KR20220068257A

KR20220068257A - 대수조를 통한 뇌 냉각 및 교모세포종의 진단 및 치료 기구 및 방법

Info

Publication number: KR20220068257A
Application number: KR1020227013857A
Authority: KR
Inventors: 에드워드 웡; 로만 소렉; 존 퍼스
Original assignee: 에드워드 웡
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2022-05-25
Also published as: JP2022550735A; EP4034054A1; CN114727878A; US20220370240A1; WO2021061471A1; EP4034054A4

Abstract

신속하고 안전한 뇌 냉각의 사용에 의해 뇌사를 방지하기 위해 사용되는 방법 및 기구가 개시된다. 대수조는 환자의 목을 통해 접근되고, 냉각된 인공 뇌척수액(artificial cerebrospinal fluid: aCSF)은 뇌에 대한 냉각된 aCSF의 흐름을 가능하게 하는 특별히 설계된 바늘/캐뉼라로 환자의 목을 통해 입구로 대수조에 들어가는 것에 의해, 뇌 내의 공간과 뇌를 둘러싼 지주막하 공간에 대해 순환된다. aCSF는 온도/압력 센서가 배치된 두개골의 개구로부터 배출한다. 데이터는 냉각된 aCSF를 대수조에 배치된 바늘/캐뉼라로 펌프하는 컴퓨터 제어 전동 시스템으로 전송된다. aCSF의 펌핑은 배출하는 aCSF의 미리 결정된 온도 및/또는 압력을 유지하도록 제어된다.

Description

대수조를 통한 뇌 냉각 및 교모세포종의 진단 및 치료 기구 및 방법

본 출원은 35 USC 119에 의하여 2019년 9월 25일 출원된 미국 가특허출원 제62/905,996호의 우선권을 주장하며, 여기에 참조로 포함된다.

예시된 실시예는 심근경색으로 인한 심정지, 뇌졸중 및 출혈과 같은 질병을 포함하여 뇌 순환이 원활하지 못한 경우 뇌사를 방지하기 위해 안전하고 신속하게 깊은 저체온(1-10 ℃로 냉각된 aCSF(artificial cerebrospinal fluid)를 이용하여 섭씨 20에서 25도)으로 신속하게 뇌를 냉각시키기 위한 독특한 접근법에 관한 것이다.

50년 전, 로버트 화이트 교수는 원숭이의 뇌를 섭씨 15도 이하로 냉각시키면 목의 모든 주요 혈관을 묶은 경우 1시간 동안 뇌로 혈액이 순환하지 않고 뇌의 구조와 기능을 보호할 수 있음을 증명하였다. 목의 모든 혈관을 둘러싼 끈이 1시간 후에 풀렸을 때, 원숭이에게 실온으로 돌아갈 시간이 주어졌고, 그 후 테스트에서는 기억력, 문제 해결, 및 작업 능력의 저하가 나타나지 않았다.

화이트 교수의 새로운 연구는 도 4에 도시된 바와 같이 대동맥 박리를 갖는 마르판(Marfan) 증후군의 경우와 같이 대동맥 보철물로 대동맥궁을 수리하는 흉부외과 의사들에 의해 현재 성공적으로 사용되고 있다. 그들은 뇌를 섭씨 10도로 사전 냉각시키면, 뇌에 혈액 공급 없이도 30분의 수술 시간을 얻을 수 있다. 극저온 식염수를 쇄골하 동맥으로 보냄으로써, 뇌의 이 온도에 도달시킬 수 있다. 이는 기억력이나 기능의 손실 없이 뇌 손상을 방지하는데 꽤 성공적이다. 도 4는 신경과 및 신경외과 외의 광범위한 의학 문헌을 아는 것의 중요성을 강조한다. 1975년 그리프 외 연구진은 심폐 바이패스로 뇌 온도를 깊은 저체온 범위까지 낮춘 후 심장 흉부 문헌에 처음 보고했다. 그들은 대동맥궁의 교체로 그들 환자의 심정지에도 불구하고 성공적으로 뇌 기능을 보존했다. 이러한 수술에 뇌에 혈액이 공급되지 않는 30분 이상 동안 뇌를 "가사 상태(suspended animation)"로 만들기 위해 깊은 저체온을 포함하는 것이 일반적인 의료 관행이다.

뇌의 온도를 극도의 저체온으로 낮춤으로써 혈액 흐름이 없음에도 불구하고 뇌는 가사 상태의 상태로 될 수 있다. 29세의 방사선 전문의인 안나 보겐홀름은 렌싯(355 (9201) 375-376)에 편평한 심전도로 섭씨 13.7도까지 우발적으로 잠긴 상태로 얼어붙었다고 보고되었다. 소생법을 마치고 정상 체온으로 돌아온 그녀는 모든 정신 기능을 완전히 회복했다. 국방부의 자금 지원을 받고 있는, MD, 사무엘 티셔만은 2019년 11월에 냉장된 식염수를 뇌혈관 순환에 사용하여 뇌를 극도의 저체온으로 냉각시키는 것에 의해 심각한 외상을 입은 환자를 치료한 것으로 보고되었다. 2시간의 저체온 후 그는 외과 수술을 완료하고 환자를 소생시킬 수 있었다.

얼어붙은 호수에 빠진 아동은 극도의 저체온으로 1시간 이상 물에 잠겨도 뚜렷한 뇌 손상 없이 생존하는 것으로 보고되었다 - 아동은 뇌를 신속하게 냉각할 수 있는 얇은 두개골뿐만 아니라 열린 숨구멍을 가질 수 있기 때문에, 유사한 도전적인 상황에 처한 성인들은 차가운 물에서 생존하지 못할 것이다. 오늘날, 허혈성 뇌손상의 위험이 있는 영유아와 아동으로, 중도에서 경도의 저체온으로 치료된 아동이 전신 온도를 낮추지 않은 아동에 비해 생존율이 향상되고 뇌 손상이 적다.

많은 보고서에서 심장 마비의 경우 체온을 단지 섭씨 33도로 낮추는 경도에서 중도의 저체온을 연구했으며, 결과 분석에 성공적인 다양한 보고가 있었다. 체온을 섭씨 33도 이하로 낮추면 심실 상에 유해한 영향으로 인한 심장 부정맥 및 출혈을 초래하는 혈소판 응집 중단으로 인한 출혈 문제를 유발할 수 있다.

뇌에 혈액이 중단되는 경우, 불가역적인 뇌 손상이 있기 전까지 몇 분 밖에 걸리지 않을 수 있다. 심폐소생술(CPR)은 심정지의 표준 치료법이나, 성공적인 경우에도 심각한 장애를 갖는 뇌 조직의 뇌졸중을 초래할 수 있다. 심정지 외에도, 대규모 뇌졸중 및 출혈은 뇌로의 순환이 부족한 첫 몇 분 이내에 치료되어야 하는 생명을 위협하는 주요 문제이다. 군대가 순환 정지로 뇌의 생존을 1시간 이상 연장하는 방법을 찾는데 열심인 것도 무리가 아니다. "골든 아워(golden hour)"를 연장하는 방법에 대한 이러한 탐색은 치료 의사가 당면한 문제와 그 원인을 치료할 기회를 줄 것이다. 만일 뇌를 1시간 이상 가사 상태에 둘 수 있다면, 그것은 즉각적인 뇌사로 위협받는 환자를 위한 의료의 패러다임 변화를 가져올 것이다! 깊은 저체온을 신속하고 효과적으로 활용하여 뇌를 허혈성 손상으로부터 보호할 수 있다면 손상된 장기와 조직의 순환 회복과 수리가 가능해질 것이다. 단지 5분이 아닌 1시간이 주어진다면 치료 의사는 환자를 구할 수 있는 기회를 갖게 될 것이다.

심한 저체온(<섭씨 14도)의 범위에서, 인공 뇌척수액(aCSF)으로 뇌를 냉각시키는 기술을 사용하여 이러한 저온이 달성될 수 있다. 임상적 개선을 조건으로 하나, 이 특허의 목적을 위해, "깊은(deep)" 저체온의 목표 온도 범위는 "깊은 저체온 순환 정지(deep hypothermic circulatory arrest, DHCA)"의 수술 기술과 일치하여 사용된다. 뇌의 깊은 저체온에 접근하는 이러한 패러다임 변화에 대한 역사, 현재 작업 및 이론적 근거에 대한 검토가 제시된다.

본 발명의 예시된 실시예는 심정지, 뇌졸중, 출혈로 인한 혈액 손실, 및 기타 원인으로 인한 뇌로의 두개 내의(intracranial) 순환 중단으로 인한 뇌사 방지 장치 및 방법을 제공한다. 뇌를 선택적으로 냉각시키는 것에 의해, 혈액 흐름의 순환 없이 "가사 상태(suspended animation)"로 1시간 이상 놓여질 수 있다. 뇌사가 임박한 환자를 구하는 데 단 5분 대신, 치료 의사는 환자의 생명을 구하는데 1시간 이상을 갖게 될 것이다. 뇌척수액을 직접 냉각함으로써, 대동맥 또는 대혈관을 뇌에 캐뉼라를 통해 뇌혈관 순환에 직접 들어가지 않고 뇌를 냉각시키는 것이 가능하다. 순환에 캐뉼라를 삽입하는 데 걸리는 시간은 신속한 진행을 어렵게 하며, 전신 냉각 문제는 부정맥과 출혈을 초래할 수 있다.

따라서, 뇌를 신속하게 냉각시키는 패러다임의 변화는 새로운 접근을 요구한다. 예시된 실시예의 기구는 안전하고, 정확하며, 비외상적으로 신속하게 대수조에 들어가기 위해 필요하다. 뇌에 바늘을 삽입할 수 있는 첫 번째 사람이 긴급 의료원이 될 수 있기 때문에, 그 절차는 완전하고, 사용하기 쉬우며, 신속하게 시행되어야 한다. 일단 자리하면, 바늘은 고정 해부학적 부위에 고정되어야 하고 바늘의 날카로운 절단 팁은 대수조 및 뇌간의 뇌 조직 손상을 방지하기 위해 그 형상을 변경하여야 한다. 전장 상황의 경우, 대퇴 동맥과 같은 큰 혈관에 들어가는 유사한 바늘 시스템의 설계는 긴급 의료원이 사용할 때 안전하고 신속하게 이루어져야 한다.

대수조를 통한 뇌 냉각 방법

안전, 정확성, 및 속도는 뇌사를 초래하는 뇌 순환의 급성 중단을 갖는 환자를 다루는 응급 상황에서 뇌사를 신속하게 방지하기 위한 예시된 실시예의 특징이다. 임상적으로, 뇌는, 쇄골하 동맥으로 바이패스를 통해 냉동 식염수를 펌핑함으로써 박리성 대동맥류를 대체하기 위해 수술 중에 가사 상태(suspended animation)에 놓여질 수 있다. 이는 전 세계 인간에 꽤 성공적으로 행해졌다.

우리의 실험실 연구는 실험 동물의 뇌가 깊은 저체온으로 신속하게 냉각되거나, 심지어 극심한 저체온으로 더 낮아질 수 있음을 입증한다. 뇌에 대해 냉각된 인공 뇌척수액(aCSF)을 순환시키는 것에 의해 뇌척수액(CSF)을 신속하게 냉각시키는 것은 지주막하 공간 내 뇌뿐만 아니라 기저 수조의 혈관을 ?嗔Ⅷ? 하는 것에 의해 중추 신경계(central nervous system; CNS)를 냉각시킬 수 있다. 우리는 두개골-경추 접합부 뒤쪽에서 또는 유양 골(mastoid bone) 아래의 측면 접근에서 대수조로 진입함으로써 지주막하 공간으로의 진입이 신속하고 안전하게 달성될 수 있음을 발견했다. 들어가는 바늘이 뇌간과 척추 동맥에 인접하기 때문에, 이는 바늘에 관한 그리고 바늘을 통한 초음파 방향을 사용하여 직접 시각화 하에 수행되어야 한다. 머리에서 aCSF를 배출하고 대류 냉각을 허용하기 위해 이마(헤어 라인 근처)에 공기 구멍이 위치되어야 한다. 이 공기 구멍은 원형절제기(trephine)를 위한 새로운 설계로, 신속하게 삽입되고 안정적이며 뇌 손상에 안전하고 정확하게 배치되며 한 사람이 반-자율적으로 수행한다. 환자가 반듯이 누운 상태에서 후두부 뒤쪽 근처에서 더 차가운 액체와 온도 차이가 있는 반면, 배출하는 액체는 전두엽 근처에서 더 따뜻하다. 지주막하 공간은 고령 환자에서 상대적으로 커서 aCSF의 더 큰 부피로 더 큰 냉각 효과를 준다.

다른 구성은 aCSF가 원형절제기를 빠져나가 대수조로 재순환 되게 한다. 공기 구멍 개구는 온도 및 압력 측정을 위해 이마의 튜빙으로부터의 정보를 통해 제어되는 aCSF를 재순환하기 위해 멸균 배수 시스템 또는 펌프 시스템에 연결된다. 대수조를 들어가는 온도뿐만 아니라 배출하는 aCSF의 온도가 모니터링된다. 냉각 시스템은 냉각 유닛 및 연동 펌프와 통합되어 있다. 폐쇄형 시스템이 사용되는 경우, 필터 시스템은 이 폐쇄형 시스템과 직렬로 연결되어 액체가 배출되는 뇌의 앞으로부터 경로에서 이물질과 오염물질 및 감염원을 제거한다; 따라서, 대류 냉각은 뇌를 신속하게 냉각하는 더 나은 결과를 가져올 것이다. 대류 냉각에 의해 생성된 가상 "펌프(pump)"는 신속한 냉각을 촉진하기 위해 두개골 내에서 추가 "모터(motor)" 역할을 한다.

사실상, 재순환 냉각된 aCSF는 지주막하 공간 내에서 대수조와 뇌 구조를 냉각시키는 폐쇄되고 멸균된 시스템에 있다. 초기 냉각은 뇌 조직을 순환하는 냉각된 혈액을 통해 뇌의 기저부에 있는 혈관에 제공된다. 냉각된 aCSF는 뇌의 기저부와 기억을 포함한 중요한 구조를 직접 냉각한다. 거기에서 냉각된 aCSF는 지주막하 공간 내에서 뇌 주위를 통과할 것이다. 반듯이 누운 자세에서는 후두부 근처의 차가운 액체와 액체가 배출되는 뇌의 앞에 있는 따뜻한 액체의 온도 차이가 존재하며, 따라서 대류 냉각이 발생하여 뇌를 신속하게 냉각시키는 더 나은 결과를 가져올 것이다. 대류 냉각에 의해 생성된 가상 펌프는 두개골 내에서 추가 펌프 역할을 하여 신속한 냉각을 촉진한다.

장치 및 방법이 기능적 설명과 함께 문법적 유동성을 위해 설명되었거나 설명될 것이지만, 35 USC 112에 따라 명시적으로 공식화되지 않는 한, 청구항은 "수단(means)" 또는 "단계(steps)"의 구성에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않으며, 균등의 법 원칙에 따라 청구에 의해 제공된 정의의 의미 및 균등의 전체 범위를 준수해야 하며, 청구가 35 USC 112에 따라 명시적으로 공식화된 경우에는 35 USC 112에 따라 완전한 법적 균등물을 적용해야 한다. 본 개시 내용은 유사한 요소가 유사한 번호로 참조되는 다음 도면을 참조하여 더 잘 시각화될 수 있다.

도 1은 대수조의 고정된 바늘을 통해 인공 CSF(aCSF)를 투여하고, 냉각된 aCSF를 기저수조, 두개골 주위의 지주막하 공간을 통해 순환하며, 멸균 용기로 배출하는 펌프 및 냉각기를 갖는 냉각 시스템의 요소를 보여주는 인간 머리의 단순화된 측단면도이다.
도 2는 두개골의 배출 포트로부터 펌프, 필터, 및 냉각 시스템으로 aCSF를 재순환한 다음 대수조의 고정된 바늘을 통해 지주막하 공간으로 다시 들어가는 것을 보여주는 인간 머리의 단순화된 측단면도이다.
도 3은 aCSF가 지주막하 공간을 순환한 후 빠져나갈 목적으로 두개골과 지주막하 공간에 배치된 특별히 설계된 유닛인, 반-자율 원형절제기를 보여주는 인간 머리의 단순화된 측단면도이다. 이는 또한 온도 센서와 압력 모니터를 포함한다.
도 4는 뇌사를 방지하기 위해 깊은 저체온을 필요로 하는 현재 기술로 마르판 증후군의 박리성 대동맥류의 선행 기술의 외과 수술에 사용된 보철물의 도면으로, 뇌를 냉각시키는 것에 의해 "가사 상태(suspended animation)"가 1975년부터 세계적으로 성공적으로 사용되었음을 보여준다.
도 5는 다른 접근 방식을 사용하여 2018년에 처음 보고되었고, 새로운 기술은 바늘을 뼈의 해부학적 위치에 위치하고 고정하기 위해 유양 골에 인접해 있다는 장점이 있는, 측면 접근으로부터 대수조로 들어가는 데 사용되는 새로운 기술을 설명하는 인간 머리의 단순화된 측면도이다.
도 6은 요추 천자를 통해 대수조와 척추관의 지주막하 공간으로 바늘을 삽입하는 것에 의해 척수를 냉각하는 접근을 보여주는 인체의 단순화된 측면도이다. 냉각된 aCSF를 대수조로 순환시키고 요추 천자 밖으로 향하게 함으로써, 펌프/냉각 시스템은 aCSF의 흐름을 척추관 아래로 향할 것이다. 상황에 따라, 냉각된 aCSF는 요추 천자 바늘로 향할 수 있고, 대수조 바늘로부터 배출할 수 있다.
도 7은 대수조에서 냉각된 aCSF의 입구 지점을 사용하고 두개골의 출구 포트와 요추 천자 아래 모두에서 흐름을 유도하는 것에 의해 뇌와 척수를 모두 냉각하는 방법을 설명하는 인체의 단순화된 측단면도이다.
도 8은 대류 냉각을 사용하여 환자가 바로 누운 상태에서 차가운 CSF가 아래에 그리고 따뜻한 CSF가 위로 있도록 뇌를 더욱 신속하게 냉각하게 하는 추가 "모터(motor)" 효과를 초래하여 뇌를 보다 빠르게 냉각하는 이점을 설명하는 인간 머리의 단순화된 측단면도이다.
도 9는 바늘, 전자 인터페이스 유닛, 및 휴대용 핸드헬드 모니터로 구성된 2mm 직경 캐뉼라(17-게이지 바늘 내) 내의 위상 어레이 초음파 장치의 구성요소의 도면이다.
도 10은 도 9의 초음파 장치의 송신 및 수신 단부에 대한 도면으로, 위상 어레이 이미징에서 64 이상의 요소 사용, 30도 이상의 시야, 최대 2.5cm의 침투를 설명한다.
도 11은 니티놀과 같은 온도에 민감한 합금을 사용하는 개념을 설명하기 위한, 서로 다른 시간에서 초음파 바늘 말단의 사시도이다. 바늘이 대수조로 침투한 후, 냉각된 aCSF가 바늘로 들어가 그 형상을 변화시켜 뾰족한 팁이 무뎌져 절단 에지를 둔하게 만들 수 있다. 또한, 온도에 민감한 합금은 팁의 형상을 변경하여 aCSF의 흐름이 신경 조직에 더 적은 난류와 직접적인 스트리밍을 생성할 수 있게 한다.
도 12는 초음파 바늘 유닛에 고정 및 안정성을 주기 위해 외골격처럼 끼워지는 "두개골 캡(skull cap)"을 설명하는 인간 머리의 단순화된 측단면도이다.
도 13은 바늘에 지지 및 고정을 주는 반-강체 유닛을 제공하는 이마로부터 상부 경추까지의 밴드의 사용을 설명하는 인간 머리의 단순화된 측단면도이다. 이는 도 14에 묘사된 서보 모터 시스템에 부착할 수 있을 만큼 충분히 견고하다. 원형절제기의 나사에 의해 전방에 제공된 고정은 전두골에 고정된다. 고정 지점은 후방에서 "두개골 캡(skull cap)"처럼 견고히 맞는 외골격 역할을 하거나 또는 목과 대수조에 들어가는 초음파 바늘에 안정성과 정확성을 주기 위한 머리와 상부 목 위의 유사한 장치 역할을 한다.
도 14는 도 15에 묘사되는 대수조 또는 대퇴 동맥에 위상 어레이 초음파 바늘을 반-자율 또는 로봇 공학적으로 삽입할 수 있는 시스템의 도면이다. 바늘이 정확한 위치에 놓이면, 위상 어레이 초음파 바늘으로부터의 정보가 마이크로프로세서/인공 지능 유닛으로 보내지고, 그 후 목표 부위에의 바늘의 삽입을 제어하는 서보 모터로 보내진다. 이는 도 13에 도시된 것과 같이 견고하고 안정적인 고정 유닛을 요구한다.
도 15는 대퇴 동맥 목표 부위 및 바늘 진입의 위치를 파악하기 위한 관련된 해부학의 단순화된 정면 단면도이다.
도 16은 위상 어레이 초음파 캐뉼라가 대퇴 동맥에서 대동맥으로 들어갈 때의 궤적을 보여주는 대동맥의 도면이다. 30도의 시야 범위와 최대 2.5cm의 침투로 대동맥의 벌룬 탐포네이드(balloon tamponade)가 보다 정확하게 만들어지고 빠르게 수행된다.
도 17은 제거할 때, 초음파 프로브를 지주막하 공간에 안전하고, 정확하고, 양호한 고정으로 정확하게 배치하기 위해 원뿔 형상의 터널을 남기는 중앙 투관침(trocar)을 갖는 중공 원형절제기 나사의 일련의 측면 평면도 및 두개의 측단면도이다. 일단 자리를 잡으면, 이 원형절제기 나사는 지주막하 공간으로부터 뇌척수액의 제거를 가능하게 한다.
도 18은 두개골을 통해 나사를 유도하여 뼈에 단단히 고정하고, 지주막하 공간에 들어가면 멈추도록 서보 모터를 반-자율적으로 제어하는 마이크로 컨트롤러에 초음파 정보를 제공하도록 4개 이상의 변환기를 수용하는 원형절제기 장치 유닛을 설명하는 확대도이다.
도 19는 도 10의 장치, 즉, 정상 조직과 대조적으로 종양의 조직 특성을 특성화할 수 있는 64 이상의 요소가 있는 2mmm 내경 바늘을 포함하는 초음파 바늘을 설명하는 인간 머리의 단순화된 측단면도이다. 계측된 초음파 바늘은 이미지에 정보를 제공하고, 바늘의 반-자율적 또는 로봇 삽입을 지시하며, 교모세포종 종양을 치료한다. 초음파 변환기는 종양에 근접한 바늘 팁에서 에너지를 생성한다. 종양의 전처리 후, 동일한 바늘은 다양한 치료 양식의 마이크로 리터의 투여를 가능하게 한다. 약 투여 후, 초음파 바늘 팁은 조직을 이미지화하여 정상 뇌 조직과 관련하여 치료 효과의 위치를 결정한다.
도 20은 조심스럽게 바늘을 지주막하 공간으로 향하게 하고 조직 진단을 위한 위치에 고정하고, 뇌 조직을 맵핑하고, 뇌로 초음파 바늘의 궤적을 개발하도록 초음파 바늘 유닛을 갖는 원형절제기 유닛을 포함하는 도 14 및 도 18의 장치의 조합을 설명하는 인간 두개골 삽입 부위의 측단면도이다.
도 21은 직경 2mm를 갖고, 주변 나사 내의 3 내지 4mm 중공 원뿔 공간에 끼워져 높은 정밀도로 반-자율 또는 로봇 시스템을 사용하여 초음파 바늘을 정확하게 배치할 수 있는 충분한 자유도를 제공하는 초음파 바늘의 측면도이다.
도 22는 외골격이 신체의 다른 곳에서 고형 종양을 치료하는데 어떻게 사용될 수 있는지를 설명하는 인체의 사시도이다. 레이저 스캐닝 데이터 또는 MRI 또는 CT 스캐닝과 같은 기타 이미징 데이터로부터 최소한의 움직임으로 견고하고 정확하게 맞도록 외골격의 3-차원 프린팅이 신속하게 제공될 수 있다. 이는 신체에 정확하게 들어가고 종양 1mm 인접 이내로 종양을 목표로 하여 초음파 에너지로 진단하고 치료하도록 하고 종양과 주변 정상 조직에 미치는 영향을 매우 정확하게 관찰하고 치료 약을 종양에 투여하도록 원형절제기 및/또는 초음파 바늘 유닛의 고정을 위한 견고한 기반을 제공할 것이다.
도 23은 초음파 바늘을 유방 종양의 1mm 이내로 유도하여 정상 조직의 손상을 최소화하면서 종양을 진단, 묘사 및 치료하도록 안정성과 정밀도를 반-자율 또는 로봇 유닛에 주도록 인간 유방에 외골격을 사용하는 측단면도이다.
도 24는 동물 연구에 사용된 돼지의 참수된 머리와 목의 시상도이다. 이 CT 스캔은 대수조 바늘의 위치 및 흰색 화살표로 표시된 서미스터의 위치를 확인한다.
도 25는 도 24에 묘사된 돼지의 실험에서 측정된 온도 대 시간 그래프이다.
본 개시 내용 및 그 다양한 실시예는 이제 청구항에 정의된 실시예의 예로서 제시되는 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있다. 청구항에 의해 정의된 실시예는 아래에 설명된 예시된 실시예보다 더 광범위할 수 있다는 것이 명백히 이해된다.

동물 연구:

뇌의 기저부에 위치된 대수조는, 요추 천자를 통해 뇌를 냉각하려는 비효율적인 이전 시도로 인해 냉각 장치의 진입 지점으로 선택되었다. 척추관을 통해 들어가는 것은, 척추관의 순환 혈관의 따뜻함으로 인해 aCSF의 온도의 상승을 유발했다. 가장 큰 수조인, 대수조에 들어감으로써, 17-게이지 바늘은 지주막하 공간에 배치될 수 있고, 이마의 공기 구멍을 통해 냉각된 식염수를 순환시키는 데 사용될 수 있다. 이 방법론을 사용하여, 최근에 죽은 50마리 이상의 돼지에 대한 초기 연구는 유망한 결과를 제공하고 생체 내 검사를 장려했다.

생체 내 테스트하기 위해, 우리의 접근 방식은 조직의 온도, 따라서 도 24의 CT 스캔에 묘사된 것처럼 냉각된 aCSF의 순환의 효과를 모니터링하도록 뇌의 다양한 깊이(5mm 증분)에 배치된, 서미스터(thermistor)와 결합되었다. 생체 내 실험 동안 수집된 뇌 온도는 뇌로 흐르는 따뜻한 혈액으로 전신 마취 하에 큰 동물 모델 내에서 뇌 냉각이 달성될 수 있음을 입증했다. 또한, 15:35에 안락사로 표본이 종료되면, 혈액 흐름이 없는 상태에서 뇌 온도가 모니터링 되었다. 도 25의 그래프는 심장으로부터의 따뜻함 혈액의 유입이 종료되면 뇌의 추가적 냉각을 초래함을 증명한다. 이러한 결과는 냉각된 aCSF로 뇌를 냉각시키려고 시도할 때 유입하는 혈액의 따뜻한 기울기를 고려하는 것이 필수적이라는 우리의 가설과 일치한다. 도 25는 전신 마취 하에 돼지 모델의 뇌 온도를 모니터링하는 4개의 이식된 서미스터와 우리의 제안된 저체온 유도 방법론으로부터 수집된 데이터의 그래프이다. 각 서미스터는 5mm 증분으로 표면으로부터 뇌의 4가지 다른 깊이에 있는 피질 내에 배치된다. 수평 막대는 mL/min에서 펌프 속도를 나타낸다. 처음 10분 이내에, 온도는 15℃로 떨어진다. 15:35에 표본을 종료한 후, 온도는 실험이 끝날 때까지 계속하여 감소하였다.

반대로, 이 급진적 시스템은 특히 쇼크를 경험하거나 뇌로 흐르는 혈액이 거의 또는 전혀 없는 환자를 대상으로 하는 극단적인 응급 상황을 위해 설계되었다. 이러한 경우 순환하는 혈액의 열이 최소화되어 뇌 냉각이 훨씬 쉬워지고 따라서 조정을 위한 시간이 최대화되기 때문에 더 유리할 것이다.

우리의 생체 내 연구 결과는, CSF를 직접 냉각하는 것에 의해 뇌를 냉각하고 대류 냉각을 허용하여 뉴런이 위치된 피질에 인접한 지주막하 공간의 냉각 효과를 증가시키는 우리의 접근 방식을 뒷받침한다. 더욱이, 대수조로부터의 CSF 흐름이 뇌의 기저부에서 시작되기 때문에, 기억 회로의 냉각이 일찍 냉각된다. 척추 기저 순환이 대수조에 인접하기 때문에, 혈관에 캐뉼라를 삽입하지 않고, 순환하는 혈액의 냉각이 있을 것이고, 그 결과 깊은 구조의 추가 냉각이 있을 것이다.

우리는 살아있는 동물 연구에서 도 1에 도시된 바와 같이 냉각 시스템의 효능을 입증했다. 가장 중요한 경고는 바늘이 삽입되면, 초음파 바늘(3)이 대수조(1) 외부로 재배치되는 것을 방지하기 위해 즉시 고정되어야 한다는 것이다. aCSF는 냉각기(7)에서 1 내지 10 ℃ 범위의 온도로 냉각되며, 펌프(8)에 의해, 필터(9)를 통해 대수조(1)의 바늘(3)로 운반된다. 지주막하 공간(2)을 통한 냉각된 aCSF의 흐름은 여러 수준에서 뇌를 냉각시키는 데 매우 효과적이며, 특히 회백질의 보다 취약한 뉴런이 있는 피질 표면에서 매우 효과적이다. 노인 환자의 경우, 나이가 들어감에 따라 뇌가 자연적으로 수축하여 지주막하 공간(2)이 보다 널찍하고, 그 결과 순환에서 더 많은 양의 aCSF로 냉각 효과에 뇌가 더 빨리 노출된다. 대수조(1)의 냉각된 aCSF는 기저 동맥과 윌리스환(Circle of Willis)의 순환 근처에 있으며, 이는 중추 구조, 특히 기억을 보조하는 뇌 영역에 추가적인 냉각 효과를 줄 것이다. 냉각 시스템은 초기에 비상 상황에서 보다 단순하고 효과적인 방법인 화학적 냉각일 수 있다. 더욱이, 치료가 반드시 뇌를 냉각하는 것이 아니라 온도를 더 따뜻한 상태로 변경하는 것이라면 유사한 시스템에서 냉각기 및/또는 온열기를 사용하여 세정액에 적절한 온도를 얻을 수 있다. 서미스터는 원형절제기(4)를 통해 정면 두개골의 aCSF(5) 출구와 대수조(1) 입구에서 지주막하 공간(2) 내의 온도를 모니터링하기 위해 제공된다. 두개 내의 압력 마노미터는 두개 내압을 모니터링한다.

개시된 기구 및 방법은 깊은 저체온을 사용함으로써 뇌사를 방지하기 위해 뇌를 신속하게 냉각시키는 성공적이고 안전한 방법을 제공한다. 차가운 인공 뇌척수액(또는 기타 등장액)을 두개 내 및 지주막하 공간(2)으로 순환시키도록 바늘(3)은 대수조(1)에 안전하고, 신속하고, 정확하게 배치된다. 인공 뇌척수액(aCSF)의 온도를 낮추고, 이를 기저수조의 혈관 주위로 순환시킴으로써, 뇌의 순환은 냉각될 수 있다. 냉각된 aCSF가 컴퓨터 제어 연동 펌프에 의해 특히 뇌 뒤의 지주막하 공간(2)에 도달하면, 출구는 더 따뜻한 액체의 배출을 위해 전두골을 통해 만들어지므로, 대류 냉각이 시작될 것이다. 이후 배출하는 aCSF는 도 1에 도시된 바와 같이 멸균으로 수집될 것이다.

대안적으로, 도 2에 도시된 바와 같이 그것은 냉각 및 신체 외부에서 필터링되고 대수조(1)에 단단히 배치될 삽입된 바늘(3)로 다시 재순환될 것이다. 도 2에서 두개골의 출구 포트로부터 펌프로 aCSF(10)를 재순환하는 것은 필터링 시스템(9)이 aCSF가 대수조(1)로 다시 들어가기 전에 aCSF로부터 감염원과 이물질을 제거할 것을 요구한다. 멸균 환경에서 aCSF(10)를 재순환 하는 것은 많은 이점이 있다: 멸균 환경을 유지하는 것이 더 쉽고; 냉각이 더 효과적이고; 비상 시 운반하는데 필요한 aCSF가 적고; 공간 및 공급의 효율성이 발생할 수 있다. 삽입된 바늘(3)은 대수조(1) 내에서 바늘 팁의 움직임을 방지하기 위해 머리와 목의 도 12 및 13에 설명된 바와 같은 안정적인 구조에 고정될 수 있다.

도 12는 초음파 바늘이 대수조(1)에 적절하게 삽입하는데 고정, 안정성 및 정밀도를 제공하기 위해 후방 머리와 목에 배치된 외골격(24)을 사용하는 것을 포함하여 대수조(1)에 들어간 후 바늘 팁을 고정하는 방법의 한 구성을 설명한다. 유양 골 및/또는 외이도는 고정의 후방 지점이 될 것이고, 한편 전두골의 원형절제기의 나사는 고정의 전방 지점이 될 것이다. "두개골 캡(skull cap)"은, 초음파 바늘에 고정 및 안정성을 제공하기 위해 외골격(24)처럼 맞을 것이다.

도 13은 대수조(1)에 들어간 후 바늘을 고정하기 위한 제2 실시예를 나타낸다. 이는 전두골(25)에 견고히 조여지고 귀에 압박 부상을 일으키지 않고 상부 경추 주위를 돌고 있는 원형절제기에서 이마 주위에 배치되는 단단한 밴드의 사용을 포함한다. 외이도는 적절한 평면에 밴드를 위치하기 위한 기준점 역할을 한다. 이는 대수조(1)에 들어갈 때 바늘에 안정적인 고정을 준다. 더욱이, 서보 모터 시스템이 반-자율 또는 로봇적으로 바늘을 대수조(1)로 유도하고 이동하는 데 사용되는 경우, 도 12에 묘사된 바와 같이 "두개골 캡(skull cap)"의 외골격(24)과 같이 바늘을 유도할 안정적이고 고정된 베이스가 필요할 것이다.

이 지주막하 공간에서 냉각된 aCSF의 순환은 뇌의 외부 표면 상의 회백질뿐만 아니라 뇌의 기저부에 있는 구조를 포함하는 뇌 전체를 신속하게 냉각시킨다.

도 3에서는 지주막하 공간(2)에서 순환하는 aCSF가 배출하기 위해 두개골의 단일 개구가 계획되어 있으며, 환자가 바로 누운 경우에는 도 8에 도시된 바와 같이 대류 냉각의 이점을 이용하기 위해 전두엽을 향해 개구를 배치하는 것이 가장 좋다. 중공 나사를 갖는 반-자율 또는 로봇 원형절제기(4)는 도 18에서 액체를 배출하는 역할을 한다. 동일한 개구를 통해 온도 센서(11)는 냉각 깊이, 냉각 효율 및 냉각 속도에 대한 피드백을 제공한다. aCSF를 투여하는 동안 너무 높은 압력으로 뇌 손상을 방지하기 위해 압력 센서(미도시) 역시 필요할 수 있다. 대수조(1)에 들어가고 출구 지점(4)을 나가는 액체의 온도와 유속을 아는 것은 냉각 효율뿐만 아니라 냉각 속도를 알 수 있게 한다. 도 8은 aCSF가 대수조(1)로 들어가 환자가 바로 누운 채로 머리의 뒤통수 부위에 정착한 후 aCSF에 대한 펌핑 작용에 대한 대류 냉각(13)의 추가 효과를 설명한다. 뒤통수 부위 아래에 차가운 CSF와, 전두엽 위를 향한 상대적으로 따뜻한 CSF로 대류 냉각이 발생하고 따뜻한 액체가 배수로로 배출된다.

따라서, 개시된 기구 및 방법은 뇌의 깊은 저체온을 안전하고 신속하게 성공적으로 생성한다. 추가로, 이 방법은 외상 후 척수의 부종을 방지하거나 허혈성 손상으로부터 척수를 보호하기 위해 또한 도 6에 묘사된 바와 같이 척수를 신속하고 안전하게 냉각시키는 데에도 효과적이고; 척수의 냉각이 초래되는, 요추 천자 바늘(14)을 통한 분출에 의해 대수조(1)로부터 요추 부위 아래로 냉각된 aSCF의 흐름을 재유도하는 데에도 효과적이다.

심정지, 뇌졸중 및 출혈은, 뇌가 본 개시의 기구 또는 방법에 의해 제공되는 환자의 생명을 구하기 위해 담당 의사에게 최대 1시간 이상을 제공하는 가사 상태로 빠르게 전환되지 않는 한 5분만에 뇌사를 초래할 수 있다.

개시된 기구는 진입 바늘의 전방에 3-차원 초음파 이미지를 제공하도록 구성된 다중 요소를 갖는 도 9 및 도 10에 묘사된 바와 같은 초음파 안내 바늘(3)을 포함한다. 이미지와 초음파 피드백이 휴대폰과 비슷한 크기의 비디오 모니터에 표시되어, 긴급 의료원이 뇌의 대수조(1)에 신속하고 안전하게 들어갈 수 있게 한다. 또한, 바늘(3)의 팁은 뇌 조직 절단을 방지하고 바늘(3)을 통한 aCSF의 부드러운 흐름을 용이하게 하도록 형상을 변경하기 위해 도 11과 같이 온도에 민감한 합금을 포함한다. 유사하게 설계된 바늘(3)은 비상 시에 빠르고 안전한 진입이 필요한 경우 대퇴 동맥과 같은 신체의 동맥 및 기타 혈관으로의 반-자율적 진입을 용이하게 한다.

깊은 저체온을 이용해 뇌사를 막기 위해 뇌를 신속하게 냉각시키려면 냉각된 인공 뇌척수액이나 기타 등장액을 두개 내 및 지주막하 공간(2)으로 순환시키기 위해 바늘(3)이 안전하고 신속하고 정확하게 대수조(1)에 배치되도록 설계하는 것이 중요하다.

도 5는 유양 골(12) 바로 아래 목의 측면으로부터의 새로운 접근을 설명한다. 공 외 연구진(J Neurosurg 129: 146-152, 2018)은 98.3% 성공한 1,008 개의 천공에 대한 측면 환추후두 공간 천공에 대해 설명한다. 이는 신속한 삽입, 고정을 위한 유양 골의 근접성, 높은 삽입 성공률의 장점이 있다. 현재, 이 절차는 현장, 응급실, 또는 수술실에서 항상 사용할 수 있는 것은 아닌 형광 투시법을 사용하여 신경외과 의사와 신경 방사선과 전문의에 의해 수행된다. 더욱이, 긴급 상황에서 스트레스를 받으면 실수가 발생할 수 있으며, 날카로운 바늘 팁은 오랜 시간 동안 대수조에 있는 동안 뇌에 위험을 준다. 따라서, 대수조(1)에 들어가기 위해서는 새로운 기술의 필요성이 명백히 존재한다. 이는 본 개시에서 다루어진다.

유양 골 아래의 측면 목은 긴급 의료원이나 간호사에 의해 찾고 접근하기 더 쉬울 수 있다. 이는 도 5에 도시된 같이 귀 뒤의 골돌기로 쉽게 식별될 수 있으며, 보통 머리를 밀 필요가 없고, 이는 고정 지점이며, 바늘(3)의 고정은 신속하고 쉽게 수행될 수 있다. 초음파 안내 바늘(3)의 삽입은 도 9에 도시된 바와 같이 실시간으로 디스플레이되는 시각 및 청각 정보를 갖는 휴대폰과 같은 핸드헬드 유닛에 방향성 이미지를 제공한다. 반-자율 또는 로봇 삽입도 설명된다. 초음파 바늘(3)의 팁에서 얻어진 데이터는, 유닛의 팁을 궤적으로 유도한다.

척추 냉각

도 6은 척수로의 순환을 위태롭게 할 수 있는 직접적인 외상, 둔기 외상, 뇌진탕 손상, 허혈성 외상, 폭발 노출 및 외과적 개입을 겪는 경우 치료 및/또는 보존하는 새로운 접근을 보여준다. 냉각된 aCSF를 대수조(1)로 보내고 aCSF의 흐름(15)을 척추관 아래로 향하게 하면 요추 천자 바늘(14)을 통한 분출이 발생한다. 뇌 냉각과 유사하게, 척추 냉각은 aCSF를 대수조(1)로 펌핑하고 배출 기구로 분출하는 것으로 수행될 수 있다. 펌프, 필터 및 냉각기를 직렬로 사용하여 요추 천자 바늘(14)로부터 대수조(1)로 다시 aCSF를 재순환하는 것은 뇌 냉각 기술을 모방한다. 유체 역학 및 냉각될 필요가 있는 척수의 위치에 따라, 냉각은 요추 천자 바늘(14)을 통해 시작되고 대수조(1)를 통해 위로 분출될 수 있다.

도 7은 뇌와 척수가 동시에 냉각되어야 하는 상황에 관한 것이다. 이러한 경우에는 대동맥류의 광범위한 박리, 폭발성 및 뇌진탕성 외상, 방사선 노출과 같은 외상에 대한 기타 노출이 포함될 수 있다. 대수조(1)로부터 냉각함으로써, 머리와 요추 천자 부위의 공기 구멍으로부터 냉각된 aCSF를 배출함으로써 뇌와 척수를 동시에 냉각할 수 있다.

날카로운 바늘 팁이 뇌를 절단하는 것을 방지

바늘(3)의 날카로운 팁이 대수조(1), 또는 뇌간, 척수 및 뇌의 기타 신경 조직에 구멍을 뚫거나 찢는 것을 방지하도록 바늘(3)의 팁은 도 11에 도시된 바와 같이 온도가 미리 결정된 범위로 변하면 형상이 변하는 형상 기억 합금으로 제작된다. 바늘 팁의 날카로움을 제거하는 것에 추가로, 출구는 인접한 신경 조직을 손상시킬 수 있는 흐름 패턴을 개선하면서 냉각된 aCSF의 유출을 최대화하도록 재형성될 수 있다. 니티놀은 미해군에 의해 개발된 형상 변환 합금으로 니켈 티타늄 합금의 약자로 열 기억 기능을 가지고 있다.

도 11은 바늘의 절단 팁에 니티놀과 같이 온도에 민감한 합금을 사용하는 개념을 설명한다. 날카롭고 뾰족한 바늘(21)을 대수조(1)에 침투한 후, 바늘의 샤프트는 그 결정된 위치에 단단히 고정되어야 한다. 캐뉼라가 제거되고 냉각된 aCSF가 바늘 샤프트를 통해 투여되어, 절단 팁이 날카로운 에지가 없는 무딘 팁(22)으로 재형성되도록 한다. 펌프가 신속하게 주어지는 더 높은 부피로 올라가면, 대수조(1)로 들어갈 때 aCSF가 부드럽게 분산되도록 바늘 샤프트의 단부를 새로운 형상으로 설계하는 것이 중요하다. 이는 컴퓨터 시뮬레이션 및 모델링에 의해 결정되는 나팔 형상의 팁(23) 또는 다른 형상을 요구할 수 있다.

대퇴 동맥과 같은 큰 혈관으로의 신속한 진입을 위해 유사하게 설계된 바늘(3)을 사용하는 경우, 바늘(3)의 팁 내의 위상 어레이 캐뉼라(19)는 바늘(3)이 동맥에 들어갈 때까지 다양한 조직을 묘사하는 반면, 긴급 의료원은 도 9에 도시된 바와 같이 핸드헬드 비디오 및 오디오 유닛을 사용하여 팁과 바늘(3)을 혈관으로 신속하게 안내한다. 도 15는 대퇴 동맥(28) 목표 부위 및 삽입 시 혼동을 일으킬 수 있는 다양한 조직 및 혈관을 설명한다. 반-자율 유닛(26)은 대퇴 동맥(28) 내로 바늘의 삽입을 위한 안정성 및 고정을 제공할 해부학적 구조에 고정된다. 동맥과 정맥을 구별하는 데 혼동이 있는 경우 도플러 신호가 그 차이를 알려준다. 바늘 팁(3)이 동맥에 있으면, 그곳에 장기간 있어야 하는 경우, 온도에 민감한 합금 팁(3)은 도 11에 의해 제안된 것처럼 동맥의 손상을 방지하도록 동맥 혈액의 더 높은 온도에서 형상을 변경하여 날카로운 표면을 무디게 한다. 위상 어레이 캐뉼라(16)는 도 16에 도시된 바와 같이 신장, 비장, 췌장, 간, 심장 및 기타 장기와 같은 구조에 대한 혈관뿐만 아니라 주변 복부 조직의 순환을 식별하기 위해 대동맥 위로 연장된다. 위상 어레이 요소는 30도의 시야를 가지며, 전방으로 최대 2.5cm까지 침투할 수 있으며 도 10에 도시된 같이 실시간 3-차원 이미징을 갖는다. 도 16은 대퇴 동맥(28)에서 대동맥으로 들어갈 때 위상 어레이 초음파 캐뉼라의 궤적을 보여준다. 캐뉼라는 30도의 시야 범위와 최대 2.5cm의 침투를 가지고 있어 대동맥에서 나온 혈관 가지의 3-차원 실시간 이미지를 제공한다. 생명을 위협하는 출혈이 있는 경우, 대동맥의 벌룬 탐포네이드(29)가 더 정확하고 더 빨리 수행된다.

도 10은 위상 어레이 이미징을 수행하도록 구성된 내경 2mm 캐뉼라 내에서 64개 이상의 요소 앞의 유효 3-차원 공간을 보여준다. 초음파 데이터는 30도의 시야와 최대 2.5cm의 침투 깊이를 포함할 수 있다. 다중 초음파 요소를 이용한 위상 어레이의 사용은 의료 산업 전반에 걸쳐 활용되고 있다. 카테터 초음파 시스템을 갖는 볼케이노 법인 시스템(Volcano Corporation Systems) 이미지에는 실시간으로 루멘 치수와 협착을 자동으로 계산하는 Angio+™ 정량적 관상동맥 분석이 있다. 인텔슨 법인(Interson Corporation)은 상업적으로 상용화된 하드웨어를 갖춘 소형 변환기 시스템을 생산했으며, 심장 질환에 적용하기 위해 자체 내장된 전자 장치를 사용했다.

바늘의 자동화된 삽입

반-자율 또는 로봇 기술은 수십 년 동안 일반적으로 시행되어 왔으며 자율 주행차 등의 내비게이션에 사용되고 있다. 레이더, 카메라 데이터, 및 GPS 정보를 기반으로 "자율 주행(self-driving)" 자동차는 인공 지능을 사용하여 집에서 안전하게 직장까지 조작하도록 자동차를 프로그래밍한다. 유사하게, 우리는 바늘 팁의 3-차원 초음파 정보를 활용하여 인공 지능을 사용하여 서보 모터를 프로그래밍하여 바늘이 피부, 지방, 근육, 힘줄 및 혈관을 통해 대수조로 안전하게 이동하도록 유도한다. 대수조에 들어가면, 바늘은 신경 조직의 손상을 방지하도록 자동적으로 제자리에 고정된다. 이는 모두 다른 산업에서 수행된 전문적인 소프트웨어 개발을 필요로 한다. 본 발명의 신규성은 목표 지점 내에서 몇 mm의 몇 분의 1로, 자율 주행차보다 몇 배 더 큰 정밀도로 바늘을 반-자율 또는 로봇으로 삽입 가능하도록 맞춤형으로 개발된 소프트웨어를 응용한 것이다.

마티아센 외 연구진의 "바늘 삽입을 위한 의료용 초음파 프로브의 시각적 서비스(Visual Servoing of a Medical Ultrasound Probe for Needle Insertion)", "2016 IEEE 국제 로봇 공학 및 자동화 컨퍼런스(2016 IEEE International Conference on Robotics and Automation)(2016년 5월 16-21일)"에 개시된 바와 같이 초음파 이미징에 의한 경피 바늘 삽입은 병원에서 일상적으로 행해지고 있다. 이러한 절차를 자동화하면 배치 정확도가 증가하고 이러한 절차를 수행하기 위해 의료 담당자가 사용하는 시간이 줄어든다. 자동화의 중요한 단계는 초음파 이미지에서 바늘 방향과 위치를 추정하는 것이다. 바늘 방향 및 위치를 추정하는 한 가지 접근법은 바늘이 초음파 프로브의 이미지 평면과 정렬되도록 하는 것이다. 바늘과 프로브 모두를 정확하게 측정하고 교정하더라도 바늘을 평면에 맞추는 것은 어렵다. 초음파 프로브를 움직이기 위한 시각적 서보잉은 로봇을 사용하여 프로브의 이미지 평면을 바늘과 정렬하여 바늘 정렬 문제를 해결한다. 이 방법은 바늘을 나누고 바늘 모델을 기반으로 시각적 특징 세트를 업데이트한다. 상태 기계는 정렬 프로세스를 추적하는 데 사용되며 다른 시각적 기능을 사용하여 다른 상태에서 프로브를 제어한다.

카메라로부터 수집된 이미지를 사용하여 차량의 조향, 제동 및 가속을 안내하는 방법, 알고리즘 및 장치가 분야에 존재한다. 예를 들어, 미국 특허 출원 15/413568, "자율 주행 제어 장치(Autonomous Driving Control Device)" 및 미국 특허 9566983, "자율주행 차량을 제어하기 위한 제어 장치, 자율 주행 장치, 차량 및 방법(Control Arrangement Arranged To Control An Autonomous Vehicle, Autonomous Drive Arrangement, Vehicle And Method)"을 보면, 모두 여기에 참조로 통합된다. 우리 기술에서는, 카메라의 이미지를 사용하는 대신 초음파 프로브의 이미지를 사용한다. 자동차의 움직임을 제어하는 대신 프로브의 움직임을 제어한다. 전반적으로, 개념과 접근 방식은 유사하다. 알고리즘은 다른 종류의 이미지 사용과 다른 종류의 작동 메커니즘 제어를 수용하기 위해 상이할 것이다. 이러한 조정을 수행하는 수단은 당해 기술 분야의 통상의 기술 범위 내에 있다. 의료 기기를 제어하기 위한 피드백으로 초음파 이미지를 사용하는 것에 대해 많은 특허가 발행되어 왔다. 특히, 여기에 참조로 통합되는 미국 특허 8343050, "고강도 집속 초음파를 위한 의료용 초음파 이미징의 피드백(Feedback in Medical Ultrasound Imaging for High Intensity Focused Ultrasound)"는, 조직에 고강도 집속 초음파(high-intensity focused ultrasound HIFU)를 적용한 결과로 종양 조직의 작은 변화를 감지하고 모니터링하기 위한 초음파 이미징의 사용을 설명한다. 이미지는 HIFU의 초점, 강도 및 지속 시간을 제어하기 위한 피드백으로 사용된다. 우리의 경우, 프로브의 움직임을 제어하기 위해 피드백과 동일한 초음파 이미징 기술을 사용하고 있다. 알고리즘은 HIFU 대신 서보 모터를 제어하도록 조정되었다. 기본 원칙과 접근 방식은 동일하다.

대수조(1)에 바늘이 들어가기 위한 전동 삽입기는 서보 모터(39)를 제어하도록 인공 지능을 갖는 마이크로 컨트롤러(38)를 필요로 한다. 서보 모터(39)는 각도 또는 선형 위치, 속도, 및 가속도를 정밀하게 제어할 수 있는 회전 액츄에이터 또는 선형 액츄에이터이다. 이는 도 14에 도시된 바와 같이 위치 피드백을 위해 센서에 연결된 적절한 모터로 구성된다. 도 14는 초음파 데이터 피드백 유닛(37)을 갖는 위상 어레이 초음파 캐뉼라가 장착된 바늘(3)을 마이크로 컨트롤러(38) 및 마이크로 컨트롤러 유도 서보 모터(39)에 반-자율 또는 로봇적으로 삽입하는 시스템(26)을 도시한다. 전문의가 목표인 대수조(1)로 가는 바늘(3)을 위한 궤적을 설정하면, 초음파 데이터 피드백 유닛(37)은 바늘(3)을 삽입하도록 실시간으로 서보 모터(39)를 유도한다. 이는 외골격(24)의 형상의 "두개골 캡(skull cap)"과 같은 부위 상의 고정 장치 또는 도 12 또는 도 13에 설명된 바와 같은 유사한 장치에 견고히 부착되고, 이는 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 위상 어레이 초음파 시스템(16)으로부터 얻어진 초음파 데이터 피드백 유닛(37)으로부터의 정보에 의존한다. 비상 시 바늘(3)을 대수조(1)에 신속, 정확, 그리고 안전하게 삽입하는 것은 서보 모터 삽입기(26)에 의해 촉진될 것이다. 도 9는 바늘의 팁의 고유한 적응으로 공지된 기술을 사용하는 것에 의해 피부를 통해 대수조(1)로 바늘을 유도하는데 사용되는 장치를 보여준다. 절단 바늘(17-게이지 바늘)(16) 내에서 2mm 직경 캐뉼라를 사용하는 것에 의해, 도 10에 도시된 64개 이상의 초음파 요소(19)가 위상 어레이 초음파 이미징 필드(20)를 생성하는데 사용된다. 래스터 그래픽을 사용함으로써, 3-차원 이미지가 핸드헬드 휴대용 모니터(18)에 실시간으로 표시된다. 인터페이스 유닛(17)은 초음파 데이터를 디스플레이될 이미징 정보로 변환한다. 모니터(18)에 의해 제공되는 시각 및 청각 피드백은 모두 대수조(1)에 바늘을 삽입하는데 도움이 된다. 또한, 대수조(1)의 형상은 삽입의 용이성과 정확성을 위해 묘사될 수 있다. 바늘(3)이 도 12 및 도 13과 관련하여 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 고정 부위에 고정되면, 캐뉼라(16)는 냉각된 aCSF의 투여를 허용하기 위해 대수조(1)로부터 제거된다. 대퇴 동맥에 위상 어레이 바늘을 삽입한 경우에서, 캐뉼라(16)는 대동맥의 많은 혈관 가지를 시각화하기 위해 대동맥으로 유도될 수 있다.

도 22는 외골격(36)이 유방과 같은, 신체의 다른 곳에서 고형 종양을 치료하기 위해 어떻게 사용될 수 있는지를 보여준다. 레이저 스캐닝 데이터 또는 MRI 또는 CT 스캐닝과 같은 기타 이미징으로부터, 최소한의 움직임으로 입구 또는 작동 부위에 견고하고 정확하게 맞도록 단단한 외골격의 3-차원 프린팅이 급속하게 생성될 수 있다. 이는 원형절제기 유닛(33) 및/또는 초음파 바늘(3)의 고정을 위한 단단한 구조를 제공하고 초음파 에너지로 진단하고 치료하도록, 그리고 종양(34)에 정확하게 치료약을 투여하고 종양 및 주변 정상 조직 상에 미치는 그 효과를 모니터링하도록, 종양(34)의 1mm 근접 이내로 종양(34)을 표적화하도록 신체에 정확하게 진입한다.

도 23은 안정성과 정밀도를 주도록 유방에 단단히 고정된 도 22의 외골격(36)의 사용을 보여준다. 그러면 초음파 바늘(3)은 조직을 진단하고 주변 정상 조직에 손상을 주지 않고 종양(34)을 정확히 치료하도록 1mm 이내의 종양(34)으로 정확하게 유도된다.

대퇴 동맥에 바늘(3)을 삽입하는 경우, 위상 어레이 초음파 시스템은 대퇴 정맥과 구별되는 대퇴 동맥의 식별을 용이하게 하도록 해부학적 정보를 제공할 것이다. 또한, 대퇴 동맥의 맥박이 느껴지지 않으면, 초음파 시스템으로부터의 해부학적 정보가 대퇴 동맥을 더 잘 찾을 것이다. 대퇴 동맥에 삽입될 반-자율 초음파 바늘 유닛(14)은 또한 이 경우에는 외골격의 구성에서 서혜인대 및 또는 뼈 돌기에 도 15에 도시된 바와 같은 유닛의 고정을 필요로 한다.

두개골을 통한 원형절제기의 안전하고 신속한 삽입을 생성하는 방법 및 장치:

뇌를 냉각하기 위한 aCSF의 관개(irrigation) 동안 냉각된 액체가 지주막하 공간(2)을 떠나도록 이마에 출구 지점을 생성하기 위해, 두개골 뼈의 두개개구(trephining)는 단일 건강 관리자에 의해 안전하고, 빠르고, 혈액 없이, 그리고 정확하게 달성되어야 한다. 유닛은 변환기와 "바늘의 삽입 방법(Method of Insertion of the Needle)"에 기재된 바와 같은 반-자율 또는 로봇 전동 삽입 장치(26)를 포함하는 자족적인 것이어야 하고, 여기서 "박스(box)"는 전두골의 부위에 부착될 것이다. "나사(screw)(30)"는 두개골 내로 조심스럽게 나사로 조여지는 투관침(31)을 갖는 3 내지 4mm 내경 나사 내에 중공 샤프트를 포함한다. 장치(26) 내의 변환기로부터 수신된 정보는, 나사(30)의 반-자율 또는 로봇 삽입을 뼈를 통해 그리고 안전하게 지주막하 공간(2)으로 제어한다. 도 17은 제거되면 안전하고, 정확하고, 양호한 고정으로 지주막하 공간(2)으로의 정확한 배치를 위해 원뿔-형상 터널(32)을 남기는, 중앙 투관침(31)을 갖는 중공 원형절제기 나사(30)를 보여준다. 일단 자리를 잡으면, 이 원형절제기 나사(30)는 지주막하 공간으로부터 뇌척수액의 제거를 가능하게 한다.

반-자율 원형절제기 유닛의 삽입 방법은 다음과 같다: 일반적으로 헤어 라인 근처의 상부 이마에 입구의 지점을 선택한 후, 절개는 자연적인 피부 주름에서 피부로부터 전두골 위에 놓인 피하 조직 아래까지 크라이슬의 라인 (line of Kraissl)을 따라 메스로 이루어진다. 멸균이 유지되고, 혈관수축제를 갖는 마취가 피부에 주입되고, 절개의 길이는 1.0 내지 1.5mm 사이이다. 안정성과 지혈을 주도록 자가 보전 견인기(self-retaining retractor)의 삽입은 상처에 배치된다. 박스 유닛(26)과 나사(30)는 이 개구에 삽입되어 견인기에 고정된다. 반-자율 또는 로봇 삽입이 활성화되고 뼈를 통해 지주막하 공간(2)으로 조심스럽게 유도된다. 초음파 데이터는 두피에 부착된 원형절제기 "박스(box)" 내의 4개 이상의 변환기(40)로부터 얻어진다. 인공 지능을 갖는 마이크로 컨트롤러(38)는, 차례로 원형절제기를 두개골에 나사 고정하는 서보 모터(39)를 유도한다. 최종 구성은 매우 안정적이며 도 18에 묘사된 바와 같이 전두골의 나사에 의해 가동된다.

전두골에서 나사(30)는 견고하게 부착되고, 상당히 안정적이며, 잘 고정되어 있다. 이는 헤드밴드가 머리의 뒤쪽으로 가져가지고 도 13에 도시된 바와 같이 대수조에 초음파 바늘의 삽입 동안 더 큰 안정성을 주기 위해 후방 2 또는 3개의 지점에 부착되는 한 지점 역할을 한다.

절차의 마지막에, 나사(30)의 제거는 국소 마취로 이루어질 수 있고, 필요한 경우 3 내지 4mm의 작은 개구에 골 왁스를 배치하고 피부를 가로질러 단일 봉합으로 이루어질 수 있다. 크라이슬의 라인으로 절개가 이루어지기 때문에, 피부가 자연적인 피부 주름에서 절개가 이루어지는 것으로 흉터가 최소한이다.

또한, 출구 포트를 생성하여 뇌를 냉각시키는 핵심 역할을 위해, 개시된 방법 및 장치는, 경막외 혈종 수술, 경막하 혈종 수술, 및 정위 두개 내 수술을 비롯한 다른 뇌 수술에 사용될 수 있다.

따라서 두개 내 뇌종양, 특히 교모세포종의 치료에 대한 접근은, 초음파 바늘(3)과 원형절제기 유닛(33)을 결합하는 것으로 여기에 제시된다. 도 18은 4개 이상의 변환기를 수용하여 나사를 두개골을 통해 유도하여 뼈에 견고히 고정하고 일단 나사가 지주막하 공간(2)에 들어가면 멈추도록 반-자율 또는 제어 서보 모터에 초음파 정보를 제공하는 원형절제기(33)를 보여준다.

교모세포종의 진단, 위치 파악, 및 관리에 대한 새로운 접근:

가장 흔한 내인성 뇌암인 교모세포종은 조기 진단과 치료가 거의 불가능하다. 종래의 이미징과 뇌 생검(biopsy)으로의 진단으로부터 4 내지 16개월 내에 불가피한 사망에 이르기까지 이 환자들은 치료에 대한 희망이 거의 없이 신경외과 수술, 방사선 치료, 화학요법을 겪는 경우가 자주 있다. 우리는 초음파 검사를 사용하여 데이터로부터 조직 특징을 연구함으로써 아마도 조직의 정식 생검을 수행하지 않고도 질병의 특성화 및 진단을 수행할 수 있는 기술과 전문성을 가진다. 개시된 접근은 30도 시야와 최대 2.5cm 깊이로 뇌를 스캔하도록 두개골과 지주막하 공간에 초음파 바늘을 최소 침습적으로 삽입하는 것이다. 바늘 팁으로부터의 초음파 데이터는 종양을 3-차원으로 이미지화한 다음 반-자율 또는 로봇적으로 바늘 팁을 목표 조직의 1mm 이내로 삽입하는 데 사용된다. 이는 정밀성과 두개골을 통해 원형절제기(33)로 가고 초음파 바늘(3)을 목표 조직으로 안내하도록 서보 제어 장치의 개발을 요구한다.

뇌의 초음파 이미징 기술의 현재 상태는 두피 상에 변환기를 사용하고 뼈 두개골을 통해 에너지를 전달하는 것이다. 저주파 변환기는 두피의 조직과 뼈를 통해 전달하는 이점이 있으나, 해상도가 낮다. 세포 및/또는 조직 수준에서 고해상도 이미징을 얻기 위해서는, 초음파 변환기가 물체에 더 가깝고 고주파 이미징을 가져야 한다. 이는 딜레마를 제기한다. 따라서, 이상적인 초음파 설계는 고주파 변환기로 질병의 부위에 침투하는 비침습적 장치를 갖는 것이다. 이는 최소한 침습이 되도록 충분히 작은 뼈 두개골을 통해 원형절제기(33) 개구를 만들고, 바늘(3)의 프로파일 내에 배치되도록 설계된 초음파 유닛을 사용하는 것에 의해 이루어질 수 있다. 더욱이, 초음파 바늘(3)은 정밀하게 반-자율 또는 로봇 전동 시스템을 사용하여 신체의 연조직에 삽입될 수 있다. 시한 외 연구진의 최근 기초 실험실 연구는 배양에서 교모세포종 세포의 사멸에 대한 약의 효과를 증가시키기 위해 초음파 방사선 사용의 긍정적인 효과를 보고했다(킴벌 시한 외. 악성 교모세포종 뇌종양에서 초음파 역학 요법의 종양 억제 효과 조사. 제이, 신경 종양학. 148, 9-16, 2020).

앞서 개시한 것은 뇌사의 경우 뇌를 냉각시키는 초기 목적을 넘어 초음파 바늘(26)과 반-자율 또는 로봇 원형절제기(33)를 사용하는 것이다. 이 접근의 기초는, 동일한 바늘(3) 팁의 동일한 변환기로부터 에너지를 생성하도록 프로그래밍되는 이미징을 위해 사용되는 바늘(3)의 팁에서 요소를 활용하기 때문에 타당하다. 뇌 교모세포종의 치료를 위한 이 방법은 반-자율 또는 로봇 초음파 바늘(26)과 반-자율 또는 로봇 원형절제기(33)가 함께 결합하여 독특하고 정밀하며 안정적인 플랫폼을 형성하는 친밀한 관계에 의존한다. 초음파 바늘(26) 및 원형절제기(33)의 설계 및 특성은 이상에서 설명되었다. 이 기술의 적용은, 뇌 교모세포종의 진단, 위치 파악 및 관리에 대한 새로운 접근법을 생성한다.

또한, 초음파 바늘은 시야 30°, 및 최대 2.5cm의 깊이를 갖는 0.1mm 미만의 정의를 가지는 바늘 팁의 2mm 직경 캐뉼라 내에 최소 64개의 요소를 포함한다. 그것은 종양의 모양과 크기를 이미징화할 수 있을 뿐만 아니라 초음파가 종양 근처 또는 종양 내 및 정상 조직을 통과할 때 특정 조직 특성을 렌더링할 수 있습니다. 따라서, 초음파만으로 조직 진단이 이루어질 수 있다. 중공 나사(30)의 반-자율 또는 로봇 삽입이 지주막하 공간(2)의 수준까지 내려간 후, 나사(30)의 투관침이 제거되고 자체 반-자율 또는 로봇 유닛(26)에 의해 둘러싸인 초음파 바늘(3)로 교체된다. 이 두 유닛은 하나로 작용하고 단단히 부착되어, 바늘(26)이 두개강(cranial cavity) 내로 더 깊이 보내지는 동안 극도의 정확도와 고정을 준다. 도 19는 도 10의 장치, 즉 주변 정상 조직과 대조적으로 종양 조직을 특성화하는 64개 이상의 초음파 요소를 갖는 2mm 내경 바늘(3)을 포함하는 초음파 바늘(3)을 보여준다. 초음파 요소는 반-자율 또는 로봇 원형절제기(33)를 통해 바늘(3)의 반-자율 또는 로봇 삽입 장치(26)를 유도하고, 교모세포종 종양(34)을 치료하도록 이미지에 정보를 제공한다. 초음파 변환기는 종양(34)에 근접한 바늘(3)의 팁에서 에너지를 생성한다. 종양(34)의 전처리 후, 동일한 바늘(3)은 다양한 치료 양식의 마이크로 리터의 투여를 가능하게 할 것이다. 약 투여 이후, 초음파 바늘(3)은 치료 효과의 위치를 결정하도록 조직을 이미지화할 수 있다.

초음파(Ultrasound: US) 유도 생검은 임상 실습에서 일상적으로 수행되는 의료 절차이다. 이는 로봇 시스템에 의해 수행되어 실행의 정확성과 환자의 안전을 향상시킬 수 있다. 로봇 및 인간 절차 모두 US 이미지에서 바늘의 실시간 위치 파악을 통해 큰 이점을 얻는다. 이 정보는 로봇이나 전문가를 중요한 구조를 피하는 올바른 목표 지점으로 안내한다. 마티아센 외 연구진의 "2D 초음파 이미지에서 실시간 생검 바늘 팁 추정(Real Time Biopsy Needle Tip Estimation in 2D Ultrasound Images)", "2013 IEEE 국제 로봇 공학 및 자동화 컨퍼런스(2013 IEEE International Conference on Robotics and Automation)(2013년 5월 6-10일)"에서 B-mode US 이미지에서 실시간으로 바늘 방향과 팁 위치를 추출할 수 있는 바늘 위치 파악 방법이 개시된다. 결과는 문헌의 이전 작업과 비교하여 위치 파악 정확도 측면에서 개선된 것을 보여준다.

마티아센의 "통계적 필터링을 이용한 2-D 초음파 이미지에서의 강력한 실시간 바늘 추적(Robust Real-Time Needle Tracking in 2-D Ultrasound Images Using Statistical Filtering)", 제어 시스템 기술 상 IEEE 거래, 2017, 25(3) 966-978에 개시된 바와 같이, 경피 이미지 안내 종양 절제술은 바늘 형상의 절제 프로브를 사용하여 악성 종양을 치료하기 위한 최소 침습적 수술 절차이다. 로봇을 사용하는 것에 의한 바늘 삽입의 자동화는 정확도를 높이고 절차의 실행 시간을 단축한다. 초음파(US) 이미지로부터 바늘 팁 위치를 추출하는 것은 바늘이 금지된 영역(예를 들어, 주요 혈관 및 갈비뼈)에 접근하지 않는지 확인하고 바늘을 삽입하는 로봇에 대한 직접적인 피드백 신호로 역시 사용된다. 바늘 팁을 추정하기 위한 방법은 수정된 후프 변환(Hough transform), 이미지 필터 및 기계 학습을 결합하여 이전에 개발되었다. US 이미지에서 관심 영역의 동적 선택을 도입하고 칼만 필터 또는 입자 필터를 사용하여 추적 결과를 필터링하는 방법 역시 알려져 있다. 결과는 이전 자동화 접근법에 비해 정확도의 향상과 오류의 95번째 백분위수의 85% 이상 감소를 보여준다. 방법은 35.4 프레임/초의 프레임 속도로 실시간으로 실행된다. 증가된 견고성과 정확성은 개시된 알고리즘을 바늘 삽입을 위한 자율 또는 로봇 수술 시스템에서 사용할 수 있게 한다.

도 20은 삽입 부위를 보여주는 도 19의 일부를 확대한 것이고, 조심스럽게 초음파 바늘(3)을 지주막하 공간(2)으로 유도하고 조직 진단, 뇌조직의 맵핑, 및 뇌로의 초음파 바늘(3)의 궤적 개발을 위해 이를 위치에 고정하도록 초음파 바늘 유닛(26)을 갖는 원형절제기 유닛(33)을 포함하는 도 17 및 도 19의 장치의 결합을 설명한다.

도 21은 설계가 어떻게 교모세포종 종양(34)에서 목표에 대한 초음파 바늘(3)의 정확한 방향 안내를 가능하게 하는지를 보여준다. 초음파 바늘(3)은 2mm의 직경을 갖고 주변의 안정화 나사(30) 내의 3 내지 4mm 중공 원뿔 공간에 맞기 때문에, 반-자율 또는 로봇 시스템(26)을 사용한 초음파 바늘(3)의 정밀 배치는 정확하게 수행된다.

나사(30) 내의 중공 코어가 원뿔과 같은 형상이기 때문에, 3 내지 4mm 중공 나사 원형절제기 내에서 2mm 직경 바늘의 약간의 유격이 있을 것이다. 따라서, 반-자율 또는 로봇 모터로의 제어는 바늘(3)이 30°보다 더 큰 영역을 커버하도록 범위를 확장하는 것을 허용한다. 초음파 바늘 바로 앞의 조직을 2.5cm 깊이까지 이미징화 하면 종양의 모양과 크기가 묘사될 것이다. 또한, 초음파로 조직 밀도가 결정될 수 있기 때문에 정상 조직으로부터 교모세포종 세포를 진단하는 것이 가능해질 것이다. 초음파 진단을 확증하도록, 확인을 위해 바늘(3)을 통해 바늘 생검을 하는 것이 가능하다.

반-자율 또는 로봇 제어 및 초음파 정보로 바늘(3)을 뇌 조직 깊이 삽입하기로 결정되면, 종양(34)의 경계까지 또는 심지어 종양(34) 내부까지 천천히 그리고 정확하게 배치될 수 있다. 그 다음, 변환기는 바늘 팁(3) 앞에서 종양(34)으로 초음파 에너지를 생성하도록 프로그래밍될 수 있다. 화학 치료제의 추가, 면역 치료, 또는 기타 양상은 잘 제어된 작은 마이크로 리터 부피로 바늘 팁(3)을 통해 제공될 수 있다. 조직으로의 주사 효과는 비정상적인 조직 반응을 찾기 위해 초음파 이미징을 사용하여 확인될 수 있다. 두개 내 압력 게이지(미도시)는 증가된 두개 내압을 유발하는 조직의 팽창이 있는지를 보여준다. 필요하다면, 뇌 수술의 저체온은 이후 뇌를 냉각하고 팽창을 방지하기 위하여 적용될 수 있다.

초음파 바늘의 반-자율 또는 로봇 삽입:

대수조에 바늘의 반-자율 또는 로봇 삽입은 바늘(3) 팁 내의 64개 요소로부터 얻어진 정보에 의해 안내되는 서보 제어 모터를 사용함으로써 달성된다. 정보는 도 10에 도시된 바와 같이 30도 범위와 최대 2.5cm의 깊이의 3-차원 공간을 갖게 된다. 자기 학습 알고리즘을 갖는 인공 지능은 도 14의 장치(26)에 있는 마이크로 컨트롤러(38)에 기계 학습을 준다. 반-자율 또는 로봇 삽입과 서보 제어 모터 실시 가능성은 "바늘의 자동화된 삽입(Motorized Insertion of the Needle)"에 설명되어 있다.

나사 원형절제기의 반-자율 또는 로봇 삽입:

두개골을 통해 지주막하 공간으로 나사 원형절제기(33)의 반-자율 또는 로봇 삽입은 두피에 배치된 유닛(26)의 4개 이상의 변환기로부터 얻어진 정보에 의해 안내되는 서보 제어 모터(미도시)를 사용할 것이다. 도 18에서 정보는 골 두께의 초음파 데이터와 및 뇌척수액을 포함하는 경막과 지주막과 지주막하 공간(2)의 인터페이스를 포함한다. 컨트롤러가 투관침(21) 및 중공 구멍 나사(30)와 관련하여 적절한 인터페이스를 확인하면, 뼈 내에서 나사(30)의 고정은 자동으로 완료될 것이다. 반-자율 또는 로봇 삽입과 서보 제어 모터 실시 가능성은 "바늘의 자동화된 삽입(Motorized Insertion of the Needle)"에 설명되어 있다.

실시예의 사상 및 범위를 벗어남 없이 통상의 기술자에 의해 많은 변경 및 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 설명된 실시예는 단지 예시의 목적으로 제시되었으며, 이하의 실시예 및 그 다양한 실시예에 의해 정의되는 실시예를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 되는 것이 이해되어야 한다.

따라서, 설명된 실시예는 단지 예시의 목적으로 제시되었으며, 이하의 청구항에 의해 정의되는 실시예를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 되는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 청구의 요소가 특정 조합으로 아래에 설명되어 있음에도 불구하고, 이러한 조합으로 처음에 청구되지 않은 경우에도 위에 개시된 더 적거나 더 많거나 또는 다른 요소의 다른 조합을 포함한다는 것이 분명히 이해되어야 한다. 2개의 요소가 청구된 조합으로 결합된다는 교시는, 또한 2개의 요소가 서로 결합되지 않고 단독으로 사용되거나 다른 조합으로 결합될 수 있는 청구된 조합을 허용하는 것으로 이해되어야 한다. 실시예의 임의의 개시된 요소의 제거는 실시예의 범위 내에서 명시적으로 고려된다.

본 명세서에서 다양한 실시예를 설명하기 위해 사용된 단어는 일반적으로 정의된 의미로 이해되어야 할 뿐만 아니라, 일반적으로 정의된 범위를 넘어 본 명세서에서의 특별한 정의에 의한 구조, 물질 또는 작용을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 만약 요소가 본 명세서의 맥락에서 하나 이상의 의미를 포함하는 것으로 이해될 수 있다면, 청구항에서의 그 사용은 명세서와 단어 자체에 의해 지지되는 모든 가능한 의미에 대해 포괄적인 것으로 이해되어야 한다.

따라서 다음 청구항의 단어 또는 요소의 정의는, 문자 그대로 제시된 요소의 조합뿐만 아니라, 실질적으로 동일한 결과를 얻도록 실질적으로 동일한 방식으로 실질적으로 동일한 기능을 수행하기 위한 모든 동등한 구조, 물질, 또는 작용을 포함하도록 본 명세서에서 정의된다. 따라서 이러한 의미에서, 2개 이상의 동등한 요소에 대한 동등한 대체가 아래 청구항의 요소 중 어느 하나에 대해 이루어질 수 있거나 단일 요소가 청구항의 2개 이상의 요소에 대해 대체될 수 있음이 고려된다. 요소가 특정 조합으로 작용하는 것으로 위에서 설명될 수 있고 초기에 그렇게 청구될 수도 있지만, 청구된 조합에서 하나 이상의 요소가 일부 경우에 조합에서 제거될 수 있고, 청구된 조합이 하위 조합 또는 하위 조합의 변형으로 지시될 수 있음을 명시적으로 이해되어야 한다.

현재 알려져 있거나 나중에 고안된, 해당 기술 분야의 통상의 기술자가 볼 때 청구된 주제로부터의 미미한 변경은, 청구 범위의 범위 내에 균등하게 있는 것으로 명시적으로 고려된다. 따라서, 해당 기술분야에서 통상의 기술자에게 현재 또는 후에 공지될 명백한 치환은 정의된 요소의 범위 내로 정의된다.

따라서, 청구항은 위에서 구체적으로 예시되고 설명된 것, 개념적으로 균등한 것, 명백하게 대체될 수 있는 것, 및 실시예의 본질적인 아이디어를 본질적으로 통합하는 것 역시 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

뇌의 신속하고 안전한 냉각으로 뇌사를 방지하는 방법으로서, 상기 뇌는 환자의 목을 통해 접근할 수 있는 대수조(cisterna magna)를 갖고,
상기 뇌에 대해 냉각된 인공 뇌척수액(artificial cerebrospinal fluid: aCSF)의 흐름을 허용하는 특별히 설계된 바늘/캐뉼라로 상기 환자의 목을 통해 입구로 대수조에 들어가는 것에 의해, 상기 뇌 내의 공간과 상기 뇌를 둘러싼 지주막하 공간에 대해 1-10℃에서 냉각된 인공 뇌척수액(aCSF)을 순환시키는 단계;
온도/압력 센서가 배치된 두개골의 개구로부터 aCSF를 배출하는 단계;
상기 대수조에 배치된 상기 바늘/캐뉼라로 냉각된 aCSF를 펌프하는 컴퓨터 제어 전동 시스템으로 데이터를 전송하는 단계; 및
배출하는 aCSF의 미리 결정된 온도 및/또는 압력을 유지하기 위해 aCSF의 펌핑을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
청구항 1에 있어서,
재순환 없이 상기 환자 아래의 멸균 컨테이너에 상기 배출하는 aCSF를 수집하는 단계를 더 포함하는 방법.
청구항 1에 있어서,
필터링 및 냉각 시스템을 통해 배출되는 aCSF를 재순환하는 단계, 및 재순환된 aCSF를 상기 컴퓨터 제어 전동 시스템에 의해 상기 대수조에 배치된 바늘/캐뉼라로 펌핑하는 단계를 더 포함하는 방법.
외상 또는 허혈로부터 척수를 보호하기 위해 환자의 척수를 신속하고 안전하게 냉각하는 방법으로서,
냉각되고 가압된 인공 뇌척수액(aCSF)의 공급원을 제공하는 단계;
특별히 설계된 바늘/캐뉼라로 상기 환자의 목을 통해 입구로 환자의 뇌의 기저부에 있는 대수조에 냉각된 aCSF를 삽입하는 단계;
냉각되고 가압된 aCSF를 척추관으로 흐르게 하는 단계;
요추 천자 바늘을 통해 상기 aCSF를 배출하는 단계를 포함하는 방법.
외상 또는 허혈로부터 척수를 보호하기 위해 환자의 척수를 신속하고 안전하게 냉각하는 방법으로서,
냉각되고 가압된 인공 뇌척수액(aCSF)의 공급원을 제공하는 단계;
요추 천자 바늘을 통해 냉각된 aCSF를 삽입하는 단계;
냉각되고 가압된 aCSF를 척추관으로 흐르게 하는 단계; 및
특별히 설계된 바늘/캐뉼라로 상기 환자의 목을 통해 출구로 환자의 뇌의 기저부에 있는 대수조에서 상기 aCSF를 배출하는 단계를 포함하는 방법.
청구항 1에 있어서,
신경 수술, 방사선 치료, 정위 수술, 혈관 수술, 초음파 중재, 고에너지 양성자-빔 치료, 또는 기타 침습적 또는 비-침습적 치료에서 절차를 수행하는 단계를 더 포함하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 뇌의 지주막하 공간에 센서를 삽입하는 단계, 및 상기 지주막하 공간에 삽입된 상기 센서를 사용하여 뇌의 화학 반응을 모니터링 하는 단계를 더 포함하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 두개골의 이마를 향해 aCSF가 배출하는 상기 두개골의 상기 개구를 위치하는 단계, 및 상기 대수조에 가까운 후두부 뇌의 차가운 액체와 상기 이마를 향해 올라가는 따뜻한 액체 사이의 차이를 유발하여, 상기 두개골에서 aCSF가 더 효율적이고 빠르게 흐르고 더 신속한 냉각 효과를 내도록, 상기 환자를 상방을 향하게 바로 눕힘으로써 대류 냉각을 설정하는 것에 의해 상기 뇌의 aCSF 흐름을 촉진하는 단계를 더 포함하는 방법.
환자의 피부를 통해 구멍을 내기 위한 팁을 가지는 바늘;
초음파 이미지를 생성하기 위한 초음파 요소의 위상 어레이로서, 상기 바늘의 상기 팁에 배치되는 위상 어레이; 및
2.5cm 이상의 침투로 적어도 30도 이상의 시야 범위 내에서 피부 표면으로부터 목표 조직까지 모든 조직 이미지를 생성하기 위해 상기 바늘 상기 팁의 상기 위상 어레이와 통신하는 오디오 기능을 갖춘 경량 휴대용 모니터의 초음파 이미징 시스템을 포함하는 기구.
청구항 9에 있어서,
상기 바늘의 상기 팁은 환자의 대수조로 들어가기 위한 날카로운 절단 형상을 갖고 있고, 상기 바늘의 상기 팁은, 냉각된 aCSF가 상기 바늘에 들어갈 때 온도 변화에 반응하도록 형상-변경 합금으로 구성되어 있어, 상기 대수조에 인접한 뇌 조직의 손상을 방지하도록 둔한 에지와 무딘 팁으로 형상을 변경하는 기구.
청구항 10에 있어서,
상기 바늘의 상기 팁은 날카로운 절단 형상을 가지고 있고, 상기 바늘의 상기 팁은, 냉각된 aCSF가 상기 바늘에 들어갈 때 온도 변화에 반응하도록 형상-변경 합금으로 구성되어 있어, 상기 대수조와 인접한 뇌 조직을 손상시킬 수 있는 강제로 유도된 액체 흐름 대신 상기 aCSF의 부드러운 분산을 가능하게 하는 형상으로 형상을 변경하는 기구.
청구항 9에 있어서,
인공 지능을 갖춘 마이크로 컨트롤러를 갖는 반-자율 유닛, 상기 바늘 팁의 상기 위상 어레이 요소로부터 상기 초음파 이미지 데이터를 사용하여 상기 바늘을 대수조로 안내하도록 상기 초음파 이미징 시스템과 통신하는 서보 제어 전동 삽입기를 더 포함하는 기구.
청구항 9에 있어서,
상기 바늘 팁에 배치되는 캐뉼라를 더 포함하고, 초음파 요소의 상기 위상 어레이가 상기 캐뉼라에 배치되고, 대동맥 순환 또는 그 가지의 선택적 벌룬 탐포네이드(balloon tamponade)를 보조할 수 있는 캐뉼라와 환자의 대퇴 동맥에 바늘을 신속하고 정확하게 배치하기 위해 환자의 대퇴 동맥의 동맥 순환에 위상 어레이 캐뉼라를 유도하기 위한 상기 초음파 이미징 시스템과 통신하는 반-자율 또는 로봇 유닛을 더 포함하는 기구.
환자의 머리 외측에서 두개골 내의 지주막하 공간으로의 도관 역할을 하는 중공 나사를 갖는 원형절제기 유닛(trephine unit)을 포함하는 기구로서, 상기 나사는, 제거될 때, 상기 중공 나사 내부에 원뿔 형상의 공간을 형성하는 절단 팁을 갖는 중앙 투관침(trocar)을 포함하는, 기구.
청구항 14에 있어서,
상기 나사는 상기 환자의 머리에 대하여 고정 위치에 고정되어, 상기 도관의 상대적 위치를 정확하고 안정적으로 고정하는 기구.
청구항 14에 있어서,
환자의 머리 뒤에 있는 밴드를 더 포함하고, 상기 나사는 환자의 대수조에 삽입될 때 바늘에 안정성을 주기 위해 두개 이상의 후방 지점을 선택할 때 상기 밴드의 고정 지점인, 기구.
청구항 14에 있어서,
초음파 이미징 시스템과 결합되고, 바늘이 상기 두개골에 들어가 환자의 피부 절개와 상기 두개골에 형성된 천두공(burr hole)을 통해 환자의 지주막하 공간에 안전하고 빠르게 들어가도록 하는데 사용되는 초음파 안내 반-자율 또는 로봇 원형절제기 유닛을 더 포함하는 기구.
청구항 9에 있어서,
초음파 요소의 위상 어레이는 조직의 치료 매개를 위한 에너지를 생성하고, 상기 초음파 이미징 시스템은 환자 신체의 다른 곳에 위치된 정상 조직과 대조적으로 고형 종양의 특정 조직 특성을 식별하는 기구.
청구항 9에 있어서,
환자의 신체의 수술 위치 상의 일회용 외골격, 및 상기 바늘의 진입을 안내할 때, 상기 바늘이 작동 위치의 상기 외골격에 대해 정확하고 안정적으로 고정될 수 있도록 하는데 사용되는 초음파 안내 반-자율 원형절제기 유닛을 더 포함하는 기구.
청구항 19에 있어서,
상기 외골격의 형상은 상기 작동 위치의 3-차원 표면 스캐닝을 사용하여 정의되어, 종양에 치료 약을 투여 및/또는 상기 종양 및 주변 정상 조직 상에 약의 효과를 모니터링 하기 위하여, 초음파 에너지로 종양을 진단 및 치료하도록 1mm 인접 이내로 정확한 진입과 종양의 표적화 가능하도록 상기 원형절제기 유닛 및/또는 상기 바늘 유닛의 정확하고 안정적인 고정을 위해 상기 외골격이 상기 작동 위치에 대해 최소한의 움직임으로 상기 작동 위치에 견고하고 정확하게 맞도록 하는 기구.