CN113692248A - 血氧治疗方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于增加血液供应中的氧合水平从而治疗低氧血症的方法和装置。公开了多种措施,例如肺循环系统中的压力降低、减少主肺动脉中的触发机制以及限制肺循环系统中的流量。与这些干预相关的措施可以包括分流、流量限制器、顺应性装置、药理学物质等等。

Description

血氧治疗方法和装置
相关申请
本申请要求于2018年12月13日提交的题为“用于在生物结构的血管和腔室之间产生连接和分流的方法和技术(Methods and Technology For Creating Connections andShunts Between Vessels and Chambers of Biologic Structures)”的美国临时申请序号62/779,380的优先权;以及要求于2019年2月7日提交的题为“用于在生物结构的血管和腔室之间产生连接和分流的方法和技术(Methods and Technology For CreatingConnections and Shunts Between Vessels and Chambers of Biologic Structures)”的美国临时申请序号62/802,656的优先权;以及要求于2019年9月5日提交的题为“铆钉支架(Rivet Stent)”的美国临时申请序号62/896,144的优先权;以及要求于2019年12月2日提交的题为“铆钉支架(Rivet Stent)”的美国临时申请序号62/942,631的优先权,所有这些申请通过整体引用的方式并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及用于改善哺乳动物血液中氧水平的装置和方法,尤其涉及用于治疗人低氧血症的方法和装置。
背景技术
心肺系统对于为身体提供足够的氧气以满足身体的代谢需求是至关重要的。低氧血症定义为血液中氧的异常低水平。这可能导致诸如缺血、败血症、器官衰竭和死亡等临床问题。
在不使用长期氧疗(LTOT)或甚至补充氧疗的情况下,安全改善动脉氧分压(PaO2,mmHg)、动脉氧饱和度(SaO2,%)和/或外周氧饱和度(SpO2,%)的方法和装置可以大幅改善全球数亿需要LTOT或补充氧气的低氧血症患者1-3的生命质量和预后。
LTOT通常适用于具有以下情况的患者:动脉氧张力(PaO2)小于或等于55mmHg(7.32kPa)或SpO2小于或等于88%;如果有证据显示其患有肺心病、右心衰竭或红细胞增多症(血球压积>55%),PaO2小于或等于59mmHg(7.85kPa),或SpO2小于或等于89%;运动期间PaO2降低至55mmHg或更低,或SpO2降低至88%或更低(这通常表明了慢性阻塞性肺病的间质性肺病病因)4。家庭氧疗法有多种限制,包括日常生活的移动/活动的限制、整体生命质量的限制、患者获得O2输送的整体限制(特别是在全球范围内),以及重中度低氧血症的证据是有限的,关于LTOT在运动诱发低氧血症过程中的获益水平的证据也不清楚。
另一个挑战是,患者通常需要在病情恶化后等待一段时间,然后才能接受家庭氧气治疗的处方诊断5。有趣的是,运动诱发的症状性低氧血症会导致六分钟步行测试和整体生命质量显著恶化。此外,在六分钟步行测试中,SpO2的降低高达11%并不意味着可允许患者获得补充氧气,这样使得他们的治疗选择有限6。临床上,这种SpO2的降低可能与运动能力的下降有关。
改善这种经常性影响轻度慢性阻塞性肺病患者的运动诱发的动脉低氧血症(EIAH)的方法和装置可被医学界广泛接受7
从流行病学角度来看,据估计,在美国1/3的直接医疗费用与氧疗法有关,每年的费用超过29亿美元8。尽管试图对已证明具有医疗福利的人群进行规范使用,但从2001年到2010年,家庭氧气使用量仍增加了33.5%9
尽管氧疗法费用高昂,其使用指南被多个国际协会采用并且使其得以广泛使用,但申请人知道三十多年前进行的只有两项试验(其中患者有上述定义的重度低氧血症)显示了死亡率方面的益处4。此外,其它LTOT试验仅最低限度地展现了运动、生命质量和血流动力学方面的益处。
在英国医学研究委员会里程碑式试验(例如,如上所述,两项试验之一中的显示死亡率益处,)中将LTOT定义为每天补充O2超过15小时10。但是,现实世界中家用氧气的使用时间比指南预期的要长,适用于所有适应症-包括补充氧气11。这些时间段是人有意识时间的重要部分。此外,大约40%的患者会接受某种形式的氧疗法9
尽管补充氧疗法的处方很普遍,但输送氧气所需的设备负担过重,足以限制日常活动12。这是一个直接影响患者整体顺应性(compliance)的主要因素,会导致恶性临床循环,从而将长期死亡率、运动和生命质量的获益降至最低。
鉴于以上所述,显然需要治疗低氧血症同时改善呼吸症状的方法和装置,而无需与氧疗法相关的高昂费用和患者负担。此外,有证据表明,重度低氧血症患者的死亡率可以得到改善。以及有临床证据表明,氧合的改善有助于推动运动能力和生命质量(可能还有死亡率)的显著改善。
发明目的和发明内容
本发明的目的在于提供可极大地减轻患者负担的治疗和方法,所述患者负担由低氧血症所表现的多种限制性和衰弱性病症引起。
通过本发明构想的方法和装置实现了上述目的和许多本文未具体阐明的目的,由此评估患者的基线氧水平,然后进行干预以改善基线氧水平,随后对患者进行监测以确定/维持所改善的氧水平。本发明构想了本文公开的实施方案以及可从本文公开的那些实施方案中推导出的更多实施方案。
附图说明
本发明的实施方案能够具有的这些方面和其他方面、特征和优点将通过以下本发明实施方案的描述参考附图将会是显而易见的并且得以阐明,其中:
图1描绘了根据本发明优选实施方案的治疗低氧血症的方案;
图2描绘了根据本发明优选实施方案的用于治疗低氧血症的干预实施方案;
图3描绘了根据本发明优选实施方案的用于治疗低氧血症的干预实施方案;
图4A-4B描绘了根据本发明优选实施方案的用于治疗低氧血症的干预实施方案;
图5描绘了根据本发明优选实施方案的用于治疗低氧血症的干预实施方案;
图6描绘了根据本发明优选实施方案的用于治疗低氧血症的干预实施方案;
图7描绘了根据本发明优选实施方案的用于治疗低氧血症的干预实施方案;
图8描绘了根据本发明优选实施方案的用于治疗低氧血症的干预实施方案;
图9描绘了根据本发明优选实施方案的用于治疗低氧血症的干预实施方案;
图10描绘了根据本发明优选实施方案的用于治疗低氧血症的干预实施方案;
图11描绘了根据本发明优选实施方案的用于治疗低氧血症的干预实施方案;
图12A-12C描绘了根据本发明优选实施方案的用于治疗低氧血症的干预实施方案;
图13描绘了根据本发明优选实施方案的用于治疗低氧血症的干预实施方案;
图14描绘了根据本发明优选实施方案的用于治疗低氧血症的干预实施方案;
图15描绘了根据本发明优选实施方案的用于治疗低氧血症的干预实施方案;
图16描绘了根据本发明优选实施方案的用于治疗低氧血症的干预实施方案;
图17描绘了根据本发明优选实施方案的用于治疗低氧血症的干预实施方案;
图18描绘了根据本发明优选实施方案的用于治疗低氧血症的干预实施方案;
图19A-19D描绘了根据本发明优选实施方案的用于治疗低氧血症的干预实施方案。
具体实施方式
现在将参照附图以描述支持背景信息以及本发明的具体实施方案。但是,本发明可以以许多不同的形式实施并且不应被解释为限制在本文阐述的实施方案;相反,提供这些实施方案是为了使本公开彻底和完整,并将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。在附图中示出的实施方案的详细描述中使用的术语不意图限制本发明。在附图中,相同的数字表示相同的元件。
低氧血症的一般定义
如上所述,低氧血症定义为血液中氧的异常低水平(即低的氧分压(partialoxygen tension))。这是临床上使用PaO2和/或SpO2来定义的。这些参数通常是在休息时测量的,但在某些情况下,低氧血症可以通过运动诱发,并且其定义也相应地发生了变化。
根据目前的指南,绝对临床值如上述定义。但是,其他组将低氧血症定义为PaO2<80mmHg或SpO2<95%,将重度低氧血症定义为PaO2<60mmHg或SpO2<90%13
出于当前目的,本文所使用的低氧血症应被认为是指本领域技术人员已知的普遍接受的定义,上述示例是重要的基准和指南,但其本质上也是示例性的。
通气/灌注(V/Q)匹配
V/Q匹配是用来解释许多低氧血症病因的重要工具。本部分的一般目的是解释V/Q匹配及其表征方法。该描述有助于理解本发明缓解低氧血症的一些机制、方法和实施方案。
V/Q匹配指的是通气和灌注的完美匹配,即在局部容积流量方面,既不浪费通气的氧气,也不浪费心脏泵送的血液。理论上,肺被划分为功能“单位”,在任何给定时间(例如,在一个通气周期的持续时间内),通气的空气的单位隔离体积流量除以灌注血液的单位隔离体积流量。然后,该比值构成V/Q值的分布,理想情况下,中位数比值等于1且分布紧密,如下图所示。
Figure BDA0003189658380000041
更具体地,当通气超过灌注时,所述比值大于1,通气被认为是浪费的。当灌注超过通气时,所述比值小于1,灌注被认为是浪费的。后一种情形称为静脉血掺杂。静脉血掺杂的一种极端情况是所谓的生理分流,其中没有任何灌注量的通气。这两种情形都可以归因于各种各样的生理和病理生理状态。
在这方面,下图是显示低V/Q情形的示意图,其中肺单位相对于通气是过度灌注的(左),肺单位表现为V/Q匹配(中),以及高V/Q情形,其中肺单位相比于灌注是过度通气的(右)。上面的图示和下面的示意图均来自Petersson和Glenny14
Figure BDA0003189658380000051
通常,高V/Q比值与低氧血症无关,而低V/Q比值可由与低氧血症相关的各种生理和病理生理状态引起。可以通过测量低V/Q以确定这些潜在的各种生理和病理生理状态的存在。
实际上,V/Q以多种方式量化。在一种方法中,放射性核素示踪剂量化是在匹配的灌注和通气伽马相机(闪烁扫描术)或单光子发射计算机断层扫描中完成的14,也可以使用无放射性核素的双能CT来完成15。最近提出了一种使用流体动力学模型量化V/Q的方法,并且发现与慢性阻塞性肺病V/Q量化中的标准指标有良好的相关性16
最后,以下简化方程17可用于从血气测量值中估算V/Q:
Figure BDA0003189658380000052
其中,以下术语和假设的定义如下:
Figure BDA0003189658380000061
该方程假设:血气浓度随时间恒定,肺部V/Q是空间均匀的,吸入和呼出的气体体积是相同的,肺静脉和动脉血液采样点之间的最小O2损失以及血红蛋白解离曲线可用于计算O2浓度。
但是,值得注意的是,V/Q匹配实际上在整个肺部并不是空间均匀的。V/Q比通常从肺的下部向上部增加,如下图所示18。这是由重力驱动优先使血流分布更多地朝向肺的下部区域。此外,上肺泡可见更多的负压,并且比分布在肺下部的肺泡更大。
Figure BDA0003189658380000071
更具体地,V/Q朝着肺的上部增加。V/Q匹配缺乏空间均匀性是由重力、解剖差异和吸气时胸腔内负压下的肺泡不均匀扩张造成的。图片采用自Levitsky19
通过挤压肺泡的渗出液来限制通气动力学的病理状态,例如肺水肿,可能会导致静脉血掺杂的发生率增加。除此之外,根据本发明的方法和装置,优先将血流转移到肺的上部,可改善低氧血症。这些方法和装置将在下面进一步地详细讨论。
低氧血症的一般病因
当红细胞中血红蛋白的氧摄取减少时就会发生低氧血症。这可以归因于五个主要原因20。这些原因是:
1.肺换气不足
肺换气不足定义为通气量减少的空气进入肺泡的状态,这种状态是由于呼吸速率降低、支气管限制或潮流气量减少等原因引起的。这会降低肺泡中的氧张力(PAO2)。
但是,肺泡-动脉氧压梯度(PA-aO2)没有变化,因为动脉氧张力(PaO2)随着PAO2的降低而成比例地下降。患有这种疾病的患者对补充的氧气(FiO2增加)有反应,因为补充的氧气会增加PAO2,相应地,PaO2也会增加。在V/Q匹配方面,肺换气不足是指在持续流量的情况下,由于通气减少而导致的低V/Q的情形。高碳酸血症会出现在肺换气不足类型的低氧血症中17
2.扩散限制
肺泡气体和肺毛细血管之间通过被动扩散进行气体交换。从基本意义上讲,扩散限制是指某些现象不允许有足够的时间或提供足够的O2浓度梯度,以使血红蛋白通过肺泡毛细血管膜最大程度地扩散吸收氧气。这种情形可能源于各种生理和病理生理学的情况,包括运动、间质性肺病和可能的肺动脉高压21,22
在正常的生理机能中,运动会导致心输出量增加,从而减少红细胞暴露于肺泡毛细血管处氧气扩散的时间。尽管通气正常,但这减少了通过扩散的氧气摄取(以及因此降低了PAO2)。由于心输出量(即流量)增加和通过时间减少,这种类型的扩散限制已经在运动员身上得到了实验证明。在进行运动的个体中,在0-90%最大耗氧量(VO2Max)的速率下,运动期间的平均通过时间(mean transit time)(MTT)从1.05秒减少到0.46秒。MTT的这种减少与心输出量和毛细血管血容量增加以及PaO2降低有关24
在这方面,下图描述了运动强度(VO2Max)、心输出量(Q)、平均红细胞通过时间(MTT)、肺毛细血管血容量(VC)和动脉氧分压(也称为氧张力)之间的关系。运动需要增加心输出量。心输出量的增加与MTT和PaO2的下降有关。PaO2的降低和MTT的减少构成了高心输出量时扩散受限的低氧血症的基础。图片采用自Warren等人24
Figure BDA0003189658380000091
如上所述,尽管PAO2保持不变,但减少的MTT限制了经由如降低的PaO2所证实的肺泡毛细血管水平扩散的氧气摄取。因此,扩散限制的另一个指标是肺泡-动脉氧压梯度(PA-aO2)的增加,其主要由通过扩散限制降低的PaO2所驱动。
另一项研究表明,即使平均肺动脉压适度增加约10mmHg(平均动脉压没有相应增加)也与MTT的下降相关25。因此,尽管肺动脉高压患者的心输出量正常或略有下降26,但压力引起的MTT减少可能导致扩散受限的低氧血症。这表明肺动脉高压低氧血症的病因可能是扩散限制。
作为低氧血症的病因,与扩散限制有关的另一种情况是间质性肺病20。在这种情况下,氧气扩散穿过的肺泡间质膜变厚。所述变厚不均匀地分布在整个肺中。在休息时,这可以通过缺氧性血管收缩的补偿机制来进行补偿。但是,已经有几项研究表明运动时会出现明显的低氧血症27(即心输出量/流量增加)。由于通过缺氧性血管收缩进行的流量重新分配不足以补偿减少的MTT,高肺压也有可能导致穿过这个增厚的膜的扩散限制。间质性肺疾病可能具有正常的V/Q。
与某种程度的扩散限制相关的其他疾病是具有毛细血管保护的肺气肿型慢性阻塞性肺病,重度肺炎球菌肺炎(其住院死亡率达30%28)以及肺水肿29
在本文介绍的其他病因中,由MTT的减少所驱动的扩散限制可能是低氧血症的潜在物理原因,包括生理分流。
高碳酸血症在扩散受限的低氧血症中并不常见17
3.吸入氧合的压力(PiO2)降低20
降低的PiO2比扩散限制更直接。存在一个通过观察海拔高度对PaO2的影响可证明吸入氧压力降低的例子。尽管吸入氧的比例恒定,但在高海拔地区降低气压会导致肺泡中的氧气压力降低。这种低氧血症的病因与肺换气不足在机械性上类似,除了V/Q比在这种情况下接近正常。肺泡-动脉氧压梯度(PA-aO2)不变,因为PaO2会随着PAO2的降低成比例地下降。在这种情况下,人们对补充氧气(FIO2)有反应,因为补充氧气会增加PAO2,伴随着PaO2也相应增加。
4.生理分流
在解剖学上真正的生理性右至左分流是通过支气管/胸膜30和冠状窦瓣(thebesian)31循环存在的。但是,在血液穿过肺泡毛细血管时没有氧合的极端情况下,静脉血掺杂可以产生生理分流。实际上,存在100%分流的肺单位似乎很少,以及分流通常被认为是相对灌注增加的一种情况。
下图显示了静脉血掺杂导致的低V/Q的情况。第一个图显示了静脉血掺杂的情况,其中有一定程度的通气。第二个图显示了一个真实的生理分流的情况,其中有证据表明血液在没有通气的情况下流动。这种情形很少见,最常见于伴有运动的间质性肺病或肺不张的情况,如急性呼吸窘迫。
Figure BDA0003189658380000111
如前所述,生理分流或静脉血掺杂的潜在物理原因可能是由于MTT的减少。
5.通气灌注比(V/Q)异常
一般的低通气/灌注比仅仅是低通气、高流量或其组合的结果。它可能发生在以下疾病状态中:COPD(肺气肿或支气管炎),其在血液流动保持的情况下限制了通气。大多数类型的肺动脉高压,可能与MTT的下降有关。哮喘,在血液流动保持的情况下,支气管收缩限制了通气。由肺炎或败血症引起的急性呼吸窘迫综合征,通常会造成大面积肺区通气功能丧失,导致生理分流流量超过50%。
治疗低氧血症的措施
以下治疗低氧血症的措施对本发明的方法和装置具有示范性。其个别措施或组合均可作为本发明治疗低氧血症的依据。
1.肺循环压力降低
肺部系统可被视为集总电阻-电容-惯性电路模拟系统。在这种情况下,压力是驱动流经该电路的电势或“电压”。
如果肺动脉中的压力[ΔP]降低,假设在急性时间范围内肺回路中的阻力[R]恒定,则流量[Q]根据Q=ΔP/R关系定律,其值必然会下降。整体体积流量的减少和相关的流速降低将增加血红蛋白分子通过肺泡毛细血管团的时间(即MTT)。这种时间上的增加使氧摄取最大化,并使动脉饱和度增加。假设下游器官系统摄取恒定,至少在急性时间段内,动脉饱和度的增加将增加混合静脉饱和度的量。最后,现在肺循环中更高的氧含量可以进一步减轻缺氧性血管收缩。
这将产生正反馈循环,该循环将大幅增加很少出现低氧血症的慢性概率,从而避免低氧血状态的严重疾病。
2.降低触发压力信号
由于不适当的血管收缩和内膜增厚,肺动脉压力升高与静脉血掺杂量的增加有关。由于血管收缩被认为是由于高肺压刺激肺动脉牵张感受器引起的神经反应,导致血管收缩的触发压力信号的变化和可能降低,这将使得肺循环的血管张力(即阻力)下降。
急性犬科动物研究表明,简单的球囊扩张可以引起肺动脉压力和肺血管阻力的升高32。简单来说,球囊扩张就像肺动脉高压的病理生理患者可能经历的拉伸。研究表明,由高压引起的拉伸与交感神经系统活动增加有关33。这可能与缺氧性血管收缩一起和/或分开,以减小血管直径并增加肺动脉压力和肺血管阻力。
在类似的情形下,降低平均肺动脉压力,同时保持CO,将导致血流速度下降和MTT增加。首先,通过降低PA压力,有可能改善右心室功能。具体而言,将右心室每搏输出量保持在较低的工作压力下(即降低右心室后负荷)。假设在肺动脉压力增加的情况下,右心室正在承受高于正常的后负荷。由于右心室的心力储备有限,后负荷的增加不会导致心输出量增加,而减少后负荷可能不会导致心输出量减少。
其次,肺动脉压力降低可能会扰乱肺小动脉的交感神经支配和逆转血管收缩,导致松弛和血管舒张。在维持心输出量和血管扩张的情况下,血流速度将减慢,因为体积流速(即心输出量)等于血流速度乘以肺小动脉的横截面积。血流速度减慢的结果是红细胞在毛细血管中停留的时间更长,即MTT增加。
由于肺动脉和肺小动脉中压力和壁张力的增加,有可能发生血管壁内膜层的慢性病理生理性重塑。这种重塑过程导致具有血管反应性的平滑肌细胞增加,并对可导致血管收缩(血管腔直径减小)和血管舒张(血管腔直径增大)的信号通路作出反应。
在慢性肺动脉高压的情况下,交感神经系统会变得过度活跃,导致血管收缩。确切的信号机制可能不同,但可能包括拉伸和壁剪切应力诱导的交感神经激活,即肺动脉中血压和壁剪切应力的增加可能导致交感神经激活增加,这将进一步导致血管收缩和血压长期升高(正反馈回路)。
总而言之,阻力的下降会使血管打开,减少平均通过时间,从而增加氧气含量。假设目标器官系统持续消耗氧气,动脉系统中所增加的氧气将丰富混合静脉氧合。这种混合静脉氧合的增加将转化为肺循环,并导致低氧血管收缩减少。这将是一个完全正向的循环,将改善患者的低氧血症状态。
对于上述机制,一种潜在的解决方案是R-R分流器,对其尺寸进行了关键的设计考虑。具体而言,分流的流量将需要由RV补偿以维持心输出量,同时导致足够大的PA压力降低,以减少RV后负荷并破坏交感神经血管收缩。
3.流量限制
减少不通气肺泡的过度灌注会增加氧合。这种减少可以通过肺循环系统内的流量限制/最小化来实现。例如,通过限制流量来改善V/Q,可以将运动时射血分数保留的心力衰竭患者的呼吸困难感和/或睡眠呼吸暂停引起的低氧血症降至最低。这两种缓解作用都可以最大限度地减少进一步的缺血和间质损伤,以及减少增加的死亡率。
一个关键的机理是,在许多过度灌注的情况下,尤其是在肺动脉高压中,肺通气不良区域的灌注会优先增加34。这种对通气不良区域灌注的增加导致静脉血掺杂的增加,同时使整体V/Q降低,最重要的是,动脉低氧血症增加。因此,需要通过识别过度灌注和/或通气不足的区域并随后减少流向这些区域的流量来提高V/Q并改善低氧血症。
应注意的是,存在用于低成本识别此类区域的实用工具16,并且本文所述的方法和实施方案可实际应用于增加动脉氧饱和度。
随着气流更均匀地重新分布到通气良好的区域,氧合开始改善,肺泡和毛细血管之间的机械压力梯度会进一步降低。在进行性心动周期中,更多的混合静脉氧可以进一步释放肺泡中的缺氧血管收缩反应。最终,这可能造成进展性缺血较少。此外,应该注意的是,右至右(right-to-right)分流的压力降低可以被认为是一种流量限制形式,因为降低的跨肺梯度不再能迫使相同量的流量通过与阻力预分流相同阻力的肺血管树。
例如,在正常生理运动、肺动脉高压或支气管限制/COPD的情况下,限制PA的主干中的流动可以最大限度地减少可能发生的过度灌注的量。也可以在局部进行有针对性地减少流向低通气或相对过度灌注区域的流量。在根据本发明的各个实施方案中更详细地描述了这些方法。
最后,血流限制/减少的潜在应用可以是慢性血栓栓塞性肺动脉高压(CTEPH)。在CTEPH中,血栓栓塞物质(例如,来自脱落的深静脉血栓)将导致肺循环中的一个或多个阻塞。这与维持心输出量的假设相结合,导致肺动脉压力增加。这主要是由于闭塞肺分支的局部阻力增加,造成血流重新分布到其他肺泡区域。这使得MTT减少,并可能引起更高的静脉血掺杂率和低的V/Q比值。因此,整体的血流限制或过度灌注区域的流量限制可能会提高V/Q比值,从而缓解低氧血症35
监测措施的有效性
以下测试可能有助于监测上述措施的有效性,也有助于确定这些措施的其他组成部分,甚至有助于确定新的措施:心肺运动试验、局部血流阻力、V/Q扫描、计算机断层摄影、磁共振成像、超声心动图、血气和外周氧合以及产生平均通过时间的测试。还可以使用一种被称为功能性呼吸成像的新技术工具来评估所述方法的有效性。
装置与方法
一般方案
从下面的讨论中可以清楚地看出,有许多方式可以实施上述治疗低氧血症的措施。这些方式中的每一种都构成了本发明的优选实施方案。但是,应当理解的是,所公开的优选实施方案决不是可以实施本发明的方式、方式的组合和细微的方式的穷举。但是,在实现所公开的实施方案中存在要遵循的一般方案。
参考图1,第一步A是对正在经历低氧血症的患者进行基线测量。这些测量包括但不限于血流动力学(压力、流量、心率等)、分流器容积流量、血氧百分比(SvO2、SpO2、SaO2、肺氧饱和度等)、通气/血流灌注动力学(动态V/Q比、A-a梯度)、神经激素水平(ANP、BNP等)、血液化学(血红蛋白浓度、RBC浓度等)和通气参数(VO2max、VE/VCO2)、FEV1、FEV1/FVC比。
接下来,使用根据本文公开的优选实施方案的任何装置和方法来执行干预B。
在干预期间或干预之后,重复基线测量,并与原始基线测量C进行比较,以评估干预的效果。这种比较可能会引入一个实施方案,其中干预被滴定或修改C’,并重复直到干预被优化。在一个优选实施方案中,测量也可以在基线、程序内和程序后,在休息和运动条件下进行。例如,心肺运动测试(CPET)可以在手术前后进行。
最后,在干预完成后,根据需要监测患者D。
干预
分流
A.分流器位置
在一个优选实施方案中,通过在循环系统的右侧搭建分流器来构成干预,即从心脏右侧的一个血管到第二个血管搭建分流器,其中第二个血管也在心脏右侧。心脏的右侧是指循环系统中含有不饱和血液的任何部分。出于本发明的目的,这将被称为“右至右”分流。这种分流主要使用压力降低方法来治疗低氧血症,但可能会引起机械方面的流量下降。这种分流可以通过可植入式分流或非植入式分流技术或者其组合来产生形成。
在优选的实施方案中,如图2所示为在右肺动脉和上腔静脉之间搭建这种右至右的分流器。如图4A所示为在其他的优选实施方案中,从主肺动脉到右心耳制备右至右的分流器。如图3所示为右心室至下腔静脉,或产生少量三尖瓣反流以限制其向前流动的小导管。在2019年9月19日提交的题为“于在生物结构的血管和腔室之间产生连接和分流的方法和技术(Methods and Technology For Creating Connections and Shunts BetweenVessels and Chambers of Biologic Structures)”的美国专利申请序号16/576,704(以下称为“’704申请”)中发现了右至右分流器的实例,其全部内容在此通过引用的方式并入本文。
本发明考虑了基本上所有的右至右分流器。换句话说,本发明允许压力梯度上的任何静脉到静脉腔或血管的情况,其将激活上述生理机能以增加氧合水平。另外的示例性位置包括但不限于奇静脉到下腔静脉(IVC)、右心室到IVC、肺动脉的任何分支到IVC或右心房。
尽管如此,小的右至左分流器也在本发明的范围内。在一个优选实施方案中,如图4B所示的主肺动脉和左心耳之间的小的右至左分流器可以提供减压作用,以最小的可维持整体心输出量的去饱和作用和流速来治疗低氧血症。可以在肺动脉分支和一个或多个肺静脉之间搭建另一个潜在的最小右至左分流器。
B.可植入的分流器
在本发明中考虑了许多可植入的分流器,包括在’704申请中公开的每个分流器装置,并且通过引用将其具体包括在本申请中。’704申请中的一个代表性分流器400在本文的图5中示出,并且在一个优选实施方案中,用于在RPA和IVC之间的分流。
在2019年9月5日提交的题为“铆钉支架(Rivet Stent)”的美国申请序号62/896,144以及在2019年12月2日提交的题为“铆钉支架(Rivet Stent)”的美国临时申请序号62/942,631(即“’144和’631申请”)中公开的可植入的分流器也被考虑在本发明中,这两个申请也通过引用被并入到本申请中。图6中示出了来自’144和’631申请的一种代表性的分流器500,其被称为铆钉支架,并且在一个优选实施方案中,用于在RPA和SVC之间分流。
先前在‘704申请和’144和’631申请中公开的所有设计和方法均可用于增加血管顺应性(讨论如下)或在作为静脉心血管系统一部分的两个血管或腔室之间建立部分分流或连通通道,以治疗低氧血症。
也可以采用其他可植入的分流器设计,例如美国专利号8,172,896(Corvia)、美国专利号9,706,997(Rox)、美国专利号8,070,708(V-Wave)、美国专利号9,789,294(Edwards)和美国公开号2007/0225760(Occlutech)中所公开的内容,其中每一者均通过引用并入本文。
C.非植入的分流器
根据本发明,治疗低氧血症的非植入的分流可以使用如图6所示NoYaTM系统所公开的通过消融创造可调分流大小的分流程序。
另一种非植入的分流措施是在血管之间切开孔,例如机械取芯,如WO 2019/109013(Alleviant Medical)中所公开的,其通过引用并入本文。这种取芯的示例性描述在图8中阐述。
这些措施中的每一种都可以用于制造治疗低氧血症的分流器,而不会留下永久性植入物,并且被本发明所涵盖。
去神经
本发明用于干预治疗低氧血症的另一个实施方案是肺动脉去神经支配术(PADN)。
已知PADN可以降低肺动脉压力,并且由于肺动脉去神经会导致压力降低,因此至少按照如上所述降低压力触发信号的方法,PADN可以引起血液氧合增加。
可用于实施PADN的方法和技术包括但不限于射频消融(RF)、冷冻消融、激光消融、脉冲电场消融、辐射、药物阻断、酒精消融。
如图9所示,在实际PADN的X射线图中描述了这种PADN干预的一个例子。美国公开号2018/0140347(Pulnovo Medical)中所公开的内容也描述了根据本发明的用于实施PADN的方法和装置,其可用于治疗低氧血症,并通过引用并入本文。
限流
根据本发明用于干预治疗低氧血症的另一个实施方案是将流量限制器包括进入肺循环系统中,至少与上述流量限制器措施一致。
在这点上,可以放置一种装置(例如流量限制器,或在此可互换使用的减流器),以减少非通气肺泡的相对过度灌注。例如,这可以通过主肺动脉(PA)中的流量限制元件来完成,如图10所示。这种流量限制元件也可以放置在右侧或左侧PA中或血管树下方的某处。
进一步参考图10,流量限制器可用于主肺动脉血管中以广泛地限制对过度灌注区域的过度灌注。这可能特别有利于提高运动耐力。通过限制流量来改善V/Q,可以最大限度地减少运动时射血分数36保留的心力衰竭患者的呼吸困难感和/或睡眠呼吸暂停引起的低氧血症。这两种缓解作用都可以最大限度地减少进一步的缺血和间质损伤,以及增加的死亡率。
在正常生理运动、肺动脉高压或支气管限制/COPD的情况下,PA主干中的流量限制器可以最大限度地减少可能发生的过度灌注量。
在其他实施方案中,特定位置的流量限制器可有助于募集更健康的肺。例如,具有已知直径的闭塞球囊的导管可以重复地放置在已知直径的血管中。随着盐水注射液的阶梯流速,人们可以感知到真实的管腔阻力(或更有可能的是目标循环分支的孤立阻力)。流量可以从已知高阻力的血管树上分流。
在另一个实施方案中,计算机视觉辅助设备(例如,图像并列或假设-即并排面板或流行的“融合”荧光透视/超声心动图成像方式)可用于在实时对比血管造影的同时查看氙气对比伽马扫描。这可用于将流量限制器/或在又一个实施方案中,将流量限制器放置在如图11所示的低V和高Q的区域,在该区域进行流量限制和/或阻塞,以将血流从无功能的通气肺单元分配出去。
随着流量更均匀地重新分布,肺泡和毛细血管之间的机械压力梯度会进一步降低。在进行性心动周期中,更多返回的混合静脉血氧可进一步释放肺泡中的低氧血管收缩反应。最终,这可能导致进展性缺血较少。此外,应该注意的是,肺分流引起的压力降低可以被认为是一种流量限制形式。因为降低的跨肺梯度可以使通过阻力与分流前阻力相同的血管树的流量相同。
本发明的限流器或流量限制器可以是支架状结构,其由但不限于激光切割管、编织结构或可植入聚合物支架制成,该支架具有几何形状或覆盖物,其可减小管腔截面积以降低流速,从而增加肺血管内的通过时间,使氧气交换更多(图10-11)。该装置可放置在主肺干、肺动脉分支、肺静脉、IVC、SVC、主动脉或其他外周脉管系统中。
在另一个实施方案中,在静脉/肺部系统中放置了装置,该装置为血液流过创造了更长的路径(例如,如图12A-12C中所示的IVC/SVC/PA中的螺旋支架。这将减缓血液流动,并增加通过时间。这将影响上述减压方法的惯性分量。重要的是,随着右心室收缩(与高肺动脉压力相关,因此与肺动脉高压相关37),这种惯性因素的影响将在肺动脉压力升高的高速率下变得越来越明显。这意味着该螺旋路径将充当可变分流器,可以优先减少高压下的流量,因此更容易适应运动等条件。通过该植入物引入的螺旋路径所增加的惯性来减慢血流,从而增加通过时间。
在限制性干预的另一个实施方案中,添加交替的左右肺动脉分支闭塞元件。这将允许在肺的每一侧有2倍(2X)的通过时间(尽管具有2倍的体积)。此外,交替的下腔静脉和上腔静脉闭塞可以降低右心室的预负荷,如图13所示。例如,该实施方案可以是定时切换到生理参数的可植入瓣膜系统,包括但不限于IVC压力、SVC压力、RA压力、RV压力、PA压力、心输出量等。根据斯塔林定律(Starling Law),这种前负荷的降低会导致心脏产生较少的后负荷。而这种后负荷的降低与肺压降低和通过时间增加有关。
顺应性
在干预治疗低氧血症的另一个实施方案中,通过增加肺循环中的顺应性,可以降低肺脉压,从而根据上述减压方法减少红细胞的平均通过时间并增加扩散性O2摄取。
这是从瞬态角度以解决低氧血症的问题,考虑到心脏是相关的天然瞬态系统。众所周知,肺循环顺应性降低与高压和增生性间质纤维化有关,后者会发展为肺动脉高压38
在一个实施方案中,充气的球囊被放置在肺循环中以提供可进一步压缩的气体来代替不可压缩的血液。这将增加肺循环的顺应性。
在另一个实施方案中,可以使用具有可植入的囊的支架,所述可植入的囊在原始真实管腔直径之外压缩。参照图14,覆盖的支架移植物被放置在切开的肺动脉之间。通过创建机械解剖工具或使用基于导管的激光切割系统,可以控制PA内的这种解剖。
一旦建立了这种外部连通,将插入第二个移植物,该移植物具有与脉管系统外形成的空间连通的顺应性球囊或薄片(sheet),以提高该部分的顺应性(图14)。改变形状以增加顺应性(即通过支架将一个方形变形的管腔变成一个圆形)也可用于增加MTT。
进一步参考图14,肺循环恢复其顺应性以降低脉压,从而解决了通过时间缩短导致扩散性氧摄取减少的问题。图14示出了顺应性恢复的实施方案,其中放置外部连通的弹性膜代替刚性脉管系统以提高顺应性。这试图恢复红细胞传输的正常动态,从而进一步增加氧气摄取并缓解低氧血症。
’704申请中描述了如上所述的引入顺应性的其他实施方案,其通过引用被并入本文。根据来自于’704申请的本发明,图15-17示出了可用于治疗低氧血症的装置和方法的示例,其中图15描绘了具有顺应(compliant)元件388的分流器,该顺应元件设置在SVC中。
图16示出了在SVC中具有顺应元件390的双阀分流器(阀396、394)。并且图17示出了穿过PA到SVC的双顺应元件400。
用于治疗低氧血症的顺应性干预的另一个实施方案在美国专利号10,350,397(Aria CV)中公开,其全部内容通过引用并入本文。该专利的图被复制为图18,图18显示了用于降低脉动压力的顺应构件的数字控制。或者说这种顺应机制可以是完全被动的。
药理学
在根据本发明的干预治疗低氧血症的另一个实施方案中,药理学可用于激活上述减压措施以及激活影响上述触发机制或者两者同时激活。药物将通过选择性血管舒张或通过减少交感神经血管收缩在药理学上引起压力降低。此外,通过在肺水肿时使用利尿剂可以增加通过时间。
可用于此目的的药理学药剂包括但不限于利奥西呱(Riociguat)、波生坦(Bosentan)、塞乐西帕(Selexipag)、西地那非(Sildenafil)和伊洛前列素(Iloprost),所有这些药物都在方案中为患者开出,以实现上述方案中所讨论的氧合的改善。
另一种减少不适当的血管收缩的方式可以通过刺激释放心房钠尿肽或刺激其他增加血管渗透性并随后降低血浆容量的分子来实现39。这些分子在血液中的浓度可以通过来自目标部位的机械刺激、电刺激或药理刺激来增加。抑制脑啡肽酶的药物(即诺欣妥(Entresto))也有可能降低血浆容量并增加血管通透性。
电刺激
根据本发明治疗低氧血症的干预的另一个实施方案是使用电刺激。在这方面,已知心脏刺激具有调节患者血压的能力。还已知可能会出现“起搏器综合征”,这意味着患者出现较低的心输出量和较低的相关血压。
在这方面,通过使用本领域已知的模式选择性地对右心室或右心房起搏,可以实现由右心室产生的压力的降低。这将导致如上所述的治疗低氧血症的压力降低的措施。图19中示出了根据本发明的干预来起搏心脏以降低压力的实施方案。
更具体地,图19公开了使用起搏来降低肺动脉(PPA)中的压力,以红细胞通过时间的机械增加来减少低氧血症。示意图(a)显示了右心室/右心房起搏装置。测量血压并用于向起搏算法提供反馈/调节。示意图(b)显示了不同起搏算法下肺动脉血压的理论降低。示意图(c)显示了起搏对右心室压力-容积环路的影响。右心室在预负荷舒张期充盈减少时置于较高位置。舒张期充盈的减少通过利用斯塔林机制降低了冲程容积和肺动脉压力。示意图(d)显示了降低肺动脉血压的不同起搏算法。
间质液引流
根据本发明干预治疗低氧血症的另一个实施方案是利用淋巴系统或通过使用胸膜引流装置进行间质液引流。这种引流通过减轻肺动脉循环上间隙空间的压缩压力来改善氧合,从而降低肺血管阻力。美国申请序号16/541,077中公开了对这种干预有用的实施方案,其通过引用被并入本文。
实验结果
在世界卫生组织1组肺动脉高压患者中进行了一项人类首次研究以评估本发明,特别是位于右肺动脉和上腔静脉并置处的右至右的分流器的性能。共有10名患者入选,9名接受治疗,6名完成研究至6个月随访。接受治疗的患者的基线特征如下表所示:
表1 患者基线特征
Figure BDA0003189658380000191
所有患者的平均肺动脉压升高,表现为右心衰竭的症状及生命质量下降。此外,由于他们疾病的严重程度和潜在的病因,一些接受治疗的患者具有基线动脉去饱和(即血液中的低氧水平)的情况,这是通过外周血氧饱和度和SpO2水平测量的。
植入分流器后,观察到所有患者在术后一个月时血氧饱和度较基线水平有所增加,如下图所示。
Figure BDA0003189658380000201
所有图的N=5(不包括失去通畅性的患者)
有趣的是,在一名患者中观察到基线SpO2为89%,并且经超声心动图确认分流器已开放的前提下在1个月时观察到SpO2增加到98%。在3个月的随访中,该患者经超声心动图证实具有非开放式(non-patent)分流器,SpO2降至92%。在6个月的随访中,分流器保持关闭,Spo2水平与3个月时相似。如下图所示:
Figure BDA0003189658380000202
直接影响氧合的分流器
这些发现表明右至右的分流器改善了基线去饱和(即低氧血症)患者的动脉氧合。
虽然本发明已经根据具体的实施方案和申请进行了描述,但是本领域的普通技术人员根据该教导可以在不脱离所要求保护的发明的精神或超出所要求保护的发明的范围的情况下形成额外的实施方案和修改。因此,应当理解,本文的附图和描述以示例的方式提供以促进对本发明的理解并且不应被解释为限制本发明的范围。
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Claims (20)

1.治疗患者低氧血症的方法,所述方法包含:
对患者的血液进行氧测量以建立所述患者的基线氧测量;
侵入性干预所述患者的天然氧合过程以增加存在于所述患者血液中的氧气;
在所述干预之后对所述患者的血液进行干预后氧测量;
将所述干预后氧测量与所述基线氧测量进行比较以评估干预的功效。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述干预包括以下干预措施中的至少一种:
肺循环中的压力降低;
肺动脉的触发压力信号减少;以及,
肺系统中的流量限制。
3.根据权利要求2所述的方法,其中所述干预包括以下干预中的至少一种:
所述肺循环的分流;
所述肺动脉的触发压力信号的去神经;
限制所述肺系统的一个或多个血管中的流量;
向所述肺循环引入顺应性;
向所述患者引入药理学物质;
电刺激所述患者的心脏系统;以及
引流淋巴系统。
4.根据权利要求3所述的方法,其中所述肺循环的分流包括所述肺系统中血管的右至右分流。
5.根据权利要求4所述的方法,其中所述右至右分流包括从右肺动脉至上腔静脉的分流。
6.根据权利要求2所述的方法,其中所述去神经包括所述肺动脉的RF消融。
7.根据权利要求3所述的方法,其中限制流量包括将流量限制元件放置到所述患者的主肺动脉中。
8.根据权利要求3所述的方法,其中引入顺应性包括将充气的球囊放入肺循环中。
9.根据权利要求8所述的方法,其中所述球囊设置在SVC中。
10.根据权利要求3所述的方法,其中,引入药理学物质包括引入以下药物中的至少一种:利奥西呱、波生坦、赛乐西帕、西地那非和伊洛前列素。
11.根据权利要求3所述的方法,其中电刺激心脏系统包括起搏心脏以降低右心室产生的压力。
12.根据权利要求3所述的方法,其中引流淋巴系统包括引流所述淋巴系统的间隙空间。
13.根据权利要求3所述的方法,其中执行两个更或多个所述干预的组合。
14.根据权利要求1所述的方法,还包括基于所述干预后氧测量与所述基线氧测量的比较来迭代所述干预。
15.根据权利要求14所述的方法,其中重复所述干预的迭代直到获得目标氧测量。
16.用于治疗患者低氧血症的系统,所述系统包括:
用于测量患者氧水平的装置;
用于侵入性干预患者的天然肺氧合过程的装置;
用于在所述患者的天然肺氧合过程中测量所述患者干预后的氧水平的装置。
17.根据权利要求16所述的系统,其中用于干预天然肺氧合过程的所述装置是以下装置中的至少一种:分流装置;去神经装置;限制装置、顺应性装置、药理学物质;电刺激心脏装置;以及淋巴引流装置。
18.根据权利要求17所述的系统,其中所述分流装置是可植入的分流器。
19.根据权利要求18所述的系统,其中所述分流装置配置为用于右至右分流。
20.根据权利要求19所述的系统,其中所述可植入的分流器配置为用于放置在所述患者的右肺动脉和上腔静脉中。
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