KR20160065099A

KR20160065099A - 두경부의 치료적 저체온법을 위한 휴대용 열전 냉각장치

Info

Publication number: KR20160065099A
Application number: KR1020167007807A
Authority: KR
Inventors: 훌리오 엘. 베르가라; 라울 세라노 카르모나; 루카스 레스트레포
Original assignee: 더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2016-06-08
Also published as: EP3052173B1; EP3052173A4; JP2019150589A; JP6846930B2; US20160270952A1; AU2014326780A1; CA2925094C; CA2925094A1; WO2015048170A1; AU2014326780B2; JP2016531616A; EP3052173A1

Abstract

본 발명은 헬멧 및 칼라를 통해 제어된 냉각(가열)을 제공하는 두경부의 치료적 저체온법 장치에 관한 것이다. 헬멧 및 칼라는 헬멧 구조체에 분배된 분배 열전 냉각장치(TECs)와, TECs 작동을 효율적으로 유지하도록 헬멧 및 칼라의 외부와 열교환을 하기 위한 액체 냉각제 시스템을 포함한다. 제어회로는 이 헬멧과 칼라를 착용하고 있는 환자와 인접하여 지지되는 복수의 온도센서로부터의 측정에 응답하여 구동한다. 적어도 하나의 실시예에서, 이 TECs는 각각 TECs와 인접한 내부 냉각 통로를 포함하는 상호 연결된 유연성 모듈 내에서 그룹화된다.

Description

두경부의 치료적 저체온법을 위한 휴대용 열전 냉각장치{PORTABLE THERMOELECTRIC COOLING DEVICE FOR THERAPEUTIC CARNIOCERVICAL HYPOTHERMIA}

본 발명은 헬멧 및 칼라를 통해 제어된 냉각(가열)을 제공하는 두경부의 치료적 저체온법 장치에 관한 것이다.

관련된 출원들에 대한 상호 참조

본원은 2013년 9월 30일에 출원되고 여기서 전체적으로 참조함으로써 조합되는 미국 가특허 출원번호 61/884,932호에 대한 우선권과 그 이익을 청구한다.

연방 정부 후원의 연구 또는 개발에 관한 설명

본 발명은 미국 국립보건원에 의해 수여되는 AR047664 및 AR054816 하에서 정부 지원과 함께 만들어졌다.

컴퓨터 프로그램 부록의 결합에 의한 참조

비적용

저작권 보호를 받는 자료의 고지

이 특허서류의 자료의 일부는 미국 및 다른 국가들의 저작권법 하에서 저작권 보호를 받을 수 있다. 본 저작권 소유자는 특허서류 또는 특허 개시물이 미국 특허청에서 공개적으로 이용 가능한 파일 또는 기록으로 여겨지므로 이것들의 어느 것에 의한 복사 재생에 대한 이의를 하지 않지만, 그렇지 않다면 모든 저작권을 유보한다. 이에 의해 본 저작권 소유자는 제한 없이 37 C.F.R.§1.14에 따른 권리를 포함하여 이 특허서류를 비밀로 유지하기 위한 권리를 포기하지 않는다.

저체온법(hypothermia)은 심장마비, 신생아 질식, 뇌졸중(stroke), 두부 외상 및 발작을 포함하여 신경 부상(neurological injuries)을 가진 환자의 결과를 향상시키기 위한 전망있는 신경보호 치료법(neuroprotective therapy)이다. 불행하게도, 대부분의 이용 가능한 냉각장치는 비상 상태에서 뇌 저체온법(brain hypothermia)의 시행을 위해 비효율적이거나 비현실적이다. 일반적으로, 현존하는 냉각장치들은 특별하게 뇌를 목표로 하지 않는 부담되고 비휴대용인 전체의 신체유닛(whole body units)이다. 냉각은 대부분 약 2시간의 지연 후에 얻어지며, 많은 장치들은 기도 지원(airway support)과 같이 수행되어야 할 다른 치료를 방해한다. 그러므로, 주로 뇌 저체온법을 목표로 하는 휴대용이고 효과적인 냉각장치에 대한 압박적인 요구가 있다.

여러 비침습성(non-invasive)(외부) 및 침습성(내부) 냉각 전략이 저체온증(hypothermia)을 유도하기 위해 사용되어 왔다. 침습성 냉각방법은 경피적 정맥 접근(percutaneous venous access)을 요구하는데, 이는 출혈, 혈전증 및 감염(국부 및/또는 전신)과 같은 합병증에 대한 본질적 위험을 가지고 있다; 일반적으로, 이 장치들은 병원 시설 밖에서 쉽게 이용될 수 없다. 외부 냉각기술들은 경피적 절차 및/또는 그것의 시행을 위한 의료인의 값비싼 훈련을 요구하지 않는 중요한 이점을 가진다. 이 기술들은 아이스 팩, 냉각 텐트, 유체 패드, 담요(blanket), 냉각수 순환 헬멧, 그리고 비강(nasal cavity)에서의 액체 냉각제 스프레이를 포함한다. 현존하는 외부 냉각장치들의 중요한 한계는 그것들의 대부분이 특별하게 뇌를 목표로 하는 대신에, 전체의 신체에 냉각을 유도하는 거대한 장치(massive units)라는 것이다. 이것은 환자가 치료에 대한 내성을 보장하기 위해 항상 진정작용(병원 세팅에서)을 요구하는 것을 함축한다. 이러한 타입의 저체온법은 멀티 시스템 실패(multi-system failure)의 경우에 여러 기관(organ)이 영향을 받을 때 유익할 수 있는 반면에, 뇌졸중 및 간질 지속증(status epilepticus)과 같이 고유한 뇌의 질환에서 불필요하고 심지어 해로울 수도 있다. 대조적으로, 국부적으로 전달되는 저체온법(locally-delivered hypothermia)은 일반적으로 신체 핵심 온도에서 상당한 감소를 야기하지 않는, 안전한 개입으로 간주된다.

매우 중요한 사안은 신경 비상사태에 대한 첫 번째 응답자들인 점에 비추어 이 분야에서 응급 요원에 의해 적용될 수 있는 작은 (휴대용) 냉각장치들의 시행이다. 많은 현존하는 장치들은 앰블런스에서 수송되기에는 너무 성가시고, 그리고/또는 이 분야에서 이용할 수 없는 전기 공급을 요구한다. 비인두 스프레이 냉각법(nasopharyngeal spray cooling)과 같이 현재 몇 개의 이용 가능한 냉각 치료법이 머리에 직접 적용되고 적당하게 휴대 가능하지만, 이 치료법들은 심각한 단점이 있다; 예를 들어, 이러한 타입의 냉각법은 호흡을 방해하고, 마스크와 기관 내 튜브를 통해 산소의 적극적인 전달이 일상적으로 요구될 경우 심각한 신경 손상을 가진 환자를 다룰 때 필수적인 배려를 방해한다. 또한, 비인두 스프레이 냉각법은 30분 미만의 짧은 처리기간을 위해 설계된 것이다. 또 다른 두개골 장치(Sovika from HVM Medical)는 뇌출혈과 같이 특정 타입의 심각한 신경 손상에 대한 문제의 근원이 될 수 있는 상당한 고혈압 및 서맥(bradycardia)과 함께 동조적으로 개재되는 혈관 수축을 유발한다.

따라서, 휴대 가능하고 비침습적인 상태에서 구체적으로 두개골과 목 부분으로 향할 수 있는 두경부의(craniocervical) 치료적 저체온법을 위한 냉각장치에 대한 요구가 존재한다. 여기서 기술된 기술은 이전의 장치들의 결점을 극복하면서 이 요구들을 충족시킨다.

본 개시의 기술(the technology of this disclosure)은 치료적 뇌 저체온법의 유도를 위한 휴대용 장치이다. 이 기술은 일반적으로 두 개의 전자 제어되는 열전달 요소 장치들: (1) 냉각/가열 헤드 기어(head gear)(헬멧)와, (2) 냉각/가열 목 칼라(neck collar)를 포함한다. 양 헬멧 및 칼라의 주요 능동 요소는 작동이 전자 제어 모듈(ECM)에 의해 제어되는 열전 냉각기 유닛들(TECs)이다. TECs로부터의 열 방산(heat dissipation)은 TECs 작동을 효율적으로 유지시키기 위해 폐쇄 루프 구성(closed loop configuration)의 장치들을 통해 물 또는 다른 냉각제와 같이 순환하는 냉각제에 의해 달성된다. 냉각제 유동 및 열 방산은 궁극적으로 물 순환장치(water circulator)/열교환기 유닛의 사용에 의해 실현된다.

본 개시에서 기재된 두경부의 치료적 저체온법을 위한 휴대용 열전 냉각장치는 피부 손상(동상)을 방지하면서 두피와 목(경동맥)으로부터 효과적으로 열을 추출함으로써 개인에게 국부적인 뇌 저체온법을 급속하게 달성하기 위한(즉, 15분 미만으로) 비상 응답 도구로서 특히 적합하다. 의료용 센서와 같이, 고 열교환 용량, 저 전압 작동, 그리고 환자의 두피 및 목 피부의 연속적인 감시는 효율 및 안전을 보장한다.

본 기술의 추가적인 측면은 본 명세서의 하기에서 드러날 것이며, 상세한 설명은 그것에 한계를 두는 것이 아니라 본 기술의 바람직한 실시예들의 완전한 개시를 목적으로 하기 위한 것이다.

여기에 기재된 기술은 오직 예시적인 목적을 위한 아래의 도면을 참조함으로써 더 충분하게 이해될 것이다.
도 1은 여기에 기재된 기술의 실시예에 따른 두경부의 치료적 저체온법을 위한 휴대용 열전 냉각장치의 블록도이다.
도 2는 여기에 기재된 기술의 실시예에 따른 헬멧의 단면도로서 열 전도성 메쉬, 물 순환 채널, 그리고 엘라스토머 코팅(elastomeric coating)의 상호 연결(interconnection)을 나타낸 것이다.
도 3은 여기에 기재된 기술의 실시예에 따른 열전 냉각기의 어레이(array)의 개략도로서 일련의 브랜치로(in a series of branches) 배열된 것을 보인 것이다.
도 4는 여기에 기재된 기술의 실시예에 따른 치료적 저체온법의 블록도이다.
도 5는 여기에 기재된 기술의 실시예에 따른 유연성의 TEC 모듈(flexible TEC modules)을 이용한 치료적 저체온법 장치의 블록도이다.
도 6은 여기에 기재된 기술의 실시예에 따른 상호 연결된 유연성의 TEC 모듈들의 블록도이다.
도 7a 내지 7c는 여기에 기재된 기술의 실시예에 따른 유연성의 TEC 모듈들의 사시도로서 내부 냉각제 통로층(internal coolant passageway layer) 및 TEC층을 나타낸 것이다.
도 8a 및 8b는 여기에 기재된 기술의 실시예에 따른 온도 그래프로서 치료적 저체온법 헬멧을 작동시킨 후 4초에서의 헬멧 온도와 155초 후의 헬멧 온도를 비교한 것이다.
도 9a 및 9b는 여기에 기재된 기술의 실시예에 따른 온도 그래프로서 치료적 저체온법 칼라를 작동시킨 후 4초에서의 칼라 온도와 155초 후의 칼라 온도를 비교한 것이다.
도 10a 및 10b는 여기에 기재된 기술의 실시예에 따라 알아낸 모의 뇌 온도(simulated brain temperatures)의 온도 그래프로서 본 발명의 헬멧과 칼라를 조합하여 사용한 것에 대한 응답으로 4초 후와 15분 후의 뇌 온도를 비교한 것이다.
도 11a 내지 11m은 여기에 기재된 기술의 실시예에 따른 치료적 저체온법 장치에서 TEC를 제어하기 위한 전자 제어 회로의 개략도이다.

치료적 휴대용 열전 냉각장치(therapeutic portable thermoelectric cooling device)는 급성 신경 비상사태를 가진 환자의 머리와 목의 특정 치료를 위해 설계된다. 그것은 또한 만성 편두통과 간질 지속증을 가진 개인들을 위한 자택 요양 시에, 그리고 병원 시설에서 현재의 (덜 정교한) 외부 저체온법 장치의 대체로서 사용하기에 특히 적합하다.

도 1은 본 발명의 휴대용 열전 냉각장치의 실시예(10)를 도시한 것이다. 이 실시예에서, 냉각 및/또는 가열 헤드 기어(헬멧)(12)를 냉각 및/또는 가열 목 칼라(cooling and/or heating collar)(칼라)(14)와 함께 볼 수 있다. 양 헬멧 및 칼라는 해부학 준수 구조체(anatomically compliant structures)로서 구성된다. 헬멧(12)과 칼라(14)는 전자 제어 모듈(ECM)(16), 전원(18), 통합 냉각제 순환장치(combination coolant circulator) 및 열교환기(20)와 결합된 것으로 나타나 있다. 바람직한 실시예로서, 전원(18)은 바람직하게 앰블런스에서 이용 가능한 AC/DC 전력과 호환할 수 있기 때문에 이 장치를 휴대 가능하게 만들기 위해 구성되고, 그리고/또는 12V 배터리로 구동되는 독립형 장치로서 작동하도록 구성된다. 냉각 및 가열은 바람직하게 유체 채널(예를 들어, 튜브(tubing))을 통해 유체 순환장치 및 열교환기(20)와 연결되는 열 전도성 콜렉터(thermally conductive collector)(24)(예를 들어, 구리 구조체(copper structure))에 의해 수집되는 추출된 열과 함께 복수의 열전 냉각장치(TECs)(22)를 사용하여 헬멧 및 칼라에서 수행된다. 또한 일련의 온도센서(28)(예를 들어, 호환 가능한 의료 써미스터(medical thermistors) [YS] 400 시리즈)가 환자의 피부에 가장 가까운 온도를 감지하기 위해 헬멧과 칼라의 내부 표면 근처에 결합된 것을 볼 수 있다.

온도센서들은 제거 가능한 열 라이너 재료(removable thermal liner material)에 통합될 수 있거나, 또는 대안으로 온도센서들은 환자의 두피/피부에 직접 결합되는 일회용 센서들(individual disposable sensors)을 포함할 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 열 전도성 내부층(40)은 이 장치의 내면에서 볼 수 있고, 예를 들어 열 전도성 엘라스토머(thermally conductive elastomer)를 포함한다. 이 온도센서들은 그 위치에서 환자 피부의 온도를 감지하기 위해, 또는 TECs 사이에서 피부 온도를 감지하기 위해 각 TEC와 정렬되어(in alignment) 위치될 수 있거나, 또는 TECs 사이에서 근위의(proximal) TECs와 중간 센서들의 조합으로 위치될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

전자 제어모듈(16)은 예를 들어 시리즈 인터페이스(series interface)를 사용하여 헬멧 및 칼라에서의 각 온도센서(28)에 결합되는 온도 측정장치(30)를 포함하는 것을 볼 수 있다. 사용자 인터페이스(user interface)(32)(즉, 인간 기계 인터페이스(human machine interface)[HMI])는 바람직하게 단일 온도(single temperature) 또는 헬멧 및 칼라 내의 여러 위치에서 약간 다른 온도를 가진 온도 프로파일(temperature profile)과 같은 온도 설정(setting temperature)을 위해 마련된다. 적어도 하나의 실시예에 있어서, 이 사용자 인터페이스는 터치 스크린 디스플레이(예를 들어, TFT-LCD 터치 스크린)와 함께 처리장치(processing device) 및 메모리(예를 들어, 마이크로 컨트롤러)를 포함한다. 적어도 하나의 실시예에 있어서, 프로그래밍 장치(device programming)는 온도센서들에 의해 측정된 온도와 설정 온도(a temperature set point) 사이에서 온도 차이에 기반하여 TEC 유닛들을 구동하도록, 그리고 냉각 및 가열 사이클의 소정의(프로그래밍된) 패턴을 실행하도록 구성된다. 프로그래밍은 시각 및 청각 알람을 전개할 뿐만 아니라 다양한 프로브(various probes)의 온도 판독을 표시하도록, 그리고 장치 안전을 관리하도록, 예를 들어 그것을 타당하게 하는 조건이 검출될 때 자동 셧다운(automatic shutdown)을 작동시키도록 구성된다.

온도 선택부(temperature selection)(32)는 온도 측정부(temperature measurement)(30)와 조합하여 감산기(subtractor)로서 작용하는 결합기(combiner)(34)를 통해 작동하여서, 설정 온도와 실제 온도 사이에서 다른 신호의 진폭이 TEC 응답의 진폭을 구동하도록 한다. 온도 제어는 하나 이상의 열전 냉각기(TEC) 구동장치들(drivers)(38)에 연결되는 비례-적분-미분(PID)과 같은 컨트롤러(36)를 통해 수행된다. 여기에 기재된 기술은 TECs가 병렬로, 또는 TECs의 분리된 열(separate rows)로 구동되도록 하여 하나의 TEC 구동장치가 TECs의 각 그룹을 위해 이용된다. 열 전도층(40)은 환자의 두피/피부와 접촉하기 위해 배치된다. 적어도 하나의 실시예에 있어서, 이 열 전도층(40)은 헬멧과 칼라 내에 있든지 아니든지 간에 치료유닛을 위해, 또는 인체의 다른 부위와의 등각 인터페이스(conformal interface)를 위해 제거 가능한 라이너 층(removable liner layer)을 포함할 수 있다.

대안으로 전자 제어모듈(ECM)(16)은 예를 들어 중앙 처리장치(CPU)(44) 및 메모리(46), 또는 마이크로 컨트롤러 또는 측정된 온도에 대한 응답으로 TECs를 제어하고 다른 소정의 시스템 기능들을 수행하기 위해 프로그래밍을 실행하는 다른 수단을 포함하는 적어도 하나의 컴퓨터(42)를 포함할 수도 있다. 이 컴퓨터는 설정 온도 컨트롤부(32) 내에 포함될 수도 있거나, 또는 대안으로 ECM(16) 내에 통합될 수도 있다.

도 2는 TEC 헬멧(12)의 실시예의 단면도를 묘사한 것으로서, 환자(미도시)로부터 떨어져서 열 전도성 코팅(40)(예를 들어, 열 전도성 엘라스토머(elastomeric) 코팅)을 통해 받는 열을 전도하는 열 전도성 비계 구조체(thermally conductive scaffolding structure)(48)(예를 들어, 구리 메쉬)에 결합되는 복수의 열전 냉각기(22)의 각각에 결합되는 적어도 하나의 통로(passageway)와 함께, 유체 통로(fluid passageways)(26)(예를 들어, 물 순환 파이프들)의 단면도를 나타낸 것이다.

도 3은 뱅크당 n개의 장치를 가진 m개의 뱅크(bank)로 조직된 헬멧 내에서 상호 연결되는 냉각/가열 TECs(24_a1, 24_a2, 24_an, ...24_b1, 24_b2, 24_bn, 및 ...24_m1, 24_m2, 24_mn)의 실시예를 도시한 것이다. 헬멧의 외면(예를 들어, 본 실시예에서 TEC 열 발산측들과 마주하고 있는 곳)은 물 순환장치 및 열교환기에 결합되는 냉각제 유체 통로들과 접촉하도록 도 1 및 도 2에 나타나 있다. 구현의 단순화를 위해, 컴퓨터 CPU를 냉각하기 위해 이용되는 물 순환장치(펌프) 및 열교환기(예를 들어, 헬멧과 칼라의 외부)가 이용될 수 있다(예를 들어, Colace EX2-755). 이러한 타입의 단순한 열교환기를 사용하는데 있어서, 냉각제는 다시 대략 실온에 이르게 되고 TECs에 인접한 통로들을 통해 다시 순환된다. TEC 헬멧과 칼라는 예를 들어 유연성있는 플라스틱 튜브를 사용하여 열교환기와 연결된다. 따라서, 환자를 냉각할 때, 각 TEC 유닛은 환자의 두피/피부에 인접한 전도성 내층을 향해 그 내측을 냉각한다. 각 TEC의 반대쪽에서의 폐열은 냉각 유체 내로 연결되어 부가적인 열을 흡수하기 위해 열을 추출하여 냉각제로 복귀시키는 외부 열교환기로 전달된다(즉, 펌핑된다).

도 4는 마이크로 컨트롤러에 기반한 제어 전자장치의 실시예(50)를 도시한 것이다. 각각 물 순환 열교환기(20)에 열적으로 연결되는 통합형 TEC 유닛들을 가진 헬멧(12) 및 칼라(14)와 결합되는 환자(52)를 볼 수 있다. 체온(써미스터), 심박동수, 혈압 등과 같은 바이탈 사인(vital signs)을 감시하기 위해 부가 센서들이 환자에 연결된다. 이 센서들은 유선 또는 무선 연결을 통해 본 발명의 시스템에 의해 모니터링될 수 있다. 센서들로부터의 출력은 여기서 아날로그-디지털(AD) 변환기 및 마이크로 컨트롤러를 가진 프로세서 회로(56)에 결합되는 아날로그 멀티플렉서(54)를 통해 연결되는 것으로 예시된 시스템에 의해 등록(판독)된다. 몇 개의 마이크로 컨트롤러는 하나 이상의 AD 및/또는 디지탈-아날로그(DA) 변환기와 통합된다는 것을 이해할 것이다. 또한 마이크로 컨트롤러는 중앙 처리장치(CPU), 메모리 및 다양한 입출력(input-output)(IO) 기능부(functionality)를 구비하며, 작동 방법의 단계들을 수행하기 위해 프로그래밍을 실행시킬 수 있다. 대안으로, 여기서 기재된 기술의 교시로부터 벗어남이 없이 다른 형태의 프로세서들이 이용될 수도 있다.

비상 셧다운 제어(emergency shutdown control) 뿐만 아니라 시각 및 청각 알람을 제공하는 알람 인터페이스(58)가 프로세서 회로(56)에 연결되어 있다. 작동의 모든 소정의 측면을 제어하고 환자와 시스템 작동에 대한 정보를 디스플레이하기 위해 사용자 인터페이스(60)가 상기 프로세서에 연결되어 있다. 적어도 하나의 실시예에 있어서, 이 사용자 인터페이스는 예를 들어 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(TFT-LCD)와 같은 터치 기반의 인터페이스를 포함한다.

프로세서 회로(56)는 또한 헬멧 또는 칼라 장치들 내의 TECs에 의해 제공되는 냉각 또는 가열의 양을 제어한다. 도 4에서, 여기서는 헬멧 및 칼라 내의 TEC 요소들(elements)에 결합되는 MOSFET H-브릿지(bridge)로 예시된 전력 스위칭 회로(power switching circuit)(66)로 PWM 신호를 출력시키는 펄스폭 변조(PWM) 컨트롤러(64)에 결합되는 비례-적분-미분(PID) 회로(62)를 볼 수 있다. H-브릿지 회로는 정(positive) 또는 부(netative) 전압/전류를 출력하는 것을 허용하여 TECs가 환자의 두개골(cranial) 및 목 부분으로 냉각을, 또는 대안으로 가열을 제공하도록 작동될 수 있다. 회로 전원(circuit power)은 적어도 하나의 전원(68)에 의해 제공된다. 따라서 여기서 기재된 기술은 비록 더 일반적인 적용이지만 냉각으로 제한되지 않는다는 것이 인식될 것이다. 프로세서 회로(56)에 의해 검출된 상태(conditions)에 대한 응답으로서 전력이 비활성되도록 비상 모듈(58)이 스위치(예를 들어, 릴레이)(70)에 연결된다. 부가해서, 냉각장치들을 셧다운시키기 위해 수동 개입을 허용하는 수동 비상 셧다운 스위치(manual emergency shutdown switch)(72)가 나타나 있다.

본 발명의 치료적 헬멧 및 칼라 냉각장치의 작동을 제어하기 위해 다수의 다른 회로 구성이 이용될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. TEC 장치들은 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 병렬로 제어되어서 각각 H-브릿지로부터 동일한 전력을 받을 수 있다. 대안으로, TEC 장치들은 헬멧 및 칼라의 다른 지역에 구성될 수 있으며, 각 지역은 개별 PID 제어부, PWM 컨트롤러 및 H-브릿지에 의해 구동된다. 또한, 하나 이상의 TEC를 가진 모듈들은 각각 TEC를 구동하기 위한 제어 회로를 포함하여 제작될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 그와 같은 각 모듈은 어드레스(address), 디지탈 인터페이스, 그리고 전력 제어부(power control)와 함께 구성될 수 있어서, 프로세서(56)는 각 지역이 소정의 온도 프로파일(profile) 내에서 소정의 수준으로 냉각되는 것을 보장하도록 각 TEC의 냉각 및 가열을 개별적으로 제어할 수 있다.

아래 부분에서 유연성 있는 열교환 TEC 모듈들을 이용하는 실시예를 기술한다.

도 5는 예를 들어 헬멧과 칼라를 구축하기 위해 유연성 있는 튜브(flexible tubing)(예를 들어, 퍼플루오로알콕시(perfluoroalkoxy)[PFA] 열전도성 튜브와 같은 플라스틱 튜브)에 의해 조립되고 상호 연결될 수 있는(즉, 직렬 연결 또는 병렬 연결되는) 유연성 있는 열교환기 모듈(FHEMs)(96a)을 이용하는 본 발명의 헬멧(92) 및 칼라(94)의 실시예(90)를 도시한 것이다. 도 1에서 묘사된 것과 같이 동일한 ECM(16), 전원(power supply)(18) 및 열교환기(20)가 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 다시 온도 측정모듈(30), 설정온도 설정수단(32), 그 출력이 각 FHEM 내에서 TEC 장치들에 연결되는 TEC 구동장치(38)를 통해 향해지는 PID 컨트롤러(36)를 제어하기 위해 설정 온도와 측정 온도 사이의 차이를 사용하기 위한 수단(34)을 가진 ECM이 나타나 있다. 각 FHEM은 써미스터, 열전달 통로, 그리고 열 전도성 내부를 가진 하나 이상의 TECs를 구비하도록 구성된다.

도 6은 도 5에서 보여지는 바와 같이 그 입력 및 출력단이 열교환기에 연결되는 유체 통로(100)에 의해 상호 연결되는 다수의(multiple) TEC 유닛(98a, 98b, 98c, 98d)을 가진 다수의 모듈(96a, 96b, 그리고 96n)의 상호 연결을 도시한 것이다.

도 7a 내지 도 7c는 FHEM의 다층 구조(multi-layer structure)의 실시예(110)를 도시한 것으로, 도 7a에는 적어도 하나의 유체 채널을 가진 상부층이, 도 7b에는 다수의 TEC 유닛을 가진 하부층이, 그리고 도 7c의 단면에서는 이 층들의 관계가 보다 나은 모습으로 나타나 있다.

이 층들은 일반적으로 바람직하게 환자의 피부를 전도성 포일층(conductive foil layer)(114)(예를 들어, 구리 포일)로 접속시키는 부드러운 열 전도성 엘라스토머(soft heat conductive elastomer)를 포함하는 엘라스토머 바닥층(112)을 포함한다. TEC 장치 층(116)을 도 7c의 단면에서 보여지는 하나의 TEC(117b)와 함께 볼 수 있다. 도 7b에서 TEC 장치 층(116)에서 보여질 수 있는 4개의 TECs(117a, 117b, 117c, 117d)의 외형(outline)을 볼 수 있다. 이 도면들에서 4개의 TECs의 각각을 연결하기 위한 전자 연결 쌍들(132a, 132b, 132c, 132d)을 볼 수 있다.

TEC 층(116) 위에서 층(122)과 접촉 상태로 작용하여 유체 유동층(120)을 밀봉시키는 또 다른 열 전도성 층(118)을 볼 수 있다. 유연성있는 상부층(124)은 강도를 제공하며, 바람직하게는 예를 들어 나일론-폴리디메틸실록산(nylon-polydimethylsiloxane)(PDMS) 또는 다른 보강 실리콘 시트(reinforced silcon sheet)와 같은 보강 엘라스토머(reinforced elastomer)를 포함한다. 도 7a에서 냉각 유동을 위한 유로 길이를 연장시키기 위해 통로들(126)을 생성하는 돌기 구조체(protruding structures)(126b)와 함께 유동층(fluid flow layer)(120)의 둘러싸인 둘레부(an enclosed perimeter)(126a)를 볼 수 있다. 유체는 제1 유체 연결부(130a)에서 유동층(120) 내로 수용되고, 유동층(120) 내의 둘레부(126a)와 돌기들(126b) 사이에서 바람직하게 사형의 챔버(serpentine chamber)를 통과하여 제2 유체 연결부(130b)를 빠져나간다.

여기에 기재된 기술의 이러한 플렉스-모듈 측면(flex-module aspect)은 이 능동 열교환 장치들이 머리(헬멧)와 목(칼라)의 윤곽(contour)에 밀착해서 합치되고 최적으로 효율적인 열교환을 보장하는 방향으로 두개골 및 목 피부에 견고하게 결합되는 것을 보장하기 위해 능동 열교환 장치들의 유연성, 신축성, 그리고 굽힘성을 유리하게 증가시킬 수 있다.

일반적인 열교환기(예를 들어, 컴퓨터 CPUs를 냉각시키기 위해)는 단단하고, 신속한 냉각제 유동을 허용하기 위해 다공질의 금속 블럭으로 만들어진다. 대신, 본 실시예에서는 각 FHEM은 부드럽고 굽힐 수 있으며, 인체 윤곽에 더 적합하게 만들어진다. 이러한 특징은 본 발명의 장치가 합치되는 머리와 목 뿐만 아니라 다른 신체 요소들(예를 들어, 다리, 팔, 가슴, 배, 또는 그 부위들)의 현장에서 가열 및 냉각(in-situ heating and cooling)의 목적으로 본 발명의 장치들이 특별하게 만들어지도록 한다. 칼라에 대해 도시된 원통형 설계는 이 다른 신체 부위들, 특히 다리, 팔, 가슴, 등, 배 등에 합치되도록 하는 크기와 형상으로 될 수 있다.

작업 헬멧 프로토타입(Working Helmet Prototype) #0

프로토타입들은 전술된 실시예들에 따른 본 발명의 휴대용 치료적 열전 냉각장치로 구조화되었다. 제1 프로토타입에서, 헬멧의 내부 라이닝(inner lining)(도 2)을 형성하도록 구리 메쉬 비계(copper mesh scaffold)를 인간 머리의 형상으로 코팅하기 위해 열 전도성 엘라스토머(예를 들어, Dow Corning^®의 SE4430)가 사용되었다. 헬멧은 각각 대략 15 mm x 15 mm의 크기를 갖고 이 비계(scaffold)의 외면에 대칭으로 배치된 50개의 TECs(예를 들어, Custom Thermoelectric^® 01711-5L31-06CF)를 이용하였다. TECs는 도 3에서 보여지는 바와 같이, 10개의 유닛의 5개의 뱅크에 직렬로 전기 연결되었다. TECs의 핫측(hot side)은 물을 순환시키는 소형 구리 튜브(miniature coper tubing)의 네트워크에 열적으로 연결되었다. 상업적으로 이용 가능한 물 순환장치 및 열교환기 조합이 이용되었다(예를 들어, Koolance^®의 EX2-755; 열교환기 전력 500 - 600 와트). 전자 제어 모듈(ECM)은 피드백 루프(feedback loop)에서 펄스폭 변조(PWM) 및 비례 적분-미분기(PID) 컨트롤러를 사용하여 양방향(bidirectional) 전류 제어를 위해 풀 브릿지(full bridge) 컨트롤러(예를 들어, Linear Technologies 의 LTC1923)로 시행되었다. 각 H-브릿지는 4개의 MOSFETS(Vishay Electronics^®의 Si4564DY)를 사용하여 시행되었다. 600와트 12볼트 DC 전원이 이 실시예에서 이용되었다(예를 들어, Mean Well^®의 PS-600).

작업 헬멧 프로토타입(Working Helmet Prototype) #1

이 프로토타입은 도 5 및 도 6에서 보여지는 바와 같이, 열처리되는 지역(예를 들어, 머리, 목 등)을 위한 형상으로 상호 연결된 유연성있는 열교환 모듈(FHEMs)을 이용하였다. 이 조립된 FHEM들은 각각 4개의 TEC 유닛으로부터 열을 수용하여 발산시킨다. 냉각제(물) 순환장치는 유입 및 유출 튜브들 사이에서 채널들을 생성시키기 위해 열 전도성 엘라스토머(예를 들어, SE4430 또는 SE4430, Dow Corning)와 맞춤 설계된 플라스틱 금형(custom-designed plastic molds)을 사용하여(대략 80℃에서) 성형되었다. 순환장치의 상부는 예를 들어 Dow Corning^®의 Sylgard 184 또는 182; 또는 나일론 메쉬로 보강된 Momentive Inc.^®의 RTV-615;와 같이, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)(PDMS)으로 만들어졌으며, 이 캡은 열 전도성 접착제(예를 들어, 3-1818, Dow Corning)로 이 금형 위에서 밀봉되었다. 순환장치의 플로어(floor)는 도 7a 내지 도 7c에서 보여지는 바와 같이, 열 전도성 엘라스토머의 파티션들에 부착된(예를 들어, 3-1818 접착제로 직접 접착됨) 구리 포일(대략 0.004 - 0.015 인치 범위의 두께)로 이루어졌다.

물 순환장치의 플로어를 형성하는 구리 포일(copper foil)은 대칭으로 배치되는 TECs(예를 들어, Custom Thermoelectric 01711-5L31-06CF; 15mm x 15mm)의 상부(핫측(hot side))에 직접 부착(예를 들어, 접착됨)되었다. TECs의 바닥(콜드(cold))측은 TEC의 몸체에 의해 상부 포일(물 챔버의 바닥)로부터 분리된 또 다른 구리 포일에 직접 본딩되고(접착되고), 네오프렌(neoprene), 스티로폼(styrofoam), 또는 단열 폼(insulating foam)(도 7a 내지 도 7c의 도면에는 도시되지 않음)과 같은 열 단열재로 채워진다. 이러한 배치는 이 모듈에 유연성 및 신축성을 보장하면서 상부 및 하부 구리 포일들 사이에서 효과적인 단열을 제공하였다. 바닥의 구리 포일은 SE4445 CV Gel(Dow Corning) 또는 SSP-1850C(구체적으로 Silicone Products Inc.^®)와 같은 부드러운 열 전도성 엘라스토머의 얇은 층(예를 들어, 0.03인치 두께 미만)으로 덮였다. 이 층은 피부와 직접 접촉되도록 부드러운 열전달 쿠션을 형성한다. 프로토타입 #1 FHEM은 동시에 충분한 열을 발산시키기 위해 필요한 물 순환을 허용하면서 두개골 표면에 적용하기 위해 적당한 구조적 유연성을 갖는다는 것이 밝혀졌다.

냉각 성능의 시뮬레이션(Simulation of Cooling Performance)

조합된 헬멧 및 목 칼라 장치들의 냉각 성능을 이론적으로 분석하기 위해, 현실적 수학 3차원 모델들(realistic mathematical 3D models)이 각 해부학적 기관에 대해 대사 발열(metabolic heat generation), 열 전도, 혈류 등에 대한 공개된 매개변수(published parameters)를 사용하여 성인의 일반적인 기하구조(geometry) 및 디멘션(dimensions)과 함께 가상의 머리 및 목으로 개발되었다.

도 8a 및 도 8b는 작동 중인 열전 냉각 헬멧(예를 들어, 이 실예는 약 24cm 직경으로 됨)을 묘사한 것으로, 헬멧의 지역에 걸쳐 분포된 TEC 소자들을 나타낸 것이다. 뇌를 냉각시키는 전도성 반구에 배치된 25개의 TEC 소자의 어레이를 시뮬레이션하는 상태에서 냉각 헬멧에 대한 적절한 열 확산-반응 방정식(heat diffusion-reaction equations)이 구해졌다. 25개의 TECs에 대해 대략 125 와트의 전체적인 열 펌핑 전원(heat pumping power); 최대 6 와트 펌핑 전원을 가진 각 TEC(0.25 평방인치). 이 모델은 유한 요소 수치 해석기(finite element numerical solver)(예를 들어, Comsol Mutiphysics^®)를 사용하여 해결되었다. 도 8a는 헬멧이 켜진 후 4초에서 여전히 대략 실온(약 20℃)으로 되지만, 155초(약 2.5분)의 작동 후에는 대략 5℃로 냉각된다는 것을 보여준다.

도 9a 및 도 9b는 본 발명의 목 칼라를 사용하여 열전 냉각하는 것을 묘사한 것이다. 이 3D 분석은 도 9a에서 4초 후의 냉각 효과를 보여주며, 도 9b에서 15분 후의 칼라 작동을 보여준다. 피부가 5℃로 유지될 때, 경동맥을 통해 흐르는 혈액 (입력/출력) 온도에서의 계산된 낙차(calculated drop)는 대략 2℃이다. 뇌 온도에서 헬멧 및 목 칼라의 조합된 냉각 효과는 이 모델을 사용하여 계산되었다.

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 칼라를 사용하는 경동맥에서의 혈액과 본 발명의 헬멧을 사용하는 뇌에서의 동시 냉각은 두피가 헬멧에 의해 5℃로 유지될 때 첫 15분 내에 뇌 피질의 온도가 대략 32℃로의 급속한 감소로 이끈다는 것을 보여준다.

ECM 회로도 실예(ECM Schematic Sample)

도 11a 내지 도 11m은 도 1, 도 4 및 도 5에서 전술한 바와 같이 ECM의 실시예를 도시한 것이다. 도 11a에서 데이터 입력(Data In)(D_in), 클럭(clock)(CLK), 칩 선택/로드(chip select/load)(CS/LD), 그리고 디지털 측에 있고 아날로그 측의 전압(V_out)을 출력하는 데이터 출력(Data Out)(D_out)을 가진 디지털-아날로그 변환기(DAC)(예를 들어, LTC1658 single supply, rail-to-rail voltage output, 14-bit digital-to-analog converter)를 볼 수 있다. DAC는 바이패스 캐패시터(C52)를 가진 V_DD에 연결되고, 그라운드(ground)(Gnd)에 연결되는 것을 볼 수 있다. DAC 레퍼런스(reference)가 또한 캐패시터(C61)에 의해 그라운드로 바이패스되는 레퍼런스 신호(reference signal)(V_SET)에 연결되는 것을 볼 수 있다. DAC로의 입력 연결(input connections)은 전위차계(potentiometer)(SPot)에 의해 분할되는 레퍼런스 전압(V_SET)으로부터의 전압의 일부와 함께, 그리고 레지스터(resistor)(R23) 및 캐패시터(C23)와 함께, 도 11b에서 볼 수 있는 헤더(header)(J1)에 연결되는 출력과 함께 J_DAC를 통한다. DAC로부터의 전압은 레지스터(R20, R21)와 함께, 그리고 캐패시터(C20, C21, C22)와 함께, 도 11c에서 볼 수 있는 증폭 회로(amplifier circuit)(Amp1)를 구동시킨다.

도 11d에는 열전 냉각장치의 온도센서들로부터의 입력들을 선택하기 위해 구성된 아날로그 멀티플렉서(MUX1)(예를 들어, ADG706 16 input CMOS analog multiplexer)와 함께 헤더(MUX)가 도시되어 있다.

도 11e에는 도 11c의 증폭기가 헤더(Header 3) 및 수신 신호(receiving signal)(V_thrm)와 출력 신호(outputting signal)(CNTRL)의 다른 요소들에 연결되는 것이 도시되어 있다.

도 11f에는 도 11e에서 볼 수 있는 바와 같이 증폭기(Amp1)로부터 신호(CNTRL)를 수신하는 열전 냉각기들을 제어하기 위한 회로(U1)(예를 들어, 열전 냉각기 제어에 적합한 LTC1923 펄스폭 모듈레이터)가 나타나 있다. 브릿지의 회로는 레지스터(Ra, Rpll, RT)와 캐패시터(CT, C9, C11, C12, C13, Cfb)를 구비하고, 헤더(H1)에 연결된다.

도 11g에서, 도 11f에서의 TEC 컨트롤러(브릿지 컨트롤러)로부터의 출력이 수신되어 N 채널 MOSFET 구동장치들(U2 및 U3)(예를 들어, LTC1693 dual N-channel MOSFET drivers)과 캐패시터(C5, C6, C7, C8)로 향해진다.

도 11h에서는 잭(PWR_J)을 통한 자동차 배터리와 같은 DC 소스로부터 다이오드(D1)를 통해 저장 캐패시터(Ci) 및 V_DD의 소스로서 또 다른 저장 캐패시터(Co)로 출력하는 전압 조절기(PWR)를 통과하는 전력을 수신하는 단순한 V_DD 전원 회로를 볼 수 있다. 헤더(J_GND)로부터 이용되는 두 개의 다른 그라운드 연결을 볼 수 있다.

도 11i에서는 도 11d에서의 MUX1으로의 연결(connection offsheet)을 위해 구성되어 도 11j에서의 헤더(Thermistors)에 연결되는 복수의 써미스터(Thermistor.SchDoc)를 볼 수 있다. 도 11k에서는 도 11c로부터의 커넥션(RS, VP, VN)과, 도 11g로부터의 MOSFET 구동 신호(Q1G1, Q1G2, Q2G1, Q2G2)를 볼 수 있다.

도 11l에는 양방향 MOSFET 열전 냉각기 구동회로의 실예가 묘사되어 있고, 수신 신호(Q1G1, Q1G2, Q2G1, Q2G2)를 볼 수 있다. 예시의 단순성을 추구하기 위해, 오직 단일의 MOSFET 회로가 나타나 있지만, 도 3에서와 같이 TECs의 그룹들을 구동시키기 위해 복수가 포함될 수도 있다. 이 도면에서 인덕터(L1, L2), 레지스터(RT1, RT2, RT3, RT4, RS) 및 캐패시터(C1, C2, C3, C4)를 이용하는 회로에서 4개의 MOSFETs(Q1A, Q1B, Q2A, Q2B)(예를 들어, Si4564DY MOSFETs)의 H-브릿지를 볼 수 있다. H-브릿지로부터의 출력은 헤더(TEC)를 통해 TECs로의 출력을 위해 구성된다.

도 11m에서는 헤더를 그라운드(GND) 및 레지스터(R)를 통해 VSET로 끌어올려지는 신호(VT)로 연결하는 것을 볼 수 있다.

상술된 실예의 ECM 회로는 여기에 기재된 기술의 교시로부터 벗어남이 없이 많은 대안적인 방법으로 시행될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

결론

상기의 논의로부터 이해되는 바와 같이, 현재 이용 가능한 외부 냉각장치들은 쉽게 시행되지 못하며, 예를 들어 긴급 의료원에 의해 이 분야에서 사용되기에 충분한 휴대성이 부족하며, 부가적인 결점을 가진다. 더욱, 현재 시행되는 냉각 전략은 유도되는 저체온법이 너무 느려서 의미있는 뇌 냉각에 이르기 위해 상당한 시간 공백(time-gap)을 초래하는 중요한 제한을 가진다. 이것은 저체온법의 신경보호 효과는 치료 초기의 타이밍에 의해 상당히 영향을 받기 때문에 연관된 문제이다. 치료의 시작과 약 3℃에서 5℃에 의한 뇌 저체온법의 달성(예를 들어, 32℃에서 34℃) 사이의 갭은 현재의 방법론으로는 30분 이상이 걸리며, 몇몇 경우에는 2시간 정도로 길게 걸린다. 이러한 지연은 부분적으로 혈액 순환에 의한 열과 뇌 고유의 열 생산을 극복하기가 어렵다는 것으로 설명될 수 있을 뿐만 아니라, (중요하게는) 현재의 장치들은 특별하게 열 추출기로서 설계되어 있지 않는다는 사실로 설명될 수 있다. 이러한 지연은 적시에 신경보호 및 국부적인 뇌 냉각을 제공할 기회를 잃는 것으로 나타나기 때문에, 여기에 기재된 기술은 열전 냉각(TEC) 기술과 전자 온도제어 서보기구(servomechanism)에 기반한 두경부 저체온법 장치로 이러한 지연을 최소화한다. 일반적으로, 냉각 치료는 온도가 온도계(thermometers)로, 느리게 응답하는 냉각장치의 셋팅(settings)을 변경하는 간호 직원에 의해 수동으로 모니터링되는 오픈 루프 구성(open loop configurations)을 사용하여 시행되었다. 이러한 접근법은 비효율적이고, 지루하며, 그 자체로 실수할 가능성을 준다.

따라서, 여기에 기재된 기술은 전자 제어 냉각(또는 가열) 치료유닛들을 포함하는 뇌 냉각에 대한 휴대 해결책을 제공한다. 이 치료유닛들은 바람직하게 적어도 하나의 헬멧, 그리고 더 바람직하게는 목 칼라와 조합된 헬멧을 포함한다. 이 헬멧 장치는 저체온법의 국부적인 피부 손상 또는 전신 불편함(systemic discomfort) 및 전신 합병증(systemic complications)을 야기시킴이 없이 15분 이내에 뇌로부터 열을 추출하도록 설계된다. 이 목 칼라 장치는 경동맥에서의 혈액 온도를 적어도 1℃까지 낮춤으로써 기압 냉각과정(baric cooling process)을 돕기 위해 목을 적극적으로 냉각시킨다. 전술된 실시예들의 타당성은 실제적인 장치 시행이 최신의 열 전도 재료들을 사용하여 묘사되는 한편, 이중 접근의 이점을 예시하는 광범위한 수학적 모델링에 의해 뒷받침된다.

여기에 기재된 열전 의료 냉각장치는 몇 가지 독특한 특징을 가진다. 첫째로, 그것은 열전 냉각효과의 이점을 취함으로써 뇌와 목에서의 국부적 저체온법을 유도하도록 설계된다. 헬멧에서 순환하는 유체를 냉각시키기 위해 작동하도록 AC 전원을 요구하는 현재 이용 가능한 대형 냉각유닛들과는 다르게, 여기에 기재된 기술은 주로 휴대용 장치로서 고안된 것이고, 능동 열전 모듈들과 보조 전자회로, 그리고 저압 유체 순환장치 및 열교환기의 사용에 기반하며, 그 조합은 표준 12V DC 전원으로 용이하게 작동된다. 더욱, TECs의 핫측(hot side)이 주위 온도(약 20℃에서 25℃)에 가깝게 되는 것을 보장하면서, (동상을 피하기 위해) 환자의 두피 온도를 5℃까지 낮은 값으로 고정(또는 클램핑(clamp))하기 위해 정교한 피드백 회로를 사용하는 방법이 현재의 기술로 실행 가능하도록 나타나 있다. 본 발명의 장치는 또한 뒤따르는 프로그래밍된 패턴과 같이 신속하고 안전한 방식으로 따뜻함을 차가움으로, 그리고 그 반대로 전환하는 것을 허용한다. 헬멧 및 칼라와 같은 냉각유닛들의 온도를 자동으로 조절하는 전자 제어유닛의 중요한 안전장치(safeguard)는 의료 요원에 의해 환자의 뇌를 냉각시키고 다시 따뜻하게 하는 유연하고 정확한 제어를 허용하는 것이다.

궁극적으로, 헬멧 및 목 칼라 장치는 인체 공학적이고 여러 임상 현장(clinical settings)에서 보여지는 심각한 신경 비상사태를 가진 환자들을 위해 뇌 저체온법을 전달할 수 있도록 최적으로 설계되는 한편, 특히 앰블런스 내의 응급 요원에 의해, 또는 다양한 비병원 환경(예를 들어, 스포츠 현장에서의 부상 선수, 현지의 저체온법 및/또는 집에서의 저체온법, 요양 간호 주택 등)에서 휴대용 열교환 장치들을 요구하는 사용자들에 의해 현장에서 사용되기에 매우 적합하다.

본 기술의 실시예들은 본 기술의 실시예들에 따른 방법 및 시스템의 플로우챠트 예시, 및/또는 컴퓨터 프로그램 제품들로서 시행될 수도 있는 알고리즘, 공식(formulae), 컴퓨터를 사용한 묘사(computational depictions)를 참조하여 기술될 수도 있다. 이와 관련하여, 플로우챠트의 각 블록 또는 단계, 그리고 플로우챠트, 알고리즘, 공식, 또는 컴퓨터를 사용한 묘사의 조합이 하드웨어(hardware), 펌웨어(firmware), 및/또는 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 코드 로직에 내장된 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 명령을 포함하는 소프트웨어(software)와 같이, 다양한 수단에 의해 시행될 수 있다. 이해되는 바와 같이, 그와 같은 컴퓨터 프로그램 명령들은 제한 없이 일반 목적의 컴퓨터 또는 특수 목적의 컴퓨터, 또는 기계를 만들기 위한 다른 프로그램 가능한 처리장치를 포함하는 컴퓨터에 로딩될 수도 있어서, 이 컴퓨터 또는 다른 프로그래밍 가능한 처리장치에서 실행하는 이 컴퓨터 프로그램 명령들은 플로우챠트(들)의 블록(들)에 규정된 기능들을 시행하기 위한 수단을 창출한다.

따라서, 플로우챠트의 블록, 알고리즘, 공식, 또는 컴퓨터를 사용한 묘사는 특정 기능들을 수행하기 위한 수단들의 조합, 특정 기능들을 수행하기 위한 단계들의 조합, 그리고 특정 기능을 수행하기 위해 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 코드 로직 수단에 내장된 것과 같은 컴퓨터 프로그램 명령들을 지원한다. 또한 플로우챠트 예시의 각 블록, 알고리즘, 공식, 또는 컴퓨터를 사용한 묘사 및 여기에 기재된 것의 조합은 특정 기능 또는 단계를 수행하는 특수 목적의 하드웨어 기반의 컴퓨터 시스템, 또는 특수 목적의 하드웨어 및 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 코드 로직 수단의 조합에 의해 시행될 수 있다.

더욱, 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 코드 로직에 내장된 것과 같은 이 컴퓨터 프로그램 명령들은 또한 특별한 방식으로 기능하도록 컴퓨터 또는 다른 프로그래밍 가능한 처리장치를 지향할 수 있는 컴퓨터 판독 가능한 메모리에 저장될 수도 있어서, 이 컴퓨터 판독 가능한 메모리에 저장된 명령들은 플로우챠트(들)의 블록(들)에서 규정된 기능을 시행하는 명령수단을 포함하는 제작품을 만든다. 이 컴퓨터 프로그램 명령들은 또한 컴퓨터 또는 다른 프로그래밍 가능한 처리장치에서 실행되는 명령들이 플로우챠트(들)의 블록(들)과 알고리즘(들)과 공식(들), 또는 컴퓨터를 사용한 묘사(들)에서 규정된 기능들을 시행하기 위한 단계들을 제공하도록 컴퓨터 구현 프로세스(computer-implemented process)를 생성하기 위해 일련의 작동 단계들이 컴퓨터 또는 다른 프로그래밍 가능한 처리장치에서 수행되게 하는 컴퓨터 또는 다른 프로그래밍 가능한 처리장치에서 로딩될 수도 있다.

여기에서 사용되는 바와 같은 "프로그래밍" 또는 "실행 가능한 프로그램(program executable)"이라는 용어는 여기에 기재된 바와 같은 기능을 수행하기 위해 프로세서에 의해 실행될 수 있는 하나 이상의 명령을 언급한 것이라는 것을 또한 이해할 것이다. 이 명령들은 소프트웨어에, 펌웨어에, 또는 소프트웨어와 펌웨어의 조합으로 내장될 수 있다. 이 명령들은 비 일시적 매체 내의 장치에 국부적으로 저장될 수 있거나, 서버와 같이 원격으로 저장될 수 있거나, 이 명령들의 전부 또는 일부가 국부적으로, 그리고 원격으로 저장될 수 있다. 원격으로 저장된 명령들은 사용자 개시에 의해, 또는 하나 이상의 인자(factor)에 가반하여 자동으로 그 장치에 다운로드될(downloaded)(푸쉬될(pushed)) 수 있다. 여기서 사용되는 바와 같이, 프로세서, 컴퓨터 프로세서, 중앙 처리장치(CPU), 그리고 컴퓨터라는 용어들은 명령들을 실행할 수 있고 입력/출력 인터페이스들 및/또는 주변장치들과 통신할 수 있는 장치를 나타내기 위해 동의어로 사용된다는 것을 또한 이해할 것이다.

여기서의 기재로부터 본 개시는 아래의 내용을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다중 실시예를 포함한다는 것이 이해될 것이다.

1. 인체의 하나 이상의 부위에 부착하도록 구성된 치료유닛들(therapeutic units)에 분배되는 복수의 열전 냉각장치; 인체의 하나 이상의 부위에서 피부의 온도를 감지하도록 구성된 복수의 온도센서; 상기 각 열전 냉각장치에 인접하여 배치된 하나 이상의 냉각제 통로; 상기 냉각제 통로들을 통해 냉각제를 펌핑하도록 구성된 물 순환장치 및 열교환기; 및 상기 온도센서들에 의해 측정된 온도와 냉각 및 가열 사이클들의 프로그래밍 가능한 패턴에 기반한 설정 온도 사이의 온도 차이에 대한 응답으로 상기 열전 냉각장치들을 구동하도록 구성된 전자회로;를 포함하는, 치료적 저체온법을 위한 장치.

2. 상기 치료유닛들은 인체의 하나 이상의 부위에 부착하도록 구성되고 머리, 목, 다리, 팔, 가슴, 그리고 배로 이루어진 신체 요소들의 그룹으로부터 선택되는 신체 요소에 부착하도록 구성되는, 선행 실시예의 장치.

3. 상기 치료유닛들은 상기 신체 요소에 인체 공학적으로 합치되도록 구성되는, 선행 실시예의 장치.

4. 상기 치료유닛들은 다수의 유연성 열교환 모듈을 포함하고, 상기 각 열교환 모듈은 하나의 모듈 내에서 냉각 및 가열을 위해 열전달을 최적화하는 쪽으로 인체 부위에 인체 공학적으로 합치되도록 구성되는 하나 이상의 열전 냉각장치 및 냉각제 통로들을 포함하는, 선행 실시예의 장치.

5. 상기 장치는 휴대 가능하고, 이용 가능한 AC 또는 DC 전원으로 작동하도록 구성되는, 선행 실시예의 장치.

6. 헬멧 구조체(helmet structure)로 구성되는 치료유닛에 분배된 복수의 열전 냉각장치; 상기 냉각장치를 착용하고 있는 인체의 피부 온도를 감지하도록 구성되는 복수의 온도센서; 상기 각 열전 냉각장치에 인접하여 배치되는 하나 이상의 냉각제 통로; 상기 냉각제 통로들을 통해 냉각제를 펌핑하도록 구성되는 물 순환장치 및 열교환기; 및 상기 온도센서들에 의해 측정된 온도와 설정온도 사이의 온도 차이에 응답하여, 그리고 냉각 및 가열 사이클들의 프로그래밍된 패턴에 응답하여 상기 열전 냉각장치들을 구동하도록 구성되는 전자회로;를 포함하는, 두경부의 치료적 저체온법을 위한 장치.

7. 칼라 구조체(collar structure)에 분배된 복수의 열전 냉각장치를 더 포함하고, 상기 전자회로는 상기 헬멧 및 상기 칼라 내에서 상기 열전 냉각장치들을 구동하는, 선행 실시예의 장치.

8. 상기 하나 이상의 치료유닛은 머리, 목, 다리, 팔, 가슴, 그리고 배로 이루어진 신체 요소들의 그룹으로부터 선택되는 하나의 신체 요소에 등각 부착(conformal attachment)을 위해 인체의 하나 이상의 부위에 부착되도록 구성되는, 선행 실시예의 장치.

9. 상기 치료유닛은 상기 냉각 및 가열 사이클들에 대한 열전달을 증가시키는 쪽으로 상기 신체 요소에 인체 공학적으로 합치되도록 구성되는, 선행 실시예의 장치.

10. 유연성 열교환 모듈에 장착되는 열전 냉각장치들과 상기 냉각제 사이에서 온도를 교환하기 위해 상기 헬멧 내에 배치되는 다수의 유연성 열교환 모듈;을 더 포함하고, 상기 각 열교환 모듈은 외부 냉각제 통로를 통해 다른 유연성 열교환 모듈들로의, 그리고 상기 물 순환장치 및 열교환기로의 연결을 위해 구성되는 유입구와 유출구 사이에서 내부 냉각제 통로들을 가지는, 선행 실시예의 장치.

11. 상기 유연성 열교환 모듈들은 상기 열전 냉각장치들을 가진 적어도 두 개의 층과, 다른 층들에 있는 상기 내부 냉각제 통로들과 함께 구성되는, 선행 실시예의 장치.

12. 상기 복수의 열전 냉각장치가 분배되는 상기 헬멧 내에서 열 전도성 구조체(thermally conductive structure)를 더 포함하는, 선행 실시예의 장치.

13. 상기 헬멧의 내부에서 열 전도성 엘라스토머 코팅(thermally conductive elastomeric coating)을 더 포함하는, 선행 실시예의 장치.

14. 상기 복수의 열전 냉각장치는 하나 이상의 그룹으로 그룹화되고, 상기 각 그룹은 상기 온도센서들에 의해 측정된 온도와 냉각 및 가열 사이클들의 패턴에 기반하는 설정 온도 사이의 온도 차이에 응답하여 상기 열전 냉각장치들을 구동하도록 구성되는 상기 전자회로에 의해 분리되어 구동되는, 선행 실시예의 장치.

15. 상기 장치는 휴대 가능하고, 이용 가능한 AC 또는 DC 전원으로 작동되도록 구성되는, 선행 실시예의 장치.

16. 헬멧 및 칼라 구조체를 포함하는 치료유닛들에 분배된 복수의 열전 냉각장치; 상기 헬멧 및 칼라를 착용하고 있는 인체의 두피 및 피부의 온도를 감지하도록 구성되는 복수의 온도센서; 상기 각 열전 냉각장치에 인접하여 배치되는 하나 이상의 냉각제 통로; 상기 냉각제 통로들을 통해 냉각제를 펌핑하도록 구성되는 물 순환장치 및 열교환기; 및 상기 온도센서들에 의해 측정된 온도와 설정 온도 사이의 온도 차이에 응답하여 상기 열전 냉각장치들을 구동하도록 구성되는 전자회로;를 포함하는, 두경부의 치료적 저체온법을 위한 장치.

17. 상기 치료유닛들은 머리, 목, 다리, 팔, 가슴, 그리고 배로 이루어진 신체 요소들의 그룹으로부터 선택되는 하나의 신체 요소에 부착하기 위해 인체의 하나 이상의 부위에 부착되도록 구성되는, 선행 실시예의 장치.

18. 상기 치료유닛들은 상기 신체 요소에 인체 공학적으로 합치되도록 구성되는, 선행 실시예의 장치.

19. 상기 치료유닛들은 다수의 유연성 열교환 모듈을 포함하고, 상기 각 열교환 모듈은 하나의 모듈 내에서 냉각 및 가열을 위해 열전달을 최적화하는 쪽으로 인체 부위에 인체 공학적으로 합치되도록 구성되는 하나 이상의 열전 냉각장치 및 냉각제 통로들을 포함하는, 선행 실시예의 장치.

20. 상기 장치는 휴대 가능하고, 이용 가능한 AC 또는 DC 전원으로 작동되도록 구성되는, 선행 실시예의 장치.

여기서의 기재는 많은 상세사항을 포함하고 있지만, 이것들은 이 개시의 범위를 제한하는 것으로 유추되어서는 안되며, 단지 현재의 바람직한 실시예들의 일부의 예시를 제공하는 것으로 유추되어야 한다. 그러므로, 이 개시의 범위는 통상의 기술자에게 자명하게 될 수 있는 다른 실시예들을 포함하는 것으로 이해해야 할 것이다.

청구항들에서, 한 요소에 대해 단수형으로 언급한 것은 명백하게 그렇게 진술되지 않다면 "하나 및 오직 하나"를 의미하는 것으로 의도된 것이 아니라 "하나 또는 그 이상"을 의미하는 것이다. 통상의 기술자에게 알려진 개시된 실시예들의 요소들에 대한 모든 구조적, 화학적, 그리고 기능적 등가물은 명백하게 참조로 여기에 포함된 것이며, 본 청구항들에 의해 포함되는 것으로 의도된 것이다. 또한, 본 개시에서의 요소, 구성부품, 또는 방법 단계는 그 요소, 구성부품, 또는 방법 단계가 명백하게 청구항들에서 인용되어 있는지에 관계없이 대중에게 전용되도록 의도된 것이 아니다. 여기에서의 어떠한 청구항 요소도 그 요소가 분명하게 "하는 수단(means for)"이라는 문구를 사용하여 인용되지 않는다면 "수단 플러스 기능(means plus function)"으로 유추되어서는 안된다. 여기에서의 어떠한 청구항 요소도 그 요소가 분명하게 "하는 단계(step for)"라는 문구를 사용하여 인용되지 않는다면 "단계 플러스 기능(step plus function)"으로 유추되어서는 안된다.

Claims

인체의 하나 이상의 부위에 부착하도록 구성된 치료유닛들(therapeutic units)에 분배되는 복수의 열전 냉각장치;
상기 인체의 하나 이상의 부위에서 피부의 온도를 감지하도록 구성된 복수의 온도센서;
상기 각 열전 냉각장치에 인접하여 배치된 하나 이상의 냉각제 통로;
상기 냉각제 통로들을 통해 냉각제를 펌핑하도록 구성된 물 순환장치 및 열교환기; 및
상기 온도센서들에 의해 측정된 온도와 냉각 및 가열 사이클들의 프로그래밍 가능한 패턴에 기반한 설정 온도 사이의 온도 차이에 대한 응답으로 상기 열전 냉각장치들을 구동하도록 구성된 전자회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 치료적 저체온법을 위한 장치.
제1항에 있어서,
상기 치료유닛들은 상기 인체의 하나 이상의 부위에 부착하도록 구성되고 머리, 목, 다리, 팔, 가슴, 그리고 배로 이루어진 신체 요소들의 그룹으로부터 선택되는 신체 요소에 부착하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 치료적 저체온법을 위한 장치.
제2항에 있어서,
상기 치료유닛들은 상기 신체 요소에 인체 공학적으로 합치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 치료적 저체온법을 위한 장치.
제2항에 있어서,
상기 치료유닛들은 다수의 유연성 열교환 모듈을 포함하고, 상기 각 열교환 모듈은 하나의 모듈 내에서 냉각 및 가열을 위해 열전달을 최적화하는 쪽으로 인체 부위에 인체 공학적으로 합치되도록 구성되는 하나 이상의 열전 냉각장치 및 냉각제 통로들을 포함하는 것을 특징으로 하는 치료적 저체온법을 위한 장치.
제1항에 있어서,
상기 장치는 휴대 가능하고, 이용 가능한 AC 또는 DC 전원으로 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 치료적 저체온법을 위한 장치.
헬멧 구조체(helmet structure)로 구성되는 치료유닛에 분배된 복수의 열전 냉각장치;
상기 냉각장치를 착용하고 있는 인체의 피부 온도를 감지하도록 구성되는 복수의 온도센서;
상기 각 열전 냉각장치에 인접하여 배치되는 하나 이상의 냉각제 통로;
상기 냉각제 통로들을 통해 냉각제를 펌핑하도록 구성되는 물 순환장치 및 열교환기; 및
상기 온도센서들에 의해 측정된 온도와 설정온도 사이의 온도 차이에 응답하여, 그리고 냉각 및 가열 사이클들의 프로그래밍된 패턴에 응답하여 상기 열전 냉각장치들을 구동하도록 구성되는 전자회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 두경부의 치료적 저체온법을 위한 장치.
제6항에 있어서,
칼라 구조체(collar structure)에 분배된 복수의 열전 냉각장치를 더 포함하고, 상기 전자회로는 상기 헬멧 및 상기 칼라 내에서 상기 열전 냉각장치들을 구동하는 것을 특징으로 하는 두경부의 치료적 저체온법을 위한 장치.
제6항에 있어서,
상기 하나 이상의 치료유닛은 머리, 목, 다리, 팔, 가슴, 그리고 배로 이루어진 신체 요소들의 그룹으로부터 선택되는 하나의 신체 요소에 등각 부착(conformal attachment)을 위해 인체의 하나 이상의 부위에 부착되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 두경부의 치료적 저체온법을 위한 장치.
제8항에 있어서,
상기 치료유닛은 상기 냉각 및 가열 사이클들에 대한 열전달을 증가시키는 쪽으로 상기 신체 요소에 인체 공학적으로 합치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 두경부의 치료적 저체온법을 위한 장치.
제6항에 있어서,
유연성 열교환 모듈에 장착되는 열전 냉각장치들과 상기 냉각제 사이에서 온도를 교환하기 위해 상기 헬멧 내에 배치되는 다수의 유연성 열교환 모듈;을 더 포함하고,
상기 각 열교환 모듈은 외부 냉각제 통로를 통해 다른 유연성 열교환 모듈들로의, 그리고 상기 물 순환장치 및 열교환기로의 연결을 위해 구성되는 유입구와 유출구 사이에서 내부 냉각제 통로들을 가지는 것을 특징으로 하는 두경부의 치료적 저체온법을 위한 장치.
제10항에 있어서,
상기 유연성 열교환 모듈들은 상기 열전 냉각장치들을 가진 적어도 두 개의 층과, 다른 층들에 있는 상기 내부 냉각제 통로들과 함께 구성되는 것을 특징으로 하는 두경부의 치료적 저체온법을 위한 장치.
제6항에 있어서,
상기 복수의 열전 냉각장치가 분배되는 상기 헬멧 내에서 열 전도성 구조체(thermally conductive structure)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 두경부의 치료적 저체온법을 위한 장치.
제6항에 있어서,
상기 헬멧의 내부에서 열 전도성 엘라스토머 코팅(thermally conductive elastomeric coating)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 두경부의 치료적 저체온법을 위한 장치.
제6항에 있어서,
상기 복수의 열전 냉각장치는 하나 이상의 그룹으로 그룹화되고, 상기 각 그룹은 상기 온도센서들에 의해 측정된 온도와 냉각 및 가열 사이클들의 패턴에 기반하는 설정 온도 사이의 온도 차이에 응답하여 상기 열전 냉각장치들을 구동하도록 구성되는 상기 전자회로에 의해 분리되어 구동되는 것을 특징으로 하는 두경부의 치료적 저체온법을 위한 장치.
제6항에 있어서,
상기 장치는 휴대 가능하고, 이용 가능한 AC 또는 DC 전원으로 작동되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 두경부의 치료적 저체온법을 위한 장치.
헬멧 및 칼라 구조체를 포함하는 치료유닛들에 분배된 복수의 열전 냉각장치;
상기 헬멧 및 칼라를 착용하고 있는 인체의 두피 및 피부의 온도를 감지하도록 구성되는 복수의 온도센서;
상기 각 열전 냉각장치에 인접하여 배치되는 하나 이상의 냉각제 통로;
상기 냉각제 통로들을 통해 냉각제를 펌핑하도록 구성되는 물 순환장치 및 열교환기; 및
상기 온도센서들에 의해 측정된 온도와 설정 온도 사이의 온도 차이에 응답하여 상기 열전 냉각장치들을 구동하도록 구성되는 전자회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 두경부의 치료적 저체온법을 위한 장치.
제16항에 있어서,
상기 치료유닛들은 머리, 목, 다리, 팔, 가슴, 그리고 배로 이루어진 신체 요소들의 그룹으로부터 선택되는 하나의 신체 요소에 부착하기 위해 인체의 하나 이상의 부위에 부착되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 두경부의 치료적 저체온법을 위한 장치.
제16항에 있어서,
상기 치료유닛들은 상기 신체 요소에 인체 공학적으로 합치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 두경부의 치료적 저체온법을 위한 장치.
제16항에 있어서,
상기 치료유닛들은 다수의 유연성 열교환 모듈을 포함하고, 상기 각 열교환 모듈은 하나의 모듈 내에서 냉각 및 가열을 위해 열전달을 최적화하는 쪽으로 인체 부위에 인체 공학적으로 합치되도록 구성되는 하나 이상의 열전 냉각장치 및 냉각제 통로들을 포함하는 것을 특징으로 하는 두경부의 치료적 저체온법을 위한 장치.
제16항에 있어서,
상기 장치는 휴대 가능하고, 이용 가능한 AC 또는 DC 전원으로 작동되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 두경부의 치료적 저체온법을 위한 장치.