CN1088574C - 脑循环系统局部降温仪器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种对人脑循环系统进行局部降温的方法与仪器，使用制冷器件对脑血液循环系统进行降温，而对人驱体部分进行保温或升温，从而实现对脑组织的局部降温。对应于该方法的仪器由制冷器件、水冷循环装置、肢体保温装置、控制计算机组成。本发明为临床脑保护提供了一种切实有效、安全方便的方法与仪器，可广泛用于脑损伤病人的救护治疗，以便及时挽救病员生命，减少脑血管疾病患者的后遗症。

Description

脑循环系统局部降温仪器

本发明属医疗分析检测技术领域，是一种对人脑循环系统进行局部降温的方法与仪器。

脑血管疾病、脑外伤及脑炎等诸多疾病都会对脑神经元细胞产生缺血性损伤，进而引起脑功能缺损与丧失，严重威胁人的生命健康。脑细胞缺血性损伤后的脑保护研究从本世纪初开始就一直是全世界神经病学研究的重点。经过大量动物实验研究，人们已证实低温乃至于亚低温对脑神经元细胞具有明显的保护作用，这对改善病人体症，恢复神经元功能、减少脑水肿具有非常重要的意义。

60年代至70年代，人们试图通过降低全身体温来达到降低脑部温度的目的，进而发展了一种“冬眠疗法”。临床应用发现全身降温虽然对脑神经元细胞有保护作用，但对心脏功能具有极大损害，还会引起全身恶性感染等严重并发症。因此，这种方法目前在临床上已不再采用。

70年代以来，国内外相继研制了“冰帽”，它试图通过降低头部表皮温度来达到降低脑局部温度的目的。但是，临床和实验证明，由于脑部血液循环十分丰富，血流量大，仅降低颅骨外头皮温度，对颅内脑实质的温度影响不大，不能达到降低颅内温度保护脑细胞的目的。

综上所述，尽管目前国内外神经病学界都知道颅内低温对脑神经元细胞有明显的保护作用，然而至今还未找到一种理想的降低脑局部温度的方法和仪器。因此，采用切实有效的办法降低脑组织局部温度，是目前进行脑损伤保护急待解决的问题。

本发明的目的在于提供一种安全、可靠、方便、有效的降低脑组织局部温度的方法与仪器。

由于人的脑部血管丰富，血液循环流量很大，本发明考虑利用脑血液循环来降低脑组织的局部温度，即使用制冷器件对脑血液循环系统进行降温，而对人驱体部分进行保温或升温，从而达到对脑组织局部降温的目的。具体方法是将制冷器件的冷面紧贴在颈动脉和椎动脉处的皮肤表面，从而对动脉血液降温，通过血液循环，经过一定时间后使脑组织局部温度降低。对病情严重或紧急病人，可将颈动脉暴露后，将制冷器件的冷面直接接触颈动脉血管壁上，以便快速降温。为了防止制冷器件冷面对皮肤或血管的伤害，在冷面上可以涂抹导热脂和防冻药膏。

根据人体正常温度及对脑组织起到保护作用的低温要求，制冷器件的冷面温度控制在-8℃～10℃之间。通过热传导，可使动脉周围产生低温，并使动脉内血液温度降低8℃左右，从而使颈动脉下游灌流端脑组织的温度下降3℃～8℃，达到保护脑神经元细胞的目的。

为了防止由于脑血液循环系统降温而使身体特别是心胸部分也降温，从而引起心功能衰竭等并发症，本发明对人驱体和四肢采取保温或升温措施，根据病员及天气情况，可以采用电热、水热等方法，例如，用电热毯裹在驱体和四肢上，升高肢体静脉内血液温度，从而保证人体内核心温度稳定在33℃以上。

本发明提出的利用脑循环局部降温的原理如下：由人体生理解剖学原理知道，脑部主要有四根动脉供血；左右侧的颈动脉和左右侧椎动脉。脑组织温度一般保持和体内温度一致，为37℃左右。维持脑组织恒温的热量主要有两部分，一部分是动脉血流从体内带来的热量，另一部分是脑组织、脑细胞新陈代谢热。尤以前者为主。如果假定血管内血液流动为定常，其热量传递模型如图1所示。根据生物传热学理论，可得到血管出口温度(T₀)与入口温度(T_i)及皮肤温度(T_c)的关系式： $\frac{T_0-T_c}{T_i-T_c}=\exp [-(16+0.62\exp \left(1.58\log G_z\right))/G_z]$

这里G_z＝8.33VD²/L，V为平均血流速度，D为血管直径，L为血管长度，如果取T_i＝37℃，则当皮肤表面温度T_c分别为5℃、0℃、-5℃时，计算出相应的血管出口温度T₀分别为32.4℃、32.2℃、31.5℃。因此，将制冷器件温度控制在-8℃～10℃，既可避免皮肤被严重冻伤，又能适当降低进入脑部血液的温度。在临床上，如果将颈动脉或椎动脉皮肤表面温度降到-8℃～10℃之间(具体可以因人而异，皮下脂肪少的人，温度适当高一些，皮下脂肪多的人，温度可适当低一些)时，流经的血液温度将降低4℃～10℃，流入颅内后，可将脑组织的温度降低3℃～8℃，这对保护缺血后的脑细胞具有非常重要意义。升温部件主要安置于驱体或四肢上，保持肢体外部温度在33℃以上，静脉内血液温度可维持在37℃水平。由于体循环回心血流量占总体的80％左右，从体循环和脑循环回心血液混合后，温度至少可在34℃以上。这样就不会引起心力衰竭和全身感染等并发症。

对于上述方法，本发明设计了专门的脑循环局部降温的仪器。该仪器由制冷器件、水冷循环装置、肢体保温装置、控制计算机组成，其中制冷器件由半导体制冷芯片、水冷系统、温度测量系统和壳体构成。壳体分为上、中、下三层。上层为水冷区，设有通水管道，保证制冷元件热面温度不至过高。中层放置半导体制冷芯片，通过导线可与电源接通。通电后，制冷元件一面产生低温(称冷面)，另一面产生高温(称热面)，半导体芯片的冷面和热面分别设置温度传感器，以便对制冷芯片两面的温度进行监测，芯片的热面对着水冷区，通过水循环对其降温；下层为传热层，其下表面直接接触颈动脉或椎动脉处的皮肤表面或血管壁。见图2～图4。计算机对制冷器件的温度、水冷循环装置、肢体保温装置进行监测和控制。总体结构如图5所示。

本发明中水冷循环装置可由水槽、水循环管路、水位和水温传感器、水泵组成，如图2所示。检测的水温水位传感器信息送控制计算机，水泵电源由计算机控制，水槽通过水循环管路与制冷器件中的通水管道连通，即水泵吸水端接在水槽下部，出水端接一根透明软塑料管，联接在制冷器件水循环管道的一个接口上，另一个接口按同样直径的软管回流到水槽中。水泵将水在水槽与制冷器件之间循环，当水位过低或水温过高时，计算机将自动切断制冷器件电源并报警。

本发明中的肢体保温(升温)装置可采用一组自动恒温电热毯，根据病员需要裹在病人身体及肢体上，以维持与电垫接触的皮肤温度在33℃～35℃之间。它由计算机控制供电。

本发明中的计算机可采用单片机，实施对制冷器件供电控制、温度测量控制、水循环控制。对制冷器件供电可采用直流电源，用开关间断方式控制供电量，控制电路的逻辑框图如图6所示，它由温度传感器、放大器、比较器、驱动器组成。其电原理图如图7所示其中测量温度的传感器Dt₁采用测量二极管作热敏感元件。采用测温度二极管原因是体积小，易装到半导体致冷器件上；温度信号线性度好，能满足温度测量精度要求。测温管需恒流供电。稳压管CW₁、电阻R₁、R₂、PNP三极管P₃组成恒流源。R₁供CW₁工作电流。C₁是滤波电容，防止噪声干扰温度信号，V₁是运算放大器，其作用是增高测量温度信号的负载能力。C₁、V₁、R₃组成跟随器。V₂、R₄、R₅、W₁组成一个可调零的放大电路。测量二极管温度信号较弱，大约2mv/℃。放大的倍数为R₅/R₄。W₁是调零点电位器，因为测量二极管在温度零度时输出在0.7V左右。 是显示温度的电压表头。V₃、W₂是控制温度的设定电路，W₂是调节设定电压，当温度电压高于设定温度电压时，运算放大器正端大于负端输出高电压。当温度低于设定温度时输出低电压，电阻R₆、三极管P₁、继电器J₁、二极管D₃组成一个驱动电路，当V₃输出高电压时，J₁吸合，致冷器件通电致冷。当V₃输出低电压时，J₁断开，致冷器件停止致冷，实现温度控制。

本发明通过降低脑循环血液温度，达到脑组织局部降温的目的，将已被广泛证实的脑低温基础理论成功地应用于临床，为临床脑保护提供一种切实有效、安全方便的方法与仪器，这对及时挽救脑损伤病员生命，减少脑血管疾病患者后遗症等具有非常重要意义。

图1为血液热传导模型。

图2为制冷器件立体图。

图3为制冷器件水冷区管道图。

图4为制冷器件纵向剖面示意图。

图5为本发明总体结构框图。

图6为本发明控制电路逻辑框图。

图7为本发明控制电路。

图8为本发明计算机软件框图。

图中，1为制冷器件，2为制冷器件冷却水进水管，3为出水管，4为制冷器件的电缆线，5为温度传感器，6为通水管道，7为制冷芯片，8为传热层，9为控制计算机，10为升温装置，11为水槽，12为泵，13为水位、水温传感器，14为探头供电开关，15为电源总开关，16为极警开关，17为升温装置开关。T_co、T_bo、T_soh_wo分别为制冷器件冷面温度、热面温度、体表温度、水槽水位高度设定值。

Claims (3)

1、一种脑循环系统局部降温仪器，由制冷器件、水冷循环装置、肢体保温装置、控制计算机组成，其特征在于制冷器件由半导体制冷芯片、水冷区、温度测量系统和壳体组成，该壳体分为上、中、下三层，上层为水冷区，设有通水管道；中层放置半导体制冷芯片，通过导线与电源接通，半导体芯片的冷面和热面分别设置温度传感器，以便对制冷芯片两面的温度进行监测，热面对水冷区；下层为传热层；计算机对制冷器件的温度、水冷循环装置、肢体保温装置进行监测控制。

2、根据权利要求1所述的脑循环系统局部降温仪器，其特征在于水冷循环装置由水槽、水循环管道、水位和水温传感器以及水泵组成，水温、水位传感器信息送控制计算机检测，水泵电源由计算机控制，水槽通过水循环管路与制冷器件中的通水管道连通。

3、根据权利要求1或2所述的脑循环系统局部降温仪器，其特征在于肢体保温装置采用便于对人驱体及四肢进行保温或升温处理的电热毯，以维持与电热毯接触的皮肤温度在33℃～35℃之间。

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