到袋108中之前，可以通过激发源112激活光源110。
应当理解的是，在其他非限制性示例中，袋108可能并不是必需的，以在光源110与患者身体的该部分之间提供屏障。也就是说，在一些非限制性示例中，光源110可以是无毒的化学发光流体，其可以被输注到例如患者的胸膜腔中以提供来自光源110的更好的光发射分布。在光源110提供的光疗所需的持续时间之后，光源可以例如通过抽吸被移除。
图19示出了用于治疗或预防CO中毒的光疗系统200的另一非限制性示例。光疗系统200包括光源202和具有中心腔206的管204。管204被配置成提供光源202和气道208之间的连通。图示的气道208呈面罩的形式；然而，在其他非限制性示例中，气道208可以是被配置为提供与患者的肺部的连通的任何装置的形式。也就是说，在其他非限制性示例中，气道208可以是气管内插管，鼻塞或气管造口管的形式，仅举几例。或者或此外，气道208可以是本领域已知的覆盖患者的鼻部和口部中的至少一个的任何面罩或呼吸器。例如，气道208可以是消防员和/或军事人员通常佩戴的呼吸器。管204可以由诸如PVC，PTFE，PES的柔性生物相容性材料或本领域已知的任何其他柔性生物相容性材料制成。或者或此外，管204可以连接到气管内插管。
光源202可以包括多个磷光颗粒。光源202的磷光颗粒包括掺杂离子和主晶格，当被激发源216激发时，所述掺杂离子和主晶格以约590nm和约650nm之间的波长发射光。另外，光源202的磷光颗粒是化学惰性的并且对人体无毒。在其他非限制性实例中，磷光颗粒可包含掺杂离子和主晶格，当被激发源216激发时，所述掺杂离子和主晶格发射波长在约390nm和约690nm之间的光。在其他非限制性示例中，磷光颗粒可以包括当被激发源216激发时发射被COHb吸收的任何波长的光的掺杂离子和主晶格。
光源202的磷光颗粒可以限定不同的粒径，使得磷光颗粒当被人吸入时，停留在遍及气管和支气管树的多个位置。或者或此外，磷光颗粒可以用将磷光颗粒粘附到人的气管或支气管树内的粘液和/或组织的粘合剂涂覆。
如图19所示，光源202也与雾化元件210和气体源212连通。雾化元件210被配置为雾化磷光颗粒，从而使磷光颗粒与由气体源212提供的流体流混合，并流过管204的中心腔206并进入气道208。雾化元件210还可以被配置为雾化特定数量的磷光颗粒，使得人吸入的颗粒负荷不会对人的肺造成显著的损害(不具有生物反应性的生物惰性颗粒)。雾化元件210可以是雾化器，流化床或本领域已知的任何其他可行的雾化装置。气体源212可以是空气或氧气的加压源。气雾剂大小可以根据靶向中毒期间产生CO呼气最有用的肺的部分的大小设计。例如，用于靶向肺泡的1-2微米颗粒，5-10微米颗粒存留在末端支气管中，这接近至肺泡的肺动脉供给。
控制器214与雾化元件210和激发源216连通。控制器214被配置为控制何时雾化元件210雾化光源202以及何时激发源216激活光源202。激发源216可以是激光器，灯，一个或多个LED或能够激活光源202的任何可行的激发源。
将参考图19和20来描述光疗系统200的操作的一个非限制性示例。在操作中，光疗系统200可以治疗CO中毒的人或用于防止CO浓度升高的气氛中的人中毒。图20示出了使用光疗系统200治疗或预防CO中毒的步骤。应该知道，使用光疗系统200治疗或防止CO中毒的以下描述是一个示例性的非限制性示例，并且如本领域技术人员将认识到的，可以使用替代方法或不同步骤。
如图20所示，首先，光源202的磷光颗粒可以在步骤218中经由控制器214被激活，指令激发源216开启。一旦在步骤218激活光源202的磷光颗粒，则控制器214然后在步骤220中指令雾化元件210雾化磷光颗粒。然后在步骤222中将雾化的磷光颗粒与来自气体源212的流体流混合，这使得雾化的磷光颗粒能够流入管204的中心腔206。如上所述，雾化元件210可以被配置为控制中心腔206内的磷光颗粒的颗粒负载，使得当被人吸入时，颗粒负载不会对人的肺造成显著的损害。
一旦雾化磷光颗粒在步骤222中与来自气体源212的流体流混合并开始流入中心腔206，佩戴气道208的人可以在步骤224中吸入雾化光源202，使得光源202的磷光颗粒遍布在人的气管和支气管树中。如上所述，一旦磷光颗粒被激活，其可被配置为输出波长在590nm和650nm之间的光，这些波长能够穿透进入或通过人体组织并被COHb吸收。因此，散布在人的气管和支气管道中的磷光颗粒发出的光线可穿透周围组织，到达人体的肺血管系统。当从磷光颗粒发射的光到达肺血管系统时，发射的光被COHb吸收，从而从Hb光离解CO。由于氧气的肺泡分压远大于肺血管系统中CO的分压，所以氧气压力梯度驱使氧分子以远比CO更高的速率结合脱氧Hb。因此，CO从COHb光解离入人的肺泡并通过呼气从身体排出。
还应该知道，光源202在被吸入时可以到达人的肺泡，因此要穿透的组织的厚度将非常小(例如，小于1-5微米)。在这个非限制性实例中，磷光颗粒可以被配置成输出波长在390nm和750nm之间的光。
或者或此外，磷光颗粒可以是纳米级的颗粒，例如脂质纳米颗粒(例如吸入的丁胺卡那霉素抗生素或罗丹明S脂质纳米颗粒)，其在注射或吸入时被配置成定位在肺中。在这个非限制性的例子中，磷光颗粒可以被配置为输出具有由COHb吸收的任何波长的光，因为不需要穿透组织。
如上所述，光疗系统200可以用于防止CO中毒。这种非限制性的应用可以针对可能需要在CO浓度升高的气氛中执行任务的人，例如军事人员或消防员。在一个非限制性示例中，光疗系统200可以集成到由军事人员或消防员使用的呼吸器中。另外，光疗系统200可以包括能够连续测量人血液中的动脉CO浓度的测量装置，例如经皮COHb脉冲血氧计，并且控制器214可以被配置为对人血液中的CO浓度升高的度量产生响应而经由雾化元件210雾化光源202。
实施例
以下实施方式详细阐述了本文所述的光疗系统可以使用或实现的方式，并且将使本领域技术人员能够更容易地理解其原理。以下实施方式以说明的方式提供，并不意味着以任何方式进行限制。
小鼠研究
小鼠用腹膜内(i.p.)注射氯胺酮(120mg·kg-1)和芬太尼(0.09mg·kg-1)麻醉。气管切开后，腹膜内注射罗库溴铵(1mg·kg-1)以诱导肌肉放松。以每分钟90次呼吸的呼吸速率、10ml·kg-1的换气体积和1cm H2O的呼气末正压(PEEP)提供体积控制的通气。将导管置于颈动脉和颈静脉中；然后小鼠进行中位开胸手术以暴露肺部。
通过呼吸空气中的400ppm CO使小鼠中毒。使用CO分析仪(MSA Altair-PRO；MSASafety公司，匹兹堡，宾州)测量吸入和呼出的CO浓度。在一些实验中，通过在空气中呼吸2000ppm CO使小鼠中毒，并使用红外CO气体分析仪(MIR2M；Altech-Environment公司，日内瓦，伊利诺伊州)测量CO浓度。在CO中毒期间和之后采集和测量动脉血中COHb的百分比并计算COHb半衰期。
分别由Aura KTP激光器(American Medical Systems公司，明尼通卡，明尼苏达州)和原型激光器(Syneron-Candela公司，韦兰，马里兰州)产生532和690nm波长的光。通过可见光纤激光器(VFL-P激光器，MPB Communications公司，蒙特利尔，加拿大)产生570、592和628nm波长的光。用功率计(Thorlabs公司，达豪，德国)测量照射肺部的光的能量。光照度计算为I＝功率(W)/面积(cm2)。辐射曝光量计算为RE(J·cm-2)＝I(W·cm-2)·t(秒)其中RE是辐射曝光量，I是辐照度，t是曝光时间。
具有1.2cm漫射长尖端(其发射360度光)的1mm直径光纤通过口咽放置到麻醉和机械通气小鼠的食道中。测试了在532nm处的光的间歇光疗。功率设置为1.5W，光以1Hz、200ms的脉冲宽度进行脉冲。
统计分析使用Sigma Plot 12.5(SPPS公司，芝加哥，伊利诺伊州)进行。使用斯氏t-检验和具有事后Bonferroni检验的单向ANOVA(双尾)分析数据。使用重复测量的双向ANOVA来比较组间随时间变化的变量。对于生存分析，生成Kaplan-Meier评估并使用对数秩检验比较。统计显著性定义为p值小于0.05。所有数据均以平均值±SD表示，除非另有规定。
为了研究在体内能否使用可见光从血红蛋白中分离CO，建立一种CO中毒的小鼠模型。麻醉和机械通气的小鼠通过在空气中吸入百万分之400份(ppm)CO一小时来中毒，随后通过呼吸空气或100％O2来处理。连续监测呼出的CO浓度并测定CO摄入和消除率。在CO中毒和随后的处理期间，依次测量动脉血中的COHb浓度并计算COHb-t1/2。
处理期间呼出CO浓度的曲线下面积(AUC)代表消除的CO量。在呼吸100％O2的前15分钟呼出的CO浓度显著大于呼吸空气的前15分钟，表明在此期间消除了更多量的CO(AUC：3568±242对比1744±101，p<0.001)，如图21A所示。相反，经过约20分钟的处理后，吸入空气的小鼠呼出的一氧化碳浓度明显较高，表明存在更大量的CO残留用于消除(AUC:858±41对比275±49,p<0.001)。
在一小时中毒期结束时，28.0±0.6％(均值±SD)的循环血红蛋白用CO饱和。用100％O2通气处理降低COHb浓度比用空气处理的降低更快(COHb-t1/2:8.2±1.2对比31.5±3.1分钟,p<0.001)，如图21B所示。在这种小鼠模型中，呼出的CO浓度和动脉COHb水平都反映了CO中毒后呼吸100％O2比呼吸空气的优势。
为了评价直接照射肺对CO消除率的影响，对麻醉和机械通气的小鼠进行正中胸骨切开术以暴露两个肺。在呼吸400ppm CO达1小时之后，用空气或100％O2通气处理小鼠，进行或不进行628nm波长(λ)和54mW·cm-2辐照度下的光疗。这些研究的测试设置如图22所示。
如图23A所示，在100％O2呼吸中加入肺部光疗，在处理的第一个5分钟内，导致呼出CO浓度显著增加，表明更多的CO消除(AUC：2763±215对比1904±106；p<0.001)。在处理8分钟处开始，仅用100％O2的小鼠与用光和100％O2处理的小鼠相比，呼出的CO水平显著更高，这表明在前者中存在更大量的CO剩余。100％O2和光疗处理期间的血液COHb浓度降低大于单独使用100％O2的处理，并且COHb-t1/2显著缩短(3.8±0.5对比8.2±1.2分钟，p<0.001)，如图23B所示。
为了评估在较低浓度的吸入O2下光疗的效果，测试肺光疗是否可以增加同时呼吸空气的小鼠的CO消除率。如图23C所示，加入到呼吸空气中的光疗与最初25分钟处理期间增加的CO消除量有关(AUC:3451±175对比2359±130,p<0.001)，并且COHb-t1/2显著缩短(19.2±1.3对比31.5±3.1分钟,p<0.001)，如图23D所示。如图24A、24B和25所示，用或不用光疗处理的小鼠之间的全身动脉压、心率、直肠或肺表面温度没有显著差异。这些结果表明，在CO中毒后，直接肺部光疗提高了呼吸100％O2或空气的小鼠的CO消除率。
为了测试不同波长的可见光是否可以在体内解离COHb，使小鼠CO中毒并使用532、570(绿)、592(黄)或628(红)nm的光进行光疗。为了排除肺部照明对CO消除率的非特异性影响，还测试了690nm(红外线)的光，其不会在体外解离COHb。将小鼠麻醉，机械通气，进行中线开胸术，然后用400ppm CO中毒5分钟，然后用100％O2处理25分钟，单独或与每种选定波长的光疗一起使用。通过计算中毒期间消除90％的吸附CO所需的时间(T90％CO)来确定CO消除率。与单独100％O2相比，当加入100％O2处理时，在532、570、592或628nm的光疗显著降低了T90％CO(分别为8.7±1.2,7.2±0.2,8.8±2.2,10.2±2.7对比21.8±2.4分钟，每个比较p<0.005)，如图26A所示。相比之下，与单独使用100％O2呼吸相比，690nm处的光线疗法并没有降低T90％CO(19.4±1.5对比21.8±2.4分钟，p＝0.892)。这些结果显示波长在532和628nm之间的光疗改善了CO中毒小鼠的CO消除率。
为了研究光能和COHb光解离效率之间的关系，使小鼠CO中毒并用100％O2和低、中或高功率(辐照度＝24、54和80mW·cm-2)的628nm的连续光疗联合处理。与通过单独呼吸100％O2相比，这三种能量水平中的每一种均降低血液COHb-t1/2(4.8±0.5,3.8±0.5,3.1±0.2对比8.2±1.2分钟，每个比较p<0.001)，如图26B所示。结果显示，辐照度低至24mW·cm-2的连续光疗有效地增加了CO消除率。此外，随着入射光能量的增加，光疗所获的COHb-t1/2减少程度增加。
连续照射产生的热量可能会损伤肺部。减少组织升温的一种方法是间歇地施用光。为了研究间歇光疗对CO消除率的影响，将小鼠用400ppm CO中毒5分钟，然后用100％O2单独处理25分钟或与三个能量水平(80、160和250mW·cm-2)和三个不同的脉冲宽度(100、500、1000毫秒)和1Hz的恒定频率的光一起处理25分钟。与单独呼吸100％O2相比，当使用80mW·cm-2的光和100毫秒的脉冲宽度时，T90％CO不降低，如图26C所示。在每个能级，脉冲越长，T90％CO降低越多。在测试的每个脉冲宽度处，当辐照度从80mW·cm-2增加到160mW·cm-2时，T90％CO降低。当辐照度增加到250mW·cm-2时没有进一步的降低。这些结果表明，间歇光疗也可以提高CO消除率，即便效果不如连续光疗。
为了评估脉冲宽度和光辐照度对CO消除率的组合影响，计算每个处理的辐射暴露量。通过图26D所示的三参数指数衰减曲线(R2＝0.93，p<0.0001)来描述CO消除率与辐射暴露之间的关系。如图26D所示，当辐射曝光量大于0.08J·cm-2时，达到平台，功率或脉冲持续时间的进一步增加都没有增加CO消除率。
为了测试光照疗法是否可以防止CO暴露期间CO中毒，将麻醉的和机械通气的小鼠暴露于空气中的400ppm CO一小时，进行或不进行同时628nm的直接肺部光疗。如图27A所示，在中毒期间用光疗法处理的小鼠中呼出的CO浓度显著更高，并且这些小鼠吸收的CO的量显著低于对照小鼠(0.134±0.005对比0.189±0.011μmol·g-1,p<0.001)，如图27B所示。在CO暴露期间接受光疗的小鼠中，20、40和60分钟时动脉血COHb水平显著低于对照组(分别为13.4±1.1对比16.5±1.9,16.8±1.1对比24.2±1.2,18.4±0.6对比28.0±0.6％，p<0.001)，如图27C所示。这些结果显示，持续CO暴露期间的直接肺部照射与CO吸收减少和动脉COHb水平降低相关。
由于CO中毒期间的光疗减少了吸收CO的量，考察光疗是否可以改善呼吸高水平CO的小鼠的存活率。小鼠呼吸空气中的2000ppm CO一小时，进行或不进行同时532nm的直接肺部光疗。没有光疗，所有的小鼠在暴露于CO的30分钟内死亡。相反，呼吸CO和光疗处理的6只小鼠中的5只存活了60分钟，如图28A所示。在CO中毒过程中，光疗处理的小鼠的血液COHb水平显著低于对照小鼠(分别地，在10分钟时为34.1±3.5对比49.9±1.9％，和在20分钟时为38.5±4.0对比62.0±0.9％，p<0.001)，如图28B所示。在CO暴露的前15分钟内，两组的心脏收缩动脉压均下降，心率瞬时升高，如图28C和28D所示。此后，未处理的小鼠中的血压和心率显著降低，而在光疗处理的小鼠中它们保持恒定。在研究期间，光疗处理小鼠的血乳酸盐水平显著低于未处理小鼠(10分钟的3.4±1.0对比4.6±1.0mmol·L-1,p＝0.05，和20分钟的3.7±1.0对比11.0±1.5mmol·L-1,p<0.001)，如图28E所示。这些结果表明直接肺部光疗改善了经历CO中毒小鼠的存活率。CO中毒程度降低与较低的血液COHb和乳酸盐水平有关。
为了评估在没有开胸手术的情况下将光线照射到鼠肺的可能性，考察通过光纤将光传递到肺的效果，该光纤具有通过口咽放置到食道中的漫射尖端。为了优化食道光纤相对于肺的位置，对活的、麻醉和机械通气的25g小鼠进行CT扫描，如图29A所示。当纤维末端距离下颌切牙3.9cm时，达到照射肺下部的纤维的最佳位置。
在呼吸400ppm CO一小时后，小鼠通过单独100％O2通气处理或与肺的经食道光疗结合处理。如图29B所示，在用食道光疗处理的小鼠中，在处理的最初5分钟内消除的CO量明显更多(AUC：分别为2246±85对比2030±83，p＝0.001)，而光疗小鼠的COHb-t1/2明显短于单独呼吸100％O2的小鼠(5.7±0.3对比6.8±0.3分钟,p<0.001)，如图29C所示。这些结果表明，与单独的100％O2呼吸相比，食道光疗增加了CO消除的速率。
大鼠研究
为了进一步测试本文所述的光疗系统和方法的功效，在大鼠中测试肺光疗，大鼠重量比小鼠多约18倍。所有的动物实验都得到马萨诸塞州波士顿马萨诸塞州综合医院研究动物护理小组委员会的批准。测试了重量为454±69g(平均值±SD)的49只雄性SpragueDawley大鼠(Charles River实验室，威明顿，马萨诸塞州，美国)。用腹膜内(i.p.)氯胺酮(100mg·kg-1)和芬太尼(50mcg·kg-1)麻醉大鼠。在气管造口术后，腹膜内注射罗库溴铵(1mg·kg-1)以诱导肌肉松弛，并使大鼠机械通气(Inspira；Harvard设备公司，霍利斯顿，马萨诸塞州，美国)。以每分钟40次呼吸的呼吸速率、10ml·kg-1的换气体积、2cm H2O的呼气末正压(PEEP)和0.21的初始吸入氧分率(FiO2)提供体积控制的通气。将导管放置在颈动脉和颈静脉中。连续监测动脉血压，心率，体温和峰值气道压力。用芬太尼(1.2-2.4mcg·kg-1·h-1)、氯胺酮(10-20mg·kg-1·h-1)和罗库溴铵(2-4mg·kg-1·h-1)提供连续的静脉内麻醉和肌肉松弛。林格氏乳酸盐以8-12ml·kg-1·h-1的速度输注。
为了测试直接光疗是否能够增加比小鼠重18倍的动物的CO消除率，开发了大鼠CO中毒模型。麻醉和机械通气的大鼠中毒90分钟，呼吸空气中的500ppm的CO，然后用空气或100％氧气处理。如在小鼠中毒期间观察到的那样(图23A和23B)，呼出的CO浓度缓慢增加，表明在中毒开始时大鼠吸收了大量的CO，如图30A所示。随着时间的推移，随着循环血红蛋白逐渐被CO饱和，吸收的CO量也逐渐减少。中毒后，大鼠在100分钟的氧气或室内空气中以恒定的每分钟通气量进行呼吸来处理。在呼吸100％氧气的前30分钟内，呼出的CO浓度显著大于呼吸空气的大鼠，计算出的在此期间消除的CO的量显著较大(3.8±0.1对比2.0±0.3ml·kg-1,p<0.001)。与此同时，血液COHb下降更快，当大鼠吸入100％氧气时，COHb-t1/2更短(100％氧气对比室内空气：12.0±0.5对比53.5±5.1分钟，p<0.001)，如图30B所示。这些结果表明，CO中毒大鼠模型适合于研究各种处理对CO消除率的影响。
为了直接照射肺，麻醉的大鼠进行了中位开胸术。通过Aura KTP激光器(AmericanMedical Systems公司，美国明尼苏达州，明尼通卡)产生532nm波长的光，并通过光纤传送到两个肺。将纤维尖端放置在离肺表面10cm的距离处，使得光束的面积足够宽以照射每个肺的前表面。激光的功率设定为用54mW·cm-2的辐射率照射肺。
为了测试光疗是否增加CO消除率，大鼠通过呼吸空气中的500ppm的CO 90分钟而中毒，然后通过呼吸空气或100％氧气来处理，进行或不进行直接肺部光疗。如图31A所示，当用100％氧气或室内空气处理动物时，肺部光疗的添加显著增加了CO消除率，如在处理的最初10分钟期间测量的更大量的呼出CO所示(100％氧气对比100％氧气加光疗：2.2±0.1对比2.7±0.4ml·kg-1,p<0.05；空气对比空气加光疗：0.9±0.1对比1.2±0.1ml·kg-1,p＝0.01)。伴随地，如图31B所示，血液COHb水平降低更快(COHb-t1/2：100％氧对比100％氧加光疗：12.0±0.5对比7.4±1.0分钟，p<0.001；空气对比空气加光疗：53.5±5.1对比38.4±4.6分钟，p＝0.004)。这些结果表明，直接肺部光疗增加呼吸空气或100％氧气的大鼠的CO消除率。
为了研究在光疗中观察到的COHb水平的更快降低能否对严重CO中毒后的氧输送和代谢具有有益的效果，将大鼠暴露于空气中的2000ppm CO，直到其血液乳酸盐水平达到7mmol/L或更高。所有动物在呼吸CO后50分钟内达到目标乳酸盐浓度；然后通过有或没有光疗的呼吸空气来处理动物。如图32A和32B所示，在中毒期间，平均动脉压和心率分别从107±3降至56±1mmHg和从350±15降至293±12次/分(平均值±SEM)。治疗期间的平均动脉压和心率在光疗处理的大鼠中与仅呼吸空气的大鼠相比无差异。重要的是，光疗期间COHb水平降低更快。与单独室内空气相比，光疗和室内空气处理20、40和60分钟后血乳酸盐浓度也较低(20分钟：3.7±0.5对比5.8±0.4mmol/L,p＝0.01；40分钟：1.6±0.2对比4.1±0.9mmol/L,p＝0.009；60分钟：1.0±0.1对比3.2±1.0mmol/L,p＝0.02)，如图32C和32D所示。这些结果表明，CO中毒的大鼠呼吸空气和用肺部光疗处理具有改善的乳酸盐清除率。
为了研究等二氧化碳(isocapnic)过度通气和肺部光疗的组合是否会增加CO消耗速率，麻醉和机械通气的大鼠通过呼吸空气中的500ppm的CO 90分钟而中毒，然后用等二氧化碳过度通气处理，有或没有直接肺部光疗54mW·cm-2。尽管由于加入5％CO2以维持恒定的动脉PaCO2并避免低碳酸血症而使吸入氧浓度略低(约95％对比100％)，但用等二氧化碳过度通气处理的动物的血液COHb水平的降低比用100％氧气和常规分钟通气量处理的动物的更快(COHb-t1/2:7.1±0.4对比12.0±0.5分钟，p<0.001)。与单独使用等二氧化碳过度通气相比，直接肺部光疗与等二氧化碳过度通气的组合增加了CO消除率，这表现为在处理的前十分钟内消除了更多的CO(等二氧化碳过度通气加光疗对比单独使用等二氧化碳过度通气：6.1±0.6对比4.2±0.3ml·kg-1,p＝0.001)，如图33A所示。另外，观察到COHb-t1/2降低(5.2±0.5对比70.1±0.4分钟，p＝0.002)，如图33B所示。这些结果表明，增加分钟通气量可以增加大鼠的CO消除率。此外，将肺部光疗与含95％氧气的等二氧化碳过度通气相结合可进一步提高CO消除率。
使用具有长度为3.5cm的向各个方向发射光的漫射尖端的两根光纤置于大鼠的左和右胸膜腔中，测试胸膜内光疗。在麻醉、机械通气的仰卧大鼠中，在左右季肋区域的腹壁中制造1.5cm长的切口。在暴露腹腔和隔膜的下表面之后，在隔膜中制造两个2mm的切口，并且将一根光纤放置在左和右胸膜腔两者中。为了以足够的功率照射每只肺，将右光纤连接到Aura KTP激光器，并将左光纤连接到倍频Nd:YAG激光器(IRIDEX公司，加利福尼亚州山景城)，两个激光器在532纳米。由漫射光纤发出的光的功率为570(右胸膜腔)和450(左胸膜腔)mW。
为了用直接肺部照射处理CP中毒，采用了胸腔内光线输送到肺部的方法。用500ppm CO中毒90分钟后，用100％氧气处理大鼠，有或没有胸膜内光疗。与仅用100％氧治疗的大鼠相比，在治疗的前十分钟内，胸膜内光疗联合100％氧与更大量的CO消除相关联(2.4±0.2对比2.1±0.1ml·kg-1,p＝0.009)，如图34A所示，并与更短的COHb-t1/2相关联(9.8±0.5对比11.7±0.3分钟，p<0.001)，如图34B所示。这些结果表明，胸膜内光疗可以增加呼吸100％氧气的CO中毒大鼠的CO消除率。
测试化学发光产生的光是否会使体内CO离解并增加CO消除率。用分光光度计测量由化学发光反应产生的光谱，显示峰值波长517nm，中心波长532nm(带宽(90％)＝110nm)，如图35所示。在开胸的麻醉大鼠中，在每只肺周围放置定制的透明聚乙烯袋。每个袋都有一个小导管，允许注入化学发光液到袋里。CO中毒90分钟后，将发光液体注入聚乙烯袋中，同时动物吸入100％氧气。在对照动物中，聚乙烯袋装填等体积的生理盐水。
为了测试化学发光方法的功效，测量CO中毒大鼠中的CO消除率。通过在空气中呼吸500ppm的CO 90分钟所致CO中毒之后，用100％氧气处理大鼠，有或者没有注入两个透明袋中的化学发光流体发射的光。与单独吸入100％氧气的大鼠相比，用100％氧气和化学发光生成的光疗处理的大鼠在治疗的前十分钟期间呼出的CO量更大(2.4±0.1对比2.1±0.1ml·kg-1,p＝0.018)，如图36A所示，并且COHb-t1/2显著缩短(10.1±0.6对比11.5±0.3，p＝0.011)，如图36B所示。这些结果表明，在两个胸膜腔中提供由化学发光反应产生的绿光可以增加CO消除率，这表明受保护的化学发光光源可用于照射肺部。
因此，虽然以上已经结合具体实施方式和实施例描述了本发明，但是本发明不必然如此限制，并且所附的权利要求旨在涵盖源自所述实施方式、实施例和用途的许多其他实施方式、示例、用途、修改和改变。这里引用的每个专利和出版物的全部公开内容通过引用并入，如同每个专利或出版物单独地通过引用并入本文。

Claims (76)

1.一种用于治疗或控制患者体内一氧化碳中毒量的光疗系统，包括：
配置为输出光的光源，所述光源输出的光具有能够使得患者中的碳氧血红蛋白光解离的特性；
耦合到所述光源的光缆，其包括布置在该光缆内的一个或多个波导；和
其中所述一个或多个波导被配置成将由所述光源输出的光直接发射到所述患者身体的部分上以光解离碳氧血红蛋白。
2.如权利要求1所述的光疗系统，其中，所述光源被配置为输出波长在约590纳米和650纳米之间的光。
3.如权利要求1所述的光疗系统，其中所述光源是激光器或者发光二极管。
4.如权利要求1所述的光疗系统，其中，所述光缆被构造成待插入患者的食道，气管和支气管树中的至少一个中。
5.如权利要求1所述的光疗系统，其中所述波导各包括漫射侧发射尖端。
6.如权利要求1所述的光疗系统，其中所述光缆由柔性的生物相容性材料制成。
7.如权利要求1所述的光疗系统，其中所述一个或多个波导是光纤。
8.如权利要求1所述的光疗系统，其中所述波导的尺寸被设计为从所述光缆的远端突出。
9.如权利要求8所述的光疗系统，其中所述波导被配置为从所述光缆的所述远端突出相等的距离。
10.如权利要求8所述的光疗系统，其中所述波导各自被配置为从所述光缆的所述远端突出不同的距离。
11.如权利要求1所述的光疗系统，其中所述波导各包括远离所述光源布置的尖端。
12.如权利要求11所述的光疗系统，其中所述尖端被配置为漫射地发射从所述光源输出的光。
13.如权利要求11所述的光疗系统，其中所述尖端限定基本圆锥形状。
14.如权利要求11所述的光疗系统，其中所述尖端限定基本圆形形状。
15.如权利要求11所述的光疗系统，其中所述尖端包括一个或多个漫射元件。
16.如权利要求11所述的光疗系统，其中所述尖端各包括翅片以增加穿过所述尖端的拖曳力。
17.如权利要求1所述的光疗系统，其中所述一个或多个波导由柔性的生物相容性材料制成。
18.如权利要求17所述的光疗系统，其中所述一个或多个波导由可生物降解材料制成。
19.如权利要求1所述的光疗系统，其中所述光缆的远端被分成第一远端区段和第二远端区段。
20.如权利要求19所述的光疗系统，其中所述波导的部分从所述第一远端区段突出，并且所述波导的剩余部分从所述第二远端区段突出。
21.如权利要求1所述的光疗系统，还包括附接到所述光缆的远端的气囊。
22.如权利要求21所述的光疗系统，其中所述气囊包围所述波导。
23.如权利要求21所述的光疗系统，其中所述气囊由能够透射从所述光源输出的光的生物相容性材料制成。
24.如权利要求21所述的光疗系统，还包括与所述气囊连通的气体源和与所述气囊连通的液体源。
25.如权利要求24所述的光疗系统，其中所述气体源或所述液体源被配置成使所述气囊从收缩状态扩展到膨胀状态。
26.如权利要求24所述的光疗系统，其中所述液体源或所述气体源被配置成在所述气囊内提供冷却流体。
27.如权利要求1所述的光疗系统，还包括气管镜。
28.如权利要求27所述的光疗系统，其中所述光源耦合到所述气管镜的光学端口。
29.如权利要求27所述的光疗系统，其中所述光缆耦合到所述气管镜的工作端口。
30.如权利要求29所述的光疗系统，其中所述气管镜包括耦合到所述光缆的一个或多个调节机构。
31.如权利要求30所述的光疗系统，其中所述调节机构被配置为调节所述光缆的远端的位置。
32.如权利要求1所述的光疗系统，还包括与所述光源连通的控制器。
33.如权利要求32所述的光疗系统，其中所述控制器被配置为控制所述光源的频率、脉冲宽度和能量输出中的至少一个。
34.如权利要求32所述的光疗系统，其中所述控制器被配置为循环打开和关闭所述光源。
35.如权利要求34所述的光疗系统，其中，EKG信号和空气流速中的至少一个被传送到所述控制器。
36.如权利要求35所述的光疗系统，其中所述控制器还被配置为基于所述EKG信号和所述空气流速中的至少一个来调控所述光源。
37.如权利要求35所述的光疗系统，其中所述控制器还被配置为基于所述空气流速来调节所述光源在患者吸气时开启和在患者呼气时关闭。
38.如权利要求35所述的光疗系统，其中所述控制器还被配置为结合基于所述空气流速的气体吸入上的门控和基于所述EKG的肺动脉血流峰值上的门控。
39.一种用于治疗或控制患者体内一氧化碳中毒量的光疗系统，包括：
包括中心腔的管；
附连到所述管的远端的袋；
光源，其被配置为经由所述中心腔流体地连通到所述袋中以发射光到所述袋中，所述光源发射的光具有能够使患者中的碳氧血红蛋白光解离的特性；和
其中所述管和所述袋被配置成待插入所述患者身体的部分中或放置到其上以将通过所述袋发射的光传递到所述患者身体的所述部分上从而光解离碳氧血红蛋白。
40.如权利要求39所述的光疗系统，其中所述袋由能够透射从所述光源发射的光的生物相容性材料制成。
41.如权利要求39所述的光疗系统，其中，所述光源被配置为发射波长在约590纳米和650纳米之间的光。
42.如权利要求39所述的光疗系统，其中所述光源是化学发光流体。
43.如权利要求39所述的光疗系统，其中所述光源是多个化学发光颗粒。
44.如权利要求39所述的光疗系统，其中所述光源是多个磷光颗粒。
45.如权利要求39所述的光疗系统，其中所述管连接到气管内插管。
46.如权利要求39所述的光疗系统，其中，所述光源被配置为发射波长在约390纳米和750纳米之间的光。
47.如权利要求39所述的光疗系统，还包括与所述袋连通的液体源。
48.如权利要求47所述的光疗系统，其中所述液体源被配置成在所述袋内提供冷却液体。
49.如权利要求47所述的光疗系统，其中所述液体源是能够使由所述光源发射的所述光漫射的低吸收性流体。
50.如权利要求49所述的光疗系统，其中所述光源是激光器，所述激光器包括耦合到所述激光器并放置在所述袋内的纤维。
51.一种用于治疗或控制患者体内一氧化碳中毒量的光疗系统，包括：
与雾化元件连通的光源；
以及配置成提供所述光源与气道之间的连通的管，所述气道被配置为提供与所述患者的鼻部和口部中的至少一个的连通，
其中所述雾化元件被配置成雾化所述光源以将光源通过所述气道的通气递送给患者。
52.如权利要求51所述的光疗系统，其中，所述光源被配置为发射波长在约390纳米和750纳米之间的光。
53.如权利要求51所述的光疗系统，其中所述光源是多个磷光颗粒。
54.如权利要求53所述的光疗系统，其中所述雾化元件被配置为雾化特定数量的磷光颗粒以实现待由所述患者吸入的预定的颗粒负载。
55.如权利要求53所述的光疗系统，其中所述磷光颗粒限定了变化的直径，使得当被吸入时，所述磷光颗粒遍布患者的气管和支气管道。
56.如权利要求53所述的光疗系统，其中所述磷光颗粒是化学惰性的并且对人无毒。
57.如权利要求53所述的光疗系统，其还包括激发源，所述激发源被配置为激活所述磷光颗粒。
58.如权利要求57所述的光疗系统，其中所述激发源是下述的至少一个：激光器，灯和一个或多个发光二极管。
59.如权利要求57所述的光疗系统，其还包括与所述激发源和所述雾化元件连通的控制器。
60.如权利要求51所述的光疗系统，其还包括与所述光源连通的气体源。
61.如权利要求60所述的光疗系统，其中所述气体源是加压供应或空气或氧气。
62.如权利要求51所述的光疗系统，其中所述气道包括面罩、呼吸器、鼻塞、气管内插管和气管造口管中的至少一个。
63.一种使用光疗来治疗或预防患者中一氧化碳中毒的方法，包括：提供光源；将光源定位在患者身体的部分附近或其内部；并且将来自光源的光直接发射到患者身体的该部分上。
64.如权利要求63所述的方法，其中，所述光源被配置为发射波长在约390纳米和750纳米之间的光。
65.如权利要求63所述的方法，其中所述光源是化学发光流体或多个化学发光颗粒。
66.如权利要求65所述的方法，其还包括向所述患者提供纯氧用于呼吸。
67.如权利要求65所述的方法，其还包括使患者皮肤的至少部分暴露于纯氧。
68.如权利要求63所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
将光缆耦合到所述光源，所述光缆包括与所述光缆一起布置的一个或多个波导。
69.如权利要求68所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
将所述光缆插入到患者的食道中。
70.如权利要求68所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
将所述光缆插入到患者的气管中以将所述波导放置在患者的支气管树附近。
71.如权利要求68所述的方法，其中所述波导各包括远离所述光源布置的尖端，所述尖端包括翅片以增加穿过所述尖端的拖拽力。
72.如权利要求71所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
通过患者吸气使波导移位遍布患者的气管和支气管树。
73.如权利要求63所述的方法，其中所述光源是多个磷光颗粒。
74.如权利要求73所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
将面罩放置在所述患者的口部和鼻部中的至少一个之上；
用激发源激活所述光源；
用雾化元件雾化所述光源；和
患者吸气或用所述光源通气。
75.如权利要求63所述的方法，其中所述光源被布置在袋内。
76.如权利要求75所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
用能够漫射由所述光源发射的光的低吸收流体填充所述袋；和
将所述袋插入患者的胸膜腔中。
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