KR20120028360A

KR20120028360A - 혈액 관류 증가 장치 및 피부 방열 향상 장치

Info

Publication number: KR20120028360A
Application number: KR1020127000162A
Authority: KR
Inventors: 도날드 에이. 아이스; 루돌프 제이. 호프마이스터; 우에인 엘. 블록; 잔 립슨
Original assignee: 씨8 메디센서스, 인크.
Priority date: 2009-06-04
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2012-03-22
Also published as: WO2010141262A1; US20100312314A1; EP2437697A1; CN102458318A

Abstract

온도 상승에 의해 피부에서의 혈액 관류를 증가시키기 위한 장치 및 열 소산 장치의 피부로의 우수한 방열을 제공하기 위한 장치가 기재되어 있다. 증가된 관류는, 소산 장치를 피부에 열적으로 연결하는데 바람직하게 사용되는 상승된 온도의 영역 근처에서 향상된 열 전달 특성을 생기게 한다. 열 소산 장치에 의해 발생되는 열은 피부 온도를 상승시키기 위하여 별개의 열 요소를 보충하거나 또는 대체할 수 있다. 또한, 소산 장치의 히트 싱크로부터 가열된 피부 영역의 단열이 히트 싱크와 접촉하는 피부 온도를 최소화할 수 있다.

Description

혈액 관류 증가 장치 및 피부 방열 향상 장치{APPARATUS FOR INCREASING BLOOD PERFUSION AND IMPROVING HEAT SINKING TO SKIN}

관련출원 상호 참조

본 출원은, 전체가 참조로 여기에 통합된, 발명의 명칭이 "혈액 관류 증가 장치 및 피부 방열 향상 장치"인 2009년 6월 4일 출원된 미국 가출원 제 61/184,056호를 35 U.S.C. § 119(e)에 따라 우선권을 주장한다.

본 발명은, 온도 조절에 의해, 혈액이 지나가는 살아 있는 생물학적 조직의 방열 특성을 향상시키는 것에 관한 것으로, 이는 결과적으로 국부 혈액 관류에 영향을 미친다.

일부 용도에서, 살아 있는 조직의 하나 이상의 특성은 어떤 장치 또는 조직 상에 장치의 집합을 장착함으로써 측정되고, 그 장치가 포함하는 일부 구성은 열을 소산시킨다. 히트 싱크에 열 소산 구성이 필요하다면, 방열 용량이 충분하지 않을 수 있기 때문에 공기의 자유로운 대류를 사용하여 그렇게 하는 것은 바람직하지 않을 수 있다. 또한, 강제적인 공기 대류를 사용하는 것은 특히, 배터리 작동 장치에 대하여 관심사인 증가된 전력 소비 때문에 바람직하지 않을 수 있다. 어떤 환경에서는, 생물학적 조직은 열 소산 구성용 바람직한 히트 싱크를 제공하는 것에 의존되어야 한다.

피부가 혈액으로 잘 관류되지 않는다면 피부의 열 전도성은 낮고, 따라서 관류가 히트 싱크 부위에서 충분하지 않는다면 피부는 방열에 적합하지 않을 수 있다.

또한, 생물학적 조직의 특성이 측정되는 일부 용도에서, 측정 정확도를 위하여 조직 내의 혈액의 관류를 조절하는 것이 바람직하다. 이러한 경우의 일 예는 사람 피부의 글루코스의 측정이고, 충분한 혈액 관류가, 혈액 및 간질액(interstitial fluid)에서의 글루코스의 국부 농도가 몸의 전체 혈액 부피에서 평균 글루코스 농도와 평행에 도달하는데 필요하다.

게다가, 낮은 암전류 광학 검출기가 필요한 용도에서, 검출기의 온도를 가능한 낮은 수치로 냉각을 위한 전력 소비 제한과 일치하게 유지시키는 것이 바람직하다. 따라서 검출기용 또는 검출기의 냉각기용 싱크 온도는, 어떤 하나가 사용된다면, 가능한 낮아야 하고, 반면에, 예를 들면, 측정 주위에서의 생물학적 샘플의 온도는 혈액 관류를 증가시키기 위하여 더 높은 것이 바람직할 것이다. 따라서 상이한 방열 구성에서의 그리고 생물학적 샘플 상의 측정 부위에서의 히트 싱크 사이의 온도차를 제공하는 어떠한 수단을 가지는 것이 유용하다.

1984년의 W. F. Taylor 등의 응용 생리학 및 호흡기 환경 운동 생리학 저널(J. Appl. Physiol.: Respirat. Environ. Exercise Physiol.) 57(1) 191-196에서의 "피부의 혈관확장 반사작용(reflex cutaneous vasodilation)에서 높은 국부 온도의 영향"에서 증명된 바와 같이, 상온으로부터 40℃ 근방으로 가열된다면, 혈액 관류는 생물학적 샘플에서 한 자릿수만큼 증가할 수 있다. 미국 특허 제7,509,153호에서, 블랭크(Black) 등은 글루코스가 측정되는 부위의 온도가 조절되는 피부 관류 제어 장치를 기재하고 있다. 상기 특허는 미국 특허 제6,640,117호 및 제7,039,446호의 부분계속출원이다. 블랭크는 피부의 혈액 관류를 온도 조절 및 분광법으로 혈액 관류의 효과를 모니터함으로써 제어하는 수단을 개시하고 있고, 상기 제어 수단에서 모니터와 온도 조절은 폐쇄 루프 시스템의 일부가 될 수 있다. 장치의 일부가 될 수 있거나 또는 가열된 구성 피부 온도와 측정 부위의 온도 사이의 온도차를 유지시키는 열 소산 구성의 피부로의 방열은 고려되지 않고 있다. 열 소산 구성용 히트 싱크의 주위에서 충분한 혈액 관류를 보장하는 배치가 존재하지 않는다.

본 발명은 종래 기술이 가지는 문제점을 해결하고자 하는 것이다.

이러한 제한 사항 또는 다른 제한 사항은, 국부 혈액 관류를 증가시킴으로써 생물학적 샘플의 표면상에 있는 열 소산 구성용 히트 싱크의 열 전도가 향상될 수 있는 장치를 기재하고 있는 본 발명에 의해 해결된다. 또한, 히트 싱크 구성에서와 생물학적 조직의 특성이 측정되는 부위에서의 온도를 상이하게 유지시키는 것이 가능하다. 유체 흐름의 연속성의 요구사항으로부터, 관류는 가열되는 부위 주위의 영역에서 증가되어야 하는 것을 알 수 있게 되고, 따라서 이러한 이웃하는 위치에서 열 전도를 향상시키는 반면에, 가열된 부위의 온도와 동일한 정도로 온도를 증가시키기 않는다. 장치가 생물학적 샘플과 접촉하는 경우, 상이한 영역 사이의 단열이 어떻게 유지될 수 있는 지를 보여준다. 또한, 광 검출기와 관련된 히트 싱크를 광원과 관련된 히트 싱크로부터 격리시키기 위하여, 이러한 단열이 어떻게 유익하게 사용될 수 있는 지를 보여주고, 이러한 히트 싱크 모두는 생물학적 샘플의 특성이 측정되는 부위로부터 단열된다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 다른 부위에서 생물학적 샘플의 상이한 온도를 유지할 수 있고, 하나 이상의 부위에서 생물학적 샘플의 특성을 측정하는데 사용되는 장치의 블록 다이어그램이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 생물학적 샘플의 특성의 광학 측정을 특정한, 도 1의 기능을 구비한 장치의 블록 다이어그램이다.
도 3은, 도 2를 참조하여 기술된 기능에 따른 장치의 바람직한 실시예의 개략도이다.

도 1은 혈액이 지나가는 생물학적 샘플(10)을 도시하고, 혈액의 흐름은 어떠한 온도 범위에 걸쳐서 온도에 증가하는 함수이다. 가열기(20)가 사람 혈중 포도당 농도와 같은 특성이 측정되는 인간 생물학적 샘플(10)의 일부를 가열하는데 사용된다. 장치(30)가 가열기(20)와 열평형을 이룬 측정 부위(15)의 온도를 모니터한다. 측정 장치(40)가 생물학적 샘플(10)의 측정 부위(15)의 특성을 측정하는데 사용된다. 단열체(50)가 가열기(20)로부터 생물학적 샘플(10)의 다른 영역으로 열의 흐름을 차단한다. 제1 방열 구성의 히트 싱크(heat sink)(60)가 측정 장치(40)에 포함된다. 또한, 제2 방열 구성의 제2 히트 싱크(70)가 측정 장치(40)에 포함된다.

측정 부위(15)에서의 온도가 증가될 때, 측정 부위(15)의 주위에서의 생물학적 조직(10) 내외로의 혈액 유동이 증가된다. 일 실시예에서, 생물학적 조직은 적어도 20mm² 영역에서 가열된다. 증가된 혈액의 유동은 가열된 영역으로부터 일정 거리에 지속되고, 실질적으로 증가된 유동 영역(75)이 도 1에 생물학적 샘플(10)의 일부로써 도시된다. 샘플(10)의 국부 열 전도는, 샘플이 열 전도성이 낮은 생물학적 조직으로 구성되어, 인가되는 어떠한 열 없이는 온도가 샘플의 전형적인 평형온도 위로 상승되지 않을 때, 혈액 흐름에 의해 상당히 영향받을 수 있다. 이와 같은 것이 사람 피부의 경우이다. 히트 싱크에 제한된 영역에 걸쳐 낮은 열 임피던스(thermal impedence)를 가진 열 소산 구성(thermally dissipative component)이 필요하다면, 증가된 혈액 흐름은 중요하게 될 것이다. 히트 싱크가 실질적으로 증가된 혈액 흐름의 영역(75)에 연결된다면, 열 소산 장치로부터의 열 경로의 열 임피던스는 최소화될 수 있다.

도 2는, 생물학적 샘플(10)의 광학 측정을 수행하는 장치에 도 1 방식의 기본 구현을 나타내는 블록 다이어그램이다. 광학 윈도우(80)가 가열기(20)와 샘플(10) 사이에 배치된다. 광(90)이 윈도우(80)를 통하여 샘플(10) 내로 주입될 수 있고, 산란광(100)도 윈도우(80)를 또한 통과할 수 있다. 히트 싱크(60)는 광원으로부터 열 흐름(110)에 연결된다. 히트 싱크(70)는 광학 검출기로부터 열 흐름(120)에 연결된다. 상이한 또는 추가된 열 소산 장치가 히트 싱크(60 및/또는 70) 또는 다른 히트 싱크에 연결될 수 있다고 이해될 것이다. 두 개의 히트 싱크(60, 70)는 열적으로 격리되지만 각각은 이웃의 가열 때문에 열 임피던스가 개선되기 때문에, 도 2에 도시된 실시예는, 광원으로부터 열 흐름이 클 때, 특히 바람직하지만, 검출기를 최소 온도로 유지하는 것이 요구된다.

가열기(20)는, 특히, 바람직한 실시예에서 니켈-크롬 저항 도체 또는 어떠한 다른 저항 합금의 도체를 사용하는 가요성 회로로 제작될 수 있는 저항 가열기로 적합하게 선택된다. 온도 센서(30)는 예를 들면, 서미스터(thermistor) 또는 서모커플(thermocouple)로 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 측정 부위(15)에서 균일한 열 분포를 보장하기 위하여, 광학 윈도우(80)는 열 전도성이 피부의 열 전도성보다 상당히 더 큰 재료로 선택되어야 한다. 가시광선 또는 근적외선용으로 적합한 선택 사항으로서, 탄화 규소 단결정 재료(silicon-carbide single-crystal material), 사파이어(sapphire), 또는 다이아몬드가 있다. 저-도핑된 실리콘은 1-6㎛ 파장 영역에서의 방사에서 최적의 선택이 된다.

광학 측정 장치의 경우는 라만 분광기(Raman spectroscopy), 근적외선 분광기(near-infrared spectroscopy), 중적외선 분광기(mid-infrared spectroscopy), 광간섭 단층 영상기(optical coherence tomography), 및 확산반사 측정기(diffuse reflectance measurement)가 적합할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

측정될 수 있는 특성은 글루코스(glucose), 헤모글로빈(hemoglobin), 물, 중성지방(triglycerides) 또는 전해질(electrolytes)과 같은 분석물의 농도를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 추가적으로, 온도, 맥박 및 혈액 관류(blood perfusion)와 같은 특성이 포함될 수 있다.

단열체(50)는 중합체 또는 공기로 선택될 수 있다. 실리카 에어로겔(silica aerogel) 또한 대류에 의한 열 전달을 줄이는 적절한 선택이 된다.

히트 싱크(60, 70)는 알루미늄 또는 구리와 같은 고-열 전도성 금속으로부터 적절하게 선택된다.

도 3은 특히 바람직한 실시예의 개략도 분해도로서, 살아 있는 포유동물 유기체의 피부 상에 사용되기에 적합하다. 레이저(120)가 레이저 장착부(130)에 의해 블록(140)에 장착되고, 서미스터(150), 가요성 회로의 가열기(160), 윈도우(170), 윈도우 리테이너(window retainer)(175)가 또한 블록(140)에 장착된다. 블록(140)의 하부면(230)은 베이스(220)의 상부면(180) 상에 놓여진다. 냉각기(200)의 고온측으로부터 베이스(220)로 전이하기 위하여, 도 3에서 예를 들어 도시된 바와 같이, 패키지된 검출기(190), 냉각기(200), 및 히트 싱크(210)가 또한 베이스(220)에 장착된다.

가열기(160)는, 일 실시예에서 바람직하게는 가시광선 또는 근적외선 적용에 대하여 탄화 규소, 사파이어, 또는 다이아몬드로 제작된 윈도우(170)를 가열한다. 윈도우 리테이너(175)는 중합체와 같은 저-열 전도성 재료로 제작되어, 베이스(220)로부터 가열된 윈도우(170)를 단열시켜, 열이 단지 원하는 영역에만 적용되도록 하는 것을 보장한다. 베이스(220)는 상부면(180)의 반대편에서 피부와 접촉한다. 베이스(220)는 바람직하게는 양호한 열 전도성을 달성하기 위하여 알루미늄으로 제작된다. 열전 냉각기(200)는 검출기(190)를 냉각시키고, 냉각기의 고온측으로부터의 열은 히트 싱크(210)에서 저장되어 그 이후 베이스(220) 내로 이동한다. 히트 싱크(210)의 위치는 가열된 윈도우(170) 및 레이저(120)를 포함하는 조립체 둘 모두로부터 완전히 이격되어, 피부가 가열된 윈도우(170)로부터의 열 흐름 또는 레이저(120)에 의한 방열의 온도로 상승되지 않도록 하다. 냉각기(200)의 고온측에 대한 히트 싱크(210)의 온도가 최소화되기 때문에, 이것은 열전 냉각기(200)가 고정된 전력 소비에 대하여 냉각기의 저온측 상에서 저온을 달성하도록 한다. 냉각이 필요하지 않다면, 열전 냉각기(200)는 생략될 수 있고, 검출기(190)는 직접 히트 싱크(210)에 장착될 수 있다.

약 40℃의 피부 온도가 피부와 접촉하는 가열된 윈도우(170) 주위에서 유지된다면, 혈액 관류는 높게 될 것이다. 일부 실시예에서, 가열되는 생물학적 조직의 일부는 20℃ 초과 50℃ 미만의 온도를 가진다. 블록(140)은 레이저(120)로부터 혈액 관류가 여전히 높은, 가열된 윈도우(170) 주위의 베이스(220)로 열을 전도하지만, 윈도우 리테이너(175)에 의해 제공되는 단열체 때문에 온도는 가열된 윈도우(170)의 온도만큼 높게 상승되지 않는다. 이러한 배치는 레이저(120)에 대하여 낮은 열 임피던스 및 낮은 히트 싱크 온도를 모두 제공한다.

일 실시예에서, 도 3은 거의 스케일대로 이고, 윈도우(170)는 약 8mm의 지름에 걸쳐 피부와 접촉한다. 이는 사람 피부의 혈액 관류에서 국부적으로 최대 이용가능한 증가를 얻기 위한 충분한 영역으로 알려져 있다.

다른 바람직한 실시예에서, 윈도우 리테이너(175)는 예를 들면, 40W/m°K를 초과하는 고-열 전도성으로 만들어질 수 있다. 레이저(120)용 히트 싱크와 가열된 윈도우(170)는 이후 열적으로 연결될 것이다. 이러한 배치는, 방열을 향상시키는 것 이외에 다른 이유로 혈액 관류가 증가되는 것이 필요할 때 바람직하고, 최소한의 전력 소비로 가열함으로써 그렇게 하는 것이 요구된다. 이후, 제안된 배치에서는, 레이저(120)에 의해 발생된 열을 구성(130, 140, 220)을 통하여 열 전도에 의해 피부를 가열하는데 이용하여, 가열기(160)로부터의 제한된 가열 및 낮은 총 전력 소비를 가능하게 한다.

상세한 설명은 많은 세부 사항을 포함하지만, 이것이 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안 되고, 단순히 본 발명의 다른 예 및 다른 양상을 설명하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 범위는 앞의 상세한 설명에서 설명되지 않은 다른 실시예를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 통상의 기술자에게 명백한 다양한 다른 수정, 변경 및 변형이 본 발명의 의미 및 범위에서 벗어나지 않고 여기서 기술된 본 발명의 장치의 배치 및 세부사항에 적용될 수 있다.

10 생물학적 샘플
15 측정 부위
20 가열기
40 측정 장치
50 단열체
60, 70 히트 싱크

Claims

생물학적 조직에 열 소산 구성(thermally dissipative component)의 방열을 향상시키기 위한 장치로서,
제1 위치에서 열 소산 구성에 연결되고 상기 생물학적 조직에 연결되는 히트 싱크(heat sink); 및
상기 제1 위치를 포함하는 상기 생물학적 조직의 일 영역에서 혈액 관류(blood perfusion)를 증가시키기 위하여, 상기 제1 위치로부터 떨어진 위치에서 상기 생물학적 조직의 일부를 가열하기 위한 가열 수단을 포함하는 방열 향상 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 히트 싱크와 상기 가열 수단 사이의 단열체를 더 포함하는 방열 향상 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 생물학적 조직은 피부인 방열 향상 장치.
청구항 1에 있어서,
가열되는 상기 생물학적 조직의 일부는 20℃ 초과 50℃ 미만의 온도를 가지는 방열 향상 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 열 소산 구성은 광학 방출기(optical emitter)인 방열 향상 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 열 소산 구성은 광학 검출기(optical detector)인 방열 향상 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 열 소산 구성은 열전 냉각기(thermoelectric cooler)인 방열 향상 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 가열 수단은 저항 가열기를 포함하는 방열 향상 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 가열 수단은 광학 방출기를 포함하는 방열 향상 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 가열 수단은 상기 생물학적 조직에 접촉하는 광학 윈도우에 부착되는 방열 향상 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 광학 윈도우는 40W/m°K를 초과하는 열 전도성을 가지는 방열 향상 장치.
청구항 1에 있어서,
생물학적 조직의 일부를 가열하는 상기 가열 수단은 적어도 20mm² 영역을 가열하는 방열 향상 장치.