JP2021509621A - 被験者の脳を冷却するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

被験者の脳を冷却するためのシステム。システムは、空気または呼吸可能な気体の流れを入力し、空気または呼吸可能な気体を冷却し、冷却された空気または呼吸可能な気体を被験者に送るよう適合されたデバイスに接続されたラインに冷却された空気または呼吸可能な気体を出力するように構成された冷却サブシステムを含む。冷却サブシステムに結合された流量制御装置は、冷却サブシステムに入力される空気または呼吸可能な気体の流れの流量、およびラインに出力される冷却された空気または呼吸可能な気体の流量を制御するように構成される。冷却サブシステムに結合された１つまたは複数の流量センサーは、少なくとも冷却された空気または呼吸可能な気体の流量を測定するように構成される。１つまたは複数の温度センサーは、少なくとも被験者の脳または脳の相関部位の温度、および冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの温度を測定するように構成される。コントローラは、冷却サブシステム、流量制御装置、１つ以上の流量センサー、および１つ以上の温度センサーに接続され、少なくとも脳または脳の相関部位の測定された温度および冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの測定された流量に基づいて、被験者に送達される冷却された空気、または呼吸可能な気体の冷却速度、温度、および流量を調整するように構成されている。

Description

関連出願
本願は、§§１１９、１２０、３６３、３６５、および３７Ｃ．Ｆ．Ｒ§１．５５と§１．７８に基づき２０１９年１月８日出願の米国出願第１６／２４２，５２７号の利益と優先権を主張するものであり、これらの出願は、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§§１１９、１２０、３６３、３６５、および３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．§１．５５および§１．７８に基づき２０１８年１月８日出願の米国仮出願第６２／６１４，６３５号の利益と優先権を主張するものであり、米国仮出願第１６／２４２，５２７号および米国仮出願第６２／６１４，６３５号のそれぞれは、参照により本明細書に組み入れられる。

政府の権利
本発明は、国防総省によって授与された契約番号Ｍ６７８５４−１７−０−６５４８に基づく政府の支援を受けて行われた。政府は、本発明に一定の権利を有するものである。

技術分野
本発明は、被験者の脳を冷却するシステム方法に関する。

初期の外傷性脳損傷（ＴＢＩ）は、脳構造、ニューロン、または血管系に即時の損傷を引き起こし得る。ＴＢＩに続く二次的損傷には、虚血、腫れ、脳浮腫、頭蓋内圧亢進などがある。一般に、これらの二次的合併症は、脳への酸素化された血液の供給の減少（脳虚血）につながる可能性があり、神経変性につながる可能性がある。ＴＢＩに加えて、脳虚血は、脳卒中、心停止、呼吸不全によって引き起こされる可能性があり、これらは米国での主な死因の３つである。

外傷性事象後の二次的損傷メカニズムは、一般に、血液の不足による細胞死をもたらし、典型的には、約３０分の血液供給の中断後に始まる。長期にわたる酸素欠乏は、自己調節の障害やプログラムされた細胞死を引き起こす可能性がある。したがって、介入は最初の損傷から最初の６時間以内に行われることが重要である。

証拠は、脳温を約３２〜３５℃（治療的低体温）に選択的に冷却することを提案しており（例えば、参照により本明細書に組み込まれるAndrewsらによる "European Society of Intensive Care Medicine Study of Therapeutic Hypothermia（32-35 C）for Intracranial Pressure Reduction After Traumatic Brain Injury (The Eurotherm 3235 Trial）"Trials 12(1): 8(2011)参照）または治療ウィンドウの早期に、たとえば損傷後約３０未満で正常範囲の脳温を維持する（目標温度管理）ことは、壊死性細胞死とアポトーシス細胞死を遅らせる可能性があることを提案している。これは、不適切な血流から生じる有害な代謝副産物の蓄積、脳の酸素要求量の減少、神経性発熱の予防、頭蓋内圧（ＩＣＰ）脳炎などを減少させる脳内代謝の低下を含む正の効果につながる可能性がある。

特定の虚血性脳損傷後の治療的低体温（ＴＨ）および目標体温管理（ＴＴＭ）について、現在、クラス１およびクラス２の推奨がある。目標体温管理と低体温療法は、いくつかの虚血性損傷と証拠に適応されている。例えば、Abou-Cheblらによる"Local Brain Temperature Reduction Through Intranasal Cooling With the RhinoChill Device"、Stroke 42(8): 2164-2169、(2011)、Takedaらによる、 "Effects of Pharyngeal Cooling on Brain Temperature in Primates and Humans A Study for Proof of Principle"、The Journal of the American Society of Anesthesiologists、117(1): 117-125.2012、(2012)、およびSpringborgらによる"First Clinical Experience With Intranasal Cooling for Hyperthermia in Brain-injured Patients", Neurocritical care 18(3): 400-405、(2013)参照。これらのすべて参照により本明細書に組み込まれる。すべてのクラスＩエビデンスレベル（ＬＯＥ）Ｂ−クラスＩＩＩ ＬＯＥ Ｃは、損傷後約６か月で好ましい転帰の増加、ｌＣＵ滞在期間の短縮、神経機能の改善を示している。

組織を冷却するための一つの従来のシステムは、Feamotらによる米国特許出願公開第２０１３／００００６４２号に開示され、参照により本明細書に組み込まれる。６４２号特許出願に開示されているのは、冷却されない強制空気に依存するシステムである。６４２号特許出願で強制空気を冷却できる場合でも、６４２号特許出願で教示されているマスク装置は、被験者の脳を冷却するのに十分な冷却を提供できない場合がある。さらに、６４２号特許出願は、冷却プロセスに対してあらゆるタイプの制御を提供するためのフィードバックを教示していない。

非侵襲的脳全身冷却のための別の従来の方法及び装置は、米国特許出願公開第２００６／０２７６５５２号開示されており、参照により本明細書に組み込まれる。６５５号特許出願は、患者の鼻腔に細長い部材を挿入し、パーフルオロカーボンスプレーと気体を鼻腔に注入し、タイヤ気体を使用してパーフルオロカーボンの蒸発を促進して、脳の温度を下げるか、またはバルーンと鼻の内側に配置された２つの細長いチューブを備えた複雑な３部構成の冷却アセンブリを通して、冷却された液体を注入することに依存する複雑で扱いにくい冷却装置および方法を教示している。

外傷性脳損傷後の脳の温度管理の有効性に関する研究は極めて限られている。従来のシステムと方法の技術的な制限により、ＴＴＭとＴＨに対する従来のシステムと方法をサポートする証拠は、少なくとも次の欠点を示す：研究では、脳の選択的冷却ではなく、全身の冷却を研究しており、震えなどの有害な副作用の可能性があり、冷却は、怪我から３０分以内に開始されない場合があり、一貫した冷却および再加温のプロトコルに従っていない。

このように、入院中および治療ウィンドウの早い段階で、効果的に損傷箇所にＴＨとＴＴＭを提供するために、脳を冷却する空気または呼吸可能な気体の流れを提供し、脳と被験者の温度を監視し、空気または呼吸可能な気体の流れの温度と流量を調整して、被験者の脳の冷却に関連する可能性のある有害な副作用を軽減する、複雑ではなく扱いやすい冷却システムおよび方法の必要性がある。

一の態様では、被験者の脳を冷却するためのシステムが装備されている。システムは、空気または呼吸可能な気体の流れを入力し、空気または呼吸可能な気体を冷却し、冷却された空気または呼吸可能な気体を、人間の被験者に冷却された空気または呼吸可能な気体を送達するように適合された装置に結合されたラインに出力するよう構成された冷却サブシステムを含む。冷却サブシステムに接続された流量制御装置は、冷却サブシステムに入力される空気または呼吸可能な気体の流れの流量と、ラインに出力される冷却された空気または呼吸可能な気体の流量を制御するように構成されている。冷却サブシステムに接続された１つ以上の流量センサーは、少なくとも冷却された空気または呼吸可能な気体の流量を測定するように構成されている。１つ以上の温度センサーは、少なくとも被験者の脳または脳の関連部位の温度、および冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの温度を測定するように構成されている。コントローラは、冷却サブシステム、流量制御装置、１つ以上の流量センサー、１つ以上の温度センサーに接続されている。コントローラは、少なくとも脳または脳の関連部位の測定温度と被験者の脳を冷却するための冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの測定された流量に基づいて、被験者に送達される冷却された空気または呼吸可能な気体の冷却速度、温度、および流量を調整するように構成されている。

一実施形態では、コントローラは、正常体温レベルに治療低体温（ＴＨ）及び／又は目標温度管理（ＴＴＭ）を提供するために、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの温度および流量を調整するように構成されてもよい。コントローラは、流量制御装置を制御して、約０Ｌ／分〜約５０Ｌ／分の範囲の流量で冷却された空気または呼吸可能な気体の流量を提供するように構成されてもよい。冷却サブシステムは、約−１０℃〜約１０℃の範囲の温度を有する空気または呼吸可能な気体を入力するよう構成することができる。コントローラは、冷却サブシステムを制御して、空気または呼吸可能な気体を冷却し、約−１４℃〜約７℃の範囲の温度を有する被験者に送られる冷却された空気または呼吸可能な気体の流れを提供するように構成することができる。１つ以上の温度センサーには、鼓膜センサーまたは側頭動脈センサーが含まれる。冷却された空気または呼吸可能な気体を被験者に送達するように適合されたデバイスは、鼻カニューレを含み得る。１つ以上の温度センサーは、鼻カニューレの端に配置するように適合させることができる。コントローラは、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの圧力を調整するために、流量制御装置を制御するように構成されてもよい。冷却サブシステムは、熱伝導材料で構成される気体ブロックを含むことができ、気体ブロックは、空気または呼吸可能な気体の流れを入力するように構成された入口と、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れを出力するように構成された出口を含む。空気ブロックは、空気または呼吸可能な気体の流れを冷却し、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れを提供して出口に送るように構成された熱伝導性材料で構成される複数のフローチャネルを含むことができる。冷却サブシステムは、気体ブロックに接続され、熱電冷却（ＴＥＣ）デバイスとして構成された熱伝達サブシステムを含むことができる。コントローラは、ＴＥＣに適用される電流または電圧を制御して、ＴＥＣの気体ブロックと接触する側に冷却温度を提供し、空気または呼吸可能な気体の流れの源を冷却し、空気または呼吸可能な気体の流れを提供するか、またはＴＥＣの気体ブロックと接触する側に加熱温度を提供して空気または呼吸可能な気体の流れの源を温め、空気または呼吸可能な気体の流れの温度を上昇させる。システムには、熱伝達サブシステムから熱を除去するように構成された熱伝達サブシステムに接続された熱交換伝達サブシステムを含むことができる。熱交換伝達サブシステムは、ＴＥＣの側面に接続された伝熱ブロックと、伝熱フィンに接続された伝熱パイプを含むことができる。システムは、伝熱フィンに結合されたファンを含むことができる。

別の態様では、被験者の脳を冷却するための方法が提供される。方法は、空気または呼吸可能な気体の流れを受け取るステップを含む。空気や呼吸可能なスが冷却される。冷却された空気または呼吸可能な気体の流れは、冷却された空気または呼吸可能な気体を被験者に送達するように適合されたデバイスに結合されたラインに出力される。空気または呼吸可能な気体の流れの流量およびラインに出力される冷却された空気のまたは呼吸可能な気体の流れの流量が制御される。少なくとも、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの流量が測定される。少なくとも、被験者の脳または脳関連部位の温度と、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの温度が測定される。冷却速度、温度、および被験者に送達される冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの流量は、少なくとも測定された脳または脳関連部位の温度および被験者の脳を冷却するための冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの測定された流量に基づいて調整される。

一実施形態では、この方法は、正常体温レベルに治療低体温（ＴＨ）と目標温度管理（ＴＴＭ）を提供するために、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの温度および流量を調整するステップを含む。この方法は、約０〜約５０Ｌ／ｍの範囲の流量で冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの流量を提供するステップを含むことができる。方法は、約−１０℃〜約１０℃の範囲の温度を有する空気または呼吸可能な気体の流れを受け取るステップを含む。この方法は、空気または呼吸可能な気体の流れを約−１４℃〜約７℃の範囲の温度に冷却するステップを含む。空気または呼吸可能な気体の流れを被験者に送達するように適合されたデバイスは、鼻カニューレを含み得る。方法は、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの圧力を調整するステップを含む。方法は、熱伝導性材料で構成される気体ブロックを設けるステップを含み、気体ブロックは、空気または呼吸可能な気体の流れを受け入れる入口と、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れを出力するように構成された出口を含む。方法は、熱電冷却（ＴＥＣ）デバイスとして構成された気体ブロックに接続された熱伝達サブシステムを設けるステップを含む。方法は、ＴＥＣに印加される電流または電圧を制御して、気体ブロックと接触しているＴＥＣの側面に冷却温度を提供し、空気または呼吸可能な気体の流れの源を冷却し、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れを提供するか、または気体ブロックと接触しているＴＥＣの側面に加熱温度を提供して、空気または呼吸可能気体の流れの源を加熱し、冷却された空気または呼吸可能気体の流れの温度を上昇させる。方法は、熱伝達サブシステムから熱を除去するように構成された熱伝達システムに結合された熱交換伝達サブシステムを提供することを含むことができる。

しかしながら、本発明の他の実施形態では、これらの目的を達成する必要はなく、特許請求の範囲は、これらの目的を達成することができる構造または方法に限定されるものではない。

他の目的、特徴および利点は、好ましい実施形態の以下の説明および添付の図面から当業者には思い浮かぶであろう。

被験者の脳を冷却するためのシステムの一実施形態の主要構成要素を示す立体図である。 図１に示す冷却サブシステムへ入力される空気または呼吸可能な気体の源の一例を示す立体図である。 冷却サブシステムの一例をさらに詳細に示す立体図である。 図１〜図３のいずれか１以上に示される被験者の脳を冷却するためのシステムの主要構成要素をさらに詳しく示す概略ブロック図である。 図１〜図４のいずれか１以上に示す冷却サブシステムの熱伝達サブシステムおよび熱交換サブシステムの一例をさらに詳細に示す立体図である。 被験者の脳を冷却するための方法の主要な工程の一例を示すブロック図である。

以下に開示される好適な実施形態または実施例を考えず、本発明は、他の実施形態および様々な方法で実施又は実行することが可能である。したがって、本発明は、その用途において、以下の説明に記載されているかまたは図面に示されている構成の詳細および構成要素の配置に限定されないことを理解されたい。ここで１つの実施形態のみが説明されている場合、特許請求の範囲は、その実施形態に限定されるものではない。さらに、特定の除外、制限、または免責事項を明示する明確で説得力のある証拠がない限り、特許請求の範囲は、限定的に読まれるべきではない。

図１には、被験者の脳を冷却するためのシステム１０の一実施形態及び方法が示される。システム１０は、図２、図３、図４、および図５に詳細に示される冷却サブシステム１２を含み、空気または呼吸可能な気体の流れ１４（図１）、空気または呼吸可能な気体の冷たい流れ１４を入力または受け入れるよう構成され、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６を出力するよう構成される。この例では、冷却サブシステム１２は、冷却サブシステム１２に接続された図２の容器１７に配置された空気または呼吸可能な気体（たとえば、液体酸素）の源から空気または呼吸可能な気体１４の流れを受け取る。他の例では、空気または呼吸可能な気体の流れ１４の源は、空気または気体コンプレッサーによって提供され、液体空気または空気または酸素などの呼吸可能な気体を使用する場合と比較して、コストを削減し、安全性を向上させる。１つの例では、１，２００ｐｓｉ、４．６ガロンのポータブルエアコンプレッサー、定格９０ｐｓｉで２立方フィート／分（ＣＦＭ）を利用して、約０〜約５０Ｌ／分の空気または呼吸可能な気体の流れ１４の供給圧力を提供することができる。他の例では、空気または呼吸可能な気体の流れ１４は、病院または同様のタイプの施設での空気または呼吸可能な気体ラインであり得る。別の例では、低ｐｓｉ（例えば、約１０ｐｓｉ以下）０〜約５０Ｌ／ｍｉｎを供給する小さなブロアまたは小さなコンプレッサーをポータブルハウジング内で使用することができ、例えば、図２のハウジング４６は好ましくは、システム１０の主要構成要素を収容する。

一の設計では、図３に詳細を示す冷却サブシステム１２は、空気または呼吸可能な気体の流れ１４を入力部１８において上述された空気または呼吸可能な気体の源から受け取り、図示のように、出口２２で冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６を出力する。図１および図２に示される出口２２は、好ましくは、図２のラインまたはチューブ２４に連結され、ラインまたはチューブは、好ましくはデバイスに冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６を送り、デバイスは、被験者２８に冷却空気または呼吸可能な気体１６を送達するように適合された、例えば鼻カニューレ、又は類似のタイプのデバイスであり、被験者２８の脳の効果的な冷却を提供し、損傷の時点で、または入院前の治療ウィンドウの早い段階、例えば約３０分未満に正常体温レベルにＴＨとＴＴＭを提供する。

システム１０は、冷却サブシステム１２に連結された図４の流量制御装置３６を含む。流量制御装置３６は、図２の入力部１８で冷却サブシステム１２に入力される空気または呼吸可能な気体の流れ１４の流量、および２２出力されライン２４に連結される冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６の流量を制御するように構成されている。一例では、空気または呼吸可能な気体の流れ１４および冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６は、好ましくは、約０〜約５０Ｌ／分の範囲の流量で流量制御装置３６によって提供される。

図１〜図４の一つ以上に示されるシステム１０はまた、冷却サブシステム１２に結合された図４の１つ以上の流量センサー４０を含み、冷却サブシステムは、少なくとも空気または呼吸可能な気体の流れ１４の流量および冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６の流量を測定するように構成される。

システム１０はまた、少なくとも被験者２８（図２）の脳の温度、または被験者２８の脳の関連部位の温度、空気または呼吸可能な気体の流れ１４（図１および図３）の温度、および冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６の温度を測定するように構成された１つ以上の温度センサー３８を含む。冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６の温度は、好ましくは、ポイント５８（図４）、例えば出口２２（図１〜図３）の１つまたは複数の温度センサー３８によって測定され、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６を被験者２８に送達するように適合された装置、例えば、鼻カニューレ２６に入るライン２４（図２）の冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６の温度は、以下で論じるように制御することができる。鼻カニューレ２６の端の温度は、鼻カニューレ２６の端に配置された１つまたは複数の温度センサー３８（図４）によって測定され、被験者の脳または脳の関連部位２８の温度はまた、好ましくは、例えば、図２に示すように被験者の耳に配置された鼓膜センサー３８（図１〜図２）、側頭動脈センサー、または同様のタイプの温度センサーなどの被験者２８の脳または脳の関連部位の温度を測定するように構成された温度センサー３８で測定される。システム１０は、冷却サブシステム１２、流量制御装置３６、１つ以上の流量センサー４０、および１つ以上の温度センサー３８に接続されたコントローラ３２（図４）を含む。コントローラ３２は、少なくとも脳の測定温度、被験者の脳を冷却するための冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６の測定流量に基づいて、冷却速度、温度、および被験者２８に送達される冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６の流量を調整するように構成されている。システム１０（図図１、図２および図４）はまた、好ましくは、ユーザーインターフェース／ディスプレイ３４を含む。システム１０はまた、好ましくは、上述のように、流量制御装置３６および冷却サブシステム１２に結合された気体ポンプ４２（図４）を含む。

一例では、コントローラ３２は、被験者２８の脳の温度を測定するように構成された１つまたは複数の温度センサー３８、および図４の５８において冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６の流量を測定する１つまたは複数の流量センサー４０によって提供されたフィードバック情報に基づいて、好ましくは自動的に、冷却速度、温度、および冷却された空気または呼吸に適した気体の流れ１６の流量を調整するように構成される。一例では、コントローラ３２のフィードバック制御は、当業者に知られているように、比例積分偏差（ＰＩＤ）と同様の、脳または脳関連部位の温度を測定するように構成された温度センサー３８からのものであり得る。

コントローラ３２はまた、好ましくは、空気または呼吸可能な気体Ｈの流れ１４、および冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６の圧力を調整するように流量制御装置３６を制御するよう構成されている。一例では、１つまたは複数の流量センサー４０は、点５８で冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６の流量に関する流量情報をコントローラ３２に提供する空気流量計とすることができ、コントローラは、空気または気体ポンプ４２に接続された流量制御装置３６を制御して、被験者２８の脳の冷却要求に応じて空気または呼吸可能な気体の流れ１４および冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６の流量を、上記のように、好ましくは約０〜５０Ｌ／分の範囲で、または同様のタイプの流量で提供する。気体ポンプ４２は、ファンまたは類似のタイプのデバイスを使用して、ラインまたはチューブ２４（図２）内の冷却された空気または呼吸可能気体の流れ１６を半径方向に、直線的に迅速に掃引するように好ましくは構成されるブロワーを含み得る。他の設計では、気体ポンプ４２は、一例では、約０〜５０Ｌ／分の空気または呼吸可能な気体の流れ１４の供給圧力を提供する、上で論じたコンプレッサーの様々な実施形態を含み得る。コンプレッサーは、空気または呼吸可能な気体の流れ１４および冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６の高圧および高流量を提供するように構成されたリニア、ダイヤフラム、タービン、ラジアルブロワーまたは他の設計を含む。他の例では、空気または気体ポンプ４２は、空気または病院施設または同様のタイプの供給ラインからの空気または呼吸可能な気体の供給ラインであってもよい。

システム１０はまた、好ましくはコントローラ３２に電力を供給し、冷却サブシステム１２、一つ以上の温度センサー３８、流量制御装置３６、一つ以上の流量センサー４０、およびシステム１０のユーザーインターフェースディスプレイに電力を供給するコントローラに接続された電源４４を含む。一例では、電源４４は、電池、例えば、ニッケル金属水素電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー、または類似のタイプの電池であってよい。

上述のように、冷却サブシステム１２によって提供される冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６の流量（図１〜図３）は、好ましくは、約０〜約５０Ｌ／分の範囲である。他の例では、冷却サブシステム１２によって提供される冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６の流量は、５０Ｌ／分より多くても少なくてもよい。一例では、約８立方フィート／分（ＣＦＭ）の冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６が冷却サブシステム１２によって提供され、被験者２８に送達されて、被験者２８の脳を効果的に冷却することができる。一例では、冷却サブシステム１２は、約−１４℃〜約７℃の範囲の温度で空気または呼吸可能な気体の流れ１４を冷却して、約−１０℃〜約１０℃での冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６を提供して、被験者２８の脳を効果的かつ効率的に冷却する。

上述のシステム１０によって提供される冷却空気または呼吸可能な気体の強制流１６を使用する鼻腔内冷却は、臨床的に重要な脳の冷却を達成し、損傷の時点、例えば軍の遠方作戦などの入院前の状況、輸送中、一時的および恒久的な医療施設など治療ウィンドウの初期、たとえば約３０分未満に、ＴＨおよびＴＴＨを提供するための効果的なアプローチを提供する。鼻腔は、海綿静脈洞、内頸動脈、および脳を循環する大脳基底槽内の脳脊髄液に近接しているため、脳の冷却に適している。気管挿管された患者は、鼻腔を通るすべての冷却循環を失い、その結果、すぐに脳が衰弱してしまう。システム１０とその方法は、挿管の加温効果を逆転させ、冷却された空気または呼吸可能な気体の大量の流れ１６を鼻腔に強制的に流しながら、脳または脳の関連部位の温度に基づいて、例えば、鼓膜温度センサー、側頭動脈センサー、または上記で論じた同様のタイプのセンサーなどの１つまたは複数の温度センサー３８を使用して、冷却速度を自動的に調整することにより、通常の呼吸冷却効果を劇的に高め、急速な脳冷却および制御された低体温または正常体温を達成する。

結果として、システム１０およびこの方法は、上記の背景技術の項目で説明した脳を冷却するための、複雑ではなく、より面倒の少ないシステムおよび方法を提供する。システム１０とその方法は、冷却された空気または呼吸可能な気体の強制フローを提供し、脳を効率的に冷却して、ＴＨとＴＴＭを傷害の時点または入院前および治療ウィンドウの初期に正常体温レベルに効果的に提供し、脳および被験者の温度を監視し、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの温度と流量を調整して、被験者の脳の冷却に関連する可能性のある有害な副作用を低減する。

図１および図４の一つ以上に示すコントローラ３２は、プロセッサ、１つまたは複数のプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ファームウェア、ハードウェア、および／またはソフトウェア（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）、またはハードウェアとソフトウェアの両方の組み合わせとすることができ、本明細書ではすべて「コントローラ」と総称され、これは、本発明の脳を冷却するためのシステム１０および方法の一部であり得る。システム１０および方法の一つ以上の実施形態及びコントローラ３２の命令または操作を実行するためのプログラムのためのコンピュータプログラムコードは、例えば、Ｃ＋＋、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｊａｖａなどオブジェクト指向プログラミング言語、または「Ｃ」プログラミング言語などの従来の手続き型プログラミング言語を含む、一つ以上のプログラミング言語の任意の組み合わせで書かれてもよい。

一例では、図１〜図４の一つ以上に示す冷却サブシステム１２は、好ましくは、例えば図３に示されるように、入力部１８および出力部２２に結合された気体ブロック５０（図５）を含む。気体ブロック５０（図５）は、好ましくは入力部１８（図３）で受け取られた空気または呼吸可能な気体１４の流れ１４（図１および図３）を気体ブロック５０（図５）を通して導く流れチャネル５２を含み、空気または呼吸可能な気体１４の流れ１４は、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６を生成するために冷却される。流れチャネル５２は、たとえば図３に示すように、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６を出力部２２に導く。好ましくは、流れチャネル５２は、アルミニウム、銅、真ちゅう、鋼、または同様のタイプの材料で作られた堅い熱伝導性チャネルである。気体ブロック５０はカバー５２を含む。冷却サブシステム１２は、好ましくは気体ブロック５０に結合される気体フィルター５６（図３および図５）を含むことができる。

一の設計では、冷却サブシステム１２はまた、好ましくは、空気または呼吸可能な気体の流れ１４（図３）を効率的かつ効果的に冷却して、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６を提供するように構成される熱伝達サブシステム６０（図３〜図５）を含む。１つの設計では、熱伝達サブシステム６０は、ペルチェ効果に基づく熱電クーラー（ＴＥＣ）６０（図５）として構成され、ＴＥＣ６０の低温側６２から熱を気体ブロック５０内の空気または呼吸可能な気体の流れ１４に伝達して、例えば図１および図３に示すように出口２２で冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６を提供するために空気または呼吸可能な気体１４の流れを効果的に冷却する。したがって、ＴＥＣデバイス６０は、空気または呼吸可能な気体１４の流れ１４から熱を効果的に除去するために必要な温度差を提供することが好ましい。一例では、ＴＥＣデバイス６０は、市販のＴＥＣ（ミシガン州トラバースシティのＴＥテクノロジーから入手可能）であってもよく、好ましくは定格で１８Ｗ以上の電力で最大約１５Ｗの熱を除去する。他の設計では、図３の熱伝達サブシステム６０は、放射による冷媒または熱伝達を利用して、気体ブロック５０内の空気または呼吸可能な気体１４の流れ１４を冷却するために冷たい気体／液体流を伝達する。熱伝達サブシステム６０の主な機能は、入力部１８で受け取った空気または呼吸可能な気体の流れ１４から熱を除去し、図１および図３に示すように、出口２２に冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６を提供し、例えば、ライン２４に接続された鼻カニューレ２６によって、被験者２８に送達することで、効果的かつ効率的に被験者２８の脳を冷却する。空気または呼吸可能な気体の流れ１４から取り除かれた熱は、流れの間に取り除かれるか、または予備モードの間に取り除かれてもよい。

図１〜図４の１つ以上に示される冷却サブシステム１２はまた、好ましくは、熱伝達サブシステム６０、例えば、ＴＥＣ６０に結合された熱交換サブシステム７０（図５）を含む。熱交換サブシステム７０は、好ましくは、ＴＥＣ６０の高温側７２から熱を除去し、温かい排気または空気または呼吸可能な気体７６（図１および図３）を大気に排出するように構成される。

別の例では、ＴＥＣ６０は、温度が高すぎる場合、空気または呼吸可能な気体の流れ１４、および／または冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６を加熱するための加熱サブシステムとして利用することができる。一例では、ＴＥＣ６０は、バイポーラデバイスであるため、例えば、コントローラ３２によって設定され、１つまたは複数の温度センサー３８によって測定された、空気または呼吸可能な気体の流れ１４または冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６の温度が所望よりも低い場合、コントローラ３２がＴＥＣ６０に適用される電流または電圧を制御することにより、冷却側６２が高温側になり、気体ブロック５０内の空気または呼吸可能な気体の流れ１４を温め、冷却された空気または呼吸可能な空気の流れ１６の温度を上げるようＴＥＣ６０を構成および制御することができ、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６の所望の温度を提供し、冷却された空気または呼吸可能気体の流れ１６を被験者２８に送達するように適合されたデバイス、例えば、鼻カニューレまたは同様のタイプのデバイスに供給する。

１つの設計では、熱交換サブシステム７０（図５）は、好ましくは、ＴＥＣ６０の高温側７２、および伝熱フィン８４によって囲まれた伝熱パイプ８２に結合された熱伝導ブロック８０を含む。熱交換ファン８６は、例えば図３に示されるように、伝熱フィン８４に結合されることが好ましい。熱伝導ブロック７８は、好ましくは、ＴＥＣ７０の高温側７２から熱を効率的に除去するように構成される。熱伝導ブロック８０からの熱は、好ましくは、伝熱パイプ８２に伝達され、伝熱フィン８４によって冷却される。熱交換ファン８６は、伝熱フィン８４の熱を除去する。１つの設計では、熱伝導ブロック８０、伝熱パイプ８２および伝熱フィン８４は、例えばアルミニウム、銅、真鍮、鋼などの高熱伝導性材料でできている。別の設計では、熱交換ファン８６またはＴＥＣ６０の高温側７２上のその他の流れを使用して除去された暖かい空気を使用して、被験者２８を暖めることができる。

１つの設計では、図１〜図５の一つ以上に示すシステム１０および方法は、鼻カニューレ２６に結合されたラインまたはチューブ２４（図２）に湿った空気を好ましく供給する加湿器９６（図４）を含むことができる。１つの設計では、ライン２４内のドリップベースシステムを利用することができ、液体の密な液滴がライン２４に供給され、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６で掃引される。他の例では、液体源の上に冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６を通すこともできる。この場合冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ１６は、液体と接触するが、液体を通過しない。他の例では、インライン加湿器を利用できる。

１つの設計では、ユーザーインターフェース／ディスプレイ３４（図１、図２および図４）は、システム１０のユーザーにユーザーインターフェースを提供し、上記で議論されたシステム１０および方法の様々な制御オプションを決定するためのパラメーターの入力を提供することができる。１つの設計では、ＬＥＤまたはＬＣＤスクリーンを使用することができ、これらは、タッチセンシティブであってもよく、触覚的な視覚および／または音声フィードバックボタンを使用してもよく、好ましくは、インジケータ発光装置、またはブザーまたはスピーカのようなまたは可聴装置を含んでもよい。

被験者の脳を冷却するための方法の一例は、空気または呼吸可能な気体の流れを受け取るステップ２００（図１）を含む。ステップ２０２で、空気または呼吸可能な気体が冷却される。ステップ２０４で、冷却された空気または呼吸可能な気体の流れは、冷却された空気または呼吸可能な気体を被験者に送達するように適合されたデバイスに結合されたラインに出力される。ステップ２０６で、空気または呼吸可能な気体の流れの流量およびラインに出力される冷却された空気または呼吸可能な気体の流量が制御される。ステップ２０８で、少なくとも、冷却された空気または呼吸可能な気体の流量が測定される。ステップ２１０で、少なくとも、被験者の脳または脳関連部位の温度、および冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの温度が測定される。ステップ２１２で、冷却速度、温度、および被験者に送達される冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの流量は、少なくとも測定された脳または脳の関連部位の温度および被検者の脳を冷却するための冷却空気または呼吸可能な気体の流れの測定された流量に基づいて調整される。

本発明の特定の特徴が、一部の図面にのみ示されているが、これは、便宜上各特徴が本発明に従って他の特徴のいずれかまたは全てと組み合わせることができることを示す。ここで使用される「含む」、「備える」、「持つ」、および「有する」という言葉は、広く包括的に解釈されるべきであり、物理的な相互接続に限定されない。さらに、本出願に開示されている実施形態は、唯一の可能な実施形態として解釈されるべきではない。

さらに、本特許の特許出願の審査中に提出された補正は、出願時に提出された請求項の要素を免責するものではない。当業者であれば、文字通りすべての可能な同等物を網羅するようなクレームを作成することを合理的に期待できず、多くの同等物は補正の時点では予測できず、放棄されるべきものの公正な解釈を超えている、補正の根拠となる理論的根拠は、多くの同等物との接線関係に過ぎない場合があり、および／または補正された請求要素の特定の非実質的な代用を説明することが出願人に期待できない他の多くの理由がある

当業者には以下の特許請求の範囲内にある他の実施形態が思い浮かぶだろう。

１０ システム
１２ 冷却サブシステム
１４ 空気または呼吸可能な気体の流れ
１６ 冷却された空気または呼吸可能な気体の流れ
１８ 入力部
２２ 出力部
２４ ライン
２６ 鼻カニューレ
２８ 被験者
３２ コントローラ
３４ ユーザーインターフェース／ディスプレイ
３６ 流量制御装置
３８ 温度センサー
４０ 流量センサー
４２ 気体ポンプ
４４ 電源
４６ ハウジング
５０ 気体ブロック
５２ チャネル
５６ 気体フィルター
６０ 熱伝達サブシステム
７０ 熱交換サブシステム
８０ 熱伝導ブロック
８２ 伝熱パイプ
８４ 伝熱フィン
８６ 熱交換ファン
９６ 加湿器

Claims (27)

1. 被験者の脳を冷却するためのシステムであって、
   空気または呼吸可能な気体の流れを入力し、前記空気または呼吸可能な気体を冷却し、かつ前記冷却された空気または呼吸可能な気体を被験者に送達するよう適合されたデバイスに連結されたラインに冷却された空気または呼吸可能な気体を出力するよう構成された冷却サブシステムと、
   前記冷却サブシステムに入力される前記空気または呼吸可能な気体の流れの流速、および前記ラインに出力される前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流速を制御するよう構成された、前記冷却サブシステムに連結された流量制御装置と、
   少なくとも冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの流速を測定するよう構成された、前記冷却サブシステムに連結された１または複数の流速センサーと、
   少なくとも前記被験者の脳または脳の関連部位の温度、および前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの温度を測定するよう構成された１または複数の温度センサーと、
   前記冷却サブシステム、前記流量制御装置、前記１または複数の流速センサー、および前記１または複数の温度センサーに連結されたコントローラであって、前記被験者の脳を冷却するために、少なくとも前記脳または前記脳の関連部位の測定された温度、および前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの測定された流速に基づいて、冷却速度、温度および前記被験者に送達される冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの流速を調整するよう構成されたコントローラと、
   を備える、システム。
2. 正常体温レベルに治療低体温（ＴＨ）および／または目標温度管理（ＴＴＭ）を提供するために、前記コントローラが前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの温度および流速を調整するよう構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. 約０Ｌ／分〜約５０Ｌ／分の範囲の流速の前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流れを提供するために前記コントローラが前記流量制御装置を制御するよう構成されている、請求項１に記載のシステム。
4. 前記冷却サブシステムが約−１０℃〜約１０℃の範囲の温度の前記空気または呼吸可能な気体を入力するよう構成されている、請求項１に記載のシステム。
5. 前記空気または呼吸可能な気体を冷却し、かつ約−１４℃〜約７℃の範囲の温度の前記被験者に送達される前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流れを提供するために、前記コントローラが前記冷却サブシステムを制御するよう構成されている、請求項４に記載のシステム。
6. 前記１または複数の温度センサーが鼓膜センサーまたは側頭動脈センサーを含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記冷却された空気または呼吸可能な気体を被験者に送達するよう適合された前記デバイスが鼻カニューレを含む、請求項１に記載のシステム。
8. 前記１または複数の温度センサーが前記鼻カニューレの端部に配置されるよう適合されている、請求項７に記載のシステム。
9. 前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの圧力を調整するために、前記コントローラが前記流量制御装置を制御するよう構成されている、請求項１に記載のシステム。
10. 前記冷却サブシステムが熱伝達性材料からなる気体ブロックを含み、前記気体ブロックが前記空気または呼吸可能な気体の流れを入力するよう構成された入口、および前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流れを出力するよう構成された出口を含む、請求項１に記載のシステム。
11. 前記空気ブロックが、前記空気または呼吸可能な気体の流れを冷却し、かつ前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流れを前記出口に提供し、導くよう構成された、前記熱伝達性材料からなる複数の流路を含む、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記冷却サブシステムが前記気体ブロックに連結され、かつ熱電クーラー（ＴＥＣ）デバイスとして構成された熱伝達サブシステムを含む、請求項１に記載のシステム。
13. 前記コントローラが前記ＴＥＣに適用される電流または電圧を制御するよう構成され、前記空気または呼吸可能な気体の流れの源を冷却し、前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流れを提供するために前記気体ブロックに接触する前記ＴＥＣの側に冷却温度を提供するか、または前記空気または呼吸可能な気体の流れの前記源を加熱して、前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの温度を上昇させるために前記気体ブロックに接触する前記ＴＥＣの側に加熱温度を提供する、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記熱伝達サブシステムから熱を取り除くよう構成された、前記熱伝達サブシステムに連結された熱交換伝達サブシステムをさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 熱交換伝達サブシステムが、前記ＴＥＣの側に連結された伝熱ブロックと、伝熱フィンに連結された伝熱パイプとを含む、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記伝熱フィンに連結されたファンをさらに含む、請求項１５に記載のシステム。
17. 被験者の脳を冷却する方法であって、
    空気または呼吸可能な気体の流れを受け入れるステップと、
    前記空気または呼吸可能な気体を冷却するステップと、
    前記冷却された空気または呼吸可能な気体を被験者に送達するよう適合されたデバイスに連結されたラインに冷却された空気または呼吸可能な気体の流れを出力するステップと、
    前記空気または呼吸可能な気体の流れの流速および前記ラインに出力される前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流速を制御するステップと、
    少なくとも冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの流速を測定するステップと、
    少なくとも前記被験者の脳または脳の関連部位の温度、および前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの温度を測定するステップと、
    前記被験者の脳を冷却するために、少なくとも前記脳または前記脳の関連部位の測定された温度、および前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの測定された流速に基づいて、冷却速度、温度、および前記被験者に送達される冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの流速を調整するステップと、
    を備える方法。
18. 正常体温レベルに治療低体温（ＴＨ）および／または目標温度管理（ＴＴＭ）を提供するために、前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの温度および流速を調整するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 約０Ｌ／分〜約５０Ｌ／分の範囲の流速の前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流れを提供するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
20. 約−１０℃〜約１０℃の範囲の温度の前記空気または呼吸可能な気体の流れを受け入れるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
21. 約−１４℃〜約７℃の範囲の温度に前記空気または呼吸可能な気体の流れを冷却するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記空気または呼吸可能な気体の流れを前記被験者に送達するよう適合された前記デバイスが鼻カニューレを含む、請求項１７に記載の方法。
23. 前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの圧力を調整するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
24. 熱伝達性材料からなる気体ブロックを設けるステップをさらに含み、前記気体ブロックが前記空気または呼吸可能な気体の流れを受け入れる入口、および前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流れを出力するよう構成された出口を含む、請求項１７に記載の方法。
25. 熱電クーラー（ＴＥＣ）デバイスとして構成された前記気体ブロックに連結された熱伝達サブシステムを設けるステップをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
26. 前記ＴＥＣに適用される電流または電圧を制御するステップをさらに含み、前記空気または呼吸可能な気体の流れの源を冷却し、前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流れを提供するために前記気体ブロックに接触する前記ＴＥＣの側に冷却温度を提供するか、または前記空気または呼吸可能な気体の流れの前記源を加熱して、前記冷却された空気または呼吸可能な気体の流れの温度を上昇させるために前記気体ブロックに接触する前記ＴＥＣの側に加熱温度を提供する、請求項２５に記載の方法。
27. 前記熱伝達サブシステムから熱を取り除くよう構成された、前記熱伝達サブシステムに連結された熱交換伝達サブシステムを設けるステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。

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