JP2016137115A - ヘッドキャップ - Google Patents

Abstract

【課題】患者の頭部を冷却したり、加温したりする際に、熱源部の精密な温度管理を実現可能なヘッドキャップを提供する。
【解決手段】本発明のヘッドキャップ１０は、患者の頭部に装着可能なインナーキャップ２０、複数のぺルチェ素子３２を有する熱源部３０、及び、熱源部３０の熱を外気へ放熱するアウターキャップ４０が、熱源部３０を挟んで積層された３層構造を有し、熱源部３０の熱をアウターキャップ４０によって外気へ効率的に放熱する構成となっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ヘッドキャップに関し、特に、患者の頭部に装着する医療用装具として用いて好適なヘッドキャップに関する。

医療の分野において、頭部、特に脳が重大な障害を受けた場合、障害がそれ以上進行することを防止するために、体温を低く保つ脳低温療法が知られている。脳低温療法は、脳を冷却して脳の炎症を抑え、神経細胞が死滅しないように管理する療法である。また、救急救命の現場では、進行的な脳組織の破壊を抑制することで、救命率や機能予後の向上が見込まれ、それを制御することが重要な課題とされている。

脳を一定時間（一定期間）所定の低温に維持する療法は、急性脳障害の治療に有効であることが知られている。しかし、効果的な脳温を得るために、全身を冷却する等の療法の適用は、他の正常な機能を大きく妨げる危険を伴う。そのため、急性脳障害の治療には精密な温度管理が必要になることから、規模の大きな全身冷却システムが定着していることが報告されている。しかしながら、スペースに限りがある環境、例えば救急車、救難ヘリコプター、救急医療専用ヘリコプター（所謂、ドクターヘリ）への大規模な全身冷却システムの搭載は困難である。

このような大規模な全身冷却システムに対して、患者の頭部の冷却及び加温が可能な頭部冷暖装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、頭部に装着する形状の頭部装着部が、ペルチェ素子が内蔵されたペルチェ素子モジュール、ペルチェ素子モジュールの裏面に一部が接触した熱伝導材、及び、熱伝導材の外側に設けられた断熱材を有する頭部冷暖装置が記載されている。

特開２０１１−３４２号公報

上述したように、特許文献１に記載の頭部冷暖装置は、基本的に、頭部装着部がペルチェ素子モジュールと熱伝導材との２層構造となっており、しかも、熱伝導材の外側には熱伝導材を外気から熱的に遮断する断熱材を設けた構成となっている。従って、熱伝導材を通して患者の頭部を冷却したり、加温したりすることができるものの、熱源部であるペルチェ素子モジュールの放熱については考慮されていないために、熱源部の精密な温度管理が望めない。

そこで、本発明は、患者の頭部を冷却したり、加温したりする際に、熱源部の精密な温度管理を実現可能なヘッドキャップを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明のヘッドキャップは、
患者の頭部に装着可能なインナーキャップ、
複数の熱電素子を有する熱源部、及び、
熱源部の熱を外気へ放熱するアウターキャップが、順次、積層されて成ることを特徴とする。

本発明によれば、インナーキャップ及びアウターキャップが、熱源部を挟んで積層された３層構造のヘッドキャップとなっており、熱源部の熱をアウターキャップによって効率的に外気へ放熱できるため、熱源部の精密な（精度の良い）温度管理を実現できる。尚、ここに記載された効果に必ずしも限定されるものではなく、本明細書中に記載されたいずれかの効果であってもよい。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって、これに限定されるものではなく、また付加的な効果があってもよい。

図１は、本発明の一実施形態に係るヘッドキャップの外観を示す概略正面図である。 図２Ａは、本発明の一実施形態に係るヘッドキャップの側断面図であり、図２Ｂは、図２Ａの一点鎖線で囲ったＡ部の拡大断面図である。 図３は、ペルチェ素子及び温度センサーの配置の一例を示す、図１のヘッドキャップを上方から見た展開図である。 図４Ａは、図４Ｂの矢印Ａ−Ａに沿った実施例１に係るアウターキャップの放熱機構部を示す断面図であり、図４Ｂは、実施例１に係るアウターキャップの放熱機構部を示す平面図である。 図５Ａは、図５Ｂの矢印Ａ−Ａに沿った実施例２に係るアウターキャップの放熱機構部を示す断面図であり、図５Ｂは、実施例２に係るアウターキャップの放熱機構部を示す平面図である。 図６Ａは、図６Ｂの矢印Ａ−Ａに沿った実施例３に係るアウターキャップの放熱機構部を示す断面図であり、図６Ｂは、実施例３に係るアウターキャップの放熱機構部を示す熱伝導性シリコーンゲルの平面図である。 図７Ａは、ペルチェ素子の構造を示す一部断面を含む概略斜視図であり、図７Ｂは、ペルチェ素子の原理図である。 図８は、制御ユニット（制御部）の構成の一例を、ペルチェブロック及び温度センサーブロックと共に示すブロック図である。 図９Ａは、患者の頭頂部前側に対応する部位に温度表示部を備えるヘッドキャップの外観を示す概略正面図であり、図９Ｂは、温度表示部の表示例を示す図である。 図１０は、電流制御部による熱源部の温度の制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。 図１１は、ヘッドキャップを装着した患者がベッド又はマット上に寝かされた状態を示す図である。

以下、本発明の技術を実施するための形態（以下、「実施形態」と記述する）について図面を用いて詳細に説明する。本発明は実施形態に限定されるものではなく、実施形態における種々の数値や材料などは例示である。以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

＜本発明のヘッドキャップ、全般に関する説明＞
本発明のヘッドキャップにおいて、熱電素子（熱電変換素子）は、熱と電気を関連付ける現象を利用した半導体素子である。本発明のヘッドキャップにあっては、熱電素子として、ペルチェ効果を利用したペルチェ素子を用いる構成とすることができる。ペルチェ効果は、異なる２種類の金属又は半導体（Ｎ型半導体とＰ型半導体）を接合して電流を流すとき、その接合部にジュール熱以外の吸熱及び発熱が発生する現象である。従って、熱電素子としてペルチェ素子を用いることで、冷却と加温及び温度制御を自由に行うことができる。熱電素子としては、ペルチェ素子の他、ゼーベック効果を利用したゼーベック素子や、電気抵抗の温度変化を利用したサーミスターなどのデバイスを用いることも可能である。

上述した好ましい構成を含む本発明のヘッドキャップにあっては、インナーキャップについて、布被覆ヘッドスキンキャップと熱伝導性シリコーンラバーとが積層されて成る構成することができる。布（例えば、フリース）で被覆したヘッドスキンキャップは、患者の頭部に対する優れた装着性を確保できる。熱伝導性シリコーンラバーは、頭部の形状に合わせて密着した形で装着された状態で、熱源部の熱電素子と患者の頭部との間での熱伝導を効率的に行う。インナーキャップについては、布被覆ヘッドスキンキャップと熱伝導性シリコーンラバーとの２層構造の他にも、熱伝導性シリコーンラバーに対して高熱伝導性グラファイトが積層されて成る３層構造、具体的には、布被覆ヘッドスキンキャップ、熱伝導性シリコーンラバー、及び、高熱伝導性グラファイトの３層構造とすることもできる。

更に、上述した好ましい構成を含む本発明のヘッドキャップにあっては、アウターキャップについて、外気に直接触れる熱伝導性シリコーンゲルと熱伝導性シリコーンラバーとが積層されて成る構成とすることができる。熱伝導性シリコーンゲル及び熱伝導性シリコーンラバーの積層構造から成るアウターキャップはクッション性に優れ、患者の頭部に装着する医療用装具として有用なものとなる。熱伝導性シリコーンラバーは、熱源部の熱を熱伝導性シリコーンゲルへ効率的に伝導する。アウターキャップについては、熱伝導性シリコーンゲルと熱伝導性シリコーンラバーとの２層構造の他にも、熱伝導性シリコーンラバーに対して炭素繊維又は熱伝導性グラファイトが積層されて成る３層構造、具体的には、熱伝導性シリコーンゲル、熱伝導性シリコーンラバー、及び、炭素繊維又は熱伝導性グラファイトの３層構造とすることもできる。

更に、上述した好ましい構成を含む本発明のヘッドキャップにあっては、熱伝導性シリコーンゲルについて、放熱フィン等の放熱機構部を有する構成とすることが好ましい。放熱機構部を有することで、熱源部から熱伝導性シリコーンゲルに伝導された熱を効率的に外気へ放熱することができる。また、放熱機構部は、熱伝導性シリコーンゲルと同じ材料にて一体的に形成されるのが好ましい。これにより、放熱機構部が熱伝導性シリコーンゲルと異なる材料で形成され、熱伝導性シリコーンゲルと放熱機構部との間に、それらの接合部での熱抵抗が存在する場合に比べて、熱伝導性シリコーンゲルから放熱機構部への熱伝導効率を高めることができる。加えて、放熱機構部が熱伝導性シリコーンゲルと同じ材料から成ることで、患者の頭部の形状に合わせて変形できることになる。

更に、上述した好ましい構成を含む本発明のヘッドキャップにあっては、熱源部について、直流安定化電源に接続される、単一の熱電素子から成る複数の熱電素子ブロック、又は、直列接続された複数の熱電素子から成る複数の熱電素子ブロックが並列接続された構成とすることができる。並列接続された複数の熱電素子ブロックの各々は、患者の頭部の所定の部位に対応して分散して配置されることになる。

更に、上述した好ましい構成を含む本発明のヘッドキャップにあっては、複数の熱電素子ブロックの温度を制御する制御部を備える構成とすることができる。また、熱源部については、複数の温度センサーを有する構成とすることができる。このとき、制御部は、複数の温度センサーの検知温度に基づいて複数の熱電素子ブロックの温度を制御する、好ましくは、複数の温度センサーの検知温度の平均値を算出し、この算出した平均値に基づいて複数の熱電素子ブロックの温度を制御する構成とすることができる。

更に、上述した好ましい構成を含む本発明のヘッドキャップにあっては、制御部について、複数の熱電素子ブロックに対して断続的にパルス電流を供給する制御を行う構成とすることができる。また、制御部について、複数の熱電素子ブロックに流す電流の極性を反転することによって冷熱／加温の切替え制御を行う構成とすることができる。

更に、上述した好ましい構成を含む本発明のヘッドキャップにあっては、制御部について、予め標準的に定められた設定温度を基準として複数の熱電素子ブロックの温度制御を行う構成とすることができる。予め標準的に定められた設定温度については、変更可能である構成とする、具体的には、患者の容態に応じて変更可能である構成とすることができる。

更に、上述した好ましい構成を含む本発明のヘッドキャップにあっては、直流安定化電源について、商用電源の整流電源、車輛電源、又は、携帯可能な電池パック電源に基づいて動作する構成とすることができる。直流安定化電源の元が商用電源の整流電源の場合には、例えば病院で使用されることになる。直流安定化電源の元が車輛電源の場合には、例えば救急車で使用されることになる。直流安定化電源の元が携帯可能な電池パック電源の場合には、スペースに限りがある環境、例えば救急車、救難ヘリコプター、救急医療専用ヘリコプターの他、屋外など任意の場所での使用が可能になる。

＜本発明の一実施形態に係るヘッドキャップ＞
図１は、本発明の一実施形態に係るヘッドキャップの外観を示す概略正面図である。図２Ａは、本発明の一実施形態に係るヘッドキャップの側断面図であり、図２Ｂは、図２Ａの一点鎖線で囲ったＡ部の拡大断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るヘッドキャップ１０は、患者の頭部を全体的に覆う頭巾形の形状となっており、前面側に患者の顔が露出する開口部１１を有し、例えば、開口部１１の下側で患者から見て左側の端部１２と右側の端部１３とが互いに重ね合わされる構成となっている。左側の端部１２は右側の端部１３に対して面的に着脱できる面ファスナー１４にて着脱自在となっている。そして、面ファスナー１４を外すことで、ヘッドキャップ１０を患者の頭部に装着したり、ヘッドキャップ１０を外したりすることが容易な構成となっている。また、左側の端部１２と右側の端部１３との結合部が面ファスナー１４であることで、患者の頭部、特に首周りのサイズに対応して左側の端部１２と右側の端部１３との間を自由に広げたり、縮めたりすることができる。尚、ヘッドキャップ１０のサイズを予め複数、例えば子供用と大人用の２サイズを用意しておくことで、子供から大人まであらゆるサイズの頭部に対応できることになる。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ヘッドキャップ１０は、患者の頭部に装着可能なインナーキャップ２０、複数の熱電素子を有する熱源部３０、及び、熱源部３０の熱を外気へ放熱するアウターキャップ４０が、順次、積層された３層構造（３層のサンドイッチ構造）となっている。また、図１に示すように、ヘッドキャップ１０には、熱源部３０の温度を制御する制御ユニット５０が装備されている。制御ユニット５０は、ヘッドキャップ１０の熱源部３０に対してコード６０を介して電気的に接続されている。

［インナーキャップ］
図２Ｂにおいて、インナーキャップ２０は、吸熱用の装具であり、患者の頭部に直接接触する最内面側に、厚さが１［ｍｍ］程度の布（例えば、フリース）で被覆した布被覆ヘッドスキンキャップ２１を有することで、患者の頭部に対する優れた装着性を確保している。布被覆ヘッドスキンキャップ２１には、厚さが５［ｍｍ］程度のシート状の熱伝導性シリコーンラバー２２が積層されている。

熱伝導性シリコーンラバー２２は、シリコーンゴム特有の柔軟性を有し、熱伝導性に優れている。一般的なシリコーンゴムの熱伝導率は０．２［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度である。これに対して、熱伝導性シリコーンラバー２２の熱伝導率は、シリコーンゴムやオイルに配合する熱伝導性粒子にもよるが、１．０〜７．０［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度と一般的なシリコーンゴムに比べて極めて熱伝導性に優れている。

布被覆ヘッドスキンキャップ２１とシート状の熱伝導性シリコーンラバー２２とは、例えば、シリコーンゴム等から成る接着剤や放熱性接着剤によって接合することができる。放熱性接着剤は、優れた熱伝導性を有する機能性接着剤である。

先述した面ファスナー１４は、インナーキャップ２０に取り付けられることになる。これにより、インナーキャップ２０は、面ファスナー付きインナーキャップとなる。ここでは、インナーキャップ２０について、布被覆ヘッドスキンキャップ２１と熱伝導性シリコーンラバー２２との２層構造としたが、熱伝導性シリコーンラバー２２に対して高熱伝導性グラファイトを更に積層した、布被覆ヘッドスキンキャップ２１、熱伝導性シリコーンラバー２２、及び、高熱伝導性グラファイトの少なくとも３層構造としてもよい。

［熱源部］
熱源部３０は、インナーキャップ２０のシート状の熱伝導性シリコーンラバー２２上に積層された接着層３１を有する。接着層３１は、両面粘着テープ等の接着剤から成る。両面粘着テープは、強固な接着が可能な接着剤である。熱源部３０には、接着層３１の上に複数の熱電素子、例えばペルチェ効果を利用したペルチェ素子３２が配置されている。換言すれば、熱源部３０は、インナーキャップ２０上に複数のペルチェ素子３２が接着層３１によって貼り付けられた構成となっている。

ペルチェ素子３２の詳細については後述する。ペルチェ素子３２とペルチェ素子３２との間は、厚さが２［ｍｍ］程度の断熱性のセパレータ３３によって熱的に仕切られた構造となっている。そして、セパレータ３３によって仕切られた空間には、ペルチェ素子３２の数に対して所定の割合で複数の温度センサー３４が設けられている。

図３に、ペルチェ素子３２及び温度センサー３４の配置の一例を示す。図３は、図１のヘッドキャップ１０を上方から見た展開図である。図３では、ペルチェ素子３２を□印で図示し、温度センサー３４を○印で図示している。

図１に示す、患者の頂頭部に対応する部位１５及び左右両側頭部に対応する部位１６，１７にペルチェ素子３２及び温度センサー３４が配置されることになる。具体的には、図３において、ペルチェ素子３２は複数、例えば６個直列接続されて１つのペルチェブロック３５を構成している。そして、患者の頂頭部に対応する部位１５には、ペルチェブロック３５が後頭部から前頭部に向かう方向に沿って例えば３列（３５_-1，３５_-2，３５_-3）配置されている。更に、左右両側頭部に対応する部位１６，１７には、ペルチェブロック３５が後頭部から前頭部に向かう方向に沿って例えば１列ずつ（３５_-4，３５_-5）配置されている。このようなペルチェ素子３２の配置により、患者の頭部、特に脳を全体的に冷却することができる。

温度センサー３４は、ペルチェブロック３５とペルチェブロック３５との間の隙間に、後頭部から前頭部に向かう方向に沿って適当な間隔をもって複数個ずつ配置されて温度センサーブロック３６を構成している。本例では、患者の頂頭部に対応する部位１５には、ペルチェブロック３５_-1とペルチェブロック３５_-2との間の隙間、及び、ペルチェブロック３５_-2とペルチェブロック３５_-3との間の隙間に、温度センサー３４が３個ずつ配置されて温度センサーブロック３６_-1及び温度センサーブロック３６_-2を構成している。更に、患者の左右両側頭部に対応する部位１６，１７には、温度センサー３４が２個ずつ配置されて温度センサーブロック３６_-3及び温度センサーブロック３６_-4を構成している。このような温度センサー３４の配置により、熱源部３０の温度、より具体的には、複数のペルチェブロック（熱電素子ブロック）３５_-1〜３５_-5の温度を全体的に検知することができる。

ペルチェ素子３２の実装に当たっては、例えば、ペルチェブロック３５の単位でフレキシブルプリント回路基板（フレキシブル基板）を用いて当該基板上に複数のペルチェ素子３２を配置する構成を採ることができる。フレキシブルプリント回路基板は、絶縁性を持った薄く柔らかいベースフィルム（ポリイミド等）と銅箔等の導電性金属を貼り合わせた基材に電気回路を形成した基板であり、複数のペルチェ素子３２の間の電気的接続を容易に実現できる。更には、ペルチェ素子３２が実装されたフレキシブルプリント回路基板上に、温度センサー３４を実装することも可能である。

［アウターキャップ］
図２Ｂにおいて、アウターキャップ４０は、放熱用の装具であり、外気に直接触れるシート状の熱伝導性シリコーンゲル４１とシート状の熱伝導性シリコーンラバー４２とが、熱伝導性シリコーンラバー４２を内側にして熱源部３０の上に積層された２層構造となっている。熱伝導性シリコーンゲル４１は、後述する放熱機構部（図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、及び、図５Ｂ参照）を有しており、共通ベースの厚さが５［ｍｍ］程度で、放熱フィン（放熱片）の概略の高さが５〜１０［ｍｍ］程度の総合した概略の高さが１５〜２０［ｍｍ］程度であり、柔軟性を有し、且つ、熱伝導性に優れている。熱伝導性シリコーンゲル４１の熱伝導率は、６．０〜１７．０［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度であって、一般的なシリコーンゴムの熱伝導率（０．２［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度）に比べて極めて高い。熱伝導性シリコーンラバー４２は、厚さが３〜５［ｍｍ］程度である。熱伝導性シリコーンラバー４２としては、インナーキャップ２０の熱伝導性シリコーンラバー２２と同じ材質のものを用いることができる。

ここでは、熱伝導性シリコーンゲル４１と熱伝導性シリコーンラバー４２との２層構造のアウターキャップ４０を例示したが、熱伝導性シリコーンラバー４２に対して炭素繊維又は熱伝導性グラファイトを更に積層した、熱伝導性シリコーンゲル４１、熱伝導性シリコーンラバー４２、及び、炭素繊維又は熱伝導性グラファイトの少なくとも３層構造としてもよい。

熱伝導性シリコーンゲル４１については、放熱面積を拡張した放熱機構部を有する構成とすることが好ましい。熱伝導性シリコーンゲル４１が放熱機構部を有することにより、放熱面積を拡張できるために、熱源部３０から熱伝導性シリコーンゲル４１に伝導された熱を効率的に外気へ放熱することができる、即ち放熱効果を高めることができる。このとき、放熱機構部は、熱伝導性シリコーンゲル４１と同じ材料にて一体的に形成されるのが好ましい。これにより、放熱機構部が熱伝導性シリコーンゲル４１と異なる材料で形成され、熱伝導性シリコーンゲル４１と放熱機構部との間に、それらの接合部での熱抵抗が存在する場合に比べて、熱伝導性シリコーンゲル４１から放熱機構部への伝導効率を高めることができる。加えて、放熱機構部が熱伝導性シリコーンゲル４１と同じ材料から成ることで、患者の頭部の形状に合わせた変形が可能となる。

以下に、アウターキャップ４０において、熱伝導性シリコーンゲル４１と同じ材料にて一体的に形成されて成る放熱機構部の具体的な実施例について説明する。

（実施例１）
図４Ａは、図４Ｂの矢印Ａ−Ａに沿った実施例１に係るアウターキャップの放熱機構部を示す断面図であり、図４Ｂは、実施例１に係るアウターキャップの放熱機構部を示す平面図である。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、実施例１に係る放熱機構部は、熱伝導性シリコーンゲル４１と同じ材料にて、断面形状が例えば矩形形状（あるいは、くさび形状）を有する帯状の放熱フィン４１Ａが一体的に形成された構成となっている。

このように、熱伝導性シリコーンゲル４１と同じ材料にて放熱フィン４１Ａを一体的に形成して成る放熱機構部によれば、加工の一元化が可能であるとともに、熱伝導性シリコーンゲル４１から放熱フィン４１Ａへの熱の伝導効率を高めることができる。その結果、熱源部３０から熱伝導性シリコーンゲル４１に伝導された熱を、放熱フィン４１Ａを介して効率的に外気へ放熱することができる。

（実施例２）
図５Ａは、図５Ｂの矢印Ａ−Ａに沿った実施例２に係るアウターキャップの放熱機構部を示す断面図であり、図５Ｂは、実施例２に係るアウターキャップの放熱機構部を示す平面図である。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、実施例２に係る放熱機構部は、熱伝導性シリコーンゲル４１と同じ材料にて、高さの低い円柱状、所謂イボ状の放熱片４１Ｂが一体的に形成された構成となっている。

このように、熱伝導性シリコーンゲル４１と同じ材料にて放熱片４１Ｂを一体的に形成して成る放熱機構部によれば、加工の一元化が可能であるとともに、熱伝導性シリコーンゲル４１から放熱片４１Ｂへの熱の伝導効率を高めることができる。その結果、熱源部３０から熱伝導性シリコーンゲル４１に伝導された熱を、放熱片４１Ｂを介して効率的に外気へ放熱することができる。

実施例１に係る放熱機構部及び実施例２に係る放熱機構部については、各々単独での適用の他、両者を併用して適用することも可能である。例えば、患者の頭部の部位によって実施例１に係る放熱機構部と実施例２に係る放熱機構部とを使い分けることができる。具体的には、一例として、実施例１に係る放熱機構部を頂頭部用の放熱機構部として用い、実施例２に係る放熱機構部を側頭部用の放熱機構部として用いるというような使い分けを挙げることができる。

（実施例３）
図６Ａは、図６Ｂの矢印Ａ−Ａに沿った実施例３に係るアウターキャップ４０の放熱機構部を示す熱伝導性シリコーンゲル４１の断面図であり、図６Ｂは、実施例３に係るアウターキャップ４０の放熱機構部を示す熱伝導性シリコーンゲル４１の平面図である。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、実施例３に係る放熱機構部は、熱伝導性シリコーンゲル４１自体にその長手方向に沿って円筒状の貫通孔４１Ｃを複数形成して成る中空ラジエータ構造となっている。

このように、熱伝導性シリコーンゲル４１を中空ラジエータ構造とすることで、熱伝導性シリコーンゲル４１の放熱面積を大きくとることができるため、放熱効率を上げることができる。また、貫通孔４１Ｃ内を液体や気体を流す構成を採ることも可能であり、当該構成を採ることによって放熱効率をより向上できる。

アウターキャップ４０の放熱機構部としては、上述した実施例１乃至実施例３に係る放熱機構部に限られるものではなく、他の構造のものを用いることもできる。また、実施例１乃至実施例３に係る放熱機構部の構成、構造はあくまで例示に過ぎず、適宜、変更することができる。更には、実施例３に係る放熱機構部を、実施例１に係る放熱機構部と組み合わせたり、実施例２に係る放熱機構部と組み合わせたり、あるいは、実施例１に係る放熱機構部及び実施例２に係る放熱機構部と組み合わせたりすることも可能である。

［ペルチェ素子］
ここで、熱電素子の一例であるペルチェ素子について説明する。ペルチェ素子は、直流電流を流すことによって一方の面から他方の面に熱を移動させる効果のあるデバイスであり、冷却と加温及び温度制御が可能な半導体素子である。

ペルチェ素子の原理について図７Ａ及び図７Ｂを用いて具体的に説明する。図７Ａは、ペルチェ素子の構造を示す一部断面を含む概略斜視図であり、図７Ｂは、ペルチェ素子の原理図である。

図７Ａに示すように、ペルチェ素子３２は、Ｐ型の熱電半導体素子３２１とＮ型の半導体素子３２２とを上側の銅電極３２３及び下側の銅電極３２４で接合し、これらを多数直列に接続し、好ましくは可撓性を有するセラミック基板３２５及びセラミック基板３２６によって上下から挟み込んだ構造となっている。そして、多数直列に接続されたＰ型の熱電半導体素子３２１及びＮ型の半導体素子３２２には、リード線３２７及びリード線３２８を通して直流電流が供給される。

図７Ｂに示すように、Ｎ型の半導体素子３２２の方からを直流電流を流すと、図の上側の接合面から下側の接合面へ熱を運ぶ。このときに、下側の銅電極３２４から十分な放熱を行うと、上側の銅電極３２３で吸熱作用を連続的に得ることができる。また、電源部３２９の極性、即ち直流電流の流れる方向を逆にすることにより、熱の移動方向が逆になるため、上側の銅電極３２３で放熱作用を連続的に得ることができる。従って、直流電流の流れる方向を変えることによって冷却／加温を切り替えることができる。

［制御ユニット］
図１において、ヘッドキャップ１０に装備される制御ユニット５０は、熱源部３０の温度、より具体的には、複数のペルチェブロック（熱電素子ブロック）３５_-1〜３５_-5の温度を制御する制御部であって、コード６０によってヘッドキャップ１０と電気的に接続されている。以下に、制御部である制御ユニット５０の具体的な構成について、図８を用いて説明する。

図８は、制御ユニット（制御部）５０の構成の一例を、ペルチェブロック３５及び温度センサーブロック３６と共に示すブロック図である。先述したように、ヘッドキャップ１０には、ペルチェブロック３５及び温度センサーブロック３６がそれぞれ複数列ずつ内蔵される。

図３との対応関係では、ペルチェブロック３５が５列（３５_-1〜３５_-5）配置され、温度センサーブロック３６が４列（３６_-1〜３６_-4）配置されている。また、ペルチェブロック３５_-1〜３５_-5の各々について、ペルチェ素子３２の個数ｎはｎ＝６である。また、温度センサーブロック３６_-1〜３６_-4において、温度センサー３４の個数ｍは、温度センサーブロック３６_-1，３６_-2ではｍ＝３であり、温度センサーブロック３６_-3，３６_-4ではｍ＝２である。

図８に示すように、５列分のペルチェブロック３５_-1〜３５_-5の各々において、ｎ個のペルチェ素子３２_-1〜３２_-nは互いに直列に接続され、最終段に抵抗素子Ｒが接続されている。また、５列分のペルチェブロック３５_-1〜３５_-5は互いに並列に接続されている。そして、ペルチェブロック３５_-1〜３５_-5の各出力端は、共通に接続されて接地されている。尚、ここでは、ペルチェブロック３５が、直列接続された複数のペルチェ素子３２_-1〜３２_-nから構成されるとしたが、これに限られるものではなく、単一のペルチェ素子３２から成る構成であってもよい。

ペルチェブロック３５及び温度センサーブロック３６と制御ユニット５０との間においては、コード６０によりＩ／Ｏコネクタ１８を介して信号の授受が行われる。具体的には、制御ユニット５０からペルチェブロック３５_-1〜３５_-5に対して、温度を制御する直流電流（パルス電流）が供給される。また、温度センサーブロック３６_-1〜３６_-4から制御ユニット５０に対して、個々の温度センサー３４がペルチェブロック３５_-1〜３５_-5の温度を検知した検知信号（検知温度の情報）が供給される。

図８に示すように、制御ユニット（制御部）５０は、電流制御部５１、極性制御部５２、温度表示部５３、電源端子５４、及び、外部出力端子５５を有する構成となっている。電流制御部５１には、電源部７０から電源端子５４を介して直流電流が供給される。電源部７０は直流安定化電源である。この直流安定化電源から成る電源部７０に対して、電流制御部５１、コード６０、及び、Ｉ／Ｏコネクタ１８を介して、単一のペルチェ素子３２又は直列接続された複数のペルチェ素子３２_-1〜３２_-nから成る複数のペルチェブロック３５_-1〜３５_-5が並列接続されることになる。

直流安定化電源から成る電源部７０は、商用電源（例えば、１００［Ｖ］／２４０［Ｖ］）の整流電源、車輛電源、又は、携帯可能な電池パック電源に基づいて動作する。直流安定化電源の元が商用電源の整流電源の場合には、医療用装具であるヘッドキャップ１０を例えば病院で用いることができる。直流安定化電源の元が車輛電源の場合には、ヘッドキャップ１０を例えば救急車で用いることができる。直流安定化電源の元が携帯可能な電池パック電源の場合には、ヘッドキャップ１０を例えば救急車、救難ヘリコプター、救急医療専用ヘリコプター等、スペースに限りがある環境で用いることができるとともに、屋外など任意の場所での使用が可能になる。

制御ユニット５０において、電流制御部５１は、複数のペルチェブロック３５_-1〜３５_-5に対して断続的にパルス電流を供給する制御を行うことによってペルチェブロック３５_-1〜３５_-5の温度制御を行う。具体的には、電流制御部５１は、温度センサーブロック３６_-1〜３６_-4の各温度センサー３４の検知温度、より具体的には、各温度センサー３４の検知温度の平均値を算出し、この算出した平均値に基づいてペルチェブロック３５_-1〜３５_-5の温度制御を行う。

先述したように、ペルチェ素子３２は、直流電流の流れる方向を変えることによって冷却／加温を切り替えることができる。そこで、電流制御部５１は、極性制御部５２による制御の下に、ペルチェブロック３５_-1〜３５_-5に流す直流電流の極性（方向）を反転することによって冷却／加温を切り替える。この冷却／加温の切り替えによって、患者の頭部の冷却治療のみならず、必要に応じて、あるいは、患者の容態に応じて、加温治療を行うこともできる。あるいは又、ペルチェブロック３５_-1〜３５_-5の温度が、予め標準的に定められた設定温度の制御範囲から極端に逸脱した場合には、冷却／加温の切り替えによって、ペルチェブロック３５_-1〜３５_-5の温度を制御範囲内に迅速に戻す制御を行うこともできる。

脳が重大な障害を受けた場合の脳低温療法では、一般的に、脳温を３３±１℃程度に保つのが適正であるとされている。従って、ここでは、３３±１℃に対応する温度が予め標準的に定められた設定温度ということになる。そして、電流制御部５１は、ペルチェブロック３５_-1〜３５_-5の温度が、３３±１℃に対応する制御範囲内、即ち、３４℃に対応する温度を上限値とし、３２℃に対応する温度を下限値とする制御範囲内になるように制御することになる。また、電流制御部５１は、ペルチェブロック３５_-1〜３５_-5にパルス電流を流す時間（パルス数）によって冷却／加温効果を強めたり、弱めたりすることができる。そして、パルス電流によるデジタル制御であることにより、滑らかな温度制御を実現できる。

ここで、予め標準的に定められた設定温度については、患者の容態に応じて変更できるようにするとよい。また、熱源部３０の温度の制御についても、種々の制御手法をとることができる。一例として、重大な脳障害の初期段階では、設定温度を極めて低く設定して患者の頭部を急冷し、段階的に設定温度を上げていき、最終的に、ペルチェブロック３５_-1〜３５_-5の温度が、脳低温療法で一般的に適正とされている３３±１℃に対応する温度範囲を制御範囲として、当該制御範囲内を維持するように冷却温度を微調整する等のフィールドプログラマブルな制御を行うことができる。

尚、ここでは、フィールドプログラマブルな制御範囲を、脳低温療法で一般的に適正とされている３３±１℃に対応する温度範囲としたが、これは一例に過ぎず、これに限られるものではない。例えば、治療の現場において、患者の容態に応じて、制御範囲を３３±１℃よりも極めて低い温度範囲に設定することも可能である。あるいは又、３３±１℃に対応する温度範囲以外にも、３３±０．５℃、３３±０．２５℃、３３±０．１℃など、より狭い温度範囲とすることも可能である。制御範囲をより狭い温度範囲とすることにより、制御精度を高めることができる。

電流制御部５１は、温度センサーブロック３６_-1〜３６_-4の各温度センサー３４の検知温度の平均値を算出した際に、その算出した平均値を示す温度信号を温度表示部５３に供給する。これにより、各温度センサー３４の検知温度の平均値が、ペルチェブロック３５_-1〜３５_-5の平均温度として温度表示部５３に表示される。温度表示部５３は、図１に示す制御ユニット５０の本体上面あるいは本体前面に配置されることで、医師や看護士、あるいは救命救急隊員等に対してペルチェブロック３５_-1〜３５_-5の現在の平均温度を告知（提示）することができる。

尚、ここでは、温度表示部５３を制御ユニット５０の本体上面あるいは本体前面に配置するとしたが、図９Ａに示すように、ヘッドキャップ１０における患者の頂頭部の前面側（顔側）に対応する部位に温度表示部５３を配置する構成を採るようにしてもよい。この構成を採ることにより、医師や看護士、あるいは救命救急隊員等は、ペルチェブロック３５_-1〜３５_-5の温度を脳温として、患者の容態と共に確認できることになる。温度表示部５３の表示例を図９Ｂに示す。ここでは、脳低温療法で一般的に適正とされている３３±１℃の温度範囲の中心、即ち３３．０℃をデジタル表示した例を示している。

電流制御部５１で算出された平均値を示す温度信号は、例えば、外部出力端子５５を通して制御ユニット５０の外部へ出力され、ヘッドキャップ１０に装備された温度表示部５３に供給されることになる。また、外部出力端子５５から出力される温度信号を、ヘッドキャップ１０に装備された温度表示部５３の他にも、必要に応じて、例えば病室に装備されている外部表示装置（例えば、モニター）に供給し、当該外部表示装置にペルチェブロック３５_-1〜３５_-5の平均温度を表示するようにすることも可能である。

（温度制御の処理手順）
制御ユニット（制御部）５０の電流制御部５１は、例えば、マイクロコンピュータなどによって構成される。ここで、電流制御部５１による熱源部３０の温度の制御の処理手順について、図１０のフローチャートを用いて説明する。

図１０は、電流制御部５１による熱源部３０の温度の制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。本フローの一連の処理は、例えば、制御ユニット５０に備えられている電源スイッチ（図示せず）の投入（電源オン）を受けて開始されるものとする。ここでは、患者の頭部を冷却する際に、重大な脳障害の患者の頭部にヘッドキャップ１０を装着した段階で電源スイッチが投入される場合を例に挙げて説明することとする。また、熱源部３０の温度の最終的な制御範囲を、脳温が脳低温療法で一般的に適正とされている３３±１℃となるように制御する。従って、熱源部３０の温度の制御範囲は、３３±１℃の温度範囲に対応することになる。具体的には、制御範囲の上限値Ｔ_Highは３４℃に対応し、下限値Ｔ_Lowは３２℃に対応することになる。

患者の頭部にヘッドキャップ１０が装着され、電源スイッチが投入されると、これを受けて電流制御部５１は、ペルチェブロック３５_-1〜３５_-5に対して所定方向の直流電流（パルス電流）を連続的に供給することによって熱源部３０を冷却する状態とする（ステップＳ１１）。次に、電流制御部５１は、温度センサーブロック３６_-1〜３６_-4の各温度センサー３４の検知温度を取り込み（ステップＳ１２）、次いで、これらの検知温度の平均値を算出する（ステップＳ１３）。

ここで、重大な脳障害の患者の頭部の温度は、一般的に、平熱よりも高い状態にある。従って、患者の頭部の温度の影響を受けて、熱源部３０の温度は上昇する傾向にある。そこで、電流制御部５１は、検知温度の平均値が制御範囲の上限値Ｔ_Highを超えるか否かを判断する（ステップＳ１４）。そして、電流制御部５１は、検知温度の平均値が制御範囲の上限値Ｔ_Highを超えていれば、ステップＳ１１に戻ってペルチェブロック３５_-1〜３５_-5に対して直流電流を連続的に供給し、冷却状態を継続する。

電流制御部５１は、検知温度の平均値が制御範囲の上限値Ｔ_Highを超えていなければ、続いて、検知温度の平均値が制御範囲の下限値Ｔ_Lowを下回るか否かを判断する（ステップＳ１５）。そして、電流制御部５１は、検知温度の平均値が制御範囲の下限値Ｔ_Lowを下回っていれば、ペルチェブロック３５_-1〜３５_-5に対する直流電流の供給を停止する（ステップＳ１６）。直流電流の供給を停止することで、熱源部３０の冷却状態が解除される。これにより、熱源部３０の温度が上昇し、検知温度の平均値が制御範囲内に入ることになる。尚、検知温度の平均値が制御範囲の下限値Ｔ_Lowを下回った場合には、ペルチェブロック３５_-1〜３５_-5に流す電流の向きを逆にし、熱源部３０の加温状態にすることによって、検知温度の平均値を制御範囲内に迅速に戻す制御を行うことも可能である。

電流制御部５１は、ステップＳ１６の処理後、ステップＳ１４に移行することで、検知温度の平均値が制御範囲の上限値Ｔ_Highを超えるか否かを再度判断する。そして、ステップＳ１４からステップＳ１６までの処理を繰り返すことで、検知温度の平均値が制御範囲内に維持されることになる。電流制御部５１は、検知温度の平均値が制御範囲内に維持され、ステップＳ１５で検知温度の平均値が制御範囲の下限値Ｔ_Lowを下回らないと判断すると、続いて、制御停止か否か（制御停止の指令が発せられたか否か）を判断する（ステップＳ１７）。制御停止の指令は、例えば、制御ユニット５０に備えられている制御停止ボタン（図示せず）を、医師や看護士、あるいは救命救急隊員等が操作することによって発せられる。そして、制御停止であれば、本フローの一連の処理を終了し、制御停止でなければ、ステップＳ１４に戻ってステップＳ１４からステップＳ１７までの処理を繰り返して実行する。

上述した温度制御において、温度を例えば０．１℃ステップで変化させるとした場合、リアルタイムで検知温度の平均値を算出して温度を制御することも可能であるが、一定期間（例えば、１０秒）毎に検知温度の平均値を算出したり、あるいは、当該一定期間における検知温度の平均値を算出したりして温度を制御する方が、安定した制御を行うことができるため好ましい。

以上の一連の温度制御の処理により、患者の脳温を脳低温療法で一般的に適正とされている３３±１℃の温度範囲内に維持できることになる。上記の制御例では、患者の頭部に本ヘッドキャップ１０を装着した段階で、制御ユニット５０の電源ＯＮによって開始するようにしているが、これに限られるものではない。例えば、患者の頭部に本ヘッドキャップ１０を装着していない状態でも、常時、温度センサーブロック３６_-1〜３６_-4の各温度センサー３４の検知温度の平均値を制御範囲内に維持するようにして管理しておくこともできる。これにより、熱源部３０の温度が常時上記の制御範囲内に維持された状態にあるため、重大な脳障害の救急患者が搬送された際に、患者の脳を本ヘッドキャップ１０によって直ちに冷却する処置を行うことができることになる。

以上、説明したように、本実施形態に係るヘッドキャップ１０は、インナーキャップ２０及びアウターキャップ４０が、ペルチェ素子３２を含む熱源部３０を挟んで積層された３層構造となっていることを特徴としている。これによれば、熱源部３０の熱をアウターキャップ４０によって効率的に外気へ放熱できるため、熱源部３０の精密な温度管理、ひいては、患者の脳の精密な温度管理を実現できる。その上で、制御ユニット（制御部）５０が、熱源部３０に設けられた温度センサー３４の検知温度に基づいて、ペルチェブロック３５_-1〜３５_-5に対して断続的にパルス電流を供給する制御を行うことになるため、熱源部３０の温度、ひいては、患者の脳温を所望の温度範囲内に精度よく維持する制御を実現できる。

尚、上記の実施形態では、自動制御によって患者の脳温を制御範囲内に維持する場合を例に挙げて説明したが、これは一例に過ぎず、自動制御に限られるものではない。例えば、患者の容態に応じて、適宜、図１０のフローチャートに沿った自動制御を解除し、手動制御により、３３±１℃の温度範囲に対応する制御範囲よりも極めて低い温度を、患者の容態に適した冷却温度として設定して患者の脳を急冷したり、あるいは、手動制御と自動制御とを組み合わせて実行したりすることも可能である。

＜ヘッドキャップの使用例＞
次に、以上説明した本実施形態に係るヘッドキャップ１０の使用例について説明する。本ヘッドキャップ１０は、基本的に、重大な脳障害の患者の頭部に装着され、患者の脳を冷却するのに用いられる。図１１に、ヘッドキャップ１０を装着した患者がベッド又はマット８０上に寝かされた状態を示す。

図１１に示すように、ベッド又はマット８０上に患者を寝かせるにあたっては、患者の頭部とベッド又はマット８０との間に、中空の頭部台座（中空枕）９０を介在させるのが好ましい。患者の頭部の下に中空の頭部台座９０を配し、患者の頭部をベッド又はマット８０から隔離することで、ヘッドキャップ１０周りの通気性を高めて自然冷却を促進することができる。その結果、ヘッドキャップ１０のアウターキャップ４０からの外気への放熱を助長することができる。中空の頭部台座９０としては、アウターキャップ４０からの外気への放熱を助長できるものであればよく、その構造は問わなく、種々の構造のものを用いることができる。

本実施形態に係るヘッドキャップ１０は、左側の端部１２と右側の端部１３との結合部に面ファスナー１４（図１参照）を用いているために、患者の頭部、特に、首周りのサイズの大小に関係なく対応できる。しかし、極端なサイズの違いにも対応できるようにするために、ヘッドキャップ１０を単一サイズではなく複数サイズ、例えば子供用と大人用の２サイズを用意しておくのが好ましい。これにより、基本的に、子供から大人まであらゆるサイズの頭部に対応できることになる。また、本ヘッドキャップ１０は、医療用装具として、規模の大きな大病院の他、規模の小さな小病院や、スペースに限りがある環境、例えば救急車、救難ヘリコプター、救急医療専用ヘリコプター等に常備しておくようにすることが好ましい。このとき、常時、熱源部３０の温度が３３±１℃の温度範囲内に維持された状態で保管しておくのが好ましい。これによれば、重大な脳障害の救急患者が搬送された際に、直ちに患者の脳を冷却する処置を行うことができるため、救命率や機能予後の向上に寄与できることになる。

＜変形例＞
以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。実施形態において説明したヘッドキャップの構成、構造はあくまでも例示に過ぎず、適宜、変更することができる。例えば、上記の実施形態では、熱源部３０のペルチェ素子３２と同じ層に温度センサー３４を配置するとしたが、インナーキャップ２０の内面側に温度センサー３４を配置し、患者の頭部の温度を直接検知し、その検知温度（例えば、複数の温度センサーの平均値）に基づいてペルチェブロック３５_-1〜３５_-5の温度を制御するようにすることもできる。患者の頭部の温度を直接検知する場合には、熱源部３０の制御範囲の上限値Ｔ_High及び下限値Ｔ_Lowは、脳低温療法で一般的に適正とされている脳温の上限値３４℃及び下限値３２℃とほぼ一対一の対応関係となる。

１０・・・ヘッドキャップ、１１・・・開口部、１２・・・左側の端部、１３・・・右側の端部、１４・・・面ファスナー、１８・・・Ｉ／Ｏコネクタ、２０・・・インナーキャップ、２１・・・布被覆ヘッドスキンキャップ、２２・・・熱伝導性シリコーンラバー、３０・・・熱源部、３１・・・接着層、３２・・・ペルチェ素子、３３・・・セパレータ、３４・・・温度センサー、３５（３５_-1〜３５_-5）・・・ペルチェブロック、３６（３６_-1〜３６_-4）・・・温度センサーブロック、４０・・・アウターキャップ、４１・・・熱伝導性シリコーンゲル、４１Ａ・・・放熱フィン、４１Ｂ・・・放熱片、４１Ｃ・・・貫通孔、４２・・・熱伝導性シリコーンラバー、５０・・・制御ユニット（制御部）、６０・・・コード、７０・・・電源部（直流安定化電源）、８０・・・ベッド又はマット、９０・・・中空の頭部台座（中空枕）

Claims (17)

1. 患者の頭部に装着可能なインナーキャップ、
   複数の熱電素子を有する熱源部、及び、
   熱源部の熱を外気へ放熱するアウターキャップが、順次、積層されて成ることを特徴とするヘッドキャップ。
2. 複数の熱電素子は、ペルチェ素子から成ることを特徴とする請求項１に記載のヘッドキャップ。
3. インナーキャップは、布被覆ヘッドスキンキャップと熱伝導性シリコーンラバーとが積層されて成ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヘッドキャップ。
4. インナーキャップは、熱伝導性シリコーンラバーに対して高熱伝導性グラファイトが積層されて成ることを特徴とする請求項３に記載のヘッドキャップ。
5. アウターキャップは、外気に直接触れる熱伝導性シリコーンゲルと熱伝導性シリコーンラバーとが積層されて成ることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のヘッドキャップ。
6. アウターキャップは、熱伝導性シリコーンラバーに対して炭素繊維又は熱伝導性グラファイトが積層されて成ることを特徴とする請求項５に記載のヘッドキャップ。
7. 熱伝導性シリコーンゲルは、放熱機構部を有することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のヘッドキャップ。
8. 放熱機構部は、熱伝導性シリコーンゲルと同じ材料にて一体的に形成されることを特徴とする請求項７に記載のヘッドキャップ。
9. 熱源部は、直流安定化電源に接続される、単一の熱電素子から成る複数の熱電素子ブロック、又は、直列接続された複数の熱電素子から成る複数の熱電素子ブロックが並列接続されて構成されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のヘッドキャップ。
10. 複数の熱電素子ブロックの温度を制御する制御部を備えていることを特徴とする請求項９に記載のヘッドキャップ。
11. 熱源部は、複数の温度センサーを有しており、
    制御部は、複数の温度センサーの検知温度に基づいて複数の熱電素子ブロックの温度を制御することを特徴とする請求項１０に記載のヘッドキャップ。
12. 制御部は、複数の温度センサーの検知温度の平均値を算出し、この算出した平均値に基づいて複数の熱電素子ブロックの温度を制御することを特徴とする請求項１１に記載のヘッドキャップ。
13. 制御部は、複数の熱電素子ブロックに対して断続的にパルス電流を供給する制御を行うことを特徴とする請求項１２に記載のヘッドキャップ。
14. 制御部は、複数の熱電素子ブロックに流す電流の極性を反転することによって冷熱／加温の切替え制御を行うことを特徴とする請求項１３に記載のヘッドキャップ。
15. 制御部は、予め標準的に定められた設定温度を基準として複数の熱電素子ブロックの温度制御を行うことを特徴とする請求項９から請求項１４のいずれか１項に記載のヘッドキャップ。
16. 予め標準的に定められた設定温度は、変更可能であることを特徴とする請求項１５に記載のヘッドキャップ。
17. 直流安定化電源は、商用電源の整流電源、車輛電源、又は、携帯可能な電池パック電源に基づいて動作することを特徴とする請求項９から請求項１６のいずれか１項に記載のヘッドキャップ。

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