CN114305569A - 一种头部控温系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种头部控温系统及其方法，其中头部控温系统包括：头部冷却装置，佩戴于患者头部，其上设有若干用于配准的标记物，其内设有覆盖患者头部的冷却模块，所述冷却模块包括多个冷却单元；供给装置，用于向所述冷却单元注入冷却介质，单独控制每个冷却单元的温度；CT设备，采集佩戴前述头部冷却装置的患者头部的3D影像；上位机，根据所述配准及患者头部的3D影像中的出血位置确定实际中患者头部的出血位置，并据此控制供给装置向对应冷却单元注入冷却介质。本发明根据采集的3D影像中得到的患者头部出血位置，并通过头部冷却装置中设置的冷却单元为患者头部出血位置进行精准控温。

Description

一种头部控温系统及其方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种头部控温系统及其方法。

背景技术

对于急救病人来说，手术过程中需要持续对头部进行降温，能有效的减缓脑细胞的代谢过程，减少脑细胞的耗氧量，从而达到保护脑细胞的作用，有效提高手术成功率。此外，当人的脑部受到撞击后，会出血带来生命危险，在急救前也需要对患者头部进行降温，防止血流过快。

目前医院的做法通常是直接在头部放置冰袋进行降温，这种方式一是冰袋融化后温度逐渐升高温度不可控，二是会因冷凝现象弄湿患者头部引起不良反应。

为了解决以上问题，临床上还设计了电子降温帽，通过电子元件制冷达到降温和控温目的，但由于脑内出血肉眼无法识别具体出血点，这种方式的降温帽无法根据出血部位精准控温，整个冰帽的持续低温容易引起低温冻伤，且对出血点的降温效果不佳。

发明内容

发明目的：本发明针对上述不足，提出了一种头部控温系统及其方法，可以自适应患者头部，并能够实现精准控温。

技术方案：

一种头部控温系统，包括：

头部冷却装置，佩戴于患者头部，其上设有若干用于配准的标记物，其内设有覆盖患者头部的冷却模块，所述冷却模块包括多个冷却单元；

供给装置，用于向所述冷却单元注入冷却介质，单独控制每个冷却单元的温度；

CT设备，采集佩戴前述头部冷却装置的患者头部的3D影像；

上位机，根据所述配准及患者头部的3D影像中的出血位置确定实际中患者头部的出血位置，并据此控制供给装置向对应冷却单元注入冷却介质。

各所述冷却单元均匀间隔排布。

所述冷却介质为冷却液或冷却气体。

所述头部冷却装置包括三层结构，其中内层为保护层，中间层为设有覆盖患者头部的所述冷却模块，外层为设有所述标记物的外壳。

所述保护层采用的材料为塑胶、绵质材料或皮革材料。

所述标记物为至少3颗钢珠，且两两所述钢珠之间的距离不等，各所述钢珠之间的位置关系已知。

所述冷却单元采用气囊，每个所述气囊均设有一进气管路和一出气管路与所述供给装置连接。

一种应用前述头部控温系统的头部控温方法，包括步骤：

（1）通过CT设备对佩戴所述头部冷却装置的患者进行头部CT扫描，得到患者头部3D影像；

（2）根据所述头部冷却装置上的标记物进行配准得到所述头部冷却装置与3D影像之间的变换关系；

（3）根据3D影像提取得到的患者头部出血位置，并结合步骤（2）得到的所述头部冷却装置与3D影像之间的变换关系确定实际中患者头部的出血位置；

（4）上位机根据步骤（3）得到的实际中患者头部的出血位置控制供给装置向对应冷却单元充入设定温度的冷却介质。

所述步骤（4）中的冷却单元为以实际中患者头部的出血位置为中心向外扩展直径2cm的范围内的冷却单元。

所述步骤（4）中的供给装置向以患者头部的实际出血位置为中心向外扩展直径2cm的范围内的冷却单元输送第一温度的冷却介质，同时向向外扩展直径2~4cm的范围内的冷却单元输送第二温度的冷却介质，所述第一温度低于第二温度。

所述第一温度为20~30℃，所述第二温度为25~35℃。

所述步骤（3）中，在3D影像中，以3D影像的中心点为中心，获取三个方向的截面图，并对各截面图进行阈值分割，计算得到边缘轮廓，进而得到三个方向的截面图的边缘轮廓，将该三个方向的截面图的边缘轮廓融合在影像坐标系下，即得到影像坐标系下患者头部的轮廓。

所述步骤（3）中得到实际中患者头部的出血位置具体为：根据预先训练好的分割模型进行分割得到该患者头部出血位置，并根据得到的影像坐标系下患者头部的轮廓计算得到在影像坐标系下该患者头部出血位置，结合所述头部冷却装置与所述3D影像之间的变换关系计算得到实际中患者头部的出血位置。

所述步骤（4）中，根据步骤（3）得到的实际中患者头部的出血位置及头部冷却装置的设计参数计算得到对应所述病人头部的出血位置的冷却单元，并控制供给装置向对应冷却单元充入设定温度的冷却介质。

在所述步骤（1）前还包括步骤：在患者头部进行CT扫描前所述上位机控制所述供给装置向所有冷却单元充入冷却介质，所述冷却介质的温度设为10~30℃。

在检测得到患者头部出血、患者肛温降低至25℃或鼻咽温降至18~22℃时，所述上位机控制所述供给装置向所有冷却单元充入冷却介质，所述冷却介质的温度设为10~30℃。

通过脑氧饱和度检测仪实时检测患者的脑氧饱和度信息，并实时控制所述供给装置向所有冷却单元充入冷却介质进行控温，使得所述脑氧饱和度处在60%~75%之间。

有益效果：本发明根据采集的3D影像中得到的患者头部出血位置，并通过头部冷却装置中设置的冷却单元为患者头部出血位置进行精准控温。

附图说明

图1为本发明的头部冷却装置的示意图；

图2为本发明的头部冷却装置上标记点示意图；

图3为本发明的头部冷却装置侧视图；

图4为本发明的气囊层的结构示意图；

图5为本发明的头部控温方法的流程图；

图6为本发明的头部冷却装置的冷却控制区域示意图，其中，A为出血位置，B为冷却区域；

图7为头部CT截面图，其中，圆形标记区域表示出血位置；

图8为头部CT截面图边缘提取示意图。

其中，10为头部冷却装置，11为保护层，12为气囊层，13为外壳，121为气囊，122为输气管路，131为钢珠。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

图1为本发明的头部冷却装置的示意图，如图1所示，本发明的头部冷却装置10设计为头戴式结构，具体为帽子，包括三层结构，其中内层为保护层11，采用的材料为塑胶、绵质材料或皮革材料，更具体地，保护层11设计为衬垫结构；中间层为气囊层12；外层为外壳13，采用塑料材料，起到保护作用；因为病人要戴着本发明的头部冷却装置10进行CT扫描，在外壳13上嵌入至少3颗钢珠131，且两两钢珠131之间的距离不等，各钢珠131之间的位置关系已知，如图2所示；气囊层12排布有若干个气囊，每个气囊均设有一进气管路和一出气管路，且其进气管路和出气管路均与充气装置连接，并通过充气装置根据需求充气相应温度的气体，如图3、4所示。

本发明中，在外壳上嵌入5颗钢珠。

在本发明中，气囊层12上的气囊为均匀间隔排布，且气囊层12的大小在本发明的头部冷却装置10佩戴在患者头部时正好完整覆盖患者头部位置。

本发明提供了一种头部控温系统，包括前述头部冷却装置10、充气装置、CT设备及上位机，头部冷却装置内每个气囊的进气管路和出气管路分别与充气装置的出气口和进气口连接，上位机分别与充气装置及CT设备连接；

前述头部冷却装置10在患者头部出血时，佩戴于患者头部；

充气装置根据需求也即上位机控制为前述头部冷却装置10中的某一气囊充入相应温度的气体；

CT设备对佩戴前述头部冷却装置10的患者进行头部CT扫描以采集患者头部3D影像，并将其发生至上位机；

上位机在患者佩戴前述头部冷却装置10后，控制充气装置向头部冷却装置10的气囊层12内所有气囊充入同样温度的气体，该温度根据医生经验设置，一般设置为10~30℃，以对患者头部进行全局温度控制，防止流血过快（在进入医院前无法扫CT 所以初步降温，刚带上温度需要设置较低），充气量根据医生经验确定。

上位机实时接收CT设备采集的患者头部3D影像，根据前述头部冷却装置10的外壳13上安装的钢珠131进行配准，以得到前述头部冷却装置10与3D影像之间的变换关系（也即影像坐标系到头部冷却装置的装置坐标系之间的映射关系T_m），并根据头部冷却装置10的设计参数计算得到患者头部与3D影像之间的变换关系；

上位机采用其内预先训练好的分割模型对患者头部3D影像进行处理得到患者头部出血图像，进而得到3D影像中患者头部的出血位置，并根据之前得到的患者头部与3D影像之间的变换关系计算得到实际中患者头部的出血位置，进而对应到头部冷却装置10的气囊层12中对应的气囊，并据此控制充气装置向对应的气囊充入设定温度的气体并排出原先气体进行局部降温，该设定温度设为20~30℃。

在本发明中，可以针对患者头部出血位置处对应的气囊充入20~30℃的气体，在其周边气囊充入25~35℃的气体。

其中，预先训练好的分割模型为：获取大量的头部CT影像，对各头部CT影像中的出血位置进行标定得到训练样本，通过深度学习模型采用训练样本进行训练得到分割模型。

在本发明中，根据前述头部冷却装置10的外壳13上安装的钢珠131进行配准具体为：

1）对头部3D影像进行钢珠提取；

a.因为钢珠密度大，在3D影像中的成像比较清楚，通过阈值法对其进行分割，将分割出来的体素数据进行聚类，若聚类出N个块，N≥5，则认为阈值分割成功，否则自动调整阈值直到分割出N个块为止；

b.因为各钢珠之间的位置关系已知，在N个块中，计算两两之间的距离并与已知的钢珠两两之间的距离进行比较，去掉误差点，得到最终5个块，即为影像中5个钢珠位置，进而得到影像坐标系下各钢珠的坐标；

c.根据各钢珠之间的位置关系，将提取出来的图像上5个钢珠位置和实际钢珠位置进行一一对应排序，并采用1~5对其进行编号；

2）配准；

a.如图2所示，以钢珠1、2的连线方向为x轴，以钢珠1、2、3所在的平面上垂直于x轴的为y轴，根据右手定则确定z轴建立装置坐标系W，则各钢珠在装置坐标系W下的位置已知；

b．根据公式P₂*T_m= P₁，其中，T_m是一个4x4的矩阵，表示从物理位置到影像位置的映射关系，P₁表示在装置坐标系W下各钢珠的坐标，P₂表示在影像坐标系下各钢珠的坐标；

c.根据5组钢珠对应点，可以列出来方程，采用最小二乘法计算得到T_m，即可得到影像坐标系到装置坐标系W之间的映射关系。

本发明中，采用CT设备采集患者头部3D影像，并据此判断患者头部出血位置，但本发明并不止于此，本发明还可以采用其他三维影像设备，只需要能够获取得到病人头部3D影像即可。

在本发明中，上位机还接入有外部的呼吸检测装置，正常的呼吸曲线是规律的，提供呼吸检测装置的呼吸曲线发送至传入到上位机，进行呼吸状态分析，当呼吸正常后，上位机控制充气装置停止充气，即停止冷却，以形成一个冷却闭环。

在本发明中，可以将上位机集成为一处理器，其内预先存储有前述分割模型，那么可以将前述头部冷却装置10、充气装置、处理器甚至于呼吸检测装置集成形成一体化设备，将其与CT设备连接，形成本发明的头部控温系统。

本发明还提供了一种应用前述头部控温系统的头部控温方法，如图5所示，包括如下步骤：

（1）在检测得到患者头部出血时，患者戴上前述头部冷却装置，设定一个较低的温度（根据医生经验，一般为10~30°），并据此控制充气装置向所有气囊充入设定温度的气体，进行全局温度控制；

在本发明中，也可以在检测到患者肛温降低至25℃或鼻咽温降至18~22℃时给予低温脑保护，即病人佩戴上前述头部冷却装置，进行全局控温，同时通过脑氧饱和度检测仪实时检测脑氧饱和度信息，并实时控制充气装置向所有气囊充气进行控温，保证脑氧饱和度处在其正常值60%~75%之间；

（2）通过CT设备对佩戴前述头部冷却装置10的患者进行头部CT扫描，将扫描的患者头部3D影像传输到上位机进行图像处理；

（3）上位机根据前述头部冷却装置10的外壳13上安装的钢珠131进行配准得到前述头部冷却装置10与3D影像之间的变换关系（也即影像坐标系到装置坐标系W之间的映射关系T_m）；

（4）配准完成后，对3D影像进行边缘提取：在3D影像中，以3D影像的中心点为中心，获取三个方向的截面图，如图7所示为某一个方向的截面图，头部边缘骨头密度大，直接对截面数据进行阈值分割，计算最外层边缘的位置，如图8所示；可以得到三个方向截面的轮廓，将该三个方向的轮廓融合在影像坐标系下，即可得到影像坐标系下患者头部的轮廓；

（5）温度控制；

（51）如图7所示，患者头部3D影像可以清晰的看到出血的位置，根据预先训练好的分割模型进行分割得到该患者头部出血位置，并根据步骤（4）得到的影像坐标系下患者头部的轮廓计算得到在影像坐标系下该患者头部出血位置，描述为其中心点坐标A（x,y,z）和半径R，其中，患者头部出血位置的中心点坐标A（x,y,z）为患者头部出血位置所有像素点的坐标平均值，其半径R设定为患者头部出血位置上与中心点距离最大的像素点与其中心点之间的距离；

（52）根据步骤（3）得到的影像坐标系到装置坐标系W之间的映射关系T_m将中心点坐标A（x,y,z）转换到装置坐标系W下，即A′=A*T_m，即可得到该患者头部出血位置在装置坐标系W下的位置A′；

（53）根据头部冷却装置的设计参数计算得到对应该病人头部出血位置在装置坐标系W下的位置A′的气囊，并控制充气装置为A′位置处的气囊填充对应温度的冷却气体，如图6所示。

此处温度控制有两种方式：

1.只针对出血点位置的气囊覆盖区域进行冷却，充入气体的温度为20~30℃；

2.对出血点位置和出血点周边的气囊覆盖区域进行分级冷却，出血点气囊充入气体的温度为20~30℃，周边气囊充入气体的温度为25~35℃；进一步地，以患者头部的实际出血位置为中心向外扩展直径2cm的范围内的气囊充入气体的温度为20~30℃，同时向向外扩展直径2~4cm的范围内的气囊充入气体的温度为25~35℃。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换（如数量、形状、位置等），这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种头部控温系统，其特征在于：包括：

头部冷却装置，佩戴于患者头部，其上设有若干用于配准的标记物，其内设有覆盖患者头部的冷却模块，所述冷却模块包括多个冷却单元；

供给装置，用于向所述冷却单元注入冷却介质，单独控制每个冷却单元的温度；

CT设备，采集佩戴前述头部冷却装置的患者头部的3D影像；

上位机，根据所述配准及患者头部的3D影像中的出血位置确定实际中患者头部的出血位置，并据此控制供给装置向对应冷却单元注入冷却介质。

2.根据权利要求1所述的头部控温系统，其特征在于：各所述冷却单元均匀间隔排布。

3.根据权利要求1所述的头部控温系统，其特征在于：所述冷却介质为冷却液或冷却气体。

4.根据权利要求1所述的头部控温系统，其特征在于：所述头部冷却装置包括三层结构，其中内层为保护层，中间层为设有覆盖患者头部的所述冷却模块，外层为设有所述标记物的外壳。

5.根据权利要求4所述的头部控温系统，其特征在于：所述保护层采用的材料为塑胶、绵质材料或皮革材料。

6.根据权利要求1所述的头部控温系统，其特征在于：所述标记物为至少3颗钢珠，且两两所述钢珠之间的距离不等，各所述钢珠之间的位置关系已知。

7.根据权利要求1所述的头部控温系统，其特征在于：所述冷却单元采用气囊，每个所述气囊均设有一进气管路和一出气管路与所述供给装置连接。

8.一种应用权利要求1~7任一所述的头部控温系统的头部控温方法，其特征在于：包括步骤：

（1）通过CT设备对佩戴所述头部冷却装置的患者进行头部CT扫描，得到患者头部3D影像；

（2）根据所述头部冷却装置上的标记物进行配准得到所述头部冷却装置与3D影像之间的变换关系；

（3）根据3D影像提取得到的患者头部出血位置，并结合步骤（2）得到的所述头部冷却装置与3D影像之间的变换关系确定实际中患者头部的出血位置；

（4）上位机根据步骤（3）得到的实际中患者头部的出血位置控制供给装置向对应冷却单元充入设定温度的冷却介质。

9.根据权利要求8所述的头部控温方法，其特征在于：所述步骤（4）中的冷却单元为以实际中患者头部的出血位置为中心向外扩展直径2cm的范围内的冷却单元。

10.根据权利要求8所述的头部控温方法，其特征在于：所述步骤（4）中的供给装置向以患者头部的实际出血位置为中心向外扩展直径2cm的范围内的冷却单元输送第一温度的冷却介质，同时向向外扩展直径2~4cm的范围内的冷却单元输送第二温度的冷却介质，所述第一温度低于第二温度。

11.根据权利要求10所述的头部控温方法，其特征在于：所述第一温度为20~30℃，所述第二温度为25~35℃。

12.根据权利要求8所述的头部控温方法，其特征在于：所述步骤（3）中，在3D影像中，以3D影像的中心点为中心，获取三个方向的截面图，并对各截面图进行阈值分割，计算得到边缘轮廓，进而得到三个方向的截面图的边缘轮廓，将该三个方向的截面图的边缘轮廓融合在影像坐标系下，即得到影像坐标系下患者头部的轮廓。

13.根据权利要求12所述的头部控温方法，其特征在于：所述步骤（3）中得到实际中患者头部的出血位置具体为：根据预先训练好的分割模型进行分割得到该患者头部出血位置，并根据得到的影像坐标系下患者头部的轮廓计算得到在影像坐标系下该患者头部出血位置，结合所述头部冷却装置与所述3D影像之间的变换关系计算得到实际中患者头部的出血位置。

14.根据权利要求8所述的头部控温方法，其特征在于：所述步骤（4）中，根据步骤（3）得到的实际中患者头部的出血位置及头部冷却装置的设计参数计算得到对应所述病人头部的出血位置的冷却单元，并控制供给装置向对应冷却单元充入设定温度的冷却介质。

15.根据权利要求8所述的头部控温方法，其特征在于：在所述步骤（1）前还包括步骤：在患者头部进行CT扫描前所述上位机控制所述供给装置向所有冷却单元充入冷却介质，所述冷却介质的温度设为10~30℃。

16.根据权利要求15所述的头部控温方法，其特征在于：在检测得到患者头部出血、患者肛温降低至25℃或鼻咽温降至18~22℃时，所述上位机控制所述供给装置向所有冷却单元充入冷却介质，所述冷却介质的温度设为10~30℃。

17.根据权利要求16所述的头部控温方法，其特征在于：通过脑氧饱和度检测仪实时检测患者的脑氧饱和度信息，并实时控制所述供给装置向所有冷却单元充入冷却介质进行控温，使得所述脑氧饱和度处在60%~75%之间。

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