KR102023650B1 - 선택적 뇌 냉각을 위한 비-침습적 시스템, 디바이스 - Google Patents

선택적 뇌 냉각을 위한 비-침습적 시스템, 디바이스 Download PDF

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Abstract

환자의 선택적 및 비선택적 냉각 및 가온을 제공하기 위한 방법, 시스템 및 디바이스가 개시된다. 상당한 조직 손상이 발생하기 전에 저체온 치료가 신속하게 시행될 수 있도록 병원 환경에서 또는 현장에서 치료적 저체온의 신속한 유도 및 유지를 수행하기 위한 디바이스의 다수의 실시형태가 개시된다. 또한, 상기도, 호흡소화관을 관주시킴에 의한 표적화 뇌 냉각 및/또는 식도 및/또는 위를 관주시킴에 의한 더욱 전반적인 냉각을 위한 방법이 개시된다.

Description

선택적 뇌 냉각을 위한 비-침습적 시스템, 디바이스 및 방법{NON-INVASIVE SYSTEMS, DEVICES, AND METHODS FOR SELECTIVE BRAIN COOLING}
본 출원은 본 명세서에 전문이 참조로 포함되는 미국 가특허 출원 제61/511,409호(출원일: 2011년 7월 25일)의 이익을 주장한다.
배경
1. 기술 분야
대상체에서 뇌 및/또는 신체의 온도를 제어하고/거나 조절하기 위한 디바이스, 시스템 및 방법이 개시된다.
2. 관련 기술의 설명
뇌 손상은 흔하고, 치명적이며, 종종 치료하는데 비용이 매우 많이 든다. 저체온(hypothermia)의 유도 또는 열의 공격적 치료 중 어느 하나에 의한 환자 온도의 조절이 심장정지를 위한 표준 치료로서 미국 심장 협회(AHA)에 의해 권고되었다. 또한, 뇌 온도 조절은 출산-관련 뇌 손상을 치료하기 위해 사용되어 왔으며, 심장 및 신경외과수술 동안의, FDA에 의해 승인된 치료법이다. 온도 조절은 뇌졸중, 기계적 뇌 외상 및 척수 손상을 포함하는 다양한 중추신경계 증상(condition)에 대하여 연구되어 왔다. 치료적 장기(organ) 냉각 및 특히 치료적 뇌 냉각을 위한 다양한 디바이스가 제안되었다. 이러한 디바이스는 일반적으로 2개의 넓은 분류 중 하나에 속한다: 전신 디바이스 및 선택적 디바이스.
전신 디바이스가 오늘날 광범위하게 사용되나, 선택적 디바이스는 강력한 이점을 제공한다. 선택적 냉각은 뇌와 신체 심부(body core) 사이의 온도 기울기의 생성을 가능하게 하며, 이는 신체 심부 냉각과 관련된 합병증을 감소시켜, 향상된 환자 안전성을 야기하고, 뇌 조직의 강한 냉각(deep cooling)을 가능하게 하여 신경 보호를 달성할 수 있다.
일반적으로, 온도 조절에서 높은 선택성 정도는 높은, 일반적으로는 바람직하지 않은 정도의 침습성을 필요로 한다. 수술적 침습적 디바이스, 예를 들어, 정맥내 디바이스는 종종 표적 영역으로의 혈액 공급물을 냉각시키고 복귀 혈액 공급물을 가온시켜, 신체 심부의 냉각을 예방하는 것에 주력한다. 그러나, 혈관내 시스템 및 기타 유사 침습적 디바이스는 신속한 배치에 적절하지 않을 수 있는데, 이는 이들이 외과의에 의한 개입(intervention)을 필요로 하기 때문이다. 카테터-기반의 디바이스의 추가의 한계점은 이들이 주요 혈관의 외과적 침습을 필요로 하여, 감염, 출혈, 혈전증, 혈관 파열, 혈관벽의 박리(dissection), 및 맥관 구조에서의 데브리스(debris)의 도입 또는 제거(dislodging)의 위험을 일으킨다는 점이다. 혈관내 가온 카테터를 도입하여, 냉각된 장기(들)로부터 복귀하는 혈류를 다시 가온시키는 경우, 이들 위험은 배가된다.
다른 선택적, 뇌에 집중된, 비-침습적 냉각 디바이스는 상 변화(증발)를 겪어, 신체로부터의 열 전달률을 최대화시키는 연무화된(nebulized) 유체를 필요로 한다. 이러한 방법의 일 예는 예를 들어, 미국 특허 제7,837,722호(Barbut et al.)에 기술되어 있다. 이러한 방법의 단점은 플루오로카본 냉각제(fluorocarbon coolant)(자유 유동 액체로서 사용된다면)에 대한 환자의 노출, 플루오로카본 냉각제에 대한 주변인(bystander)의 노출 및 냉각제가 환자를 이탈함에 따라 재포집하기 어려운 동반된 데브리스의 형성을 포함한다. 또한, 이러한 방법은 인간 시험에서 상대적으로 느린 냉각 속도, 약 2℃/시간 및 본 발명자들이 아는 한, 뇌 온도에서 4℃ 미만의 항정 상태 감소의 약한 평균 냉각 정도(cooling depth)를 제공하는 것으로 보인다.
다른 선택적 디바이스가 미국 특허 제7,189,253호(Lunderqvist et al.)에 기술되어 있다. Lunderqvist 디바이스는 액체가 채워진 풍선(balloon)을 비강으로 도입시키고, 냉 유체를 재순환시킴으로써 비강을 냉각시킨다. 이들 디바이스는 고막 온도의 측정에 기초하여 냉각 유체의 온도를 조절함으로써, 뇌 온도를 제어한다. 이러한 방법의 단점은 이용되는 표면적의 감소에 기인한 열전달률의 감소(예를 들어, 부비강의 표면적이 배제되며, 부비강 내의 공기는 열 전달에 대한 장벽으로 작용한다) 및 풍선 그 자체의 열 전달 저항을 포함한다. 또한, 비강 내에서의 풍선 확대 동안 비강에 대한 외상이 가능하며, 이는 풍선으로부터의 유체 유동을 제한하여 풍선 내의 유체압을 증가시킴으로써 이루어진다.
이들 방법은 이들이 오직 비강만을 이용하여, 예를 들어, 인두 및 식도의 나머지를 포함하는 것보다 더 낮은 열전달률을 야기한다는 점에서 제한된다. 예를 들어, 열 전달을 위해 사용되는 표면적은 인두 및 식도가 포함되는 경우에 더 크다. 다른 예로서, 혈관주위 조직을 통한 열전달률은 경동맥 및 척추동맥에서 상승하는 혈액의 유속에 비해 느리다. 다시 말해서, 흉부, 경부 및 두부의 대동맥에서 유동하는 혈액은 크게 감소된 혈류의 환경을 제외하고, 능동(active) 온도 조작 동안에 동맥 주위의 조직과 열적으로 평형화되지 않을 것이다. 조합된 식도, 인두 및 코 방법의 차가운 긴 구역은 혈액에 대한 차가운 구역에서의 체류 시간의 증가와, 이에 따른 더 큰 평형화 및 냉각 정도를 의미한다.
다른 관례적인 방법은 풍선(ballon)-기반의 디바이스, 예를 들어, 미국 특허 출원 공개 제2008/0086186호 및 제2009/0177258호에서 Takeda에 의해 개시된 것들을 사용한다. 이러한 것은 일반적으로, 예를 들어, 기도 또는 위의 조직과의 우수한 표면 접촉을 제공하지 않아서, 열 전달을 감소시키는 유체의 사용을 포함한다. 또한, 이러한 방법은 호흡을 촉진시키고/거나 액체 또는 기체의 통과를 가능하기 위하여 신체의 인접 영역으로의 접근을 제공하기 어렵게 할 수 있다.
가온 및 냉각을 함께 사용하여, 뇌-신체 온도 기울기를 생성한다면, 몇몇 유형의 제어 시스템을 사용하여, 가온 및 냉각 작동을 조절하는 것이 유리할 수 있다. 미국 특허 출원 공개 제2003/0130651호에서 Lennox에 의해 개시된 것과 유사한, 환자의 부분을 따로 냉각시키고 가온시키기 위한 온도 제어를 제공하기 위한 관례적인 시스템은 통합된 조절 시스템을 갖지 않으며, 결과적으로, 온도 제어 중 어느 것도 환자 온도의 측정을 통한 것을 제외한 다른 작동을 알지 못한다. 따라서, 이러한 시스템은 비-통합 제어를 사용하고, 각각 뇌 및 신체 온도의 단일점 측정에 의존하여, 다른 것들 중 특히, 뇌 냉각 시스템에서의 작동과 신체 온도에서의 반응 간의 시간차를 최적으로 설명할 수 없다.
요약
조기의 치료에서, 예를 들어, 관례적인 치료적 저체온 디바이스 및 방법에서의 느린 냉각 속도 및/또는 지연은 저산소증 후의 조직 기능(예를 들어, 신경 기능), 심근경색증, 뇌졸중 후의 심근 기능 및/또는 염증 또는 손상 후의 다른 유형의 기능의 보존에 있어서 이들 시스템의 효율을 제한할 수 있다. 또한, 관례적인 시스템은 신체의 나머지에서 냉각 관련 합병증을 초래하지 않고, 원하는 표적 장기에 냉각을 집중하는데 어려움을 겪어 왔다. 이들 단점 중 적어도 일부를 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법에서 다루어, 다른 것들 중 특히 보다 신속하고/거나 보다 강한 선택적인 치료적 저체온을 가능하게 하는 시스템 및 방법으로 이어진다.
일 실시형태에서, 뇌의 선택적 및 비-침습적 냉각 방법은 관주(irrigating) 유체를 환자의 호흡소화관 내로 도입하는 단계, 환자의 신체의 제1 온도를 모니터링하는 단계, 제1 온도와 상이한 표적 온도를 설정하는 단계 및 관주 유체의 유량을 변경시켜, 제1 온도가 표적 온도에 더 가까워지게 하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 필요에 따라, 제1 온도와 표적 온도 사이의 차이에 반응하여, 환자의 호흡소화관으로의 관주 유체의 유량을 변경시키는(예를 들어, 간헐적으로 유동을 시작하고 중지시키는) 단계를 포함할 수 있다.
일부 개시된 실시형태에서, 냉각은 (예를 들어, 뇌졸중, 뇌 손상, 심근경색증 또는 심장정지 에피소드 후에 신경 기능을 보존하기 위해) 뇌 또는 더욱 일반적으로 (예를 들어, 전신 염증 또는 비-뇌 구조, 예를 들어, 척수 및/또는 심근에 대한 손상을 제어하기 위해) 전신에 표적화될 수 있다.
다른 개시된 실시형태에서, 신속한 저체온을 유도하기 위한 개선된 시스템은 신속한 선택적 뇌 냉각을 위하여 호흡소화관의 영역을 냉각시키는 것을 포함한다. 이러한 신속한 냉각은 상기 방법이 비가역적인 조직 손상의 완료 전에 효율적인 냉각이 유도될 수 있도록 긴급 상황에서 더욱 효율적으로 사용되게 할 수 있다. 유도 후에, 상기 방법은 또한 지속된 기간 동안 냉각을 효율적으로 유지하여, 최대의 치료적 이익을 제공할 수 있다. 상기 방법의 변화에 의해, 임상적 증상에 의해 요구되는 바와 같이, 뇌의 표적화된 또는 선택적 냉각, 또는 뇌와 신체 둘 모두의 덜 선택적인 냉각이 달성될 수 있다.
다른 실시형태에서, 뇌의 선택적 및 비-침습적 냉각을 위한 장치(apparatus)가 제공된다. 상기 장치는 적어도 하나의 비강 카테터(예를 들어, 환자의 콧구멍을 통해 도입되도록 크기 결정됨(sized)), 적어도 하나의 식도 카테터(예를 들어, 환자의 식도 내로 삽입되도록 크기 결정된 멀티-루멘(multi-lumen) 식도 카테터) 및 적어도 하나의 기관 카테터(예를 들어, 환자의 기관 내로 삽입되도록 크기 결정된 적어도 하나의 멀티-루멘 기관 카테터)를 포함할 수 있다. 식도 카테터는 원위단 및 근위단을 가질 수 있으며, 원위단은 식도 카테터가 환자의 식도 내에 배치되는 경우 환자의 대동맥활을 지나서 연장되도록 구성된다. 식도 카테터는 제1 루멘, 제2 루멘 및/또는 제3 루멘 (및 일부 실시형태에서, 하기 논의된 바와 같이 제4 루멘)을 포함할 수 있으며, 식도 카테터의 제1 루멘은 식도 카테터가 환자의 식도 내에 배치되는 경우 위에 대한 접근을 제공하도록 예를 들어, 근위단으로부터 원위단까지 연장되고, 식도 카테터의 제2 루멘은 예를 들어, 근위단으로부터 연장되고 식도 카테터의 원위단에 가까운 제1 식도 팽창가능 부재 내측에서 종단되며, 식도 카테터의 제3 루멘은 예를 들어, 근위단으로부터 제1 식도 팽창가능 부재의 근처에 위치한 적어도 하나의 포트(port)(예를 들어, 하나 이상의 포트)까지 연장된다. 기관 카테터는 제1 루멘, 제2 루멘 및/또는 제3 루멘 (및 일부 실시형태에서, 하기 논의된 바와 같이 제4 루멘)을 포함할 수 있으며, 기관 카테터의 제1 루멘은 기관 카테터가 환자의 기관 내에 배치되는 경우 폐의 내외로의 공기의 통과를 가능하게 하기 위하여 폐에 대한 접근을 제공하도록 예를 들어, 근위단으로부터 원위단까지 연장되고, 기관 카테터의 제2 루멘은 예를 들어, 근위단으로부터 연장되고 기관 카테터의 원위단에 가까운 제1 기관 팽창가능 부재 내측에서 종단되며, 기관 카테터의 제3 루멘은 예를 들어, 근위단으로부터 제1 기관 팽창가능 부재의 근처에 위치한 적어도 하나의 포트(예를 들어, 하나 이상의 포트)까지 연장된다. 일부 실시형태에서, 하기 논의되는 바와 같이, 기관 및/또는 식도 팽창가능 부재는 유체 및/또는 기체로 팽창될 수 있다. 일부 실시형태에서, 기관 및/또는 식도 팽창가능 부재는 팽창가능 부재 내의 압력 및 팽창가능 부재에 의해 조직에 가해지는 압력 중 적어도 하나를 검출하도록 구성된 적어도 하나의 압력 센서를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 장치는 기관 및 식도 카테터 중 적어도 하나에 결합되고, 팽창가능 부재 내의 압력을 조절하도록 구성된 베이스 유닛(base unit)을 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 베이스 유닛은 역치 압력이 (예를 들어, 팽창가능 부재 내에서 및/또는 주변 조직 때문에) 충족 또는 초과되는 경우 사용자에게 알리도록 구성될 수 있다. 본 발명에서 카테터는 원형 또는 비원형 단면을 포함할 수 있다.
다른 실시형태에서, 상기 장치는 뇌 및 척주 중 적어도 하나를 냉각시키기 위한 장치를 포함하며, 여기서, 장치는 (예를 들어, 비-연무화된) 자유 유동 유체를 환자의 호흡소화관으로 지향시키고, 환자의 호흡소화관으로부터 유체를 제거하고, 표적 뇌에서 신체 심부까지의 온도 기울기(예를 들어, 적어도 3℃, 4℃, 5℃, 6℃, 7℃, 8℃, 9℃, 10℃, 11℃, 12℃, 13℃ 또는 예를 들어, 3℃ 내지 25℃, 4℃ 내지 12℃, 10 내지 12℃ 등) 및 표적 척주에서 신체 심부까지의 온도 기울기(예를 들어, 적어도 3℃, 4℃, 5℃, 6℃, 7℃, 8℃, 9℃, 10℃, 11℃, 12℃, 13℃ 또는 예를 들어, 3℃ 내지 25℃, 4℃ 내지 12℃, 10 내지 12℃ 등) 중 어느 하나에 도달할 때까지 유체를 호흡소화관으로 재순환시키도록 구성된다.
다른 실시형태에서, 뇌의 선택적 및 비-침습적 냉각 방법이 제공된다. 상기 방법은 (예를 들어, 비-연무화된) 자유 유동 유체를 환자의 코인두, 입인두, 하인두 및/또는 식도로 지향시키는 단계로서, 유체가 복수의 카테터를 통하여 환자의 코, 입 및/또는 식도로 도입되는 단계를 포함할 수 있다. 유체는 복수의 카테터 중 하나 이상을 통하여 환자의 코인두, 입인두, 하인두 및 식도 외측으로 지향될 수 있다. 유체는 환자의 코인두, 입인두, 하인두 및 식도 내로 다시 재순환되고 재지향될 수 있다. 냉각 정도, 냉각 기간, 냉각력 및/또는 유입 유체 온도 중 하나 이상은 환자의 뇌의 외측의 환자의 신체로부터의 온도 입력으로부터 수득되는 측정에 기초하여 제어될 수 있다.
다른 실시형태에서, 벤틸레이터(ventilator) 관련 폐렴의 예방 방법이 제공된다. 상기 방법은 (a) 원위단에 기관 팽창가능 커프(cuff)가 있는 기관 카테터를 환자 내에 배치하는 단계, (b) 원위단에 식도 팽창가능 커프가 있는 식도 카테터를 환자 내에 배치하는 단계, (c) 자유 유동 비-연무화된 비-독성 냉 관주액을 호흡소화관 내로 도입하고, 냉 관주액이 호흡소화관을 실질적으로 채우고 호흡소화관의 벽과 직접 접촉되는 단계 및 (d) 기관 팽창가능 커프 및 식도 팽창가능 커프를 팽창시켜(예를 들어, 기체 또는 액체를 사용), 환자에서 액체의 유동을 기관 및 위의 높이보다 높게 제한하여, 뇌의 선택적 표적화된 냉각을 달성하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 개시된 실시형태에서, 장기 저체온은 비-연무화된 생물학적 적합성 냉 관주액의 유동을 대상체의 폐가 아닌 호흡소화관 내로 도입하여, 냉 관주액이 호흡소화관을 실질적으로 채우고, 호흡소화관의 벽과 직접 접촉하게 하여, 액체가 접촉하는 관의 크고 불규칙적인 표면에 걸친 신속하고 효율적인 열 교환을 달성함으로써 유도된다. 냉 관주액은 예를 들어, -30℃ 내지 20℃의 온도로 유지될 수 있다. 액체는 호흡소화관을 통하여, 그리고 호흡소화관의 불규칙적인 노출 표면을 따라 일관된 대량의 매스(mass)로 유동되게 한다. 일부 실시형태에서, 액체의 유동은 또한 외측에서 대상체의 두부(예를 들어, 안면 및/또는 두피)에 대하여 지향되어, 냉각을 추가로 가속화시킨다. 대상체의 두부는 대류 열 전달을 위하여 진탕시켜 유동을 적용한 냉액체 중에 적어도 부분적으로 침지될 수 있다. 다른 예로서, 냉액체의 유동은 두부가 냉액체 중에 침지되지 않은 경우에조차 액체 유동 튜브로부터 대상체의 두부를 향해 지향될 수 있다.
상기 방법의 일 실시형태에서, 멀티-루멘 카테터를 호흡소화관 내에 배치하고, 액체를 카테터를 통해 호흡소화관 내로 유동시킴으로써, 관주액이 호흡소화관 내로 도입된다. 일부 예에서, 오직 기관 및 식도의 높이보다 높게 액체를 도입하도록 카테터가 호흡소화관 내에 배치되어, 뇌에 혈액을 공급하는 혈관과 접촉하고, 뇌에 가까운 구조를 주로 냉각시킴으로써 뇌의 선택적인 표적화된 냉각을 달성한다.
다른 예에서, 액체를 식도 및/또는 위 내로 도입하도록 카테터가 배치되어, 액체가 종격(이를 통하여 정맥 혈액이 심장으로 복귀한다)의 단열 구조와 접촉하게 함으로써 비선택적 장기 냉각을 달성한다. 종격에 의해 제공되는 단열된 해부학적 챔버는 고 유동의 냉각액과 함께, 순환 혈액과의 뛰어난 열 교환을 가능하게 하여, 뇌 특이성이 보다 적은 방식으로 원하는 신속한 냉각 효과를 달성한다. 식도 및 위 내의 카테터의 배치에 더하여, 액체의 유동을 식도의 높이보다 높게 상부 호흡소화관 구조 내로 도입하도록 하나 이상의 카테터가 배치되어, 추가의 또는 최대 냉각을 제공할 수도 있다. 예를 들어, 카테터는 이들의 도입 포트 또는 팁(tip)과 함께 비강, 구강 및/또는 하인두(바람직하게는 3개 모두) 내에 배치된다. 다른 실시형태에서, 카테터는 카테터의 길이를 따라 다수의 지점에서 냉각액을 도입하기 위한 다수의 루멘 및/또는 다수의 포트를 가져, 카테터의 외측에서 유체 유동을 증가시키고, 이는 치료적 저체온의 신속한 보호적 유도에 효율적인 것으로 관찰되었다.
또한, 대상체에는 튜브 상에 커프를 갖는 기관내 튜브를, 커프가 (예를 들어, 기체, 액체 등으로) 팽창될 수 있도록 삽관하여, 관주액의 폐로의 유입(entry)을 저해할 수 있다. 또한, 팽창가능 풍선이 있는 튜브가 식도 내에 배치되고, 풍선이 (예를 들어, 기체, 액체 등으로) 팽창되어, 상기도로부터 하부 식도 및 위 내로의 액체의 유동을 실질적으로 저해할 수 있다. 상기도에서의 냉액체의 유동으로부터 위장관(하부 식도(예를 들어, 대동맥활보다 실질적으로 낮음)를 포함함)을 분리하는 것은 상기도 및 냉액체의 근처에서 열 전달되는 구조(혈관 포함)에 냉각 효과를 지향시키는데 도움이 된다.
원하는 해부학적 구조의 신속하고 효율적인 냉각의 달성 및 유지에 도움을 주기 위하여, 내부로는 호흡소화관 내로, 그리고/또는 외부로는 두부에 대하여, 도입을 위한 사전-냉각된 액체의 충분한 저장소를 제공하는 것이 유용할 수 있다. 선택된 유속으로 충분한 부피의 냉액체를 공급하는 관주액의 외부 저장소가 제공된다. 일부 실시형태에서, 저장소는 또한 두부가 완전히 또는 부분적으로 침지되는 컨테이너(container)이다. 대안적으로, 저장소는 두부가 배치되는 리셉터클(receptacle)을 부분적으로 또는 완전히 둘러싸며, 리셉터클은 냉각액이 관주용 카테터의 외측의 호흡소화관 내에서 순환한 후에, 입 및/또는 코 밖으로 유동하는 냉각액을 수집한다. 다른 실시형태에서, 저장소는 등과도 접촉하는 등 지지대(back support)에 배치되며, 임의로 신체 및 등의 구조, 예를 들어, 척수를 냉각시킨다. 이들 및 다른 실시형태는 저체온 요법이 이송 중에 환자에게 실시될 수 있도록 들것(stretcher)에 부착되거나 이에 부착될 수 있는(또는 이와 나란히 롤링되는) 디바이스로 도입될 수 있다.
호흡소화관 내로 도입된 액체는 대상체의 입 및/또는 코 밖으로 유동하여 외부 저장소로 복귀함으로써 호흡소화관을 이탈할 수 있다. 액체의 복귀는 수동적일 수 있으며, 흡입 튜브(suction tube)에 포함되지 않을 수 있어, 복귀 냉액체가 적어도 상기도의 길이를 따라, 또는 전체 호흡소화관을 따라 유동하여, 상기 관의 불규칙적인 전체 표면과 친밀히 접촉되게 한다. 일부 실시형태에서, 폐 이외의 호흡소화관은 냉각액으로 실질적으로 채워진다. 액체의 수동적 복귀는 제거를 위해 이러한 순환을 통한 유동을 필요로 하는 시스템에서 복귀 루멘이 폐색되면 발생할 수 있는 호흡소화관에 대한 외상적 손상을 피하는데 도움을 줄 수 있다. 대상체의 입과 코의 밖으로 유동하는 액체는 냉각될 저장소로 수동적으로 복귀되거나, 또는 냉각을 위해 저장소의 외부로 순환될 수 있다. 다른 실시형태에서, 외부 저장소는 두부의 적어도 일부가 함유되거나, 이 위에 두부가 배치되어, 액체의 중력-보조 유동에 의해 대상체의 입 및/또는 코의 밖으로 유동하는 액체를 수집하는 컨테이너이다. 그러나, 다른 실시형태에서, 본 출원서에 상세히 기재된 바와 같이, 유체는 (예를 들어, 복수의 카테터 중 적어도 하나를 통한 흡입 디바이스에 의해) 호흡소화관으로부터 능동적으로 제거될 수 있다.
상기 방법의 일부 실시형태에서, 액체 저장소는 경부 지지대이며, 이 위에 대상체의 경부가 배치되며, 경부는 뒤를 향해 젖혀져(신전되어), 대상체의 기도를 보호하는데 도움을 주고, (폐가 아닌) 호흡소화관을 통한 액체의 유동을 촉진시킨다. 경부가 신전된 실시형태에서, 두부는 냉액체의 컨테이너로 다시 젖혀져, 냉액체에 두부를 부분적으로, 실질적으로 또는 완전히 침지시킬 수 있다. 대안적으로, 액체 저장소는 등 및 경부 지지대이며, 이는 (예를 들어, 가능한 척수 손상의 경우에) 척추를 안정화시키는데 도움을 준다. 지지대 그 자체는 중공일 수 있으며, 냉액체의 저장소를 포함하거나, 지지대는 냉수통 위에 부유되는 신체 지지 플랫폼일 수 있다. 예를 들어, 통은 통 위에 부유되는 신체를 수용하기에 충분히 클 수 있으며, 여기서, 얼음 또는 기타 냉 물품이 냉각액의 공급과 함께 배치될 수 있다. 다른 예에서, 저장소는 그 안에 1 내지 50 리터의 냉액체 또는 냉각될 액체를 갖는다. 저장소 내의 냉액체의 부피는 임상 상황에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 보다 적은 부피(1 내지 20ℓ)가 입원환자 환경 밖에서(예를 들어, 구급차에서) 바람직할 수 있으나, 보다 큰 부피(예를 들어, 20, 30 또는 40ℓ 초과)가 입원환자 환경을 위해 사용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 방법은 자유 유동 유체(예를 들어, 비-연무화)를 (예를 들어, 복수의 카테터를 통해) 환자의 호흡소화관으로 지향시키는 단계, 유체를 (예를 들어, 복수의 카테터 중 적어도 하나를 통하여) 환자의 호흡소화관으로부터 제거하는 단계 및 표적 뇌에서 신체 심부까지의 온도 기울기(예를 들어, 적어도 3℃, 4℃, 5℃, 6℃, 7℃, 8℃, 9℃, 10℃, 11℃, 12℃, 13℃ 또는 예를 들어, 3℃ 내지 25℃, 4℃ 내지 12℃, 10 내지 12℃ 등) 및 표적 척주에서 신체 심부까지의 온도 기울기(예를 들어, 적어도 3℃, 4℃, 5℃, 6℃, 7℃, 8℃, 9℃, 10℃, 11℃, 12℃, 13℃ 또는 예를 들어, 3℃ 내지 25℃, 4℃ 내지 12℃, 10 내지 12℃ 등)에 도달할 때까지 유체를 (예를 들어, 복수의 카테터를 통해) 호흡소화관으로 재순환시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 방법은 적어도 1시간, 적어도 4시간, 적어도 12시간, 적어도 24시간 및/또는 1시간 내지 12시간 동안 표적 뇌에서 신체 심부까지의 온도 기울기 및/또는 표적 척주에서 신체 심부까지의 온도 기울기를 실질적으로 동일한 기울기로 유지하도록 구성된다. 다른 실시형태에서, 유체는 다양한 첨가제, 예를 들어, 전해질, 항박테리아제, 프로필렌 글리콜, 점막 보호제(mucosal protectant) 및/또는 유체를 고장성으로 만들기 위한 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 환자의 두부의 외부에 냉각 절차가 지향되지 않는다.
일부 실시형태에서, 방법은 가온 디바이스를 작동시켜, 환자의 적어도 일 부분을 가온시키기는 단계, 자유 유동 유체(예를 들어, 비-연무화)를 (예를 들어, 복수의 카테터를 통하여) 환자의 호흡소화관으로 지향시키는 단계, 유체를 (예를 들어, 복수의 카테터 중 적어도 하나를 통하여) 환자의 호흡소화관으로부터 제거하는 단계 및 유체를 (예를 들어, 복수의 카테터를 통하여) 환자의 호흡소화관으로 재순환시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 가온 디바이스는 예를 들어, 가온 블랭킷(warming blanket), 고온 공기 블랭킷(hot air blanket), 워터 블랭킷(water blanket) 및/또는 가온 벌브(warming bulb)를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 가온 디바이스는 환자의 두부와 접촉하게, 환자의 손바닥과 접촉하게, 환자의 발바닥과 접촉하게, 환자의 정맥 중 적어도 하나에 근접하게 등등으로 배치될 수 있다. 추가로, 가온된 공기가 (예를 들어, 복수의 카테터 중 적어도 하나를 통하여) 환자의 폐를 통과할 수 있다.
일 실시형태에서, 상기 방법은 환자의 뇌로의 혈류를 감소시키는 단계, 자유 유동 유체(예를 들어, 비-연무화)를 (예를 들어, 복수의 카테터를 통하여) 환자의 호흡소화관으로 지향시키는 단계, 유체를 (예를 들어, 복수의 카테터 중 적어도 하나를 통하여) 환자의 호흡소화관으로부터 제거하는 단계 및 유체를 (예를 들어, 복수의 카테터를 통하여) 환자의 호흡소화관으로 재순환시키는 단계를 포함할 수 있다. 환자의 뇌로의 혈류를 감소시키는 단계는 예를 들어, 환자에 진정제를 제공하는 것, 환자의 혈압을 저하시키는 것, 바비튜레이트(barbiturate)를 환자에게 투여하는 것(예를 들어, 티오펜탈(thiopental), 페노바비탈(phenobarbital), 펜토바비탈(pentobarbital), 메토헥시탈(methohexital) 등), 프로포폴(propofol)을 환자에게 투여하는 것, 벤조디아제핀(benzodiazepine)을 환자에게 투여하는 것, 리도카인(lidocaine)을 환자에게 투여하는 것, 에토미데이트(etomidate)를 환자에게 투여하는 것, 카페인을 환자에게 투여하는 것, 알코올을 환자에게 투여하는 것, 마약(narcotic)을 환자에게 투여하는 것, 코카인을 환자에게 투여하는 것, 베타-차단제를 환자에게 투여하는 것(예를 들어, 라베탈롤(labetalol)), 두통-방지(anti-migraine) 약제를 환자에게 투여하는 것(예를 들어, 트립탄(triptan), 에르고타민(ergotamine) 등), 클로니딘(clonidine)을 환자에게 투여하는 것 및/또는 혈관수축제를 환자에게 투여하는 것(예를 들어, 페닐에프린)을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 환자의 뇌로의 혈류를 감소시키는 단계는 환자의 두부의 외부를 가온시키는 것, 환자의 피부를 가온시키는 것, 뇌의 대사를 저하시키는 것, 뇌로부터 먼 신체 심부로 혈액을 이동시키는 것, 경정맥압을 증가시키는 것 및/또는 일시적 과다호흡을 유도하는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 상기 방법은 자유 유동 유체(예를 들어, 비-연무화)를 환자의 호흡소화관으로 지향시키는 단계(예를 들어, 복수의 카테터), 유체를 (예를 들어, 복수의 카테터 중 적어도 하나를 통하여) 환자의 호흡소화관으로부터 제거하는 단계, 환자의 뇌 및 환자의 신체 심부 중 적어도 하나의 온도를 모니터링하는 단계 및 표적 온도에 도달할 때까지 유체를 (예를 들어, 복수의 카테터를 통하여) 호흡소화관으로 재순환시키는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 환자의 뇌의 온도를 모니터링하는 단계는 환자의 뇌 내에 온도 센서를 포함하는 볼트(bolt)를 배치하는 것, 자기 공명 영상화 절차를 환자에게 시행하는 것 및/또는 경부에 정맥내로 온도 센서를 삽입하는 것 및 뇌 가까이에 온도 센서를 배치하는 것을 포함할 수 있다.
이러한 상세한 설명은 또한, 대상체에서 장기 냉각의 유도 방법을 수행하기 위한 다수의 디바이스를 개시한다. 일 예에서, 두부 리셉터클은 냉액체에 적어도 부분적으로 침지되는 대상체의 두부, 및 대상체의 두부가 액체 컨테이너로 뒤로 젖혀지게 대상체의 경부를 지지하기 위한 경부 지지대를 수용하고 유지하기 위해 개조된다. 컨테이너는 리셉터클 외측에 차가운 냉각액의 액체 저장소를 포함하거나, 리셉터클 그 자체가 저장소로 소용될 수 있다. 디바이스는 저장소로부터의 냉액체를 전달하기 위한 유출 포트를 추가로 포함하며, 하나 이상의 유출 라인(예를 들어, 카테터)은 대상체의 호흡소화관 내의 배치를 위하여 유출 포트에 연결된다. 하나 이상의 펌프는 저장소로부터 액체를 빼내어, 카테터(들)를 통해 이를 호흡소화관으로 이동시킬 수 있다. 일부 예에서, 하나 이상의 펌프는 0.1 내지 10ℓ/분의 냉각액을 대상체의 호흡소화관으로 전달할 수 있다.
디바이스의 일 실시형태에서, 액체 저장소는 두부 리셉터클과 적어도 부분적으로 인접해 있는 구획이며, 배수관(drain)은 두부 리셉터클과 액체 저장소 사이에 연통되어, 액체를 두부 리셉터클로부터 액체 저장소로 복귀시킨다. 액체 저장소는 대상체의 등을 지지하기 위한 적어도 부분적으로 중공인 백보드(backboard)일 수 있으며, 냉각액을 함유하는 백보드는 열 전도성이어서, 백보드 내의 냉액체가 보드 상에 배치된 대상체의 등을 냉각시킬 수 있게 한다. 백보드는 상부의 신체-지지 표면, 및 두부 리셉터클 위의 신체를 지지하기 위해 두부 리셉터클 쪽으로 경사가 있는 경사진 경부 젖힘 유도 표면을 포함할 수 있다. 백보드의 상부 표면은 발에 비하여 흉곽을 들어올리기 위하여 위로, 그리고 또한 신전된 경부와 함께 두부를 받치는 아래로 경사진 표면을 제공하기 위하여 아래로 경사질 수 있다. 백보드의 상부 표면은 대상체의 경추의 높이로 배치되는 경부 지지대를 더 포함할 수 있다. 경부 지지대는 높이가 조절될 수 있고/거나 패드를 댈 수 있다.
개시된 방법 및 디바이스의 하나의 이점은 이것이 병원의 외측에서 또는 병원으로 이송 중에, 예를 들어, 이동 중인 구급차 또는 들것에서 사용하기에 적절하다는 것이다. 예를 들어, 바퀴가 있는 들것은 백보드가 배치되는 신체 지지 표면, 등 지지 보드로부터 액체를 위한 저장소로 경사진 경부 지지 보드, 및 경부 지지 보드에 의해 운반되는 두부 지지 부재를 갖는다. 두부 지지 부재의 위치는 경부 지지 부재에 따라 조절가능하여, 저장소에서 원하는 높이(또는 깊이)로 두부를 조절할 수 있다. 일부 실시형태에서, 바퀴가 있는 지지대가 저장소 아래에 제공되어, 저장소가 들것과 함께 실려가게 할 수 있다.
디바이스의 일부 실시형태에서, 두부 리셉터클은 바닥 지지 표면, 후방 벽, 측벽 및 전방 벽을 포함하며, 전방 벽은 후방 및 측벽보다 더 짧아 대상체의 경부를 지지한다. 전방 벽은 높이가 조절가능하여, 상이한 높이에서 대상체의 경부를 지지하고, 환자의 보호를 위해 패드를 댈 수 있다. 두부 리셉터클은 저장소로 소용되는 컨테이너에 의해 둘러싸인다.
시스템은 대상체의 호흡소화관에서의 배치를 위한 카테터 및 리셉터클로부터 호흡소화관으로 액체를 순환시키기 위한 펌프를 더 포함한다.
다른 개시된 실시형태에서, 뇌는 두부의 외부의 직접적인 냉각 및 뇌로 전달되는 혈액의 냉각에 의해 냉각된다. 두부는 외부에서 뇌를 냉각시키는 순환 냉액체의 저장소를 보유하는 컨테이너 내에 배치될 수 있다. 냉액체는 비강, 구강 및/또는 상부 흉부에 배치된 카테터를 통하여 상기도에 주입되어, 뇌 및 뇌간의 아래면을 직접적으로 냉각시키고, 경동맥과 척추동맥을 통과하는 혈액을 냉각시킴으로써 다른 뇌의 영역을 간접적으로 냉각시킬 수 있다. 유체가 상기도를 냉액체로 실질적으로 채우도록 충분한 부피의 냉액체가 상기도로 전달될 수 있으며, 이는 이어서 코와 입으로부터, 컨테이너 내의 두부 주위를 순환하는 냉액체의 저장소로 유동한다.
일부 개시된 실시형태에서, 컨테이너 내에서 두부는 냉액체로 완전히 침지되며, 코와 입을 덮는 액체는 상기도를 액체로 완전히 채우는데 도움이 된다.
뇌의 냉각 방법을 수행하기 위한 일부 디바이스 또는 시스템은 냉액체에 적어도 부분적으로 침지되는 대상체의 두부를 수용하고 유지하기 위한 액체 컨테이너 및 열을 흡수하여 뇌 저체온을 유도하기 위한 냉액체의 공급원을 포함한다. 복수의 액체 전달 카테터는 대상체의 호흡소화관으로의 냉액체의 직접적인 전달을 위하여, 대상체의 호흡소화관으로의 삽입을 위해 냉액체의 공급원에 연결된다. 액체 순환 튜브는 또한 냉액체의 공급원에 연결되며, 컨테이너 내에 배치되어, 냉각된 액체를 컨테이너 내의 대상체의 두부 주위에서 순환시킨다. 펌프는 디바이스에 작동가능하게 연결되어, 액체를 컨테이너로부터 액체 전달 카테터를 통해, 그리고 환자로 이동시킨다. 예를 들어, 시스템은 두개골을 통해 뇌의 외표면을 냉각시키고, 코인두로 전달되는 냉액체를 통하여 뇌 및 뇌간의 아래면을 냉각시키고, 인두 및/또는 식도로 전달되는 액체를 통하여 종격 및 경부의 동맥(예를 들어, 내경동맥, 척추동맥, 대뇌동맥의 근위-아래 부분, 뇌의 아래면의 관통 동맥의 근위 부분 등)으로부터 뇌를 관류시키는 혈액을 냉각시킨다.
냉액체는 예를 들어, -30℃ 내지 20℃의 온도로 유지되어, 신속하게 저체온을 유도하기에 충분한 양 및 충분한 속도로 뇌로부터 열을 전달할 수 있다. 이러한 목적에 적절한 액체는 예를 들어, 염, 단당, 유기 화합물(예를 들어, 프로필렌 글리콜), 항박테리아제, 점막 보호제(예를 들어, 산화방지제, 자유 라디칼 제거제 등) 및/또는 전해질 첨가제(예를 들어, 특히 유체가 대상체에 다시 재순환되지 않는 경우, 유체조로의 칼륨, 칼슘 등의 손실을 방지하기 위함)를 함유하는 퍼플루오로카본, 오일 및/또는 물 혼합물을 포함한다.
냉액체의 공급원은 바람직하게는 상기도(코인두, 입인두, 하인두 및 근위 기관을 포함)를 냉액체로 실질적으로 채우기에 충분한 액체를 제공한다. 다른 실시형태에서, 액체의 공급원은 또한 상위 식도, 전체 식도 및/또는 위를 실질적으로 채우기에 충분하다.
본 발명의 상기 및 기타 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조하여 진행되는 하기의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
상기 디바이스, 시스템 및 방법 중 임의의 것의 임의의 실시형태가 기재된 부재 및/또는 특징 중 임의의 것을 포함하고(comprise)/포함시키며(include)/함유하고(contain)/가지기보다 이들로 이루어지거나 본질적으로 이루어질 수 있다. 따라서, 임의의 특허청구범위에서, 용어 "이루어지는" 또는 "본질적으로 이루어지는"은 제한이 없는 연결 동사(open-ended linking verbs)를 사용할 다른 경우로부터 주어진 특허청구범위의 범주를 변경하기 위해, 전술된 임의의 제한이 없는 연결 동사로 대체될 수 있다.
일 실시형태의 특징 또는 특징들은 본 개시내용 또는 실시형태의 특성에 의해 명시적으로 금지되는 것으로 명시되지 않는 한, 기재되거나 예시되지 않을 지라도, 다른 실시형태에 적용될 수 있다.
도면의 간단한 설명
하기의 도면은 예시로 제한 없이 제시된다. 간결성과 명료성을 위하여, 주어진 구조의 모든 특징부는 그 구조가 나타나는 모든 도면에 항상 표지되지 않는다. 동일한 참조 부호는 본질적으로 동일한 구조를 나타내지 않는다. 오히려, 동일한 참조 부호는 동일하지 않은 참조 부호와 같이, 유사한 특징부 또는 유사 작용성을 갖는 특징부를 나타내기 위해 사용될 수 있다. 도면은 당업자에 의해 이해될 그래프 부호를 사용하여 기재된 부재를 제시한다. 도면에 나타낸 상기 디바이스(및 이들의 부품), 시스템 및 방법의 실시형태는 적어도 나타낸 실시형태에 대하여 축척대로 도시된다.
도 1a는 상부 호흡소화관을 통해 냉각액을 유동시키기 위해 삽입된 비강 및 구강 카테터의 하나의 구성을 도시하는 인간 두부 및 상부 흉곽의 개략적 측단면도이다. 근위 기관 내로 삽입되는 팽창된 커프가 있는 기관내 튜브의 일 실시형태가 도시되어 있다. 또한, 두부에 대하여 외부적으로 액체 유동을 적용하도록 구성된 임의의 외부 카테터가 도시된다.
도 1b는 도 1a와 유사하나, 비강 및 구강 카테터의 다른 구성(예를 들어, 식도로의 유동을 막는 카테터)을 도시하는 인간 두부 및 상부 흉곽의 개략적 측단면도이다.
도 2a는 구강 및 비강 관주관 및 냉각액이 얼굴과 두부를 향하게 하도록 구성된 임의의 외부 관주 튜브의 다른 구성을 보여주는 상부 흉곽 및 두부의 도면이며, 여기서, 관주 튜브는 신체에서 (두부 및 뇌를 더 선택적으로 냉각시키지 않고) 저체온을 유도하기 위하여 냉각액을 식도 및 위에 전달하도록 구성된다.
도 2b는 본 명세서에 개시된 방법, 시스템 및 디바이스에 의해 유도되는 종격막 냉각을 유지하는데 도움을 주는 단열 구획을 형성하는 종격의 구조를 보여준다.
도 3은 액체 점적주입 및 다른 형태의 튜브(예를 들어, 코, 입 및 상부 식도, 및 기관 내의 기관내 튜브에 삽입된 재순환 튜브)를 사용하여 냉액체의 컨테이너에 배치된 반듯이 누운 대상체의 두부의 부분 개략 측면도이다.
도 4는 뇌의 선택적 냉각 동안 호흡소화관을 통하여 냉액체를 순환시킴으로써 냉각될 수 있는 상기도 및 일부 혈관을 보여주는 대상체의 두부, 경부 및 흉부의 개략 측면도이다.
도 5a는 주위에 냉각액 저장소가 있고, 대상체의 두부가 리셉터클 내에 배치되어 있는 두부 리셉터클의 상면도이다. 도 5b는 대상체의 경부의 신전을 보여주는 도 5a의 측면도이다. 도 5c는 냉각액으로 리셉터클을 채운 사용 중인 디바이스를 보여준다. 도 5d는 상이한 정도의 경부 신전에서 대상체의 경부를 지지하기 위하여 조절할 수 있는 높이를 갖는 전방 벽이 있는 대안적 버전의 디바이스를 보여준다. 도 5e는 두부 리셉터클이 냉각액으로 적어도 부분적으로 채워진 도 5d의 디바이스를 보여준다. 도 5f는 메시 네트(mesh net)가 냉각액의 저장소 위에서 두부를 지지하는 리셉터클을 형성하고, 투과가능한 배리어(barrier)를 형성하여, 이를 통하여 액체가 리셉터클로부터 저장소로 복귀되는 두부 리셉터클의 다른 실시형태이다.
도 6a는 등 지지대 및 두부 리셉터클을 단면으로 보여주는 측면도이며, 여기서, 등 지지대는 냉각액의 저장소로 소용된다. 도 6b는 도 6a와 유사하나 허리 위의 상부 흉곽을 올리기 위해 위로 경사진 표면을 갖는 등 지지대를 보여주는 도면이다.
도 7은 통 내의 물을 냉각시키기 위하여 편평한 신체 지지 플랫폼이 안에 얼음이 떠있는 큰 냉각수 통 내에, 그 상에 또는 약간 위에 고정된 디바이스의 다른 실시형태의 도면이다.
도 8은 두부 리셉터클이 냉각액 저장소로서도 소용되며, 두부 리셉터클이 들것과 함께 이동하는 들것 위에 수송되는 환자의 측면도이다.
도 9a는 동시의 뇌 냉각 및 신체 가온을 제공할 수 있는 시스템에 대한 뇌 및 신체 심부의 온도에 영향을 미치는 열 유동을 보여주는 블록 다이어그램의 일 예이다.
도 9b는 뇌 및 신체 심부의 온도에 영향을 미치는 열 유동의 블록 다이어그램의 다른 예이다.
도 10a는 환자 냉각을 달성하기 위하여 사용되는 유체 시스템을 보여주는 블록 다이어그램의 일 예이다. 도 10b는 냉각 시스템의 블륵 다이어그램의 다른 예이다. 도 10c는 냉각 시스템의 블록 다이어그램의 또 다른 예이다.
도 11은 "긴 컬럼" 냉각 전략 및 생성된 유체 유동장(flow field)의 하나의 구성을 예시한다. 긴 컬럼 냉각 방법은 예를 들어, 보다 신속하고/거나 보다 강한 냉각을 가능하게 할 수 있다. 다른 예로서, 긴 컬럼 냉각 방법은 다른 방법보다 뇌 온도와 신체 온도 사이의 보다 큰 정상 상태 기울기를 가능하게 하고 이를 유지할 수 있다. 일부 실시형태에서, 컬럼의 물리적 길이는 하기에 상세하게 논의된 바와 같이, 절차 동안 투여되는 약제, 마취제 및/또는 작용제의 제공된 요법에 따라, 연장되거나 단축될 수 있다(예를 들어, 집중적인 마취 요법이 사용되는 경우, 컬럼의 물리적 길이가 단축될 수 있다).
도 12는 다른 것들 중에, 환자 온도 및 관주 유량을 조절하기 위해 사용되는 제어 시스템의 블록 다이어그램의 일 예이다. 파선은 정보 또는 전기 신호를 통한 상호작용을 나타내는 한편, 실선은 열 및 유체 상호작용을 나타낸다.
도 13은 통합된 가온 디바이스가 사용되는 경우의 환자 온도 제어 시스템의 블록 다이어그램의 다른 예이다. 파선은 정보 또는 전기 신호를 통한 상호작용을 나타내는 한편, 실선은 열 및 유체 상호작용을 나타낸다.
도 14는 다른 환자 온도 제어 시스템의 블록 다이어그램의 또 다른 예이다.
도 15는 냉각 시스템의 일 실시형태를 보여주는 블록 다이어그램의 일 예이다.
도 16은 열교환기(예를 들어, 일회용)와 열 연통하는 냉각 유닛을 보여주는 블록 다이어그램의 일 예이다.
도 17은 디바이스와 피부 사이의 경계면에서의 온도에 기초하여 표면 가온 디바이스를 제어하기 위하여 설계된 단순한 피드백 제어 루프를 보여주는 블록 다이어그램의 일 예이다.
도 18a 내지 도 18c는 기재된 냉각 및 온도 조절 시스템과 함께 사용하기 위한 다기능 식도 카테터의 일 실시형태의 대표적인 스케치 및 도 18a의 선 A-A를 따라 취한 예시적인 단면도이다.
도 19a 내지 도 19d는 특정 실시형태의 기재된 냉각 및 온도 조절 시스템에서 사용되는 "이중 단면" 풍선 식도 카테터의 일 실시형태의 대표적인 스케치 및 도 19a의 선 A-A를 따라 취한 예시적인 단면도이다.
도 20a 내지 도 20c는 기재된 냉각 및 온도 조절 시스템과 함께 사용하기 위한 멀티-루멘 기관 카테터의 일 실시형태의 대표적인 스케치 및 도 20a의 선 A-A를 따라 취한 예시적인 단면도이다.
도 21a 내지 도 21d는 기재된 냉각 및 온도 조절 시스템의 특정 실시형태에서 사용되는 "이중 단면" 풍선 기관 카테터의 일 실시형태의 대표적인 스케치 및 도 21a의 선 A-A를 따라 취한 예시적인 단면도이다.
도 22a 및 도 22b는 다기능 기관 튜브를 사용한 플러싱(flushing) 개념의 일 예 및 도 22a의 선 A-A를 따라 취한 예시적인 단면도를 보여준다.
도 23a는 재순환 칠러(chiller)가 있는 일회용 유체 경로 시스템의 일 실시형태를 도시한 것이다.
도 23b는 도 23a의 시스템의 실시형태의 전기 개략도를 도시한 것이다.
도 23c 및 도 23d는 도 23a의 시스템을 사용하는, 시간에 따른 온도 측정의 다양한 그래프 표면을 도시한 것이다.
도 24a는 2가지 재순환 칠러 및 유량계를 포함하는, 본 발명의 시스템의 다른 실시형태를 도시한 것이다.
도 24b는 도 24a의 시스템을 사용하는, 시간에 따른 온도 측정의 그래프 표현을 도시한 것이다.
도 25a 및 도 25b는 개별 유체 복귀 및 유체 공급 저장소가 있는 본 발명의 시스템의 다른 실시형태를 도시한 것이다.
예시적인 실시형태의 기술
하기의 설명은 성질이 예시적이며, 어떤 식으로든 본 발명의 범주, 적용가능성 또는 구성을 제한하고자 하지 않는다. 본 발명의 범주로부터 벗어남 없이 본 명세서에 기재된 부재의 기능 및 배치에서 기재된 실시형태에 대한 다양한 변이가 이루어질 수 있다.
개시된 방법들의 예시적인 실시형태의 작동이 편리한 제시를 위해 특정 연속된 순서로 설명될 수 있을 지라도, 개시된 실시형태가 개시된 특정 순차적인 순서 이외의 작동의 순서를 포함할 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 기재된 작동은 순차적으로 일부 경우에, 재배열되거나 동시에 수행될 수 있다. 추가로, 특정 일 실시형태 또는 실시예와 관련되어 제공되는 기재 및 개시내용이 그 실시형태 또는 실시예에 제한되지 않으며, 전체 또는 일부가 본 명세서에 개시된 임의의 실시형태 또는 실시예에 적용될 수 있다.
이러한 출원서 및 특허청구범위에 사용되는 바와 같이, 용어 부정관사("a", "an") 및 정관사("the")는 문맥에서 명백하게 다르게 언급되지 않는 한, 이들이 언급하는 부재(들)의 단수 및 복수의 형태 둘 모두를 포함한다.
"호흡소화관"이라는 용어는 전체적으로, 상기도 및 소화관의 상부의 조직 및 장기를 이루는 장기의 복합체를 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같은 호흡소화관은 입술 및 입, 혀, 코, 인후, 성대, 식도, 위 및/또는 기관을 포함할 수 있다. 호흡소화관은 폐를 포함하지 않는다. "액체를 호흡소화관으로 도입하는"이라는 어구는 액체를 호흡소화관의 임의의 부분, 예를 들어, 비강, 상기도(비강 및 구강 및 인두), 비강 및 상기도 및 식도, 또는 비강 및 상기도 및 식도 및 위 또는 이들의 임의의 조합 또는 하위-조합으로 도입하는 것을 포함한다.
용어 "결합된"은 연결되는 것으로 정의되지만, 본질적으로 직접적이 아니며, 본질적으로 기계적이 아니다(예를 들어, 전기적, 전자기적, 물리적, 화학적 등). 2가지 물품은 이들이 서로 결합될 수 있다면, "결합가능하다". 문맥에서 명백하게 다르게 요구하지 않는 한, 결합가능한 물품은 또한 분리가능하며, 그 역도 그러하다. 제1 구조가 제2 구조에 결합가능한 하나의 비제한적인 방식은 제1 구조가 제2 구조에 결합되도록 구성되는 것이다.
"실질적으로"라는 용어는 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 대체로, 그러나, 본질적으로 완전히는 아니게, 특정된 것(및 특정된 것을 포함하는 것; 예를 들어, 실질적으로 90도는 90도를 포함하며, 실질적으로 평행은 평행을 포함함)으로 정의된다. 임의의 개시된 실시형태에서, 용어 "실질적으로", "대략" 및 "약"은 특정된 것의 "[백분율] 내"로 대체될 수 있으며, 여기서, 백분율은 0.1, 1, 5 및 10%를 포함한다.
용어 "포함하다"(및 "포함한다" 및 "포함하는"과 같은 포함하다의 임의의 형태), "갖는다"(및 "가진다" 및 "갖는"과 같은 갖는다의 임의의 형태), "포함시키다"(및 "포함시킨다" 및 "포함시키는"과 같은 포함시키다의 임의의 형태) 및 "함유하다"(및 "함유한다" 및 "함유하는"과 같은 함유하다의 임의의 형태)는 비제한적 연결 동사이다. 결과적으로, 하나 이상의 부재 또는 특징부를 "포함하는", "갖는", "포함시키는" 또는 "함유하는" 디바이스 또는 시스템은 하나 이상의 부재 또는 특징부를 가지나, 그들 부재 또는 특징부만을 갖는 것에 제한되지 않는다. 이와 같이, 하나 이상의 단계를 "포함하는", "갖는", "포함시키는" 또는 "함유하는" 방법은 하나 이상의 단계를 가지나, 그들 하나 이상의 단계만을 갖는 것에 제한되지 않는다.
"제1" 및 "제2"와 같은 용어는 오직 구조 또는 특징부를 차별화시키기 위해서만 사용되며, 상이한 구조 또는 특징부를 특정 순서 또는 양으로 제한하기 위해 사용되지 않는다.
경부의 "신전"은 경부를 굽혀, 두부를 뒤쪽으로 이동시키는 것을 말한다.
"인두"는 입과 비강에 대하여 바로 뒤에 위치하나, 식도, 후두 및 기관 위에 위치한 경부 및 인후의 부분을 지칭한다. 이는 해부학적으로 코인두(비강 뒤), 입인두(구강 뒤), 및 하인두 또는 후두인두(입인두와 식도 사이)로 나뉜다.
"저체온"은 신체 또는 장기 온도가 정상 신체 온도 미만인 조건을 지칭한다. "치료적 저체온"은 대상체에서 의료적 이익을 시도하기 위해 유도되는 저체온을 지칭한다. "선택적 저체온"의 유도는 절대적 선택성을 필요로 하지 않으며; 표적 장기 또는 영역의 냉각의 상대적 선택성이 발생할 수 있다. 그러므로, "선택적 저체온"의 유도는 비표적 장기에서보다 더 큰 정도 또는 실질적으로 더 큰 정도로의 표적 장기(들)에서의 저체온의 유도를 지칭한다. 예를 들어, 장기를 관류시키는 혈관을 선택적으로 냉각시킬 뿐 아니라 그 장기와 인접한 해부학적 구조를 선택적으로 냉각시킴으로써 선택적 저체온이 대상체의 뇌 또는 두부에서 유도될 수 있다. 선택적 저체온은 전적으로 선택적이지 않아도 되며, 다른 장기(또는 전신)의 일부 냉각이 발생할 수 있다. 특정 예에서, 선택적 저체온은 표적 장기(예를 들어, 뇌)의 온도를 전신 심부 온도의 감소보다 적어도 10%, 25%, 50% 또는 75% 이상 감소시킬 수 있다. "비선택적 저체온"을 유도하는 것은 임의의 특정 장기(예를 들어, 뇌)에 특이적으로 표적화되지 않은 신체의 전반적인 냉각을 말한다. 그러나, "비선택적" 냉각일지라도, 특정 장기의 일부 우선적인 냉각이 발생할 수 있다.
"비연무화된" 액체는 미세한 스프레이가 되게 하거나 분무되지 않은 것이다. 따라서, 비연무화된 액체는 불연속 액적 대신에 연속 액체 스트림으로 생겨난다. 연속 또는 일관된 액체 유동은 보다 큰 유량(동시에 보다 큰 냉각 속도)을 제공하며, 비연무화된, 그러나 아마도 간헐적인 냉각액의 호흡소화관으로의 도입을 사용함으로써 달성될 수 있다.
액체의 "난류"는 정확히 층류가 아닌 교반된 유동이다. 난류는 액체 장벽의 파괴에 도움을 주며, 층류에 비하여 열 전달을 증가시킨다.
"강제 유동"은 임의의 비정체 유동, 예를 들어, 압력 수두, 펌프 또는 잔류 역학 에너지에 의해 구동되는 액체의 이동을 말한다. 유동은 층류 또는 난류 중 어느 하나일 수 있다.
"상부 호흡소화관"은 식도 위의 호흡소화관의 부분을 말한다. "상기도"는 기관 위의 공기 통로를 말하며, 이는 비강 및 구강뿐 아니라 인두를 포함한다.
"카테터를 도입하는 것"의 언급은 하나 이상의 카테터를 도입하는 것을 말하는 것으로 이해된다. 예를 들어, 카테터를 비강으로 도입하는 것은 카테터를 각각의 콧구멍에 도입하여, 비강 내에 2개의 카테터가 존재하게 하는 것을 말할 수 있다. 다른 예로서, 카테터를 비강으로 도입하는 것은 카테터를 2개의 콧구멍 중 하나에 도입하여, 비강 내에 1개의 카테터가 존재하게 하는 것을 말할 수 있다. 카테터는 기기, 측정 디바이스의 통과, 액체 유동 및/또는 기체 유동을 가능하게 하는 다수의 루멘을 가질 수 있다.
"카테터"는 체강, 도관 또는 혈관으로 삽입되어, 유체 및/또는 기체의 통과를 가능하게 하도록 구성된 중공 튜브를 지칭한다. 카테터는 기기, 측정 디바이스의 통과, 액체 유동 및/또는 기체 유동을 가능하게 하는 다수의 루멘을 가질 수 있지만, 이를 갖는 것이 필요하지는 않다. 본 출원서에서 용어 카테터의 임의의 사용은 단일- 및 멀티-루멘 카테터 둘 모두를 포함하도록 충분히 넓은 것으로 해석되어야 한다.
"튜브"는 일반적으로 중공 원통, 특히 통로로서 유체를 운반하는 것을 지칭한다. 튜브는 카테터와 유사하게 다수의 루멘을 가질 수 있으나, 이를 갖는 것이 필요하지는 않다. "라인"은 일반적으로 "튜브"와 같이 원통형일 수 있으나, 반드시 그렇지 않은 "튜브"이다.
"루멘"은 카테터, 튜브 또는 기타 이러한 부재의 내부 개방 공간을 말한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "온도 조절 키트"는 베이스 유닛, 인터페이스 키트 및 본 명세서에 기재된 방식으로 환자의 온도를 제어하도록 기능할 수 있는 임의의 관련 소프트웨어를 포함하는 시스템을 말한다.
"사용자" 또는 "간병인(care provider)"은 환자를 돌보는 이들 또는 본 명세서에 개시된 디바이스, 시스템 및/또는 방법을 설정하거나, 작동하거나 또는 다르게는 사용하는 이들을 말한다.
"재사용할 수 있는 베이스 유닛"은 1명 초과의 환자에서 사용되는 것으로 의도된 시스템의 일부를 말한다.
"인터페이스 키트"는 오직 1회 사용되도록 의도된 시스템의 일부를 말한다(예를 들어, 이것이 환자의 신체 또는 체액과 접촉하게 되기 때문에).
"제어 유닛" 또는 "제어 시스템"은 예를 들어, 원하는 출력을 유지하고, 환자로부터 측정된 데이터를 수신 및 처리하기 위해 사용되고, 이를 사용자의 명령어와 비교하고, 목적 온도(들) 및/또는 압력(들)에 도달하고 이를 유지하기 위해 필요한 대로 동력 및/또는 유량을 조절하기 위해 사용되는 기계적, 광학적 또는 전자 시스템을 말한다. 일 예로서, 제어 유닛 또는 제어 시스템은 베이스 유닛의 일부일 수 있으며, 기재된 절차 중 일부 또는 전부를 수행하는데 책임이 있는 소프트웨어를 포함할 수 있다.
용어 "재사용가능한 냉각 시스템"은 일회용 열교환기로, 그리고 일회용 열 교환기로부터 에너지가 이동되게 하는 부품(예를 들어, 베이스 유닛의 일부)을 지칭한다. 재사용가능한 냉각 시스템은 예를 들어, 차가운 냉각 표면을 생성하기 위한 열전기 디바이스 및 관련 전자 냉장 시스템 및/또는 기타 열 펌프 또는 기타 수단(예를 들어, 흡열성 화학 반응)을 포함할 수 있다.
"냉각 표면"은 일회용 열교환기와 열 접촉되는 냉각 시스템의 일부를 지칭한다.
"연속적" 또는 "일관된"으로 기재되는 액체 유동은 벌크 액체에 전형적인 90% 이상의 밀도를 갖는 것에 의해 연무화된 유동과 구별된다. 그러나, 유동은 약 10초 초과의 시간척도에 대해 간헐적일 수 있다.
일반적으로, 온도 조절의 신경보호 이익은 뇌를 냉각시키는 것으로부터 발생하며, 특히, 관찰되는 합병증은 신체 심부를 냉각시키는 것으로부터 발생하는 것으로 여겨진다. 따라서, 뇌 선택적 디바이스는 일반적으로 전신 디바이스에 비해 바람직하다. 전신 비침습적 디바이스는 때때로 전체 환자를 냉각시키기 위해 사용되고, 이는 결국 뇌의 냉각을 야기한다. 그러나, 일반적으로 신체를 냉각시키는 것이 뇌 조직의 냉각의 신경보호 이익에 불리하게 작용하는 합병증, 예를 들어, 폐렴, 오한, 저 심장박출량 및 심장부정맥을 생성할 수 있는 것으로 인식된다. 또한, 전신 냉각은 신체의 열 물질, 고유 대사 열 생성뿐 아니라, 방어 메카니즘(예를 들어, 혈관 수축 및 오한)이 다루어져야 하기 때문에, 전형적으로 매우 느리다. 전신 냉각의 냉각 속도는 종종 치료법의 유효성을 손상시키기에 충분히 느릴 수 있다.
뇌, 척수, 더욱 일반적으로 대상체의 신체를 임상적으로 유리한 온도로 냉각시켜, 잠재적으로 조직-손상 사건, 예를 들어, 저산소증(심장정지 또는 호흡부전 후에 발생할 수 있는 바와 같음), 신경혈관 사건(예를 들어, 뇌졸중), 직접 외상(예를 들어, 폐쇄성 두부 손상 또는 척수좌상) 또는 주산기 발작(perinatal insult)(예를 들어, 이상 출산(difficult delivery)) 후에 조직 기능(예를 들어, 뇌 기능)을 유지하는데 도움을 주기 위한 치료 디바이스, 시스템 및 방법이 본 명세서에 개시된다. 그러나, 외상 또는 기타 의료 사건으로부터의 조직 손상 또는 염증 손상 위험이 있는 임의의 사람을 위해 치료가 사용될 수 있다. 의료 센터에 도착하기 전에 치료 방법이 개시될 수 있으나, 이는 또한 병원-내 사용에 적절하다.
치료 방법은 임상적으로 필요한 대로 수시간 또는 수일 동안 계속될 수 있으며, 다른 뇌 또는 신체 냉각 방법과 함께 사용될 수 있다. 또한, 치료 방법은 동시 요법, 예를 들어, 혈전용해 또는 혈전제거술(뇌졸중의 치료용) 및 심폐우회술(심장정지의 치료용)로의 브리지(bridge)로 사용될 수 있다. 심장정지의 사건에서, 뇌 냉각은 자발적 순환이 다시 확립되기 전에 또는 그 후에, 그리고 의료 센터에서의 제시 전에 자발적 순환이 다시 확립될 수 없는 경우조차도 개시될 수 있다.
신규 방법의 일부 실시형태에서, 뇌는 (개별적으로, 또는 조합하여) 2개의 작용 메카니즘에 의해 냉각되나 이에 의해 냉각될 필요는 없다: 직접 두부 냉각 및 뇌로 전달되는 혈액의 냉각. 두부를 냉액체가 순환하는 컨테이너 내에 완전히 또는 부분적으로 침지시킴으로써 두부가 외부에서 직접 냉각될 수 있다. 다른 예로서, 외부에서 두부에 대하여 완전-혼합된 냉액체의 유동을 두부에 대하여 가함으로써 두부가 냉각될 수 있다. 뇌 및 뇌간의 하면의 직접적 냉각은 냉액체를 상기도에 배치된 카테터를 사용하여 상부 호흡소화관으로(예를 들어, 비강, 코인두, 구강, 입인두 및/또는 하인두로) 주입함으로써 달성될 수 있다. 비연무화 냉액체를 사용한 간헐적 또는 연속 관주에 의하여, 코인두강, 상기도 또는 호흡소화관의 효율적이고 신속한 내부 냉각이 발생한다.
상부 호흡소화관 및/또는 두피를 냉각시키는 것은 뇌로 전달되는 혈액이 경부와 두부의 동맥을 통해 유동함에 따라, 냉각되어야 하는 뇌에 혈액이 전달되게 한다. 입을 통해 삽입되고, 팁이 식도, 예를 들어, 중부-식도 내에(또는 그 가까이에) 위치하는 카테터를 통하여 냉액체를 식도로 전달함으로써 임의의 추가의 냉각이 달성된다. 대안적으로, (단일의 또는 다수의 카테터로부터) 다수의 유출 포트가 심지어 더 많은 냉액체를 식도에 전달할 수 있다. 식도 카테터(들) 내의 유출 포트는 냉액체를 근위부 및/또는 중부 및/또는 원위부 식도 및/또는 위로 전달할 수 있다.
일부 실시형태에서, 식도 및 상기도/호흡소화관으로부터 순화하는 냉액체는 입을 빠져나오고, 두피를 둘러싼 액체와 혼합되며, 여기서, 이는 컨테이너로부터 회수되며, 임의로 냉각되고, 임의로 예를 들어, 액체 전달 카테터(예를 들어, 코, 입 및 식도 내의 카테터)를 통하여 컨테이너로 복귀된다. 냉각된 액체는 두부 리셉터클 외부의 저장소에서 냉각되고/거나 저장될 수 있다. 하기에 보다 상세히 기재된 또 다른 예시된 실시형태에서, 얼음 또는 기타 냉 물품을 액체에 첨가함으로써 액체를 리셉터클로부터 회수하지 않고 두부 리셉터클에서 액체가 냉각될 수 있다(예를 들어, 리셉터클이 저장소이다). 냉액체가 입과 코 밖으로 수동적으로 유동하는 또 다른 실시형태에서, 냉액체는 중력의 작용에 의해, 예를 들어, 두부를 지지하는 액체 투과가능한 망을 통한 통과 또는 저장소로 이어지는 리셉터클에서의 배수관에 의해 냉각 저장소로 복귀될 수 있다.
일부 실시형태에서, 본 발명의 시스템, 방법 및 디바이스가 외부 냉각 저장소, 박스 및/또는 대상체의 두부를 적어도 부분적으로 둘러싸는 리셉터클과 함께 사용되는 것이 유리할 수 있지만, 이것이 필요하지는 않다. 다른 실시형태에서, (예를 들어, 대상체의 두부에 대한 보다 큰 접근을 제공하기 위해) 저장소, 박스 및/또는 대상체의 두부를 적어도 부분적으로 둘러싸는 리셉터클 없이, 시스템, 방법 및 디바이스를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 유사하게, 일부 실시형태에서, 냉각액이 절차 동안 호흡소화관 내에서 순환하게 하여, 상기 기재된 바와 같이 대상체의 코 및/또는 입으로부터 수동적으로 유출되게 하는 것이 유리할 수 있지만, 이것이 필요하지는 않다. 하기에 상세히 기재된 다른 실시형태에서, (예를 들어, 카테터가 대상체의 호흡소화관에 배치되는 동안 본 발명의 카테터 중 적어도 하나에 결합된 부압 디바이스(예를 들어, 흡인 디바이스)를 사용하여) 호흡소화관으로부터 유체를 능동적으로 제거하는 것이 유리할 수 있다.
냉각을 위해 사용되는 액체의 초기 온도는 다양한 온도 범위를 포함할 수 있다. 예를 들어, 액체의 초기 온도는 -30℃ 내지 30℃(예를 들어, -30℃ 내지 10℃, -20℃ 내지 10℃ 등)의 범위일 수 있다. 최적의 온도는 다양한 인자, 예를 들어, 신체 크기, 절차 유형, 원하는 뇌/신체 심부 온도 기울기 등에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 냉각을 위해 사용되는 액체는 30℃ 미만, 10℃ 미만, -10℃ 미만 등의 온도(예를 들어, 실질적으로 고정된 온도)(예를 들어, 약 -17℃의 온도)로 유지될 수 있다. 액체는 "단일 유체 통과" 구성에서 원하는 온도에서 열교환기와의 평형화에 의해 또는 리셉터클/저장소와 개별 열교환기 냉각 유닛 사이에 이를 순환시켜, 필요에 따라 추가의 냉액체를 첨가하여, 또는 냉 물체를 액체의 저장소에 첨가함으로써, 임의의 실질적으로 고정된 온도(예를 들어, ±2℃ 범위 내)로 유지될 수 있다. 대안적으로, 얼음(드라이 아이스 포함) 또는 원하는 온도에서 다른 냉 물체를 액체에 첨가함으로써 온도가 유지된다.
두피가 냉각액에 노출되는 실시형태에서, 두피의 표면 위의 액체의 강제 유동은 예를 들어, 냉각시킬 액체를 일정하게 빼내고, 가압 하에 냉각된 액체를 (예를 들어, 두부에 지향된 튜브를 통해) 두부 리셉터클에 재도입시킴으로써 달성된다. 그러나, 두부 리셉터클 내의 다른 액체 진탕 수단도 또한 사용될 수 있다. 내부 및/또는 외부 신체 표면 위의 강제 유동은 고정 냉액체의 경계층의 깊이를 줄임으로써 열 전달을 향상시킨다. 모발이 효율적인 신속한 열 교환을 방해하는 단열 효과를 갖는다면, 모발을 제거할 수 있다.
냉각 방법의 한 구성은 도 1a에 예시되어 있으며, 이는 대상체(14)의 신체의 도처의 전반적인 저체온의 유도와 반대로, 대상체(14)의 두부(12) 내의 뇌(10)를 실질적으로 선택적으로 냉각시키는 구조로 냉각액의 유동을 전달하는 관주 카테터의 배치를 개략적으로 보여준다. 단면도는 (전방으로부터 후방으로 이동하여) 비강(18)(오직 하나만 도시) 및 코인두(20)가 있는 코(16)를 보여준다. 비강(18)의 저벽(bottom wall)은 전방 경구개(22) 및 후방 연구개(24)로 나뉘는 구개에 의해 형성된다. 입(26)은 후방 입인두(30)로 이어지는 구강(28)에 대한 입구를 형성한다. 전방에서 후두개(34)에 의해 경계가 지어지고, 아래로는 전방에 위치한 기관(36) 및 후방에 위치한 식도(38)로 이어지는 하인두(32)는 입인두(30)의 아래에 있다.
나타낸 실시형태에서, 표적화된 뇌의 냉각은 예를 들어, 상기도(예를 들어, 기관과 식도의 높이 위이며, 비강 및 구강(18 및 28), 코인두(20), 입인두(30) 및 하인두(32)를 포함함)를 통해 순환하는 액체의 연속적 또는 일관적 유동을 도입함으로써 달성될 수 있다. 도 1a는 비강 카테터(40)를 비강에 도입하고, 구강 카테터(42)를 대상체(14)의 구강에 도입함으로써 이러한 연속적 유동을 제공하는 방법의 일 예를 제공한다. 제1 및 제2 비강 카테터(40)(오직 1개만 도 1a에 도시되어 있음)가 코(16)의 각 콧구멍에 삽입되고, 원위 개방 전달 팁(44)이 경구개(22) 위의 비강에 위치할 때까지 전진된다(그렇지만, 이는 대안적으로 경구개(22), 연구개(24) 또는 코인두(20) 위에 위치할 수 있다). 구강 카테터(42)는 구강(24) 내에 유사하게 삽입되며, 개방 전달 팁(46)은 예를 들어, 연구개(24)를 약간 지나서, 그 아래를 향해 전진되고 위치하며, 개방 전달 팁(46)은 입인두(32) 내에(또는 근처에) 위치한다. 그러나, 다른 실시형태에서, 구강 카테터(42)는 연구개(24) 전에(예를 들어, 개방 전달 팁(46)이 입인두(32)를 향해 지향되도록) 위치할 수 있다. 상기도 및 호흡소화관으로부터 폐를 분리하는 것을 돕기 위하여, 입(26) 및 하인두(32)를 통해 기관(36)으로 삽입된 기관내 튜브(48)가 도시되어 있다. 임의의 팽창식 말초 커프(50)가 기관(36)의 루멘을 폐쇄하는 이의 확대된 조건으로 도시되어 있다.
식도인지, 기관인지 또는 다른 것인지 상관없이, 팽창식 커프(또는 풍선)는 기체(예를 들어, 공기) 및/또는 액체(예를 들어, 물)로 팽창될 수 있다. 일부 실시형태에서, 기체 및/또는 액체는 팽창식 커프가 접촉하고 있는 조직의 냉각(예를 들어, 그리고 부차적 효과로, 뇌로 유동하는 혈액의 냉각)을 보조하기 위해 원하는 온도로 냉각될 수 있다. 다른 실시형태에서, 기체 및/또는 액체는 예를 들어, 주위 조직과의 접촉/인터페이스 연결을 개선시키기 위하여, (예를 들어, 관주 유체에 관하여) 원하는 온도로 가온될 수 있다. 커프를 유체로 팽창시키는 것은 대상체의 상기도에서 커프를 냉각 유체로 사전-평형화시키는 것의 추가의 이익(예를 들어, 커프의 수축을 방지하고/거나 배제시키는 것)을 가질 수 있다.
팽창가능 커프는 충분한 팽창력에 반응하여 확대되도록 구성된 임의의 생체적합성 물질을 포함할 수 있다. 이러한 물질은 추가로 커프가 호흡소화관과 협동함으로써 호흡소화관의 일부(예를 들어, 기관/식도 조직)로부터 충분한 안으로 작용하는 힘의 인가에 반응하여, 실질적으로 유체 기밀을 형성하도록(예를 들어, 카테터를 통해 입 및/또는 코로 들어오는 물이 커프를 지나 이동하는 것으로부터 실질적으로 방지되도록) 구성될 수 있다. 팽창가능 커프를 생성하기 위해 사용되는 물질의 두께는 다수의 인자, 예를 들어, 커프를 확대시킬 원하는 힘, 호흡소화 조직과 접촉하는 커프의 가단성, 커프의 원하는 강도, 주어진 절차, 호흡소화관 내의 커프의 원하는 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
추가로, 팽창가능 커프는 제1 풍선의 내측의 제1 개구부 및 제1 풍선의 외표면 및 제2 풍선의 내표면에 의해 형성된 제2 개구부를 갖는 이중 풍선 구조를 포함할 수 있다. 이중 풍선 구조의 제1 및 제2 개구부는 동일하거나 상이한 물질로 채워질 수 있다.
팽창가능 커프는 또한 커프에 관한 정보(예를 들어, 압력, 온도, 부피 등) 및/또는 커프가 접촉하는 조직에 관한 정보(예를 들어, 온도)를 측정하도록 구성된 다양한 측정 디바이스(하기에 상세하게 논의됨)를 포함할 수 있다.
예시된 카테터(40, 42, 48)는 단일 또는 멀티 루멘 카테터일 수 있다. 카테터(40 및 42)의 보어(bore)는 카테터를 통해, 그리고 각각 개방 팁(44 및 46) 밖으로 냉각액의 연속적 또는 일관적 컬럼의 유동을 가능하게 하여, 상기도를 실질적으로 채우는 액체의 일관된 유동을 확립하기에 충분한 크기의 것이다. 냉각액의 강제 유동을 두부(12)의 전방부에, 예를 들어, 두부의 전두엽-두정엽에(예를 들어, 두부의 이마 또는 측부에) 향하게 하도록 위치된 하나 이상의 임의의 전두엽-측두엽-두정엽 카테터(52)는 도 1a에 개략적으로 나타나 있다. 또한 냉각액의 강제 유동을 두부(12)의 후방부에, 예를 들어, 두부(12)의 후두부에 향하게 하도록 하나 이상의 임의의 후방 카테터(54)가 위치될 수 있다. 카테터(52)는 두부의 표면의 1 내지 5㎝ 내에 지향되는 개방 팁(56)을 가지며, 카테터(54)는 두부 표면의 1 내지 5㎝ 내에 유사하게 위치한 개방 팁(58)을 갖는다.
도 1a의 개략적인 예시에 나타내지 않았지만, 각각의 카테터는 카테터를 통한 도입을 위하여 액체의 공급원으로의 작동적 연결을 위해 개조된다. 카테터(40, 42, 52, 54)는 뇌를 표적화된 온도(예를 들어, 33℃ 이하)로 낮추는데 적당한 온도의 냉각액의 충분한 공급으로의 연결을 위해 또는 설정 기간 내의 온도의 표적화된 변화(예를 들어, 30분 이하 내에 5℃)에 의해 개조된다. 기관내 튜브(48)는 폐(미도시)의 기계적 환기를 위해 가압 하에 도입될 수 있는 벤틸레이터 또는 다른 호흡할 수 있는 기체의 공급원으로의 작동적 연결을 위해 개조된다. 액체를 카테터로부터 호흡소화관으로 유출시키기 위한 단부 개방부를 갖는 예시된 카테터가 나타나 있지만, 대신에 카테터의 원위 5 내지 10㎝ 내에 다수의 측부 홀(hole)이 있어, 팁으로부터의 유출 대신에(또는 이에 더하여) 카테터로부터 액체가 측면으로 유출되게 하는 카테터가 제공될 수 있다. 측의 유출은 호흡소화관 내의 완전-혼합 유동을 촉진하는데 도움을 줄 수 있다.
냉각액은 도 1a에 화살표로 나타낸 바와 같이, 각각 튜브(40, 42, 52, 54)의 팁(44, 46, 56, 58)을 통해 도입된다. 소정의 부피의 냉각액은 상기도/호흡소화관(예를 들어, 식도 및 기관의 높이 위)을 통해 순환되어, 상기도를 냉각액으로 적어도 부분적으로 채우고, 냉각액과 상부 호흡소화관/기도의 노출된 표면 사이의 실질적인 접촉을 보장한다. 일부 실시형태에서, 상기도 및 상부 호흡소화관은 냉각액으로 실질적으로 채워진다.
상부 호흡소화관의 다수의 표면은 불규칙적이며(예를 들어, 혈관이 풍부한 비갑개), 불규칙적인 기도의 표면을 따라 이동하는 액체의 유동은 보다 뛰어난 열 교환을 제공하여 기도를 냉각시킬 수 있다. 상부 호흡소화관의 한정된 공간으로 도입되고 기도 그 자체를 통하여 임의의 카테터 또는 튜브의 외측에 복귀되는 액체의 다량의 유동에 의해 유도되는 혼합은 순환 액체가 입과 귀를 향해 이동함에 따라 임의의 단열 영역을 추가로 파괴시킨다. 일부 실시형태에서, 새로운 냉각액이 상기도로 이동함에 따라 액체가 입과 코 밖으로 수동적으로 이동하여, 액체의 냉각 효과를 지속적으로 보충한다.
도 1b는 도 1a에 예시된 시스템 및 방법의 다른 구성을 보여준다. 단순화를 위해, 그리고 제한 없이, 유사 부품에는 도 1a에서 관찰되는 것들에 대하여 유사 참조 번호가 제공된다. 도 1b에 나타낸 실시형태에서, 식도 튜브(60)는 추가로 입(26)을 통해 식도(38)로 삽입될 수 있다. 식도 튜브(60)는 식도(38)의 근위부 또는 중부에 팽창된 상태로 나타내어 유체가 실질적으로 풍선(62)을 지나 이동하지 않게 하는 원위 풍선(62)을 갖는다. 추가로, 식도 튜브(60)는 냉각액의 공급원(미도시)에 작동가능하게 연결되어, 식도 튜브(60)의 루멘을 통하여 액체의 유동을 도입하고, 측부 포트(64)를 통하여 나오게 하여, 이에 의해, 상기도를 통하여 순환하는 냉각액의 추가의 공급원으로서 소용될 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 기재된 냉각 방법은 두부 및 뇌 구조의 냉각이 신체의 다른 부분의 냉각보다 더 빠르게 진행된다는 점에서의 두부 및 뇌의 "선택적" 냉각의 예이다. 그러나, 소정량의 비선택적 냉각도 또한 발생할 수 있다.
도 2a는 뇌를 특이적으로 표적화시키지 않고, 대상체의 신체를 전반적으로 냉각시킴으로써 대상체(70)에서 비선택적 저체온을 유도하기 위한 상대적으로 비선택적 냉각 방법의 일 예를 예시한다. 도 2a는 두부(74) 내의 대상체의 뇌(72)를 개략적으로 보여준다. 심장(78)의 위치와 마찬가지로, 2개의 폐(76) 중 1개가 대상체(70)의 흉부에 예시되어 있다. 대상체의 비강(80) 및 구강(82)은 식도(84) 및 위(86)와 연통하며, 기관(87)은 폐(76)와 연통한다. 도시된 실시형태에서, 튜브가 비강(80) 내에 배치되지 않으나, 기관내 튜브(88)를 임의의 팽창된 커프(90)와 함께 기관(87) 내에 위치시켜, 상부 호흡소화관에서의 냉각액의 유동으로부터 폐를 분리시킨다. 그러나, 다른 실시형태에서, 튜브는 유일하게 또는 구강(82) 내에 배치된 하나 이상의 튜브와 조합하여 비강(80)에 배치되어, (예를 들어, 보다 큰 냉각 효과를 달성하기 위하여) 하나 이상의 튜브가 구강, 식도 및/또는 기관에 배치될 수 있게 할 수 있다. 도시된 실시형태에서, 3개의 식도 튜브, 즉, 상부 식도 내에 단일의 출구(예를 들어, 개방 단부)와 함께 위치한 상부 식도 냉각 튜브(92), 중부 식도 내에 단일의 출구(예를 들어, 개방 단부)와 함께 위치한 중부 식도 냉각 튜브(94) 및 위를 냉각시키기 위한 위 내에 단일 출구(예를 들어, 개방 단부)와 함께 위치한 위 튜브(96)에 의해 식도 및 위가 냉각된다. 3개의 튜브가 이러한 예에 예시되어 있지만, 다수의 출구 포트가 있는 단일의 멀티-루멘 튜브가 대안적으로 사용될 수 있다. 이전에 기재된 바와 같이, 유동에서 혼합을 증가시키기 위해 단부 개방부 대신에 측부 포트도 또한 사용될 수 있다.
냉각액은 모든 3개의 튜브를 통해 도입되고 상이한 높이의 소화관으로 전달되어, 냉액체가 위 및 식도로부터 복귀됨에 따라, 식도 및 위의 주요 냉각을 제공할 수 있다. 위에서 냉액체는 혈액과의 열 교환이 발생할 수 있는 표면적을 크게 증가시키는 주름과 접촉한다. 식도 및 위 내의 냉각액은 또한 하위 대정맥(98), 상위 대정맥(미도시), 하행대동맥(100) 및 대동맥활(102)과 해부학적으로 매우 가까워서, 혈액이 신체를 통해 이동함에 따라, 특히, 혈액이 종격의 구조를 통해 이동함에 따라 그 안의 혈액을 냉각시킨다.
도 2a가 식도 및 위에 삽입된 튜브만을 보여주지만, 전체 호흡소화관의 냉각이 측부 포트에 의해 또는 호흡소화관을 통한 입과 코로의 냉액체의 역류(retroflow)에 의해 발생할 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 관주 카테터가 도 1a에서와 같이 입과 코에 삽입되어, 호흡소화관을 통한 냉각액의 유동을 추가로 증가시킬 수 있다.
외부 액체 적용 튜브(104 및 106)는 임의로 대상체의 두부에 대해 외측으로 액체의 강제 유동을 가하도록 위치할 수 있다. 튜브(104)는 액체를 두부의 전방 영역에 대해(예를 들어, 이마에 대해) 유동시키도록 위치하며, 튜브(106)는 액체를 후두부 영역에 대해 유동시키도록 위치한다.
도 2b는 종격이 다소 단열되고, 이에 따라, 식도 튜브를 통해 도입된 액체의 냉각 효과를 유지할 수 있는 해부학적 구획임을 예시한다. 종격은 심장, 심장의 대혈관, 식도 및 기관을 함유하며, 공기가 채워진 폐에 의해 측부에서 단열되고, 위에 의해 하위에서 단열된다.
모든 심박출량은 종격의 정맥을 통해 통과한다. 종격의 내부 냉각은 콧구멍으로부터 유문까지(폐 제외) 실질적으로 모든 호흡소화관을 냉각시킴으로써 달성될 수 있다. 종격은 폐, 후두 및 위에 의해 신체의 나머지로부터의 열로부터 단열된다. 종격의 측면은 낮은 질량을 가지며, 정상적인 환기의 기능에 의해 냉각 유지되는 폐와 접한다. 종격의 아래면은 위를 냉각시킴으로써 냉각될 수 있다. 종격의 윗면, 예를 들어, 경부는 상기도를 냉각시킴으로써 냉각될 수 있다. 종격의 단열은 유사한 냉각이 복부 내의 대정맥 상에서 수행되는 경우보다 더 효율적으로 대정맥 내의 정맥 혈액의 냉각을 가능하게 한다. 대정맥 냉각이 복부에서 시도된다면, 주위 장기로부터의 열이 또한 대정맥으로 전달될 것이며, 이는 냉각을 상당히 지연시킬 수 있다.
도 3은 선택적 냉각 방법을 수행하기 위한 다른 뇌 냉각 디바이스(110)의 일 예를 제공하며, 여기서, 컨테이너(112)는 앙와위에 있는(안면이 위에 있는) 대상체(116)의 두부(114)를 적어도 부분적으로 둘러싼다. 두부(114)는 부분적으로 또는 완전히 냉액체(118)에 침지될 수 있으나, 예시된 실시형태는 두부 및 안면의 완전한 침지를 보여준다. 도시된 실시형태에서, 컨테이너(112)는 단단한 편평한 저부 벽(120), 3개의 단단한 직립형 측벽(122)(오직 1개만이 도 1에 도시되어 있음) 및 개방 상면(124)을 갖는 직사각형 또는 사각형 박스이다. 측벽(122)은 액체 기밀과 함께 저부 벽(120)에 연결된다. 또한, 각각의 측벽(122)은 액체 기밀과 함께 인접 측벽(122)에 연결된다. 측벽(122) 중 하나(예를 들어, 측벽(126))는 대상체의 두부 및/또는 경부를 수용하도록 구성될 수 있다. 저부 벽(120) 및 측벽(122 및 126)은 예를 들어, 몰딩된 플라스틱의 심리스 일체형 피스(seamless unitary piece)에서와 같이, 연속 물질로 수행될 수 있다. 개방 상면(124)은 전체면에 대한 접근을 제공하기에 충분히 큰 사각형 또는 직사각형 개구를 형성한다. 직립형 측벽(126)은 환형 연성 밀봉(128)을 포함하여, 컨테이너(112)로부터의 액체의 유동을 저해하는(예를 들어, 그리고 대상체의 경부를 조절가능하게 수용하도록 크기가 결정된) 두부 및/또는 경부 수용 개구를 형성한다. 오버플로우 트로프(overflow trough)(130)는 면(126)의 저부 에지를 따라 연장되어, 액체가 예를 들어, 재순환 펌프(재순환 튜브 미도시)에 의해 컨테이너로 재순환될 수 있도록 밀봉을 통해 누수되는 액체를 수집할 수 있다. 예를 들어, 컨테이너의 치수는 성인-크기의 박스에 대하여 대략 25 내지 50㎝ 길이, 너비 및 높이이고, 유아-크기의 박스에 대하여 모든 측이 10 내지 25㎝일 수 있다.
냉액체(118)의 저장소는 컨테이너(112)를 실질적으로 채울 수 있다. 박스 내의 액체는 예시된 실시형태에서, 박스의 상부 에지의 2 내지 10㎝ 이내인 최고 액체 높이(132)를 가져서, 액체가 액체 높이(132) 아래에 두부(114)가 완전히 침지되게 한다. 이러한 높이에서의 액체를 사용하여, 대상체(116)의 코(134) 및 입(136) 둘 모두는 액체로 완전히 덮이고, 하기 기재된 바와 같이, 상기도를 기도로 펌핑되는 액체로 능동적으로 채우는 것에 더하여 컨테이너로부터 액체로 수동적으로 채울 수 있다. 따라서, 두부 주위 및 상기도 내의 영역은 액체의 연속체와 접촉하게 되는 해부학적 구조와의 열 교환을 확립할 수 있는 냉각액의 실질적으로 단절되지 않은 연속체일 수 있다. 다른 실시형태에서, 상기 기재된 바와 같이, 상부 액체 높이(132)는 입(136) 및/또는 코(134)가 냉액체(118)에 완전히 침지되지 않게 하는 높이를 포함할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 두부(114)는 하기 기재되는 바와 같이, 여전히 냉액체(118)에 의해 수동적으로 냉각될 수 있으며, 상기도는 기도로 펌핑되는 액체로 능동적으로 채워질 수 있다.
도 3에 나타낸 실시형태에서, 디바이스(110)는 컨테이너(112) 내의 액체의 온도를 제어하도록 구성될 수 있다. 디바이스(110)는 다양한 방식으로 구성되어, 예를 들어, 냉장 유닛과 유사하게 컨테이너(112)를 구성하고, 냉 물체(예를 들어, 얼음)를 액체에 첨가하고/거나 컨테이너의 벽에서 흡열 화학 반응(예를 들어, 수 중의 질산암모늄)을 사용하여 이들을 냉각시켜, 컨테이너 내의 액체의 온도의 제어를 가능하게 할 수 있다. 나타낸 실시형태에서, 컨테이너(112) 내의 액체는 이를 컨테이너로부터 열교환기(144)로 펌핑시키고, 여기서, 이것이 냉각되고, 다시 컨테이너로 펌핑됨으로써 컨테이너의 외부에서 냉각된다. 열교환기는 임의의 유형, 예를 들어, 쉘 및 튜브 열교환기, 플레이트 열교환기, 재생 열교환기, 단열 휠 열교환기(adiabatic wheel heat exchanger), 유체 열교환기 또는 역학적 표면긁기 열교환기의 것일 수 있다. 이러한 디바이스에 대한 추가의 정보는 예를 들어, 문헌[Sadik Kakac and Hongtan Liu Heat Exchangers: Selection, Rating and Thermal Design, 2nd Edition, CRC Press (2002) (ISBN 0849309026)]에서 용이하게 입수할 수 있다.
도 3은 컨테이너(112)로부터 액체 펌프(142)로 연장되는 취수관(intake conduit)(140)을 추가로 보여준다. 펌프(142)는 열교환기(144)에 결합된다. 유출관(outlet conduit)(146)은 열교환기(144)로부터 연장되며, 다수의 카테터 연결 출구를 제공하는 신장된 분배관(148)과 연결된다. 예시된 실시형태가 단일의 펌프를 보여주지만, 1개 초과의 펌프가 사용될 수 있다. 또한, 펌프는 수동적으로(예를 들어, 펌프 핸들을 수동적으로 회전시키거나 왕복운동시킴으로써) 또는 비수동적으로(예를 들어, 전기 작동되는 펌프를 작동시킴으로써) 작동될 수 있다.
다양한 길이의 액체 순환관은 분배관(148) 상의 출구에 연결되고, 컨테이너(112)의 개방 상면(124)을 통해 연장된다. 이들 중 4개는 액체 순환 튜브(150, 152, 154, 156)이며, 이는 액체의 유동을 두피 및 안면으로 전달할 수 있다. 튜브(150 및 156)는 실질적으로 액체의 깊은 재순환을 위해 컨테이너(112)의 저부로 연장된다. 튜브(152 및 154)는 컨테이너(112)의 상부로 연장되어, 컨테이너 내의 더 많은 액체의 재순환을 제공한다. 다른 액체 순환관은 냉액체를 대상체의 비강(160)에 전달하기 위한 제1 액체 전달 카테터(158)이다. 제1 액체 전달 카테터(158)는 분배관(148)으로부터 약 3 내지 6㎝의 길이로 비강(160)으로 연장되기에 충분한 임의의 길이일 수 있으며, 카테터(158)의 출구는 코인두(161)에(또는 그 근처에) 지향된다. 다른 관은 냉액체를 대상체의 구강(164)에 전달하기 위한 제2 액체 전달 카테터(162)이다. 카테터(162)는 약 6 내지 12㎝의 거리로 구강(164)으로 연장되기에 충분한 임의의 길이일 수 있으며, 카테터(162)의 출구는 입인두(168)에(또는 그 근처에) 지향된다.
나타낸 실시형태에서, 디바이스(110)는 비위관과 유사하게 구성된 제3 액체 전달 카테터(166)를 추가로 포함한다. 카테터(166)는 분배관(148)으로부터 연장되며, 구강(164), 입인두(168), 하인두(170)를 통해, 그리고 식도(172)로 연장되기에 충분한 임의의 길이를 포함할 수 있다(예를 들어, 입(136)을 지나 25 내지 30㎝). 카테터(166)는 예를 들어, 공기를 루멘 중 하나를 통해 풍선 팁(174)으로 도입하는 가압 공기의 공급원(예를 들어, 주사기(미도시))을 사용함으로써, 선택적으로 팽창가능한 풍선 팁(174)이 있는 멀티-루멘 카테터일 수 있다. 카테터(166)의 다른 루멘은 측부 포트(176)에 개방되며, 이는 분배관(148)과 유체가 연통한다(예를 들어, 측부 포트(176)가 냉액체를 근위 식도로 전달할 수 있도록). 측부 포트(176)는 풍선 팁(174)에 근접하여, 풍선 팁(174)이 팽창되는 경우, 식도(172)로 전달되는 액체가 풍선 팁(174)을 지나 원위 위장관(예를 들어, 위)로 유동되지 않고, 대신에 상기도를 통해 근위 방향으로 이동할 수 있게 한다.
디바이스(110)는 또한 환기의 공급원(미도시)에 결합되게 구성된 통상적인 결합 칼라(coupling collar)(182)를 갖는 멀티-루멘 기관내 튜브(180)를 포함할 수 있다. 적절한 환기의 공급원은 산소와 함께 비독성 유체(예를 들어, 기체)를 그 안에 도입하도록 구성된 임의의 디바이스를 포함한다. 이러한 공급원의 예는 튜브(180)의 주요 루멘과 연통되는 수동 환기 백 또는 기계식 벤틸레이터를 포함한다. 튜브(180)의 주요 루멘은 하기도 및 폐와 유체가 연통한다. 기관내 튜브(180)는 유체(예를 들어, 가압 유체, 예를 들어, 주사기로부터의 기체)를 튜브(180)의 제2 루멘을 통해 도입하여 튜브가 기관(186) 내에 제자리에 있도록 보장함으로써 선택적으로(예를 들어, 삽입 후에) 팽창될 수 있는 통상의 원위 커프(184)를 포함하여, 튜브(180)와 기관의 벽 사이에 효율적인 밀봉을 제공하고(예를 들어, 환기의 효율을 향상), 상기도로부터 하기도 및 폐로의 액체의 유입을 실질적으로 방지할 수 있다.
도 3에서의 기관내 튜브(180)의 예시된 실시형태가 커프(184)를 포함하지만, 커프가 기도를 실질적으로 밀봉시키는데 항상 필요한 것은 아니다. 예를 들어, 작은 또는 소아 대상체에서, 기관내 튜브 그 자체는 튜브(180)와 기관의 벽(186) 사이의 액체의 통과를 효율적으로 폐쇄하기에 충분히 클 수 있다. 다른 실시형태에서, 기관내 튜브(180)는 환자의 혀가 냉각 절차를 방해하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 예시된 실시형태(도 3)에서, 흡입 포트(188)는 커프(184)에 근접한 튜브(180)의 측부에 위치한다. 포트(188)는 튜브(180) 내의 제3 루멘과 연통하며, 기관으로부터 액체를 빼내도록 구성되는 부압 공급원(미도시)에 결합(예를 들어, 연결)된다. 제거된 액체는 컨테이너(112) 내의 액체의 저장소(118)로 재순환될 수 있다.
사용에 있어서, 뇌 냉각을 필요로 하는 대상체(116)의 두부(114)는 연성 밀봉(128)을 통하여 두부(114)를 삽입함으로써 컨테이너(112) 내에 배치된다. 증점된 액체-저항성 에멀젼 또는 겔(예를 들어, 페트롤리움 젤리(Petroleum jelly))은 경부 주위의 연속 링으로 외부에서 적용되어, 액체-저항성 밀봉을 증진시킬 수 있다. 또한, 연질의 액체-저항성 발포 스트립(foam strip)이 경부 주위에 배치될 수 있으며, 적층시켜 원하는 두께를 달성할 수 있다. 연성 밀봉(128)은 경부를 통한 동맥 혈액 또는 정맥 혈액 유동을 폐색시키지 않고, 실질적으로 액체 기밀을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 플라스틱 라이너(liner)(미도시)도 또한 두부(114) 주위의 컨테이너(112) 내에 배치되어, 컨테이너(112)로부터의 액체의 소실에 대한 추가의 장벽을 제공할 수 있다.
대상체(116)는 두부로부터 모발을 제거함으로써, 예를 들어, 모발을 자르거나 두부를 면도시켜, 두부(114)로부터 외부로, 주위 냉액체(118)로의 열의 전도성 소실을 향상시킴으로써, 임의로 뇌 냉각 절차를 위해 준비될 수 있다. 대상체가 의식이 있다면, 진정제도 또한 투여되어(예를 들어, 벤조디아제핀 또는 진정제의 정맥내 투여), 의식의 수준을 저하시키고/거나 일과성 기억상실증을 유도할 수 있다. 일단 대상체의 두부(114)가 컨테이너(112) 내에 배치되면, 컨테이너(112)의 개방 상면(124)은 컨테이너의 내부에 대한 접근을 제공한다. 깊은 순환 튜브(150 및 156)는 두부(114) 주위에 위치할 수 있으며, 이들의 출구는 저부 벽(120)에 근접하다. 깊지 않은 순환 튜브(152 및 154)는 두부(114) 위에 위치할 수 있으며, 튜브(152 및 154)의 출구는 대상체(116)(예를 들어, 안면 및 두피)에 지향된다. 카테터(158)는 통상적인 방식으로 윤활 처리될 수 있으며, (예를 들어, 3 내지 6㎝, 또는 카테터(158)의 팁이 비갑개 점막의 혈관 표면에 인접하게(또는 이와 가까이에), 그리고 대뇌 피질의 아래면을 지지하는 사골의 체판 근처에 존재하도록) 콧구멍을 통해 비강(160)으로 삽입될 수 있으며, 카테터(158)의 출구는 코인두(161)에(또는 이에 가까이) 지향된다. 식도 카테터(166)는 입을 통해(예를 들어, 25 내지 30㎝) 근위 식도(172)에 삽입된다. 커프(174)는 식도 카테터(166)가 적절하게 위치한 후에 팽창될 수 있다. 추가로, 기관내 튜브(180)는 기관(186)으로 삽입될 수 있으며, 커프(184)가 팽창될 수 있다. 기관내 튜브(180)의 제3 루멘은 부압 공급원(예를 들어, 흡입 디바이스)에 연결되어, 유체가 기관(186)으로부터 제거될 수 있게 한다.
원하는 온도로 사전-냉각된 액체는 액체 높이(132)가 원하는 높이(예를 들어, 취수관(140)의 취수 높이 위)에 도달할 때까지 컨테이너(112) 내로 도입된다. 액체는 펌프(142)를 작동시킴으로써 순환될 수 있다. 펌프(142)는 컨테이너(112)로부터 관(140)을 통해 열교환기(144)로 액체를 제거하도록 구성된다. 펌프(142)는 가압(예를 들어, 20 내지 60㎝ H2O) 하에 액체를 열교환기(144)로 이동시킬 수 있다. 이어서, 액체는 유출관(146)을 통해 열교환기(144)를 빠져 나와서, 분배관(148)으로 갈 수 있다. 이어서, 액체는 출구와 각각의 관 사이에 분배되어, 컨테이너(112)로 이어진다. 강제 유동은 순환 튜브(150, 152, 154 및 156)를 통한 냉액체의 도입에 의해 두부 주위의 컨테이너(112)에서 유도될 수 있다. 이러한 유동은 두부의 표면 및/또는 안면으로부터의 열 전달을 향상시킬 수 있다.
펌프(142)는 또한 튜브(158)를 통해 비강으로, 튜브(162)를 통해 구강으로, 그리고 튜브(166)를 통해 포트(176) 밖으로 근위 식도로 냉액체를 순환시킨다. 튜브를 통해 도입된 액체는 컨테이너(112)로부터 수동적으로 유입되는 냉액체와 합해져, 두부(114) 주위의 냉액체의 저장소를 사용하여 상기도를 실질적으로 중단되지 않은 액체 연속체로 존재하는 냉액체로 실질적으로 채운다. 액체의 연속 재순환은 상기도로부터 두부 주위의 액체의 저장소로, 그리고 다시 상기도로 발생한다. 또한, 액체는 연속적으로 냉각되어 원하는 온도를 유지할 수 있으며, 이는 뇌의 원하는 치료적 온도로의 신속한 냉각을 유도한다.
이전에 언급된 바와 같이, 대상체의 경부는 컨테이너의 하나의 벽에 개구에서 받쳐진다. 밀봉 수단, 예를 들어, 경부를 둘러싸서 액체 기밀을 향상시키는데 도움을 주는 주변 연성 밀봉재가 개구에 제공된다. 경부 주위의 액체 기밀은 증점된 액체-저항성 에멀젼 또는 겔(예를 들어, 페트롤리움 젤리)을 포함할 수 있으며, 이는 피부에 도포되어, 경부 주위에 연속 고리를 만든다. 연질의 액체-저항성 발포 스트립은 경부의 전체 둘레 주위에(예를 들어, 겔 위에) 배치될 수 있으며, 적층되어 원하는 두께를 달성할 수 있다. 마지막으로, 연성 밀봉재는 경부에서의 동맥 혈액 또는 정맥 혈액 유동을 폐색시키지 않고, 실질적으로 액체 기밀을 제공하기에 충분한 압력으로 경부 주위에서 조여질 수 있다.
일 실시형태에서, 경부-수용 개구는 컨테이너(112)의 측벽(126) 내의 "U"자형 개구이며, "U"의 너비는 경부보다 더 넓다. 액체-저항성 연성 물질(예를 들어, 고무 또는 비닐)이 개구의 내부 에지에 부착된다. 적어도 2 인치의 자유 물질이 디펙트(defect)의 아래면으로부터 연장되며, 충분한 물질이 디펙트의 각각의 측면으로부터 연장되어, 개구의 다른 측으로 실질적으로 연장된다. 경부 주위에 밀봉을 완성하기 위하여, 경부의 전방 표면 위의 과잉의 물질이 체결 디바이스(예를 들어, 클립)에 의해 함께 유지될 수 있다. 둘 모두의 측부(존재한다면)로부터의 과잉의 물질은 일시적으로 함께 체결(예를 들어, 클립 체결(clipped))되기 전에 서로의 주위가 싸여질 수 있다.
도 4는 본 발명에 논의된 바와 같이 냉액체로 채워질 수 있는 상기도에 해당하는 빗금친 영역을 보여준다. 상기도는 비강, 코인두, 구강, 입인두 및 하인두를 포함한다. 상기도는 뇌를 관류시키는 주요 혈관에 의해 어느 하나의 측부에서 밀접하게 연계되어 측면에 배치된 인두의 벽에 의해 형성된다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 이들 혈관은 공통 경동맥(202) 및 내부 경동맥(204)을 포함하며, 이는 결국 전대뇌동맥(미도시) 및 중간대뇌동맥(206)에 공급한다. 상기도와 해부학적으로 밀접하게 연계된 다른 혈관은 척추동맥(208)을 포함하며, 이는 쇄골하동맥의 분지이며, 이는 결국 혈액을 척추 뇌저 시스템에 공급하는 뇌바닥동맥(210)을 형성한다. 경부의 동맥을 통해 유동하는 혈액은 상기도를 채우는 냉액체와의 밀접한 연계에 의해 전도적으로 냉각될 수 있으며, 이러한 냉각된 혈액은 혈액이 뇌를 관류시킴에 따라, 뇌의 온도를 신속하게 저하시킬 수 있다.
뇌를 관류시키는 혈액의 추가의 냉각은 냉액체의 근위 식도로의 도입에 의해 달성될 수 있으며, 근위 식도에서, 냉액체는 종격, 및 공통 경동맥(202)을 포함하는 하위 경부 구조와 더욱 가까이 접촉하게 된다.
이러한 신규한 치료법에서, 식도에서 냉액체 유동이 존재한다면, 혈액의 냉각이 대동맥활에서 시작할 수 있으며, 순환하는 냉액체로 채워진 상기도에 대해 가까이에 근접하게 존재하는 공통 및 내부 경동맥의 길이에 걸쳐 계속될 수 있다. 후방의 순환(척추 동맥 및 뇌바닥 동맥)도 또한 냉각될 수 있다. 냉각은 윌리스 서클(Circle of Willis) 그 자체에서 계속될 수 있으며, 이는 뼈 및 연조직의 얇은 층에 의해 상기도로부터 분리된다. 많은 경우에, 총 경동맥 혈류는 대략 0.8ℓ/분이다. 이러한 혈액은 충분한 냉액체를 전달하여, 식도 및 상기도를 채워서, 주변 조직 온도의 충분히 크고/거나 신속한 하강을 달성함으로써 냉각된다. 혈액은 매우 신속하게 심장으로부터 뇌로 이동하고, 주위 조직과 접촉되어 상당한 시간을 소모하지 않는다. 코-기반의 선택적 냉각 전략은 혈액이 심장으로부터 뇌로 이동함에 따라, 혈액을 주위 냉각 조직과 평형화시키기에 충분한 시간을 제공하지 않는다. 코, 인두 및 식도의 관주에 의해 혈액이 평형화될 수 있는 차가운 조직의 긴 냉각 컬럼이 생성되어, 더 큰 평형화 정도 및 동맥 혈액에 대한 냉각으로 이어진다. 두피 및 상기도의 직접적인 냉각은 혈행 냉각을 보완할 수 있는데, 이것이 표면 온도가 뇌 내의 심부보다 더 차갑게 뇌 내에서 온도 기울기를 야기하기 때문이다. 이러한 기울기는 혈액을 유동시킴으로써 상쇄되는데, 이는 대뇌 동맥이 냉각된 혈액을 보다 깊은 뇌 구조로 전달하기 전에, 뇌의 상대적으로 더 차가운 표면을 따라 긴 거리를 가로지르기 때문이다.
개시된 방법을 사용하여, 불리한 생리학적 및 의학적 결과, 또는 전신 또는 이의 큰 부분을 냉각시키는 기술적 어려움 없이, 두부 및/또는 뇌의 중심적인 또는 고립된 냉각이 달성된다. 뇌 냉각은 뇌에 대한 손상을 피하기에 충분한 기간 동안 지속적으로 또는 간헐적으로 적용될 수 있으며, 이러한 기간은 수분, 수시간, 수일 또는 수주동안 연장될 수 있다. 일부 실시형태에서, 냉각은 적어도 3시간, 적어도 4시간, 적어도 8시간, 적어도 12시간, 적어도 24시간, 적어도 48시간, 적어도 1주 이상 동안 계속된다. 냉각이 계속되는 기간은 환자의 증상 및 의료인의 임상적 판단에 의해 결정된다. 냉액체의 온도는 치료적 요구에 따라 시간에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 액체는 처음에는 10℃ 이하(예를 들어, 0℃ 이하)로 냉각되어, 신속한 뇌 냉각을 유도하고 뇌 부종, 불리한 대사적 변화 또는 재관류 손상의 발생을 저해할 수 있다. 처음 수시간 또는 심지어 수일의 사용 후에, 액체의 온도가 예를 들어, 20 내지 30℃로 증가되어, 연조직에 대한 저체온 손상의 위험을 보다 적게 하여, 뇌를 냉각시킬 수 있다.
이러한 방법은 많은 기타 종래 기술의 저체온 치료와 함께 인간 연구에서 3 내지 5시간이 입증된 것에 비하여 추정하여 예를 들어, 5 내지 15분 내에 대뇌 냉각을 생성할 수 있다. 치료법은 현장(병원 환경 외부)에서 시작되어, 치료의 개시를 가속화시키고, 병의 발병 후에 온도 목적을 달성하기 위한 경과 시간을 줄일 수 있다. 디바이스, 시스템 및 방법은 오직 기본적인 응급 의료 기술, 예를 들어, 카테터를 배치하고 기관내 튜브를 삽입하는 능력을 갖는 누군가에 의해 사용될 수 있다. 방법의 간단함은 또한 광범위한 임상적 상황에서 신속한 치료의 적용을 가능하게 할 것이다. 냉액체는 이전의 인간 연구 및 대부분의 동물 연구에서 사용되는 얼음물보다 상당히 더 차가워서, 이에 의해, 보다 강하고 보다 신속한 뇌 냉각을 촉진시키는 큰 온도 기울기를 제공할 수 있지만, 이것이 필요하지는 않다.
두피, 상기도 및 대뇌 혈액 냉각의 병용이 신속하고 효율적인 대뇌 냉각을 제공한다. 방법은 특히 효율적인데, 이는 방법이 임의로, 순환하는 냉액체의 공통의 풀을 사용하여 이들 구조 모두를 냉각시킬 수 있기 때문이다. 이러한 공격적인 국소 냉각 방법은 순환하는 혈액이 냉각을 더 가속화시키는 것으로 여겨지지만, 심지어 자발적 순환의 부재 하에서도 뇌를 신속하게 냉각시키는데 효율적인 것으로 여겨진다. 개시된 방법은 또한 보다 강한 수준의 저체온이 달성되게 하며, 이는 "가사 상태"의 가능한 이익을 실현하는데 도움이 될 수 있다. 또한, 이러한 치료는 현장에서 자발적 순환의 복원을 달성하지 않는 이들조차도 생명의 구제 가능성과 신경 기능을 열어 둔다. 적절하게 장비된 의료 센터에의 도달 후에, 심폐우회로를 사용하여 전신 및 뇌 혈류가 재구성될 수 있는 한편, 자발적 순환을 회복하고 유지하기 위한 더욱 공격적이고 시간이 소모되는 시도가 연구된다. 뇌가 냉각된다면, 순환의 복원이 유의미하게 지연될지라도, 보다 큰 신경 회복이 달성될 수 있다.
두부 주위의 냉액체의 순환도 또한 유효할 수 있지만, 이것이 필요하지는 않다. 국소 저체온 치료로부터 두피를 기능적으로 단열시키는 인자는 두피 모발, 경계층 효과 및 차가운 헬멧과 두피 사이의 물질과 공기의 층을 포함한다. 두피 구조와 순환액의 직접적인 접촉은 이들 문제를 방지하는데 도움을 준다.
뇌의 아래면의 직접적인 냉각은 보다 얇은 뼈와 연조직의 보호층 때문에, 두피 냉각보다 더욱 신속하게 발생하는 것으로 여겨진다. 상기도와 뇌 사이의 뼈는 두피 내의 뼈의 대략 절반의 두께이며, 연조직층은 두피 두께의 ¼이다.
선택적 또는 비선택적 냉각 중 어느 하나에 사용하기에 적합한 디바이스의 추가의 예는 도 5a 내지 도 5c에 나타나 있다. 디바이스는 직사각형 베이스(222), 직사각형 후방 벽(224), 2개의 대향하는 측벽(226) 및 전방 벽(228)을 갖는 두부 냉각 박스(220)이다. 각각의 벽(224 및 226)은 두부가 젖혀지고, 두부가 도 5a 내지 도 5c에서와 같이 신전된 경우조차도 박스 내의 대상체의 두부(230) 위로 연장되기에 충분히 높다. 그러나, 전방 벽(228)은 대상체의 경부를 수용하기 위한 절단 지지 부분(232)(도 5a)을 갖는다.
도 5a 내지 도 5c에 나타낸 바와 같이 두부(230)를 수용하기에 충분히 크고, 대상체의 경부가 지지 부분(232) 상에 받쳐지는 두부 리셉터클(234)을 형성하는 일련의 내벽이 박스(220)의 외벽으로부터 이격되고 이와 평행하다. 두부 리셉터클과 외벽 사이에서 박스는 대상체를 통해 순환되고, 외부에서 두피에 대하여 적용되기에 충분한 부피의 냉액체를 저장하기 위한, 리셉터클(234)을 부분적으로 또는 완전히 둘러싸는 저장소(238)를 형성한다. 저장소(238)는 리셉터클(234) 뒤와 아래로 연장되고, 배수관(240, 242 및 244)을 형성하는 하나 이상의 개구를 통하여 리셉터클(234)과 연통한다. 예시된 실시형태에 있어서, 배수관(240)은 후방 벽에 존재하며, 배수관(242)은 저부 벽에, 그리고 배수관(244)은 리셉터클(234)의 전방벽에 존재한다. 상부 포트(246)는 박스(220)의 상부 근처의 후방 벽(224)을 통해 연장되며, 하부 포트(248)는 박스(220)의 베이스(222)에 가까운 후방 벽(224)을 통해 연장된다.
사용 시에, 치료를 필요로 하는 대상체의 두부(230)는 박스(220) 내에 배치될 수 있으며, 경부는 절단 부분(232)에 존재하고, 두부는 신전되어 뒤로 젖혀진다. 냉액체는 저장소(238)로 도입되어, 이어서 이전에 기재된 바와 같이 관주 카테터(미도시)를 통해 대상체의 호흡소화관으로 순환될 수 있는 다량의 냉액체를 제공한다. 냉액체는 처음에는 상부 포트(246)를 통해 저장소(238)로 전달되며, 이후에 대상체와 접촉된 후에 하부 포트(248)를 통해 빠져나오고, 배수관(240 및/또는 242 및/또는 244)을 통해 복귀된다. 액체가 호흡소화관으로 도입됨에 따라, 카테터 또는 다른 튜브를 통해 흡입되거나 제거되지 않고, 액체가 결국 대상체의 입과 코를 수동적으로 빠져나올 때까지 액체는 호흡소화관으로 그리고 이를 통해 유동한다. 액체가 입과 코로부터 나옴에 따라, 이는 두부(230) 주위의 리셉터클(234)에서 수집되어, 두부를 외부에서 추가로 냉각시켜, 뇌 온도를 더 낮추고, 배수관(240-244)을 통해 저장소(238)로 배수된다. 액체가 하나 이상의 배수관을 통해 리셉터클(234)로부터 저장소(238)로 복귀될 수 있는 속도는 배수관이 개방되는 정도와 개방 배수관의 위치 및 개수에 의해 조절된다. 도 5c의 예시된 실시형태에서, 저부 배수관(242)이 개방되는 한편, 측부 배수관(240 및 244)이 폐쇄되어, 리셉터클(234) 내의 액체가 화살표(250)로 나타낸 바와 같이, 중력의 영향 하에 아래의 저장소의 부분으로 수동적으로 유동하게 한다. 액체가 리셉터클에 유입되는 속도에 비하여, 액체가 리셉터클(234)로부터 배수되는 속도를 조절하는 것에 의해, 리셉터클(234) 내의 액체의 높이가 결정된다.
도 5c의 예시된 실시형태에서, 주위 저장소(230) 내의 액체의 높이는 저부 배수관(240)의 높이보다 더 낮으며, 이는 저부 배수관(242)을 통한 배수를 가능하게 한다. 그러나, 더 많은 부피의 냉액체가 주위 저장소(238)에 제공되는 이들 예에서, 액체는 여전히 개방된 측부 배수관(240 및 244) 아래의 높이로 유지된다(저부 배수관(242)은 폐쇄된다).
대안적인 실시형태가 도 5d 및 도 5e에 나타나 있으며, 여기서, 도 5a 내지 도 5c로부터의 상응하는 부분에는 단순함을 위해 제한 없이, 유사 참조 번호가 제공된다. 그러나, 이러한 실시형태는 전방 벽(228)이 전방 벽(228) 상에 핏팅되는 높이 조절 부재(252)를 가지며, 베이스(222)를 향해 그리고 이로부터 떨어져 이동하여, 대상체의 경부를 위한 지지대의 높이를 조절할 수 있다는 점에서 이전의 버젼과 상이하다. 조절 부재(252)는 대상체의 경부의 보호를 위하여 쿠션(254)으로 덮여지며, 가변적인 양의 경부 신전을 가능하게 한다. 저장소(238)의 상부는 또한 뚜껑(256)으로 덮이며, 이는 힌지(258)에서 피봇(pivot)되어, 저장소(238)를 개방하고 폐쇄한다. 저장소는 개방되어, 예를 들어, 그 안의 액체의 냉각이 요구되는 경우에 얼음 또는 기타 냉 물체를 저장소(238)에 첨가할 수 있다.
박스의 또 다른 실시형태는 도 5f에 예시되어 있으며, 여기서, 박스(220)는 냉액체를 보유하기 위한 저장소를 형성하며, 박스의 전방 벽은 감소된 높이의 것이거나 두부를 수용하기 위한 절단 부분을 가지며, 경부는 높이 조절 부재(252)의 쿠션(254) 상에 지지된다. 그러나, 두부 리셉터클은 저체온 치료 동안 대상체의 두부를 유지시키기 위한 리셉터클(238)을 커버하는 액체 투과가능 네트(260)에 의해 형성된다. 네트(260)는 한 에지를 따라 패딩(254)의 높이 아래에서 전방 벽(228)에 고정되고, 대향 에지를 따라 박스(220)의 상부에서 후방 벽(224)에 고정된다. 따라서, 네트(260)는 대상체의 두부를 위한 액체 투과가능 지지 슬링(sling)을 형성하여, 액체가 호흡소화관을 통해, 그 다음 그 밖으로 유동함에 따라, 액체가 네트(260)로 그리고 네트(260)를 통해 쏟아져, 아래의 저장소(238)로 복귀하게 된다.
도 6a의 실시형태에서, 냉각 디바이스는 냉액체의 공급을 유지하기 위한 저장소(274) 및 두부 리셉터클(272) 둘 모두를 함유하는 백보드(270)의 형태로 존재한다. 이전에 기재된 실시형태에서와 같은 리셉터클 주위의 저장소 대신에, 리셉터클(272) 및 저장소(274)는 서로 평행의 관계이다. 백보드(270)는 신체의 상부, 예를 들어, 허리 또는 중간-흉곽으로부터 두부의 끝까지 수용하기에 충분히 큰 편평한 직사각형 베이스(276)를 갖는다. 백보드(270)의 상면은 대향 측벽(271)(이 중 오직 1개만이 가상으로 도시됨), 직립 저부 벽(280), 및 저장소(274)를 리셉터클(272)로부터 분리하는 경사진 상부 벽(282)에 의해, 베이스(276)로부터 이격되고 이와 평행하게 유지되는 편평한 신체 지지대(278)에 의해 형성된다. 측벽(271)은 리셉터클(272)의 상부와 동일한 높이의 것이어서, 이에 의해, 리셉터클(272)의 측벽도 또한 형성한다.
경사진 벽(282)은 신체 지지 표면(278)으로부터 아래로 리셉터클(272)의 저부 표면(280)으로 기울어진다. 벽(282)과 지지 표면(278)의 접합부 근처에 경사진 벽(282)을 관통하는 배수관(284)이 제공되어, 리셉터클(272) 내의 액체의 높이가 저장소(274) 내의 액체의 높이보다 높게 상승하는 경우에, 도 6a에 배수관(284)을 통하여 화살표로 예시된 바와 같이, 액체를 리셉터클(272)로부터 저장소(274)로 다시 배수시킨다. 쿠션이 있는 경부 지지대(286)는 경사진 벽(282)에 가까운 신체 지지대(278) 상에 위치하여, 백보드(270) 상에 배치된 대상체의 경부를 보호하고 경부의 신전을 돕는다.
사용 시에, 대상체는 백보드(270) 상에 안면을 위로 하여 배치될 수 있으며, 경부는 신전되고, 두부는 리셉터클(272) 내에 있다. 원하는 관주 카테터가 대상체의 호흡소화관(미도시)에 삽입되고, 저장소(274)로부터의 액체는 환자를 냉각시키기 위해 카테터를 통해 호흡소화관으로 펌핑된다. 이어서, 관주액은 대상체의 코와 입 밖으로 유동하며, 저장소(272)에 수집되어, 배수관(284)을 통해 저장소(274)로 복귀된다. 백보드 지지대(278)는 바람직하게는 열 전도성이어서(예를 들어, 금속으로 제조), 백보드 내의 냉액체가 대상체의 신체를 직접적으로 냉각시키게 한다. 이러한 대상체의 등의 직접적인 냉각이 이러한 냉각으로부터 이익을 얻을 수 있는 척수 손상이 초래될 수 있는 환자에서 척추의 냉각을 제공하여, 염증 및 종창을 감소시키는데 특히 유리하다.
백보드 냉각 디바이스의 다른 실시형태가 도 6b에 나타나 있으며, 신체 지지 표면(278')이 대상체의 어깨와 경부를 들어올리도록 위로 경사진 것을 제외하고는 도 6a의 실시형태와 유사하다. 이러한 방식으로 상반신을 들어올리는 것을 기도를 보호하고 액체의 기도로의 유입을 억제하는데 도움을 준다. 또한, 이는 호흡소화관 내의 관주 카테터의 삽관 및 도입을 위해 환자의 두부의 위치를 적절하게 위치시킨다. 들것(288) 위에 안면을 위로 하여 누워 있는 환자의 등 아래에 배치되어, 냉각 방법이 병원에서 또는 가는 도중에(예를 들어, 구급차에서 또는 병원으로 이송 중에) 대상체에서 수행될 수 있게 한 도 6b의 백보드 냉각 디바이스도 또한 나타나 있다.
도 7의 실시형태는 가능한 척추 손상이 지속되는 대상체를 치료하는데 적절하고, 추가의 손상, 예를 들어, 척수에 대한 손상을 피하기 위하여 척추의 안정화를 필요로 하는 냉각 디바이스의 일 실시형태를 예시한 것이다. 이러한 실시형태는 통(290) 위에 부유하거나 그 내에 존재하는 편평한 신체 지지 보드(292)보다 더 길고 더 넓은, 큰 직사각형 통(290)을 포함한다. 지지 보드(292)는 오른팔 및 왼팔 지지 부재(294 및 296)를 형성하는 측부 연장부 및 두부 지지대(298)를 형성하는 상위 연장부를 갖는다. 일부 실시형태에서, 통(290)은 액체(300)를 원하는 온도로 냉각시키기에 충분한 얼음(302)을 함유하는 액체(300)로 채워진다. 다른 실시형태에서, 통(290)은 칠링 유닛으로부터 냉각된 유체로 채워지고, 냉각 재순환된 액체로 지속적으로 다시 채워질 수 있다. 따라서, 통(290)은 지지 보드(292) 상에 배치된 대상체의 호흡소화관으로의, 관주 튜브(미도시)를 통한 도입을 위한 밑에 있는 냉액체의 큰 저장소를 제공한다. 일부 실시형태에서, 환자(미도시)는 지지 보드(292) 상에 반듯이 눕고, 두부를 옆으로 돌려 위치되어, 내부 순환 액체(및/또는 두부 상에 분무된 임의의 액체)가 튜브(290)에 수동적으로 복귀되어, 환자로의 재순환을 위해 거기서 냉각되게 할 수 있다. 다른 실시형태에서, 하기에 상세히 논의된 바와 같이, 액체는 환자로부터 능동적으로 제거(예를 들어, 적어도 하나의 카테터를 통해 흡입)될 수 있다.
도 8은 들것 위에서의 대상체의 이송을 위한 바퀴(306)에 의해 지지되는 들것(304) 위에 대상체(302)가 반듯이 누워 있는 냉각 디바이스의 이동 버전을 예시한다. 개별 저장소(308)는 조절가능한 높이를 갖는 카트(310) 상에 지지되며, 또한 들것 이동을 위해 바퀴(312) 상에 지지된다. 저장소(308)는 용량이 큰 탱크로서, 절단 또는 감소된 높이 부분(311)을 가지며, 여기서, 경부(314)는 환자의 두부(316)가 뒤로 저장소(308) 내로 젖혀질 수 있도록 배치된다. 백보드는 환자의 등 아래에 배치되어, 등과 두부를 지지한다. 백보드는 몇몇 구획을 포함하는 경사진 부재이다: 들것(304) 상의 수평의 배치를 위한 편평한 등 지지대(318), 저장소의 경부-수용 부분을 통하여 저장소(308)에 끼우는 경사진 경부 지지대(320) 및 경부 지지대(320)에 고정되고, 등 지지대(318)에 실질적으로 평행하게 유지되는 평평한 두부 지지대(322). 두부 지지대(322)는 경부 지지대(320) 상의 일련의 래칫(ratchet) 또는 지지홈(324)과 정합되어, 두부 지지대(322)의 위치가 경부 지지부(320)에 따라 조절될 수 있게 하면서, 두부 지지대(322)와 등 지지대(318) 사이에 실질적으로 평행의 관계를 유지한다.
사용 시에, 대상체(302)는 들것(304) 상에 반듯이 누워서 배치되고, 등 지지대(318)는 대상체의 등 아래에, 경부는 절단 부분(311)에 배치되고, 두부(316)가 들것(304)의 상부 에지에 걸쳐 뒤로 젖혀지고, 두부(316)가 두부를 유지하기 위한 리셉터클로도 소용되는 저장소(308)에 배치될 수 있다. 두부 지지대(322)의 위치는, 두부(316)의 정수리를 저장소(308) 내의 원하는 깊이에서 지지하도록 조절된다. 저장소(308)는 두부(316)의 정수리를 덮는 높이(또는 두피 냉각이 요구되지 않는다면 두부 아래)까지 냉액체(326)를 함유하여, 두부의 외부 냉각을 제공한다. 다른 실시형태와 함께 기재되는 바와 같이, 관주 카테터(미도시)는 대상체(302)에 삽입되고, 냉각액(326)은 저장소(308)로부터 대상체의 호흡소화관으로 펌핑되어, 원하는 냉각 속도와 정도를 달성한다. 저장소 및 들것 둘 모두가 바퀴 위에 존재하기 때문에, 이들은 동시에 수송되어, 수송 동안 저체온 요법을 대상체에게 시행한다.
개시된 방법, 시스템 및 디바이스에 관한 추가의 상세사항은 하기의 섹션에 제공되어 있다.
액체의 온도
영구적인 뇌 손상이 사망 및 장애의 주요 원인이기 때문에, 이들 치료가 다른 조직 베드에 대한 일시적 손상을 위태롭게 할지라도 더욱 효율적인 뇌 냉각 방법이 대상체의 전체 의학적 회복에 유익할 것이다. 0℃ 미만의 온도에서 동상이 때때로 발생할 수 있지만, 본 명세서에 사용된 온도에서 퍼플루오로카본(PFC) 및 다른 액체는 이러한 방법에서 유해하기보다는 더욱 유리한 것으로 여겨진다. 예를 들어, 가정용 냉동고는 이들의 내용물을 -17℃로 유지하고, 식품(예를 들어, 아이스크림)은 이러한 온도에서 입 또는 식도에 대한 손상 없이 섭취된다. 비슷하게, 냉동고로부터의 냉 물품은 허용가능하지 않은 조직 괴사의 위험 없이, 종창을 감소시키기 위하여 손상된 피부에 배치될 수 있다(아이스팩을 외상을 입은 영역으로).
식도 및 상기도는 다양한 손상을 주는 자극, 예를 들어, 위산 역류, 독성 주사, 방사능 및 화학요법에 대하여 회복력이 있다. 폐, 상기도 및 피부는 상당한 후유증 없이 잠기는 냉수 중의 0 내지 4℃ 물/염수에 노출된다. 폐에는 상당한 불리한 효과 없이 충분하게 큰 부피의 4℃ PFC가 주입되며, 그래서 폐에 의도적으로 유입될 수 있는 생체적합성 냉액체가 유해할 가능성이 낮다.
뇌 냉각의 유리한 결과는 예를 들어, 대략 33℃로의 뇌 냉각과 함께 관찰될 수 있다. 그러나, 뇌는 훨씬 더 낮은 온도를 견딜 수 있다. 동물은 이들의 뇌가 10 내지 26℃로 냉각되고, 이후에 상당한 신경 손상 없이 회복된 적이 있다. 인간은 26℃에서 관찰되었고 이후에 상당한 신경 손상 없이 회복되었다. 이러한 정보에 기초하여, 개시된 저체온 치료는 냉각된 액체가 30 또는 32℃ 미만, -20℃ 초과, 예를 들어, -10℃, 0℃, 10℃ 또는 20℃ 초과의 임의의 온도로 존재한다면, 허용되는 치료 위험과 함께 사용될 수 있는 것으로 여겨진다. 온도가 -30 내지 -20℃인 액체에 대한 간단한 피부 및 상기도 노출도 또한 허용가능한 연조직 손상의 위험을 지닐 수 있다. 또한, 연조직 손상의 위험이 증가하고 영구적인 뇌 손상의 위험이 감소됨에 따라, 연조직에 대한 냉 손상의 치료적 위험은 보다 낮은 온도에서 저체온 냉각을 유도한 다음 온도를 점차 증가시킴으로써 감소될 수 있다.
뇌의 사전냉각
개시된 뇌 냉각 방법은 심장정지, 뇌졸중, 뇌 손상 및 기타 증상의 치료와 관련하여 기재되어 있다. 그러나, 방법은 또한 예방적으로 사용되어, 환자가 심장-폐 우회 디바이스에 배치되는 심혈관 수술을 위해 환자를 준비시킬 수 있다. 이전의 연구는 아이스 배쓰(ice bath)를 사용하여 외부에서 25℃로 냉각된 인간에 대하여 수행되는 심장 수술의 우수한 결과를 나타내었다. 이러한 환자는 심장-폐 우회 또는 다른 수단에 의해 지원되지 않았던 30 내지 77분 동안 지속되는 순환 정지 후에 유망한 결과를 가졌다. 불리한 신경학적 결과가 생존 환자의 오직 3.8%에서, 특히, 30분보다 더 긴 시간 정지된 환자에서만 관찰되었다. 본 명세서에 기재된 뇌 냉각 방법은 이러한 절차 동안 아이스 배쓰를 사용한 외부 냉각을 대체할 수 있다,
뇌 대사의 "중단"이 저체온의 일부 보호 효과를 설명할 수 있지만, 뇌 혈류가 복구되는 때의 뇌의 온도도 또한 중요한 변수일 수 있다. 이러한 가설은 재관류-손상 이론과 일치한다. 신경 기능은 오히려 뇌 냉각 이전보다 뇌 냉각 후에 관류가 복구된 환자에서 더 나을 수 있다.
임상 징후
다양한 임상 증상이 본 명세서에 개시된 이러한 방법, 시스템 및 디바이스로 치료될 수 있다. 일부 실시형태에서, 상기 방법은 대상체가 냉각 방법을 사용한 치료로부터 이익을 얻을 증상을 갖는지 여부를 결정한 다음, 대상체가 그 증상을 갖는 것으로 결정되면 대상체를 상기 방법으로 치료하는 것을 포함한다. 또한, 상기 방법은 증상이 뇌의 상대적인 선택적 냉각 또는 비선택적 냉각으로부터 이익을 얻을지를 결정한 다음, 상기 유형의 냉각(또는 이들의 조합)을 시행하는 것을 포함한다. 이러한 증상 및 상기 증상의 관찰에 대응하여 개시될 수 있는 치료의 예는 하기의 표 1에 나타나 있다.
표 1
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뇌졸중의 치료: 많은 동물 연구에 의해, 뇌 냉각이 뇌졸중 후에 신경 기능의 향상 및 경색증의 양의 감소를 야기함이 나타났다. 뇌 냉각은 뇌졸중이 발병한지 수시간 후에 개시될지라도, 유익한 것으로 보이나; 치료적으로 유효한 저체온이 본 명세서에 개시된 방법에 따라 신속하게 유도되고 유지된다면, 더 많은 이익이 수득된다. 뇌 냉각이 뇌졸중을 위한 일차적 치료법으로 사용될 수 있으며, 뇌 혈관재형성을 시도하기 전에 교락 요법(bridging therapy)으로 사용될 수도 있다.
뇌 혈관재형성은 색전성 뇌졸중에 대한 표준 치료로 수행된다. 혈전용해제는 초기 증후 3시간 내에 의료 센터에 제시되는 환자에서 색전성 뇌졸중을 치료하기 위해 통상적으로 사용된다. 뇌 혈관 색전증의 기계적 제거(색전제거술)는 혈관재형성이 뇌졸중의 발병 후 최대 8시간까지 지연될지라도, 뇌졸중 후에 인간에서 신경 기능을 향상시키는 것으로 보인다. 시기적절하게, 혈관재형성은 또한 개시된 신속한 뇌 냉각의 유도 방법과 병용되어, 뇌졸중 후에 신경학적 결과를 상당히 향상시킨다.
열: 고열은 감염, 뇌졸중, 발작, 외상 및 약물 부작용에서 통상적으로 관찰된다. 열은 상당히 더 나쁜 신경학적 결과와 관련이 있다. 현재의 냉각 방법은 환자가 중환자실에서 엄중히 모니터링될지라도, 종종 열을 방지하거나 약화시킬 수 없다. 열은 종종 신속하게 나타나며(급등), 종종 오직 1 내지 2시간만 지속되고, 현재의 냉각 방법은 뇌가 정상체온인 경우에도 이러한 짧은 시간에 온도를 상당히 낮출 수 없으며, 심지어 열이 있는 중에 뇌를 냉각시키는데 더 오래 걸리는 것으로 예상될 것이다. 본 명세서에 개시된 방법은 심지어 열에도 불구하고 5 내지 15분 내에 뇌 온도를 33℃ 미만으로 감소시켜, 열을 신속하게 약화시키고, 뇌, 폐 및 신장과 같은 가치있는 장기에 대한 손상을 감소시킬 수 있다. 또한, 열 급등의 신속한 중단이 전신 염증 증상, 예를 들어, 패혈쇼크 및 급성 폐 손상에서의 결과를 향상시키는 것으로 여겨진다.
수술 절차: 또한, 뇌 손상은 신경수술, 심혈관 및 기타 수술 절차와 관련된 위험이다. 인지 및 행동 변화는 CABG(관상동맥 우회술) 후에 흔하다. 발작적 저혈압 및 저산소증은 이러한 고위험 수술 절차에서 흔하게 발생하는 것이다. 또한, 수술에 의한 뇌혈류의 중단은 뇌동맥류 복구 및 CEA(경동맥 동맥내막절제술)를 위해 필요하며, 이는 일시적 또는 영구적 신경 손상을 유도할 수 있다. 뇌 저체온은 수술중 저혈압, 저산소증, 뇌 혈류의 중단(색전성, 혈관 클램핑) 또는 염증으로부터의 수술-관련 뇌 손상으로부터 수술-관련 뇌 손상의 효과를 감소시키는 것으로 여겨진다. 손상 전의 뇌 냉각은 냉각이 손상 후에 개시되는 경우보다 더 나은 결과를 야기하여; 이에 따라, 수술-관련 뇌 손상을 예방하거나 최소화시키기 위하여, 냉각은 바람직하게는 수술의 개시 전에, 예를 들어, 마취의 유도와 수술의 시작 사이에 완료된다. 냉각은 수술 및 회복 기간 동안 유지될 수 있다.
심근경색증 및 허혈: 개시된 신속한 치료적 저체온의 유도는 또한 혈류가 이환부에 다시 확립되는지와 상관 없이, 심근경색증(MI)을 갖는 대상체에서 유리한 것으로 여겨진다. 관류가 재확립되지 않는다면, 냉각은 측부순환 및 부분 관류가 있는 영역을 지킴으로써 죽은 조직의 부피를 제한하는 것으로 여겨진다. 관류가 재확립되기 전의 심장 및 전신 동맥 혈액의 냉각은 재관류 손상을 감소시키는 것으로 여겨지며, 이는 MI 후의 영구적 심근 손상의 주요 원인일 수 있다. 이에 따라, 상기 방법의 일부 실시형태에서, 냉각은 혈관재형성 전에 개시되고, 관상동맥 기기 조작 또는 혈전용해술 동안 그리고 그 후에 계속된다. 신속하게 유도된 저체온이 임상적으로 바람직한 시간 내에 심장을 냉각시키는 동안, 재관류 노력이 진행된다. 신속한 심근 냉각이 발생하는데, 이는 냉각된 혈액이 모든 4개의 심실을 차지하고, 냉각된 전신 동맥 혈액이 심근에 공급되고, 심장의 외면이 식도 및/또는 위 내의 냉액체에 의해 직접 냉각되기 때문이다.
개시된 냉각 방법은 급성 MI에 대한 치료 동안 사용하기에 안전하다. 심장 부정맥은 MI 후에 흔하며, 전신 저체온이 위험을 증가시킨다. 따라서, 전기 심장율동전환이 이러한 심장 박동 이상을 상쇄시키는데 필요할 수 있지만; 흉부 및 몸통이 건조할 것이며, 디바이스가 전기 절연되기 때문에, 심장율동전환은 안전하게 수행될 수 있다.
염증을 약화시키기 위한 척수 또는 신체의 냉각: 개시된 방법은 또한 뇌 이외의 장기의 비특이적인 냉각을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 냉수를 사용한 입인두강 및 식도의 관류는 경부 또는 등 부상이 있는 외상 피해에 있어서, 전체 경부 또는 등 및 인접 구조, 예를 들어, 척추 및 척수(예를 들어, 경추)를 냉각시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 냉각은 불리한 잔류 신경학적 후유증을 약화시킬 것이다. 척수가 뇌보다 더 얇지만, 이는 더 많은 단열 조직 및 뼈에 의해 둘러싸인다. 그러나, 이들 단열 특징은 척수와 이의 주위 구조를 관류시키는 혈액을 냉각시킴으로써 극복될 수 있다. 개시된 방법의 위치선택적 특징은 특정 유형의 부상의 치료를 증진시키거나, 또는 특이적으로 이환부(affected area)의 냉각을 최대화시키는데 사용될 수 있다.
전반적인 척수의 냉각은 뇌의 신속하고 현저한 냉각에 의해 달성될 수 있으며, 이는 척수 주위를 순환하는 뇌척수액(CSF)의 온도를 낮춘다. 튜브를 통한 입과 식도 내의 냉 액체의 도입은 유동이 뇌간 바로 근처에 존재하는 조직과 접촉함에 따라, 높은 속도의 대류열전달을 도입할 것이며, 이는 또한 기저 뇌졸중 또는 뇌간에 대한 기타 손상의 경우에 도움이 될 수 있다. 또한, 차례로 뇌로부터 (예를 들어, 경정맥을 통해) 복귀하는 혈액의 냉각은 심장 내의 혈액을 냉각시키며, 이는 결과적으로 대동맥을 통해 그리고 척추동맥으로 펌핑되며, 척수를 관류시킨다. 냉 액체를 식도 및 위에 도입함에 의한 종격의 냉각은 위 및 아래 대정맥을 통해 심장으로 복귀하는 혈액을 냉각시킬 것이다. 이어서, 이러한 냉각된 혈액은 척수로 펌핑될 것이다. 또한, 대동맥 혈의 온도를 저하시킴으로써 달성되는 전체 체온의 감소는 염증 반응을 감소시키고 영구적인 신경 손상을 최소화하는데 도움이 되는데, 영구적인 신경 손상은 다르게는 이의 뉴런에 대한 손상으로부터 뉴런 바디에 발생할 수 있다.
상부 호흡소화관의 위치선택적 냉각이 냉각을 직접적으로 경추에 표적화시킬 것이지만, 보다 전반적인 냉각을 사용하여, 뇌 또는 비-뇌 구조(예를 들어, 척수 손상, 또는 다른 유형의 외상, 예를 들어, 다발골절)에 대한 외상의 전신 염증 영향을 최소화시킬 수 있다. 전체 호흡소화관(그러나 폐는 아님)의 냉각 관주에 의해 달성되는 두부의 완전한 침지는 전신 냉각을 최대화시키고, 보호적 냉각의 유도를 가속화시켜, 염증 반응을 최소화시킬 것이다. 예를 들어, 관주 튜브의 코인두, 입인두 및 식도(및 임의로 위)로의 배치는 광범위한 신체 냉각을 신속하게 유도할 것이다.
가능한 척수 손상의 경우에, 물론, 신속한 뇌 및/또는 신체 냉각의 유도 동안 척추를 안정화시키기 위하여 주의해야 한다. 경부의 신전을 방지하는 디바이스 및 방법이 이러한 환경에서 바람직하다.
개시된 방법은 척추가 얇고 저 질량의 것이기 때문에 모든 높이에서 상대적으로 신속하게 척수를 냉각시킨다. 상부 척추의 냉각이 증진되는데, 이는 상부 척추가 두개골로부터 차가운 뇌척수액(CSF)에 잠기기 때문에, 그리고 상기도로부터의 직접적인 냉각 때문이다. 경추 냉각은 냉각의 개시 15 내지 30분 또는 15 내지 20분 내에 33℃에 표적화된다.
폐 냉각: 폐 손상, 예를 들어, 성인 호흡곤란증후군(ARDS)과 관련된 염증은 예방하고 치료하기 매우 어렵다. 스테로이드를 사용한 광범위한 항-염증 조절은 엇갈린 결과를 가지며, 조기-단계 ARDS에 권고되지 않는다. 시판하게 된 패혈증에 대한 유일한 표적화된 항-염증 치료법은 너무 독성이어서, 단독 ARDS가 있고, 다른 장기 기능상실이 없는 환자에서 사용을 금하며; 약물과 관련된 이환율 및 사망률은 ARDS 단독의 것보다 더 크다. 대조적으로, 전신 저체온은 광범위한 항-염증 특성을 나타내면서, 보다 적은 독성을 야기한다. 이전의 연구는 다르게는 비-냉각 치료에 대하여 난치성인 중증 ARDS에서 체온이 33℃로 감소되는 경우, ARDS에서의 냉각이 예측된 사망률의 33% 감소를 제공하는 것을 보여준다.
본 명세서에 개시된 비-선택적 냉각 방법이 사용되는 경우, 폐는 대부분의 다른 장기(뇌를 포함함)보다 더욱 신속하게 냉각한다. 폐는 신체에서 혈류 대 장기 질량의 비가 가장 크고, 전체 심박출량이 이들에 퍼져 나간다. 또한, 폐는 대부분의 폐의 체적을 구성하고 낮은 대사율을 갖는 에어스페이스(airspace) 내의 공기에 의해 단열된다.
병원 감염 폐렴의 방지: 특히 기계적 환기를 제공한 환자에 대한 병원 감염 폐렴은 상기도로부터 폐로의 박테리아의 이동에 의해 야기된다. 현재, 벤틸레이터 관련 폐렴의 예방은 빈번한 구강 관리와 함께 1일 2회 적용되는 항박테리아 구강 세정액을 사용하여 상기도를 소독하기 위한 시도에 의존한다. 그러나, 개시된 냉각은 상기도를 통해 통과하는 다량의 냉각액을 사용하여 박테리아를 세척해내어, 상기도 내의 생존가능한 박테리아의 개수를 감소시킴으로써, 벤틸레이터 관련 폐렴의 이환수를 낮추는 것으로 여겨진다. 냉각액의 온도는 박테리아가 불활성이되게 하며, 심지어는 다수의 종을 사멸시킬 수 있다. 또한, 프로필렌 글리콜을 함유하는 냉각액은 생존가능한 박테리아의 개수를 추가로 감소시키는데, 이는 프로필렌 글리콜이 광범위한 항박테리아 특성을 갖기 때문이다.
냉액체의 폐로의 유동의 저해
폐에 냉각액이 없게 유지하는 것은 상기도로부터의 액체의 소실을 방지하고, 폐에서의 보다 효율적인 기체 이동을 유지하는데 도움을 준다. 냉각액의 폐로의 유입을 저해하기 위한 수단으로서 다양한 기술이 개시된다.
예를 들어, 대상체의 두부 및 경부는 사용을 금하지 않는 한(예를 들어, 경추 손상이 예상되는 경우) 신전될 수 있다. 두부 및 경부 신전은 액체의 높이에 비하여 기관(후두)의 입구의 높이를 상승시킴으로써 폐에 유입되는 냉액체의 위험을 줄인다.
대안적으로, 대상체는 두부가 흉부보다 더 낮은 트렌델렌부르크(Trendelenburg) 자세로 배치된다. 이러한 자세는 액체의 높이에 비하여 전체 기관 및 폐의 높이를 상승시킴으로써 냉 유체가 폐에 유입되는 위험을 감소시킨다.
다른 가능성은 대략 10 내지 30㎝ 두께의 견고한(아마도 패드를 댄) 보드 상에서 대상체의 흉부를 상승시키는 것이다. 흉부 상승은 액체의 높이에 비하여 전체 기관 및 폐의 높이를 올린다. 일부 실시형태에서, 보드는 두부측 부분의 정중선에 디펙트를 가져, 보드 상의 충돌 없이 경부가 과다신전되게 할 것이다. 보드는 또한 박스를 지지하기 위해 박스 아래에 위치한 2 내지 6㎝ 두께에서 두부 아래에 신전될 수 있다. 보드는 CPR을 지지하기에 충분히 견고할 수 있다.
방법의 상세한 설명에 나타낸 바와 같이, 팽창가능 풍선 커프(또는 유아에 대해서는 잠재적으로 커프 없이)가 있는 멀티-루멘 기관내 튜브는 또한 냉액체가 폐에 유입되지 못하게 하는 작용을 할 수 있다. 또한, 기관내 튜브는 원위 개구가 팽창가능 풍선 커프의 인접 원위(위)에 있고, 근위 단부가 흡입부에 연결되는 제3 루멘을 포함할 수 있다. 이러한 제3 루멘은 풍선 커프에 대해 원위의 액체를 제거하여, 풍선 커프에 의해 차단될 필요가 있을 액체의 양을 감소시키는 것을 보조할 수 있다.
액체 유동 및 온도
냉액체 저장소(1개가 사용된다면)로 도입되는 액체의 총량은 환자의 요구에 따라 달라질 수 있다. 이미 언급된 바와 같이, 냉액체는 전체 두부 및 안면을 덮는 깊이로 도입될 수 있다. 다른 옵션은 액체 높이를 기관내 풍선의 높이 아래로 유지하는 것이다. (하나 이상의 펌프로부터의) 펌프 유동이 조절되어, 0.2 내지 10ℓ/분 범위의 전체 액체 유량을 내부 카테터(입 또는 코로의 카테터의 삽입을 포함하지 않는 다른 구조의 두피에 대한 냉각액의 유동을 지향하기 위해 제공될 수 있는 카테터를 포함하지 않음)에 제공할 수 있다. 특정 예에서, 이러한 유동은 적어도 10ℓ/분이며, 특정 예에서, 약 또는 최대 20 또는 30ℓ/분의 총 유량이다. 총 유량은 전형적으로 1 내지 6개(예를 들어, 2 내지 6개) 이상의 카테터를 통해 운반된다. 유입 및 유출 카테터의 위치는 필요에 따라 시간에 따라 변경되어, 두피 상의, 그리고 상기도 내의 액체 유동을 유지하거나 제공할 수 있다.
특정 실시형태에서, 유동은 성인에 대해서는 상기도로는 0.2 내지 10ℓ/분으로, 그리고 두피 상에서는 1 내지 20ℓ/분으로, 소아 및 유아에 대해서는 그보다 적게 조절될 수 있다. 특정 저장소(예를 들어, 두부가 부분적으로 또는 완전히 침지되는 박스)는 박스가 모든 측에서 약 35㎝라면, 약 40 리터의 총 부피를 갖는다. 이러한 특정 실시형태에서, 총 1 내지 15 또는 20 리터, 예를 들어, 약 10 리터의 냉 유체가 저장소에 제시된다. 저장소의 내용물은 1분에 약 2회 이상 순환되어, 원하는 정도의 대류를 달성하여, 두부 냉각을 증진시킬 수 있다. 낮은 온도에서 매우 높은 유동의 냉각을 유지하기 위하여, 심지어 더 큰 냉각된 액체의 저장소, 예를 들어, 원하는 온도(예를 들어, 5℃, 0℃, -5℃ 이하)의 20 리터 이상(예를 들어, 적어도 30 또는 40 리터)의 냉각액을 함유하는 저장소가 사용될 수 있다.
최적의 냉각을 달성하기 위하여, 상이한 유량의 냉각액이 상기 방법에 사용되는 상이한 카테터를 통하여 도입될 수 있다.
컨테이너 내의 액체의 온도는 컨테이너가 사용되는 경우 시간에 따라 다양한 냉각 수단에 의해 조절될 수 있다. 상이한 냉각 유체 온도는 유량과 유사하게, 상이한 카테터를 통해 도입될 수 있다. 예를 들어, 하기의 방법 중 임의의 하나 또는 이들의 조합을 사용하여 온도를 조절할 수 있다:
- 냉액체를 저장소에 첨가하여, 박스 내의 액체의 부피를 증가
- 보다 가온된 액체의 분취액을 제거하고, 이를 보다 냉각된 액체로 대체
- 비활성 냉 물체를 저장소 내에 배치
- 동결수(워터 아이스(water ice)) 또는 CO2(드라이 아이스)를 저장소 내에 배치(본 명세서에 사용되는 바와 같이, "아이스"는 총칭적으로 실온에서 액체 또는 기체인 고체 상태의 비-금속 물질의 상태를 말한다)
- 열교환기를 저장소 및 펌프와 일렬로 배치.
추가의 공기가 식도 카테터 및 기관내 튜브의 풍선에 첨가되어, 풍선 내의 공기가 냉각됨에 따른 풍선 내의 부피 소실을 보충할 수 있다.
액체의 초기 온도는 -30℃ 내지 +30℃ 범위이다. 최적의 온도는 치료 동안 달라질 수 있으나, -20 내지 +10℃ 범위 내에 존재하는 것으로 여겨진다.
이상적인 냉각액은 생물학적으로 적합하며(예를 들어, 비독성), 융점이 -50 내지 +10℃이고, 비점이 50℃ 초과이다. 이들을 만족시키는 액체의 예는 실시예 12에 열거되어 있다. 액체는 치료 동안 조합되거나, 연속하여 사용될 수 있다.
다단계 냉각(유도 및 유지)
본 명세서에 개시된 냉각 방법은 예를 들어, 유도 및 유지 요법을 사용하는 다단계 치료를 위해 사용될 수 있다. 특정 예에서, 유도 단계는 15분 내지 1시간이 걸리고, 12시간 초과, 예를 들어, 12 내지 48시간, 예를 들어, 최대 1주 이상 지속될 수 있는 유지 단계로 이어질 수 있다. 치료의 유도 및 유지 단계에서 상이한 액체 및 온도를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 보다 낮은 액체 온도가 유도 단계에서 사용되어, 보다 신속한 냉각을 달성할 것인 한편, 보다 높은 액체 온도가 유지 단계에서 사용될 수 있다. 일 예에서, 유도 단계 동안의 냉각액의 온도는 -30℃ 내지 5℃인 한편, 유지 단계에서의 액체 온도는 5 내지 30℃이다. 또한, 액체 유량은 치료 단계에 따라 달라진다.
일 예에서, 0℃ 미만의 액체 온도가 유도 단계를 위해 사용되어, (예를 들어, 처음 30분 내지 1시간의 냉각 동안) 보다 신속한 냉각을 달성한다. 0℃ 미만의 온도는 액체, 예를 들어, 아이스로 냉각된 프로필렌 글리콜을 사용하여 달성할 수 있다. 냉각 유도 후에, 보다 높은 온도(0℃ 초과)가 유지를 위해 사용된다. 이러한 온도는 냉각수로 용이하게 달성된다.
절차로부터 최대의 이익을 달성하기 위하여 대상체를 신속하게 냉각시키는 긴급성을 고려해 볼 때, 보다 덜 조절된 조건이 신속한 유도 동안, 예를 들어, 대상체를 병원로 데려가기 전에, 현장에서(예를 들어, 구급차에서) 사용될 수 있다. 이런 이유로, 대상체의 두부는 치료로부터 이익을 얻을 수 있는 환자를 구하기 위해 보내진 응급 구조 대원에 의해 얼음물의 컨테이너에 부분적으로 또는 완전히 침지될 수 있다. 또한, 컨테이너 내의 액체는 보다 더 조절된 병원 환경(중환자실에서와 같은)에서 달성될 것보다 덜 조절된 온도에서 호흡소화관을 위한 관주액을 공급하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 상이한 신체 영역이 상이한 치료 단계에서 냉각될 수 있다. 냉액체의 강제 유동을 사용한 관주에 적절한 두부 및 호흡소화관의 부분은 외부 구조, 예를 들어, 두피 및 안면, 및 호흡 소화관의 내부 구조, 예를 들어, 코-인두(코 튜브를 통한), 입-하인두(입 튜브를 통한), 식도(하나 이상의 식도 튜브를 통한), 및 위(위 튜브를 통한)을 포함한다. 유도 동안, 뇌 및/또는 신체의 신속한 냉각이 요구되는 경우, 다르게 사용을 금하지 않는 한, 모든 영역이 냉각을 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 유도 동안 카테터가 위를 제외한 이들 모든 위치 내에 배치될 수 있다. 유지 치료 동안, 외부 및 내부 구조의 임의의 조합을 사용하여, 원하는 표적화 또는 비-표적화 냉각 정도를 달성할 수 있다.
선택적 및 비선택적 냉각
개시된 방법 및 디바이스를 사용하여 뇌를 우선적으로 또는 선택적으로 냉각시키거나("선택적 방식"), 또는 전신을 냉각시킬 수 있다("비선택적 방식").
선택적 방식에서, 냉각액을 적용함으로써 냉각될 호흡소화 영역은 오직 코인두 및 입인두이며; 일부 실시형태에서, 냉각액은 또한 상부 식도로 도입된다. 액체는 임의로 하부 식도를 폐색시키는 식도 풍선을 배치시킴으로써, 하부 식도 및 위로의 유입이 저해될 수 있다. 그러나, 선택적 냉각의 다른 실시형태에서, 식도는 기계적으로 폐색되지 않는다.
비선택적 방식에서, 하기의 영역이 냉각된다: 두피, 안면, 코인두, 입인두 및 위장관의 부분, 예를 들어, 상부 식도, 하부 식도 및 위 중 하나 이상 또는 전부.
선택적 냉각은 뇌의 보다 낮은 온도와 함께, 신체 심부의 보다 낮은 온도, 이에 따른 보다 적은 전신 독성을 가능하게 한다. 동물 모델에서, 15℃의 뇌 온도는 매우 잘 허용되며 치료적인 것으로 관찰된 한편, 30℃ 미만의 신체 심부 온도는 심장 부정맥, 폐렴 및 전해질 변화의 위험 증가와 관련이 있다. 그러나, 25℃ 또는 심지어 20℃만큼 낮은 온도로의 매우 강한 냉각일지라도 뇌에 불리한 효과를 갖는 것으로 보이지 않는다. 냉각의 이익은 냉각 정도의 비선형 함수일 것 같으며, 이는 냉각이 세포의 대사율을 감소시키며, 이는 차례로 조직에서의 산소 요구와 열 발생 둘 모두를 감소시킬 뿐 아니라 재관류 손상과 관련된 다른 생화학 반응 속도와 종창을 감소시키기 때문이다.
비선택적 냉각을 사용하여, 신체의 도처의 염증과 허혈의 영향을 감소시킨다. 많은 질환 또는 증상은 염증; 장기 허혈 후의 재관류 손상, 패혈성 쇼크, 외상 및 알러지 반응에 의해 구동된다. 냉각은 강한 광범위한 비선택적 항염증 효과를 가지며, 현재 이들 증상 중 일부를 위한 치료로서 연구 중에 있다.
두개골 외측의 냉각은 대상 장기 또는 구조, 또는 일반적으로 신체에 제공하는 동맥 혈액을 냉각시킴으로써 달성된다. 개시된 디바이스 및 방법의 사용으로부터의 실험 데이터에 의해, 심지어 하부 식도 또는 위의 냉각 없이도, 뇌의 냉각과 대략 동일한 속도와 정도로의 대동맥 혈액의 상당한 냉각이 입증되었다. 두부 및 경부로부터 심장으로 복귀하는 혈액을 완전히 냉각시킴으로써 동맥 혈액 온도(대동맥에서 측정)가 감소된다. 안면 및 두피의 냉각은 외부 경동맥을 통하여 두부의 두개외 구조로 전달되는 혈액을 냉각시킨다. 또한, 상부 호흡소화관(식도 위) 주위의 조직의 냉각은 또한 복귀하는 경정맥 혈액을 냉각시킨다. 두부 및 전체 상기도의 모든 가능한 표면 냉각은 효율적인 비선택적 냉각을 제공한다.
상부 호흡소화관, 예를 들어, 하부 식도 및 위 아래 구조의 냉각은 전신 동맥 혈액 냉각 속도를 증가시킨다. 전체 종격의 냉각은 전장의 식도뿐 아니라 위를 냉각시킴으로써 달성될 수 있다. 상위 대정맥, 우심방 및 하위 대정맥에 대한 식도의 근접성은 신체의 모든 영역으로부터 나오는 혈액의 냉각을 가능하게 한다. 따라서, 전체 식도 및 위의 냉각은 정맥 혈액이 심장으로 복귀됨에 따라 모든 정맥 혈액을 냉각시킴으로써 보다 신속한 전신 동맥 혈액의 냉각을 가능하게 한다.
현재 이용가능한 몇몇 저체온 디바이스가 비선택적 냉각에 의존하지만, 이들은 비선택적 냉각을 치료적으로 유리한 속도로 제공할 수 없다. 본 명세서에 개시된 방법 및 디바이스는 5 내지 10분 내에 최적으로 뇌 내의 치료적 표적 온도를 달성할 수 있지만, 대부분의 비-뇌 장기의 최적의 냉각은 더 많은 시간이 필요할 것으로 예상된다. 장기의 냉각 속도와 정도는 장기를 관류시키는 혈액의 온도에 더하여, 장기의 질량, 대사 활성, 혈류량 및 냉 유도 혈관수축을 포함하는 다수의 인자에 좌우될 것이다. 이러한 시간은 3 내지 6시간을 필요로 하는 종래 기술의 디바이스가 필요로 하는 것보다 훨씬 더 적다.
본 명세서에 개시된 방법 및 디바이스는 또한 신속한 저체온의 "버스트(burst)"를 치료의 과정에서 조기에 이환 장기(예를 들어, 뇌)에 전달할 수 있다. 신속한 저체온의 유도는 염증 캐스케이드의 시작 시에 더욱 확정적인 염증의 감소를 가능하게 하며, 이는 치료의 유효성을 상당히 증진시키는 것으로 여겨진다. 연장된 기간 동안 신체의 도처에서 유지된다면 독성인 것으로 여겨질 것보다 훨씬 더 낮은 조기 온도가 표적 장기 내에서 간단히 수득될 수 있다. 이러한 신속한 냉각은 소정의 온도에서 짧은 기간 동안 냉각 유체의 도입을 포함하여, 통상의 디바이스보다 훨씬 더 짧은 기간(예를 들어, 6시간, 5시간, 4시간, 3시간, 2시간, 1시간 이하)에 원하는 치료 효과를 달성할 수 있다.
전신 냉각의 임의의 "오버슈트(overshoot)"는 신속하게 교정될 수 있다. 냉각의 지속이 디바이스의 지속적 사용을 필요로 하기 때문에, 단지 치료의 중단 또는 축소만으로 체온의 증가가 야기될 것이다. 이러한 신속한 가역성은 신체 심부 온도가 원치않는 수준까지 떨어지면 전신 물질의 가온을 필요로 하는 다른 종래 기술의 디바이스와 대조적인 것이다. 전신 물질의 가온은 느린 과정이다. 훨씬 더 신속한 가온이 필요하다면, 외부 가온이 적용될 수 있다.
방법의 특정 실시형태에서, 치료적 저체온(예를 들어, 대략 33℃ 이하의 심부 온도 범위까지)이 비선택적으로 유도되고, (예를 들어, 뇌의 매우 신속한 냉각을 야기하는 뇌의) 선택적 냉각으로 이어진다. 경동맥 및 척추동맥을 통한 신체로부터의 따뜻한 혈액의 전달은 통상 뇌 냉각을 상쇄시킨다. 그러나, 비선택적 냉각은 신속한 전신 동맥 혈액 온도의 감소를 야기하여, 보다 냉각된 혈액이 상위 흉부에서의 경동맥 및 척추 순환에 유입되게 하고, 심지어 더 낮은 온도의 혈액이 뇌에 유입되게 한다. 비선택적 냉각은 또한, 뇌에서 달성되는 최소 안정기 온도를 감소시킨다. 뇌의 최소 온도는 신체로부터 두부로 전달되는 열의 양과, 디바이스에 의해 전달되는 냉의 양 간의 균형이다. 비선택적 냉각이 전신 동맥 혈액 온도를 감소시키기 때문에, 보다 적은 열이 두부로 전달되고, 보다 낮은 뇌 온도가 가능하며, 더욱 신속하게 달성된다.
뇌가 이의 목적 온도(비침습적 측정에 의해 예측하거나 직접 측정)에 도달한 후에, 냉각은 비선택적 냉각으로부터 선택적 두부 냉각으로 전환될 수 있다. 이러한 변화는 신체 심부 저체온으로부터의 불리한 반응을 피하는데 도움을 준다. 선택적 냉각이 개시된 후에, 신체 가온이 개시되어, 신체 심부에 대한 온도 감소를 늦추거나 역전시킬 수 있다. 또한, 뇌가 보다 낮은 온도가 되게 하는데 냉각이 사용되는 동안, 신체 심부에 가온이 적용되어 신체를 한 온도로 유지시킬 수 있다.
신속한 유도를 사용한 응급 냉각
개시된 방법 및 디바이스의 하나의 이점은 이들이 뇌 및/또는 기타 장기 및/또는 전신의 신속한 냉각을 유도할 수 있다는 점이다. 이러한 신속한 냉각은 영구적인 조직 손상의 방지 및 전체 기능 회복의 촉진에 특히 유리한 것으로 관찰되었다. 따라서, 개시된 특정 실시형태는 현장의 응급 구조 대원(EMT)과 관련되어, 예를 들어, 환자를 병원으로 수송하는 구급차에서 EMT에 의해 사용하기에 유용할 수 있다.
냉각 유닛(예를 들어, 작은 동결기)이 구급차에 배치될 수 있으며, 상기 유닛은 5 내지 50 리터의 냉각액(예를 들어, 수 중 20% 프로필렌 글리콜)을 함유한다. 구조 대원이 뇌 및/또는 신체 냉각으로부터 이익을 얻을 증상(본 명세서의 다른 섹션에 기재된 바와 같음)이 있는 대상체를 찾는다면, 뇌 또는 신체 냉각의 신속한 현장-유도는 환자의 두부를 냉각액에 신속하게 침지시킴으로써 달성될 수 있다. 현장에서의 디바이스의 사용을 단순하게 하기 위하여, 각얼음(ice cube)이 액체에 배치되어, 이를 원하는 온도로 유지시킬 수 있다. 또한, 두부가 침지되는 얼음을 넣은 액체는 두부에 대하여 외부에서의 유동으로 지향되고/거나 호흡소화관으로의 도입을 위한 관주 유체로서 사용될 수 있는 냉각액의 저장소로 소용된다. 이러한 디바이스의 간단한 버전은 임의의 전기 냉각 디바이스를 필요로 하지 않을 것이며, 냉각은 병원으로의 환자의 수송 기간 동안 얼음으로 냉각된 액체만으로 유지될 수 있다.
현장에서 사용되는 경우, 그리고 신속한 유도와 수송의 용이성을 위해 기술을 단순화시키기 위하여, 호흡소화관의 냉각은 두부의 부분적 또는 전체적 침지에서 발생할 것과 같은 두부에 대한 냉각액의 외부 적용 없이 수행될 수 있다. 그러나, 냉각액은 임의로 외부에서 두부에 적용되어, 치료적 저체온 유도의 신속성을 더 가속화시킬 수 있다.
펌프 실시형태
다수의 펌프가 시스템에 도입될 수 있다. 예를 들어, 제1 펌프는 액체(118)를 컨테이너(112) 내의 저장소로부터 제1 유입관을 통해 제1 펌프로 빼내고, 액체를 제1 복귀관을 통해 두부 외측의 컨테이너(112)로 다시 펌핑시킬 수 있다. 제2 펌프는 액체를 동일한 저장소로부터 제2 유입관을 통해 제2 펌프로 빼내고, 액체를 제2 복귀관을 통해 상기도 카테터로 다시 펌핑시킬 수 있다. 개별 펌프의 이점은 두부 주위의 외부의 전달이 바람직하다면, 그리고 상기도로의 내부 전달을 위해서 액체의 유동이 따로 조절될 수 있다는 점이다. 이는 상기도 카테터의 직경이 액체의 외부 전달을 위한 도관과 상이하고, 외부 및 내부 전달 시스템의 내부 저항이 상이한 경우, 특히 유리하다.
다수의 카테터를 사용하는 방법의 다른 실시형태에서, 각각의 카테터는 개별 펌프와 연동될 수 있다. 대안적으로, 개별 펌프는 액체 유동을 특정 해부학적 영역 내의 모든 카테터, 예를 들어, 모든 외부 카테터, 모든 내부 카테터, 상기도 내의 모든 카테터, 위장관(식도 및/또는 위) 내의 모든 카테터 등에 제공할 수 있다.
다양한 유형의 펌프, 예를 들어, 연동 펌프(예를 들어, 유체와의 접촉 없이 유체의 펌핑을 가능하게 하기 위함), 다이아프램 펌프(예를 들어, 일회용 헤드와 함께) 및/또는 기어 펌프(예를 들어, 일회용 헤드와 함께)가 본 발명에서 사용될 수 있다.
펌프(들)는 수동적으로 작동되거나, 또는 예를 들어, 전기에 의해 비-수동적으로 구동될 수 있다. 손 또는 발 구동식 펌프는 전력원이 용이하게 이용가능하지 않을 수 있는 구급차 또는 병원 외측의 현장 작동을 위해 사용될 수 있다. 일단 환자가 구급차 또는 병원으로 수송되면, 펌프가 전기 에너지원에 연결되고, 자동화된 펌핑이 개시되고 지속된 기간 동안 계속될 수 있다.
또한, 배터리를 사용하여 현장 작동을 위해 펌프를 구동시킬 수 있다.
식도관
다양한 특수 단일 또는 멀티-루멘 식도관을 제공하여, 식도 관주를 사용하는 이들 실시형태에서 고 유동의 냉각액을 호흡소화관에 전달할 수 있다. 예를 들어, 단일, 이중, 삼중 및/또는 사중 루멘 카테터가 사용될 수 있다.
삼중-루멘 카테터와 함께, 예를 들어, 내부 루멘이 가장 길고 위 접근을 제공할 수 있다. 일부 예에서, 루멘은 흡입부에 연결된 비위관으로 작용하여, 예를 들어, 필요에 따라 위로부터 냉각액 및 기타 액체를 제거한다. 대안적으로, 긴 내부 루멘을 사용하여, 냉각액을 위에 전달할 수 있다. 중부 루멘은 예를 들어, 냉각액을 전달할 수 있으며, 다수의 상이한 방향으로, 그리고 상이한 식도의 높이에서의 냉각액의 전방향 전달을 위한 다수의 측부 포트를 가질 수 있다. 다른 실시형태에서, 중부 루멘은 공기 및/또는 액체가 팽창가능 부재(예를 들어, 커프)로 통과되게 하여, 부재의 팽창을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 필요에 따라(예를 들어, 외부 루멘과 유체가 연통하는 부압 디바이스를 통하여) 외부 루멘은 선택적으로 냉각액을 식도로부터 제거할 수 있다. 다른 실시형태에서, 상기 기재된 중부 루멘과 유사하게, 외부 루멘은 공기 및/또는 액체가 팽창가능 부재(예를 들어, 커프)로 통과되게 하여, 부재의 팽창을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 그러나, 입을 향해 식도의 벽을 따라 이동하는 복귀 액체의 유동은 액체에 대한 열 전달을 달성하는데 도움이 될 수 있으며, 이런 이유로, 복귀 액체의 흡입은 통상 특수 환경 없이 사용되지 않는다.
대안적으로, 상이한 길이의 다수의 평행한 튜브를 사용하여 유동을 식도에 도입할 수 있다. 가장 긴 튜브는 이의 팁이 위 내에(또는 근처에) 있게 위치할 수 있으며, 냉각액을 위에 도입하고/거나 냉각액을 위로부터 흡입하고/거나 위로부터 압력 경감을 제공하도록 소용될 수 있다. 이러한 튜브는 튜브 주위(예를 들어, 튜브의 원위단으로부터 약 10㎝)에 팽창가능 풍선을 가질 수 있다. 풍선은 이것이 위를 식도에서의 액체의 유동으로부터 분리하는 것이 가능하다면, 냉각액이 더욱 선택적으로 식도로 지향되도록 하부 식도에서 선택적으로 팽창될 수 있다. 중간 길이의 튜브는 이의 팁이 팽창가능 풍선 가까이(예를 들어, 제1 튜브 상의 풍선으로부터 약 3㎝)에 위치하기에 충분한 길이의 것일 수 있다. 일부 실시형태에서, 중간 길이의 튜브는 냉각액의 전달 및/또는 냉각액의 흡입(예를 들어, 실시형태에 따라)을 위한 하나 이상의 측부 포트를 포함할 수 있다. 짧은 튜브는 이의 팁이 하인두 내에 위치할 수 있고, 중간 길이 튜브와 유사하게 하인두 내의 냉각액의 전달 및/또는 제거를 위하여 이의 길이를 따라 하나 이상의 측부 포트를 가질 수 있다. 기관내 카테터는 환자의 기관 내에 배치되도록 구성되지만, 상술된 식도 카테터와 유사 특징부를 포함할 수 있다.
입 및/또는 코 배수
디바이스 및 방법의 특정 실시형태의 이점은 냉각액이 흡입의 적용 없이 입 및/또는 코를 통해 수동적으로 배수될 수 있다는 점이다. 입 및/또는 코를 통한 액체의 제거는 호흡소화관 내에 배치된 흡인 튜브를 통한 제거를 방지하며, 이에 따라, 호흡소화관의 조직의 큰 표면적 상에서의 냉각 복귀 액체의 유동을 제공하여, 조직과 액체 간의 열 교환을 최대화시킨다. 두부가 냉각액에 완전히 침지되거나, 부분적으로 이에 침지되거나 또는 전혀 침지되지 않게 하면서, 입 및/또는 코를 통한 액체의 배수가 달성될 수 있다.
일부 예시된 실시형태에서, 입 밖으로 배수되는 액체는 두부 근처의 저장소에 수집된다. 그러나, 배수액은 또한 두부 아래에 또는 옆에 존재하는 저장소에 수집될 수도 있다. 예를 들어, 두부는 액체를 저장소로 복귀시키는 개구(들)를 갖는 투과가능 지지 표면에 의해 지지될 수 있다. 이어서, 지속적인 조직의 냉각을 위해 배수액은 냉각되고 호흡소화관으로 복귀될 수 있다.
일 예에서, 두부를 옆으로 돌려, 액체가 한 쪽의 입 밖으로 쏟아져 나오게 할 수 있으며, 이는 냉 액체가 안면과 접촉하는 것을 방지하는데 도움을 주고, 상기도 내의 액체의 높이를 낮춤으로써 액체를 폐 밖에서 유지시키는데 도움을 줄 것이다. 두부는 두부를 옆으로 돌려 유지하기 위해 온건하게 구속될 수 있으며, 입의 모퉁이를 아래로 당겨, 입으로부터의 액체의 유출을 조장할 수 있다. 일부 실시형태에서, 배수 튜브를 입에 배치하여, 입 안의 액체의 높이를 더 감소시킬 수 있다. 또는, 액체는 흡인에 의해(예를 들어, 하나 이상의 기관내 및/또는 식도 튜브를 통한 부압 디바이스를 통해) 주로 빼내어질 수 있으며, 이 경우 개방된 입과 코는 "안전 출구"로 소용되어, 임의의 압력의 증가를 방지한다.
냉각액
다양한 생물학적으로 적합한 냉각액이 개시된 방법 및 디바이스에서 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있다. 생물학적으로 적합한 액체는 비독성인 것 또는 처리되는 문제의 관점에서 허용가능한 독성의 수준을 갖는 것이다. 일부 독성은 적으며(예를 들어, 글리세롤에 의해 야기될 수 있는 피부 자극), 다른 독성은 더욱 상당하나(예를 들어, 전해질 불균형을 야기) 의학적으로 관리될 수 있다. 액체의 사용에 의해 제시되는 독성이 액체가 사용되는 임상 환경에 허용가능한 한, 액체는 생물학적으로 적합한 것으로 고려된다. 중증의 영구적인 손상을 야기하거나 생명과 적합하지 않은 임의의 액체는 생물학적으로 적합한 것으로 고려되지 않는다. 고 농도에서 생물학적으로 적합하지 않을 수 있는 액체는 일부 예에서 희석제(예를 들어, 물)를 첨가함으로써 생물학적으로 적합하게 만들어질 수 있다.
생물학적으로 적합한 액체의 예는 표 2에 열거되어 있다.
본 명세서에 개시된 방법에 특히 유용한 냉각액은 높은 열 용량과 열 전도성을 갖는다. 기체는 이러한 목적에 적절하지 않는데, 이는 이들이 개시된 방법에 의해 예상되는 속도로 열을 전달시키지 않기 때문이다. 특정 액체에 대한 최적의 온도는 종종 동결 없이, 그리고 허용가능한 정도의 점도로 달성될 수 있는 가장 낮은 온도이다.
보다 차가운 냉각액은 뇌 및/또는 신체 냉각 속도를 증가시키지만, 냉각 속도는 냉액체의 가능한 조직 손상 효과와 균형을 이룬다. 그러나, 동물(인간 포함) 조직은 놀랍게도 적어도 제한된 기간 동안 낮은 온도를 허용할 수 있다. 식품용 냉동고(-17℃)로부터의 물품을 통상적으로 외상 후에 피부 상에 배치하여, 종창을 감소키고, 이는 피부가 이러한 낮은 온도를 허용하는 능력을 나타낸다. 점막(예를 들어, 호흡소화관에서 관찰되는 것)은 또한 통상적으로 식품용 냉동고(-17℃)로부터의 물품을 먹는 사실에 의해 예시되는 바와 같이 낮은 온도를 허용한다.
액체의 혼합물이 개시된 방법에서 특히 유용한 것으로 고려된다. 예를 들어, 물과의 상호작용을 이용한 혼합물이 사용될 수 있다. 물/프로필렌 글리콜 혼합물은 유도에 바람직한 액체인데, 이것이 0℃ 미만의 온도로 냉각될 수 있기 때문이다. 수/염수 냉각액은 이의 낮은 독성 때문에, 아마도 12 내지 48시간 동안 0℃ 초과의 온도를 유지하기 위한 유지 액체로 사용될 것이다. 염수 용액은 저하된 동결점을 가지며, 환자, 직원 및 장비로부터 용이하게 세척된다.
냉각액의 예에는 표 2에 나타낸 것들이 포함된다.
표 2
Figure 112014018588302-pct00003
미량의 세제, 예를 들어, 소듐 라우렐 설페이트, 소듐 라우레트 설페이트 등을 냉각액에 첨가하여, 데브리스 및 체액(혈액, 점액, 털, 땀)을 가용화시키고, 펌프/튜빙 폐색을 억제시킬 수 있다.
상기 언급된 바와 같이, 유도 단계에 특히 바람직한 냉각액은 프로필렌 글리콜(PG) 및 수 중의 PG의 혼합물이다. PG는 -10 내지 -20℃로 냉각되며, 30 내지 60분간의 유도 동안 사용된다. 이러한 온도가 달성가능한데, 수 중의 PG 40%가 -22℃의 동결점을 갖기 때문이다. PG는 "GRAS(generally recognized as safe)"의 FDA 분류 내에 있으며, 매우 낮은 섭취 독성을 갖는다. 예를 들어, PG는 식품 및 화장품에서 고 농도로 관찰되며; 미국에서 평균의 성인은 식품에서 2.5g/일의 PG를 섭취한다. PG는 구강청정제 중의 통상의 성분이며, 많은 구강 및 정맥내 약제에서의 주요 성분이다. 이는 최소의 피부 및 눈 자극을 야기하며, 많은 국소 약제 및 개인 관리 제품에서 사용된다. PG는 만성 폐 질환의 치료를 위해 연무화되고 흡입된다. 이는 물 또는 염수에 의해 용이하게 점막 및 피부로부터 씻기며, 그래서 이러한 유도액은 염수, 물 또는 이후의 치료의 유지 단계에서 사용되는 다른 액체로 씻어냄으로써 용이하게 제거될 수 있다.
PG를 냉각액으로 매우 적절하게 만드는 PG의 다른 특징은 이의 높은 비열(물에 가깝고 에틸렌 글리콜보다 더 나음), 물보다 약간 더 높은 점도, 물보다 더 낮은 표면 장력(물과 혼합되는 경우), 많은 유형의 연성 튜빙 및 펌프와의 적합성, 매우 낮은 가연성 및 특별한 처리 요구가 없는 것이다.
저체온의 유지를 위한 특히 적절한 냉각액은 염수 용액, 예를 들어, 0.9% 염수 용액이다. 유지 액체를 위한 최적의 온도 범위는 +5℃ 내지 +20℃이며, 유지 기간의 예는 12 내지 48시간일 것이다. 이러한 지속된 기간 동안의 염수 유지 용액의 사용이 특히 적절한데, 이것이 "생리적" 유체로 고려되기 때문이다. 또한, 유지 요법 동안의 염수 용액은 장기간 사용 동안 프로필렌 글리콜의 피부 및 장 흡수를 방지한다. 염수 용액은 이것이 호흡소화관 주위의 조직과 삼투적으로 중성이도록 조절될 수 있다.
글리세롤은 특히 유용한 냉각액 구성성분일 수 있는데, 이것이 물에 첨가되는 것우 낮은 표면 장력을 갖기 때문이다. 수 중의 염(염수 용액)은 점도에 영향을 갖지 않으며, 표면 장력을 감소시키지 않는다. 당 용액은 액체의 점도를 증가시키는 한편, 에탄올은 표면 장력을 감소시킨다(그러나, 이의 가연성 때문에 주의하여 처리해야함). 염화칼슘은 용액의 점도를 약간 증가시키며, 이는 저 농도로 사용되는데, 이것이 매우 고 농도에서 자극물일 수 있기 때문이다.
비교 데이터
비교 연구를 수행하여, 문헌[Brown et al., Profound Selective Cerebral hypothermia in Dogs by Naso-Oral Perfusion and Head Immersion, Surgical Forum 15:413-415, 1964]에 의해 기재된 방법(시험 1); 0℃의 액체, 및 두피, 비강, 구강 및 상부 식도 냉각을 사용한 향상된 냉각(시험 2); 두피, 비강 및 구강 냉각을 사용한 -15℃의 냉각액(시험 3)에 의해 유도되는 냉각을 비교하였다.
동물의 수술 준비
98㎏의 성체 암컷 양을 안락사시킬 때까지 수술면 마취 하에 유지하였다. 양을 3가지 뇌 저체온 방법으로 처리하고, 결과를 뇌의 표피상 피질 및 전신 동맥 혈액의 냉각의 속도 및 세기에 의해 측정하였다. 표피상 뇌 피질에서, 복부 대동맥 내의 동맥 혈액에서, 경부의 주변-경동맥 조직에서, 직장에서(심부 온도) 및 디바이스 저장소에서의 온도를 매분 기록하였다. 연속 ECG, 연속 펄스 산소측정, 연속 동맥 혈압 및 연속 호기말(end-tidal) CO2에 의해 모니터링을 수행하였다.
수술 준비 동안, 양을 표준 커프가 있는 기관내관(ETT)을 사용하여 경구로 삽관하고, 기계적으로 100% 산소로 환기시키고, 분당 환기량을 35 Torr의 호기말 CO2로 적정시켰다. 기관절개술을 수행하고, 커프가 있는 튜브를 팁이 하위 기관 내에 있게 배치하였다. 식도루형성술을 수행하고, 커프가 있는 튜브를 팁이 중부 식도 및 중력에 대하여 원위단에 있게 배치하였다. 동맥 및 정맥 카테터를 우측 서혜부에 배치하였다.
좌측 중간의 경부를 절개하고, 온도 프로브를 경동맥에 대하여 옆으로 배치하고, 근막 및 피부의 수준에서 부위를 폐쇄하였다. 두피를 좌측 상부 두정 영역에서 절개하고, 10㎜ 버홀(burr hole)을 22㎜ 두개골을 통해 생성하였다. 경막 및 표피 뇌를 절개하고, 온도 프로브를 팁이 대뇌 피질의 표면 7㎜ 아래에 있게 배치하였다. 버홀을 치과용 시멘트로 밀봉하였다. 근막 및 피부의 수준에서 부위를 폐쇄하고, 페트롤리움 젤리로 덮었다.
카테터를 하기의 실시예에서 사용하기 위해 수득하였다. 카테터는 하기의 내경(ID)과 외경(OD)을 갖는다:
유입 튜브 - 저장소로부터 각각의 3개의 펌프까지
ID=1/2 인치
OD=3/4 인치
두피 튜브
ID=1/2 인치
OD=3/4 인치
비강 및 구강 및 식도 튜브
ID=5/16 인치
OD=7/16 인치
시험 1 - 오직 콧구멍으로만 삽입되는 카테터로부터의 저 유동 냉각액을 사용한 선택적 냉각(문헌[Brown et al.]의 방법)
튜브의 팁을 각 콧구멍을 5㎝ 지나게 삽입함으로써 하나의 튜브를 각 비강 내에 배치하였다.
상측에서 개방되어 있는 박스는 냉각액을 위한 저장소로 기능하였다. 저장소를 0℃에서 얼음이 있는 물로 채웠다. 펌프는 저장소로부터 액체를 1.8ℓ/분으로 빼내고, 이를 튜브를 통해 비강으로 도입하였다. 액체는 코와 입을 통해 저장소로 다시 수동적으로 복귀되었다. 냉각의 시작 시에, 두부가 낮아지게 수술 테이블을 젖히고, 테이블로부터 두부 받침대(headrest)를 제거하고, 경부를 신전시킴으로써 두부를 저장소에 침지시켰다. 동시에, 비강 튜브를 펌프의 유출 튜브에 연결하였다. 냉각을 30분 후에 중단시키고, 펌프를 중지시키고, 두부를 저장소로부터 제거하고, 양을 가온 염수 IV 주입 및 몸통의 외부 가온을 사용하여 다시 가온시켰다. 비강 튜브를 제자리에 놔두고, 펌프와의 연결을 끊었다.
냉각을 31분 동안 수행한 다음, 재가온을 개시하였다. 수득된 데이터는 표 3에 나타나 있다.
표 3
Figure 112014018588302-pct00004
시험 2 - 선택적 뇌 냉각
시험 1에 기재된 시험으로부터 동물을 다시 가온시킨 후에, 구강 튜브를 팁이 혀의 기부(base)에 있게 배치하고, 식도 튜브를 팁이 상부 식도에 있게 배치하였다. 2개의 추가의 튜브를 액체 저장소에 배치하였다. 두부가 저장소에 침지된 경우, 이들의 팁은 우측 및 좌측의 두정 두피로부터 4㎝였고, 이들을 향하게 하였다. 상측에서 개방되어 있는 박스는 냉각액을 위한 저장소로 기능하였다. 저장소를 0℃에서 얼음이 있는 물로 채웠다. 냉각의 시작 시에, 두부가 낮아지게 수술 테이블을 젖히고, 테이블로부터 두부 받침대를 제거하고, 경부를 신전시킴으로써 두부를 침지시켰다. 3개의 펌프(1, 2 및 3)를 사용하였다. 2개의 비강 튜브를 펌프 1의 유출 튜브에, 구강 튜브를 펌프 2에, 식도 튜브를 펌프 2에, 그리고 2개의 두피 튜브를 펌프 3에 연결하였다. 펌프는 펌프 1에 대해서는 6ℓ/분으로, 펌프 2 및 3에 대해서는 각각 12ℓ/분으로 저장소로부터 냉액체를 빼내었다. 냉각을 21분 후에 중단시키고, 펌프를 중지시키고, 두부를 저장소로부터 제거하고, 양을 가온 염수 IV 주입 및 몸통의 외부 가온을 사용하여 다시 가온시켰다.
상기 방법으로부터 수득된 데이터는 표 4에 나타나 있다.
표 4
Figure 112014018588302-pct00005
시험 3 - 동물을 안락사시킨 후에 냉각을 지속한(시험 4) 냉각액으로서의 프로필렌 글리콜(시험 3)
시험 2로부터 동물을 다시 가온시킨 후에, 식도 튜브를 빼내고, 제2 구강 튜브로 대체하여, 둘 모두 혀의 기부에 배치된 이들의 팁을 갖는 2개의 구강 튜브가 존재하게 하였다. 둘 모두의 비강 및 둘 모두의 두피 튜브는 제자리에 남아 있다. 상측에서 개방되어 있는 박스는 냉각액을 위한 저장소로 기능하였다. 저장소를 -15℃에서 프로필렌 글리콜과 물의 1:1 혼합물로 채웠다. 펌프는 내부 배치된 카테터를 통해 총 9ℓ/분을 위하여 펌프 1에 대해서는 1ℓ/분으로, 펌프 2에 대해서는 3ℓ/분으로, 그리고 펌프 3에 대해서는 5ℓ/분으로, 유체를 저장소로부터 빼내었다. 냉각의 시작 시에, 두부가 낮아지게 수술 테이블을 젖히고, 테이블로부터 두부 받침대를 제거하고, 경부를 신전시킴으로써 두부를 저장소에 침지시켰다. 동시에, 비강 튜브를 펌프 1의 유출 튜브에, 구강 튜브를 펌프 2에, 그리고 두피 튜브를 펌프 3에 연결하였다. 펌프는 내부 배치된 카테터를 통한 총 4ℓ/분을 위하여, 펌프 1에 대해서는 1ℓ/분으로, 펌프 2에 대해서는 3ℓ/분으로, 그리고 펌프 3에 대해서는 5ℓ/분으로, 저장소로부터 액체를 빼내고, 5ℓ/분의 액체를 두피에 지향시켰다.
양을 14분 후에 안락사시키고, 다시 22분 동안 냉각을 진행하였다.
프로필렌 글리콜을 사용한 냉각의 결과는 표 5에 나타나 있다. 사망 후의 측정치는 굵은 기울임꼴로 제시되어 있다.
표 5
Figure 112014018588302-pct00006
비강 대 호흡소화관 냉각을 사용한 대동맥 혈액 냉각의 비교
하기의 표에서 대동맥 혈액 온도 데이터는 보다 큰 유동의 액체를 호흡소화관과 두피를 따라 다수의 부위로 도입함으로써 달성되는 뛰어난 전신 혈액 냉각 속도를 나타낸다. 하부 식도 및 위 카테터가 추가되고, 냉각액이 또한 이들을 통해 호흡소화관으로 도입된다면, 냉각은 한층 더 가속화될 것이다. 또한, 냉각액은 0℃보다 더 차가운 냉각액을 사용함으로써 가속화된다.
표 6
Figure 112014018588302-pct00007
순수를 냉각액으로 사용하는 시험 1 내지 3에 관하여, 비강 관주에 대한 식도, 구강 관주 및 두피 유동의 부가는 뇌 온도의 5℃ 강하에 대하여 30분에서 13분으로, 뇌 온도 강하 속도가 2배 넘게 되게 하였다. 13분 내의 5℃의 온도 강하는 주목할만한 냉각 속도이다. 두부 냉각은 심지어 맥박 없이도 여전히 효과를 갖는다. 동물의 사망 후에, 신체 심부 및 대동맥 온도는 실제로 증가되나 뇌 온도는 계속 감소된다. 이런 이유로, 냉각액은 뇌를 관류시키는 혈관 내의 혈액의 냉각 효과에 더하여, 뇌에 직접적인 효과를 갖는다.
또한, 최적의 작동 조건으로부터의 2가지가 벗어남에도 불구하고, 뇌 온도는 시험 3에서 유의미하게 감소되었다. 첫번째로, 식도 튜브는 최적으로 배치되지 않았는데, 팁이 시험 3에서 입인두에 남아있고, 제2 구강 튜브로 소용되기 때문이다. 두번째로, 수 냉각액 중의 50% 프로필렌 글리콜의 고 점도는 호흡소화관으로의 액체의 감소된 유량을 야기한다. 20% PG 및 -10℃의 배쓰 온도와 함께, 훨씬 더 강하고 보다 신속한 온도 강하가 예상될 것인데, 호흡소화관 내의 액체의 점도가 더 낮을 것이고 유량이 더 클 것이기 때문이다.
그럼에도 불구하고, 호흡소화 냉각을 두피 냉각에 부가함으로써 달성되는 혈액 온도는 단지 구강 및 두피만의 냉각보다 상당히 더 낮다. 구강+두피 냉각은 오직 34℃의 최소 온도에 도달하고 평형화된 한편, 호흡소화관 냉각의 부가에 의해 30℃의 혈액 온도가 도달되며, 실험이 종료되는 때 여전히 감소되는 중이었다. 이는 상당한 차이이며; 호흡소화관 냉각 없이, 총 온도 강하는 4.7℃였으며, 호흡소화관 냉각과 함께, 보다 더 적은 시간에 온도가 3.4℃ 더 차가웠으며, 여전히 평형화되지 않았다.
프로필렌 글리콜을 사용한 시험 3에서, 뇌 온도는 비록 실험 대상은 냉각 시간의 약 절반의 시간에 사망하였을지라도, 32분에 약 28℃의 뇌 온도에 도달하였다. 이전에 공개된 보고에 의해, 30분 내에 오직 약 33.4℃의 온도에 도달하였음이 보고되었다. 이런 이유로, 호흡소화관 냉각 방법은 치료적 저체온이 개시되는 중요한 처음 30분에 약 2배 빠르게 냉각시킬 수 있다.
식도 유동의 부가는 냉각의 속도와 정도를 증가시키는데 도움을 주었다. 식도 내에 배치된 튜브로부터의 위 내로의 임의의 유의미한 냉각액의 소실이 존재하는 것으로 보이지 않았다. 심지어 보다 높은 식도 유량으로 인한 보다 큰 식도 확대는 식도의 표면적을 증가시키는 것으로 예상될 것이며, 열 전달이 발생하는 보다 큰 식도 표면적을 제공한다.
양(98㎏)이 전형적인 성인(60 내지 70㎏)보다 더 크기 때문에, 인간 두개골보다 훨씬 더 두꺼운 두개골을 가지며, 근접 전단에도 불구하고, 털의 유효 경계를 갖고, 두피 냉각에 의하여 제공되는 직접적인 뇌 냉각의 속도와 정도는 인간에서 더 클 것으로 예상된다. 그러나, 본 발명자들은 단독의 비강 냉각과 대조적으로 호흡소화관 냉각을 사용하여 훨씬 더 빠른 냉각 속도가 가능함을 증명한다.
더욱 집중된 저체온이 요구되는(예를 들어, 뇌의 선택적 냉각) 방법의 일부 실시형태에서, 신체는 예를 들어, 몸통 및 팔다리를 발열 블랭킷에서 싸서 가온될 수 있다. 본 명세서에 개시된 냉각 방법은 표면의 조합을 냉각시키고/거나 매우 높은 냉각액의 유량의 사용에 의해 이전의 방법보다 훨씬 더 빠르고 강하게 냉각시킨다. 또한, 상기 방법은 병원 환경에서, 또는 이로부터 떨어져서, 또는 이들 위치 사이의 수송 중에 이것이 단독의 뇌의 실질적으로 특이적인 냉각 또는 보다 덜 특이적인 뇌 및 다른 장기의 냉각을 위해 사용될 수 있다는 점에서 다용도이다. 상기 방법은 심장 혈류(두부로의 혈류)의 약 15%를 강하게 냉각시킬 수 있으며, 액체가 오직 호흡소화관으로만 도입되는 정도로 비침습적이고, 내부 및 외부 냉각을 병용할 수 있다.
냉각되는 모든 영역은 신체로부터의 모든 복귀 액체를 합하고, 혼합하고, 액체를 신체로 다시 전달함으로써 통합된다. 시험에서 신체로부터의 냉각액의 복귀는 수동적이었으며, 이는 코와 입 밖으로의 냉각액의 훨씬 더 높은 유동을 가능하게 하며, 차례로 보다 신속한 냉각을 제공한다. 상기 방법을 수행하기 위한 장비의 단순성은 신속한 이행과 광범위한 적용가능성을 가능하게 하여, 더 많은 사람들이 방법의 단순한 정교성으로부터 이익을 얻을 수 있게 한다. 방법이 장기(예를 들어, 뇌)로의 카테터의 삽입 없이 수행될 수 있는 설계의 단순성은 생체 장기를 무손상으로 있게 하고, 보다 많은 사람들이 이러한 이용으로부터 이익을 얻게 할 수 있다. 상기 방법 및 디바이스는 의료 시설 내측 또는 외측에서 사용되어, 그래서, 환자가 중환자실에 도달할 때까지 환자가 치료되도록 기다리지 않아도 될 수 있다. 상기 방법은 침습적 수술 조작(예를 들어, 냉각 카테터를 뇌 또는 혈관에 도입)을 수행하기 위하여 외과의의 도착을 기다리지 않고 보다 덜 훈련된 의료인(예를 들어, EMT)이 사용하기에 적절하다.
뇌는 또한 선택적 냉각 동안 신체의 나머지보다 유의미하게 더 차갑게 유지될 수 있으며, 이는 뇌 이익을 최대화시키고, 신체 부작용을 최소화시킨다. 신속한 냉각은 훨씬 더 빠르게 유도될 수 있으며, 종래 기술 방법을 사용하는 치료적 저체온의 통상의 유도를 사용하는 것보다 훨씬 더 낮은 뇌 온도에 이른다. 일부 예에서, 뇌 피질 내의 온도는 5 내지 15분 내에 33℃로 또는 10 내지 20분 내에 28℃로, 또는 15 내지 30분 내에 25℃로 낮아진다. 다른 예에서, 전신 동맥 혈액의 온도는 5 내지 15분 내에 33℃로, 15 내지 30분 내에 28℃로, 또는 20 내지 40분 내에 25℃로 낮아진다.
다양한 상이한 카테터/튜브가 디바이스에서 사용될 수 있다. 특정 카테터 크기의 구체적이고 비제한적인 예는 시험 1 내지 3과 관련하여 상기 기재되어 있다. 카테터 크기 범위의 예는 두피 튜브에 대하여 5/16 내지 ½ 인치 ID, 식도 및 위 튜브에 대하여 3/16 내지 6/16 인치, 구강 튜브에 대하여 3/16 내지 ½ 인치, 그리고 비강 튜브에 대하여 2/16 내지 6/16 인치이다.
상기 방법은 또한 예를 들어, 처음 30분의 냉각 동안 비상용으로 이용가능한 얼음물 또는 사전-냉각된 액체의 형태로 유도 상태를 위한 "축냉(stored cold)"을 사용함으로써 신속하게 냉각을 유도할 수 있다. 또한, 냉각의 속도와 정도를 증가시키기 위해 영하의 온도에서 이용가능한 냉각액을 사용하는 냉각액의 온도는 매우 낮다. 저장소에서 이용가능한 냉액체의 부피는 다량의 냉각액의 계속적 유동을 위해 충분한 공급을 유지하는데 도움을 준다.
장기는 장기에 공급하는 혈액을 냉각시킴으로써 냉각되어, 개시된 방법이 전신 또는 심지어 영역 냉각을 효율적이게 하는 것을 필요로 하지 않게 한다. 예를 들어, 경부 척수의 냉각이 필요하다면, 복부의 훨씬 더 거대한 내용물이 냉각되는 것을 기다리지 않고, 이러한 저 질량 영역이 신속하게 냉각된다.
개시된 방법은 간단하나 효율적인 기술을 사용하여 두부, 경부 및 종격을 냉각시켜, 열 전달을 최대화시킨다. 선택적 냉각은 경동맥과 척추 동맥을 통해 뇌에 전달되는 동맥 혈액을 신속하고 강하게 냉각시킨다. 비선택적 냉각은 심장으로 복귀되는 정맥 혈액 및 이에 따라 전신 동맥 혈액을 냉각시킬 수 있다. 정맥 혈액은 2개의 영역, 경부 및 종격에서 냉각된다. 경부로부터 유출되는 혈액의 온도는 매우 낮으며, 이윽고, 경부를 담근 냉액체 배쓰의 온도에 도달한다. 이는 상기도 내의 냉 유체를 통한 경정맥 내의 혈액의 냉각에 더하여, 모세혈관 수준에서의 두부 및 경부 내의 액체의 냉각 때문이다(냉각 유체와 직접 접촉하는 피부 및 점막에 인접한 조직 베드에서 가장 극심함). 심박출량의 약 15%는 이러한 매우 유효한 방식으로 냉각될 것이다.
식도는 전체 종격을 가로지르며, 하위 대정맥, 상위 대정맥 및 심장에 매우 근접하다. 대정맥은 전체 심박출량을 심장으로 다시 운반한다. 이는 얇은 벽의 것이며, 식도와 매우 근접하게 놓여, 식도와의 매우 효율적인 열 전달을 가능하게 한다. 위는 하위 대정맥뿐 아니라 심장의 하위 표면에 매우 근접하게 존재한다.
냉각액과 호흡소화관의 직접적인 접촉은 (컨테이너 내의 액체를 관 내에 배치하는 것과 대조적으로) 호흡소화관의 전체 표면적(콧구멍으로부터 유문까지)이 열 교환을 위해 사용되게 한다. 냉각액은 풍선 또는 경직 디바이스가 도달하지 않을 표면의 불규칙적인 영역에 유입된다. 냉각액에 담겨지는 이러한 불규칙적인 표면의 예는 비강 잔기둥, 편도 및 후두이다.
호흡소화관을 통한 냉액체의 유동에 기인한 대류에 더하여, 냉각액의 강제 유동(외부에서는 안면 및 두피에 대하여, 그리고 내부에서는 호흡소화관 내 모두)은 대류 열 교환의 원인이 된다. 예를 들어, 식도 루멘의 외면에서 두꺼운 층의 정체된 액체는 냉액체의 유동이 오직 중심 심부로 흘러 내리게 할 수 있었으며, 이는 열 교환을 감소시킨다. 혼합은 다수 지점의 액체 전달(다수의 카테터 및 각각의 카테터는 측부 홀을 가질 수 있다), 고 유량, 액체 유동의 횡류(액체를 신체에 밀어 넣고, 일반적으로 발을 향해 지향시키나, 방향을 전환시키고, 입과 코 밖으로 유출시킨다)를 가짐으로써 증가되어, 호흡소화관(백(bag) 또는 풍선에 의해 매끄럽지 않음) 내의 불규칙적인 표면과 접하게 하며, 액체 출구의 경로를 따른 다수의 전달 튜브의 존재를 가짐으로써 증가된다.
상기 방법의 다른 이점은 신체의 다른 부분(예를 들어, 일부 실시형태에서, 흉부, 팔다리 또는 심지어 두부 내)을 냉각액에 침지시키지 않고, 냉액체의 호흡소화관으로의 내부 전달을 제공할 수 있다는 점이다. 이런 이유로, 다른 유형의 유도된 저체온에서는 가능하지 않을 환자에 대한 다른 개입을 수행하는 것이 가능하다. 이러한 개입의 예에는 전기적 심율동전환(전기 에너지를 심장에 가하여, 심장의 박동을 변경시키거나 개시시킴), 심전도검사(외부 전극을 흉곽을 포함하는 신체에 가함에 의한 심장으로부터 진단 신호의 수득), 또는 심장 또는 신경혈관 수술(예를 들어, 혈관성형술 또는 스텐팅)의 수행이 포함된다.
온도 관리 디바이스 및 방법을 제공하여 보다 신속한 냉각, 보다 뇌 선택적인 냉각 및 뇌와 신체 온도의 독립적인 조작을 달성할 수 있다. 본 명세서에 기재된 온도 관리 디바이스 및 방법은 뇌 선택적, 전신, 및 조합된 뇌 선택적 및 전신 온도 관리(예를 들어, 냉각 및 가온)의 유도 및 유지 방법을 포함한다.
본 명세서에 기재된 시스템 및 방법은 일반적으로 하기의 활성 중 하나 이상과 관련되어 사용될 수 있다:
1. 심부 온도의 제어 없이, 뇌 온도의 신속한 저하
이의 가능한 임상적 용도는 예를 들어, 심장정지, MI, 수술중 장기 보호, 두부 외상, 뇌졸중, 출혈 쇼크, 열의 치료를 포함한다.
2. 심부 온도를 정상 근처로 유지하면서 뇌 온도를 신체 심부 온도보다 낮게 유지
이의 가능한 임상적 용도는 예를 들어, 심장정지, MI, 수술중 장기 보호, 두부 외상, 뇌졸중 및 출혈 쇼크의 치료를 포함할 수 있다.
3. 심부 온도를 정상보다 낮게 유지하면서, 뇌 온도를 심부 온도보다 낮게 유지
이의 가능한 임상적 용도는 예를 들어, 심장정지, MI, 수술중 장기 보호, 두부 외상, 뇌졸중 및 출혈 쇼크의 치료를 포함한다. 이러한 구조를 사용하여 뇌를 매우 강하게 냉각시키면서, 신체 심부를 합병증이 발생하기 시작하는 대략 33 내지 34℃의 온도보다 아주 조금 높게 유지시킬 수 있다. 순환 냉 유체에 의해 냉각되는 경부를 둘러싸서 냉각을 강해지게 할 수 있다. 신체 심부 또는 팔다리 상의 발열 블랭킷에 의한, 또는 두피 또는 안면의 표면 가온에 의한 하기에 상세하게 논의된 반대 가온을 적용하여, 호흡소화관 내에, 그리고 그 주위에 생성된 한랭 구역에 기인한 정맥 혈액의 냉각인 "과잉(spillover)" 냉각의 균형을 이룰 수 있다. 또한, 경동맥에 가장 가까운 영역을 피하도록 주의한다면, 경부 표면의 가온이 사용될 수 있다.
4. 뇌 온도의 제어 없이, 특히 척수 가까이의 심부 온도의 신속한 저하
가능한 임상적 용도는 예를 들어, 척수 손상, MI, 수술 중 장기 보호, 열의 치료를 포함할 수 있다.
5. 뇌 온도의 제어 없이, 심부 온도의 신속한 상승
이의 가능한 임상적 용도는 예를 들어, 우발성 저체온/노출의 치료를 포함한다.
6. 심부 온도의 제어 없이, 뇌 온도의 제어된 상승
이의 가능한 임상적 용도는 예를 들어, 유도성 저체온 후의 재가온을 포함할 수 있다.
7. 심부 온도의 제어 없이, 뇌 온도의 제어된 상승
이의 가능한 임상적 용도는 예를 들어, 유도성 저체온 후의 재가온을 포함할 수 있다.
본 명세서에 기재된, 개시된 시스템 및 방법의 적어도 일부는 유의미하게 저하된 뇌 온도(예를 들어, 35℃, 30℃, 25℃ 또는 20℃)의 신속한 달성과 유지를 가능하게 하면서, 선택적으로 체온을 약 32℃ 내지 38℃ 부근으로 유지시킨다. 이러한 능력은 예를 들어, 심장정지, 뇌졸중, 외상성 뇌 손상 및 다른 이러한 사건을 치료하는 경우 유용할 수 있다. 이러한 능력은 또한 동맥류 클리핑(aneurism clipping) 및 코일링(coiling), 및 관상 동맥 우회술(CABG)과 같은 절차 동안 수술전후 신경보호를 제공하는데 유용할 수 있다. 또한, 이러한 능력은 환자의 심부 온도의 최소의 동요와 함께, 뇌 손상과 통상적으로 관련된 열 급등을 다루기에 매우 적절할 수 있다. 본 명세서에 기재된 시스템 및 방법은 또한 적어도 일부 예에서, (1) 뇌 손상 후의 두개내 압력을 감소시키고/거나, (2) 냉각 요법과 통상적으로 관련된 폐렴의 위험을 감소시키고/거나 (3) 뇌 집중된 냉각을 감소시키거나, 뇌 집중 및/또는 신체 집중 가온을 사용함으로써 제어된 재가온의 수단을 제공하여, 이에 의해, 뇌가 신체와 다시 평형을 이루게 할 수 있다.
일부 예에서, 가온 기능을 제공하여 디바이스의 선택성을 추가로 개선시킬 수 있다. 또한, 시스템은 환자와 접촉하는 인터페이스 키트(interface kit) 및 환자 또는 환자 내로 또는 밖으로 전달되는 유체와 접촉하지 않는 베이스 유닛을 포함할 수 있다. 베이스 유닛은 이것이 일반적으로 환자로부터 따로 유지되기 때문에, 재사용가능할 수 있다. 일부 예에서, 본 명세서에 논의된 시스템 및 방법은 또한 재사용가능한 베이스 유닛과 인터페이스 연결(interfaced)될 수 있는 일회용 열교환기를 포함할 수 있다.
인터페이스 시스템(또는 키트)은 유체 경로를 포함할 수 있으며, 필요에 따라, 관련 보호 장비를 포함할 수 있다. 유체 경로는 일회용으로 구성될 수 있다. 따라서, 일부 예에서, 유체 경로는 일회용 유체 경로로 지칭된다. 그러나, 유체 경로가 대안적으로 재사용을 위하여 멸균되어 구성될 수 있음이 이해되어야 한다.
하기에 더욱 상세히 논의된 바와 같이, 인터페이스 시스템은 하기의 부품 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 비강 카테터(들), 식도 카테터(들), 기관 카테터(들), 구강 카테터(들), 복귀 매니폴드(들), 전환 밸브(들) 또는 클램프(들), 필터 모듈(들), 폐기물 저장소(들), 연결 라인(들), 재순환 저장소(들), 저장소(들)를 위한 벤트(vent)(들), 열교환기(들), 열교환기(들)와 관련된 매니폴드(들) 및 필요에 따라 시스템의 하나 이상의 카테터를 고정시키기 위한 스트랩 및/또는 접착제. 당업자에 의해 이해될 것처럼, 개시된 실시형태에 따라 신규한 인터페이스 시스템을 제공하는 것과 관련하여 본 명세서에 기재된 이들 및 다른 특징의 다양한 조합이 가능하다.
관련 보호 장비는 예를 들어, 일회용 온도 프로브 또는 환자와 접촉하는 온도 프로브에 대한 일회용 커버(cover)를 포함할 수 있다.
일회용 유체 경로는 하나 이상의 비강, 식도, 기관 및 구강 카테터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 2개의 단일 또는 멀티-루멘 비강 카테터는 환자의 콧구멍을 통해 도입되게 구성될 수 있다. 각 카테터의 팁은 콧구멍으로부터 1 내지 15㎝의 깊이로 삽입될 수 있다. 카테터의 루멘은 코인두와, 예를 들어, -20℃ 내지 37℃로 존재할 수 있는 유체의 공급원이 유체가 연통하게 할 수 있다. 카테터를 환자에 고정시키는 클램프, 스트랩, 접착제 또는 다른 수단이 포함될 수 있다. 이들 카테터는 폼(foam) 또는 다른 이러한 유동 제한 구성원을 포함하여, 코인두로 도입되는 유체가 코 밖으로 다시 누출되는 것을 방지할 수 있다. 다른 실시형태에서, 장치는 코를 둘러싸도록 구성될 수 있다. 이들 카테터는 또한 다수의 포트를 포함하여, 유체 유동이 인두 내의 주요 구조, 예를 들어, 비갑개 또는 부비강의 구멍을 향하게 할 수 있다. 필요에 따라, 이들 카테터는 삽입의 깊이를 나타내기 위하여 새김눈이 있거나, 표시되거나, 색상으로 암호화될 수 있다. 또한, 클램프 또는 밸브를 사용하여 카테터 내의 유량을 조절할 수 있다.
또한, 식도 카테터는 인터페이스 시스템과 함께 포함될 수 있다. 식도 카테터는 멀티-루멘 카테터를 포함할 수 있다. 카테터의 팁은 원위 팁이 식도 내에 놓이도록 삽입될 수 있다. 제1 루멘(바람직하게는 하나 이상의 제2 루멘보다 더 큼)은 카테터의 근위단으로부터 원위단으로 연장되어, 위로의 접근 및/또는 위를 이탈하는 구토 수단을 제공할 수 있다. 제2 루멘은 근위단으로부터 연장되고, 원위단 가까이에 위치한 연성 풍선 내측에서 종단될 수 있다. 풍선을 팽창시켜, 식도로부터 위로의 유체의 유입을 감소시키거나 방지할 수 있다. 다른(예를 들어, 제3) 루멘은 근위단으로부터 풍선에 근접한 포트로 연장되어, 포트와 유체(예를 들어, -20℃ 내지 37℃ 온도의 유체)의 공급원 또는 부압의 공급원 사이의 유체 연통을 제공할 수 있다. 이러한 제3 루멘을 사용하여 식도를 냉 유체로 관주시키거나 유체를 풍선에 근접한 식도로부터 제거할 수 있다. 추가의 루멘을 제공하여 상기의 목적 또는 다른 목적을 용이하게 할 수 있으며, 예를 들어, 추가의 풍선, 식도의 근위 부분과 신체 환경의 외측 사이의 추가의 유체 연통, 광섬유 디바이스 및/또는 압력 측정 또는 온도 측정 프로브를 제공할 수 있다.
도 18a 내지 도 18c 및 도 19a 내지 도 19d는 본 명세서에 기재된 냉각 및 온도 조절 시스템과 연계하여 사용될 수 있는 다양한 식도 카테터를 예시한다. 도 18a 내지 도 18c는 다양한 다기능 식도 카테터를 예시하나; 많은 다른 실시형태가 예를 들어, 추가의 기기의 접근을 위해 부가된 루멘, 부가된 관주 루멘 등에 의하여 가능하다. 일 예는 식도 풍선 위와 아래의 식도 온도를 측정하기 위한 열전대 또는 광학 온도 센서를 수용하기 위하여 부가된 루멘일 것이다. "건조" 및 "습윤" 식도 온도의 비교는 냉각 속도에 대한 정보를 제공하고, 거시적인 누설 검출기로 소용될 수 있다. 또한, 예를 들어, 튜브의 다발을 함께, 또는 하나 이상의 튜브를 표준 식도 카테터의 외측에 고정시킴으로써 유사한 기능이 생성될 수 있다. 다기능 식도 카테터는 또한 냉각 유체의 균일한 유동을 조장하기 위해, 또는 열 전달에 바람직한 방식으로 식도를 팽창시키기 위해(예를 들어, 표면적을 증가시키거나 주요 동맥과의 거리를 감소시키기 위해), 그루브(groove), 핀(fin) 또는 측부(비-환형) 풍선을 포함할 수 있다. 본 발명의 카테터는 또한 (예를 들어, 시스템(예를 들어, 카테터 또는 커프) 내의 원하는 압력, 원하는 카테터의 연성 등에 따라) 비-환형 채널을 포함할 수 있다. 또한, 루멘 내의 유동은 환자로부터 유체를 제거하는 것이 바람직한 경우에 역전될 수 있다.
도 19a 내지 도 19d는 본 명세서에 개시된 냉각 및 온도 관리 시스템의 실시형태에 사용될 수 있는 "복단면" 풍선 식도 카테터를 예시한다. 흡입 루멘을 풍선들 사이에 위치시켜, 흡입되는 경우 작은 저압 구역을 생성하여, 유체 이동이 "하위" 커프를 지나는 것을 방지하는 것에 도움을 줄 수 있으며, 이는 위로의 유체의 유입을 통제한다. 대안적인 구조는 선택적 제2 풍선 라인을 포함하여, 풍선의 개별의 팽창을 가능하게 한다. 이는 식도의 압축 영역이 때때로 변할 수 있는 부가된 이점을 갖는다.
기관 카테터는 또한 인터페이스 시스템과 함께 포함될 수 있다. 기관 카테터는 멀티-루멘 카테터를 포함할 수 있다. 카테터의 팁은 원위 팁이 기관 내에 위치하도록 삽입될 수 있다. 제1(바람직하게는 더 큰) 루멘은 근위단으로부터 원위단으로 연장되어, 공기의 통과, 호흡 기체, 약제 및/또는 기기의 통과를 위해 폐의 큰 기도에 대한 접근을 제공할 수 있다. 제2 루멘은 근위단으로부터 연장되고, 원위단 가까이에 위치한 연성 풍선에서(예를 들어, 내측에서) 종단될 수 있다. 풍선을 팽창시켜, 풍선에 근접한 기관(성문하 공간)으로부터 폐로의 유체의 유입을 감소시키거나 방지할 수 있다. 제3 루멘을 제공하여, 근위단으로부터 원위단에 가까우나 풍선에 근접한 하나 이상의 포트로 연장시켜, 포트(들)와 유체 공급원 또는 진공원 사이의 유체 연통을 제공할 수 있다. 제3 루멘을 사용하여 유체의 제거 또는 성문하 공간으로의 유체의 전달을 가능하게 할 수 있다.
도 20a 내지 도 20c는 본 명세서에 개시된 냉각 및 온도 관리 시스템과 함께 사용하기 위한 멀티-루멘 기관 카테터의 예시적인 실시형태를 나타낸다. 추가의 기기의 접근을 위해 부가된 루멘, 부가된 관주 루멘 등을 포함하는 많은 다른 실시형태가 가능하다. 또한, 튜브의 다발을 함께, 또는 하나 이상의 튜브를 표준 기관내 튜브의 외측에 고정시킴으로써 유사한 기능이 생성될 수 있다. 또한, 루멘 내의 유동은 환자로부터 유체를 제거하는 것이 바람직한 경우에 역전될 수 있다. 풍선을 팽창시켜, 기관 내의 유체로부터 폐를 보호할 수 있다.
도 21a 내지 도 21d는 본 명세서에 개시된 냉각 및 온도 관리 시스템의 실시형태에 사용될 수 있는 "복단면" 풍선 기관 카테터의 예시적인 실시형태를 예시한다. 흡입 루멘을 풍선들 사이에 위치시켜, 흡입되는 경우 작은 저압 구역을 생성한다. 이는 유체 이동이 "하위" 커프를 지나는 것을 방지하여, 하부 기관으로의 유체의 유입을 통제한다. 풍선을 팽창시켜, 폐를 기관 내의 유체로부터 보호할 수 있다. 폐 접근 루멘을 벤틸레이터에 연결하고, 약간의 정압을 폐에 인가함으로써 보호 효과는 증가될 수 있다. 이러한 보호 효과는 풍선들 사이의 저압 구역에 의해 생성되는 효과와 상승적이다. 대안적인 구성은 선택적인 제2 풍선 라인을 포함하여, 풍선의 개별의 팽창을 가능하게 한다. 이는 기관의 압축 영역이 때때로 변할 수 있는 부가된 이점을 갖는다.
하나 이상의 구강 카테터는 또한 인터페이스 시스템과 함께 포함될 수 있다. 구강 카테터(들)를 구강의 뒤로 삽입하여, 환자로부터 관주 유체를 제거하고/거나 관주 유체를 인두에 전달할 수 있다. 카테터는 복귀 매니폴드 및/또는 전달 매니폴드와 유체가 연통될 수 있다. 구강 카테터 내의 유체는 펌프 또는 진공에 의해 이동될 수 있다. 일부 경우에, 구강 카테터는 기관 튜브 및/또는 식도 튜브의 루멘일 수 있거나, 또는 이는 입 영역으로부터 액체를 흡입시키는 전용 라인일 수 있다. 흡입된 유체는 폐기되거나, 여과된 다음, 재순환될 수 있다. 주요 포인트는 구강 카테터에 유입되는 유량이 유체 전달 속도와 독립적으로 조절될 수 있으며, 이에 따라 환자의 입에서의 액체 높이의 제어를 가능하게 한다는 것이다. 예를 들어, 구강 카테터를 수동적으로 조절하여, 인두 내의 유체 컬럼의 높이를 변경시킬 수 있다. 구강 카테터는 인두 내의 유체 컬럼의 높이를 조절하기 위해 사용될 수 있는 카테터 벽 내의 하나 이상의 포트를 포함할 수 있다. 또한, 구강 카테터 포트는 흡입이 능동인 경우, 카테터의 점막으로의 유착을 방지할 메시 또는 필터에 감싸질 수 있다.
상기 언급된 바와 같이, 복귀 매니폴드는 구강 카테터와 유체가 연통하게 제공되어, 구강 카테터 내의 유체가 폐기되거나 재순환되게 할 수 있다. 또한, 전환 밸브 또는 클램프를 제공하여, 사용자가 유체의 경로를 설정하게 하여, 환자를 이탈하여 재순환 저장소 또는 폐기물 저장소로 가게 할 수 있다. 밸브는 일회용일 수 있으며, 외부 자동화와 인터페이스 연결될 수 있다. 대안적으로, 밸브는 수동적으로 작동될 수 있다.
또한, 필터 모듈이 제공될 수 있다. 필터는 유체가 재순환되도록 구성될 수 있다. 필터는 크기가 0.1 미크론 초과, 또는 0.5 미크론 초과, 또는 1 미크론 초과 또는 5 미크론 초과 또는 10 미크론 초과인 박테리아 및 입자를 제거한다. 또한, 다양한 크기의 일련의 필터가 사용될 수 있다.
폐기될 유체를 수용하기 위한 폐기물 저장소가 제공될 수 있다. 폐기물 저장소는 약 1 내지 20 리터의 용량을 가질 수 있다. 저장소는 적어도 하나의 입구를 가질 수 있으며, 필요에 따라 대기압이거나 대기압 미만이어서, 폐기물 제거를 용이하게 할 수 있다. 폐기물 저장소 및 재순환 저장소는 유체를 보유하도록 구성되고 절차의 마지막에 제거되고 대체되도록 구성된 슬리브(sleeve) 및/또는 백을 포함할 수 있다.
추가의 특징은 폐기물 저장소를 진공원에 연결시키기 위한 라인 및 폐기물 저장소에 대한 벤트를 포함할 수 있다. 벤트가 필요에 따라 개방되거나 폐쇄되도록 벤트가 구성될 수 있다.
일부 예에서, 재순환 저장소도 또한 제공될 수 있다. 재순환 저장소는 재순환을 위한 유체를 수용하고 보유할 수 있다. 유체가 여과되어야 한다면, 유체는 재순환 저장소에 유입하기 전 또는 이를 이탈한 이후에 여과될 수 있다. 재순환 저장소는 또한 초기 유체의 충전을 가능하게 할 수 있다. 재순환 저장소는 대기압에서 또는 대기압 미만에서 존재한다. 저장소는 1 내지 20 리터의 용량을 가질 수 있다. 일부 경우에, 저장소는 열교환기로 도입될 수 있으며, 열교환기의 "유지" 부피는 저장소 부피의 전부 또는 일부를 대체한다. 냉각의 시작 시에, 저장소에는 초기의 냉각 유체의 충전물을 충전할 수 있으며, 이는 예를 들어, 0.9M 염수 약 2ℓ일 수 있으나; 유체의 다른 농도 및 제형이 본 명세서에 개시된 바와 같이 사용될 수 있다. 또한, 저장소는 치료법 동안 추가의 유체 부피를 허용하여, 내부 폐기, 누출, 유출 등에 기인한 임의의 유체 소실을 보상할 수 있다.
재순환 저장소를 진공원에 연결시키는 라인이 제공될 수 있다. 하나 이상의 벤트가 재순환 저장소와 연계될 수 있으며, 개방 및 폐쇄 위치 사이에서 벤트가 수동 방식 또는 자동화 방식으로 작동가능하다.
본 발명의 시스템은 하나 이상의 열교환기(예를 들어, 판형 열교환기, 쉘(shell) 교환기, 튜브 교환기 등)를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 열교환기는 재순환 저장소와 유체가 연통하는 일회용 열교환기를 포함한다. 열교환기는 재사용가능한 냉각 유닛과 열 에너지를 교환하도록 구성될 수 있다. 열교환기는 일부 예에서, 냉각 유닛과 열 접촉 상태이나 유체 접촉 상태가 아닐 수 있다. 다른 실시형태에서, 열교환기는 냉각 유닛과 유체가 접촉되나, 둘 이상의 별개의 유체 경로를 제공할 수 있다. 열교환기는 상대적으로 고전도성인 물질, 예를 들어, 구리, 알루미늄 및/또는 강철을 비롯한 다양한 금속으로 이루어질 수 있다. 열교환기는 일부 예에서 100 내지 2000 와트의 열 교환을 가능하게 하도록 구성될 수 있으며, 예를 들어, (예를 들어, 15 PSI 미만의 압력 강하를 갖는) 분당 0.2 내지 5ℓ의 유량을 수용하도록 구성될 수 있다. 열교환기는 최대 1㎡의 큰 표면적을 갖는 유체 경로 및 본 명세서에 더욱 상세히 기재된 바와 같은 베이스 유닛과의 인터페이스 연결을 제공하도록 구성될 수 있다. 열교환기를 통한 유체 경로가 "매우 길어서", 냉각 유체의 길이가 교환기 벽의 온도와 거의 완전히 평형화되는 경우가 특히 흥미롭다. 직사각형 채널 기하학적 구조에 있어서, 이러한 평형화는 채널의 무차원(dimensionless) 길이가 약 1.2 초과인 경우 발생할 것이며, 약 2.0 초과의 값이 특히 바람직하다(문헌[Middleman, S An Introduction to Heat and Mass Transfer, p458] 참조). 따라서, 환자에 유입되는 냉각 유체의 온도는 열교환기 및 베이스 유닛 플래튼(platen)으로부터 용이하게 추론되고, 이에 따라 조절된다. 베이스 유닛의 냉각 부재와 물리적으로 직접 접촉하지 않는 열교환기의 부분을 단열시켜, 주위 공기와의 열 교환을 감소시킬 수 있다. 심지어 단열된 측부에서조차도 몇몇 응축이 발생하는 것이 이해되며, 이러한 이유로, 측부는 응축물이 배수관 또는 폐기물 컨테이너로 향하게 하도록 형상화된다.
열교환기와 유체가 연통하는 매니폴드가 또한 제공될 수 있다. 매니폴드는 필요에 따라 냉 유체의 유동을 식도 카테터와 비강 카테터 사이에 나눌 수 있다.
또한, 다양한 스트랩 및/또는 접착제를 제공하여, 하나 이상의 카테터를 원하는 위치에 보유하거나 유지시킬 수 있다.
일부 예에서, 기관 튜브는 인터페이스 키트의 하나 이상의 부품의 구현 전에 환자에서 적소에 존재할 수 있다. 이러한 경우에, 기도를 방해하기 보다는 기존의 기관 튜브가 적소에 그대로 있게 하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 신규한 또는 추가의 기관 튜브, 예를 들어, 본 명세서에 기재된 것들은 그렇게 하는 것이 안전할 때까지 삽입하는 것이 바람직하지 않을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 냉각은 여전히 기관 흡입 없이 달성될 수 있다.
또한, 최적의 가온 기능성이 포함될 수 있다. 가온 디바이스는 신체 심부에 온기를 제공하여, 호흡소화관을 따라 냉각 구역을 통해 냉각된 뇌로부터 복귀되는 정맥 혈액에 의해 야기되는 심부의 냉각을 상쇄시킬 수 있다. 가온은 혈행 및/또는 표면 가온 전략에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 가온 디바이스는 환자 위에 또는 환자 주위에 위치할 수 있는 하나 이상의 발열 블랭킷 또는 패드를 포함할 수 있다. 두피 또는 안면의 가온은 다른 가능한 전략이다.
열 에너지는 재순환 가온 유체, 강제 가온 공기 또는 직접적 저항 가열에 의해 하나 이상의 가온 디바이스에 공급될 수 있다. 일부 실시형태에서, 다수의 열전기 냉각 디바이스가 사용되는 경우, 추가의 "고온부(hot side)" 열교환기를 제공하여 열 전기 디바이스의 고온부 또는 히트 싱크(heat sink)로부터 열을 제거할 수 있다. 이는 열전기 디바이스의 효율을 향상시키는 이점을 가지면서, 냉각 팬의 필요를 없앤다. 추가의 이점은 이러한 재포획된 열의 사용이 더 작고 잠재적으로 더 안전한 가열 시스템을 가능하게 한다는 것이다.
하나 이상의 온도 프로브를 제공하여, 가온 디바이스의 온도 및/또는 환자의 피부 온도를 모니터링할 수 있다. 이러한 측정을 사용하여 예를 들어, 가온 디바이스를 모니터링하여, 가온 디바이스가 피부를 너무 뜨겁게(예를 들어, 약 42℃ 넘게) 하여, 이에 의해, 너무 많은 열을 환자에게 전달하고, 가능하게는 환자의 피부를 손상시킬 위험을 감소시킬 수 있다.
가온 디바이스에 공급되는 동력은 에너지 제거 속도, 환자 온도, 특히 직장 온도, 방광 온도, 뇌 온도, 정맥 혈액 온도 및/또는 냉각 디바이스에 의해 환자로부터 제거되는 총 에너지의 측정의 함수로서 조절될 수 있다. 가온 디바이스를 사용하여 직장 또는 기타 온도 프로브에 의해 측정시 37℃의 정상 체온 근처로 신체를 유지시키면서, 뇌를 더 낮은 온도로 유지시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 뇌의 냉각의 신경보호 이점이 달성될 수 있으며, 신체의 냉각과 관련된 합병증의 발생은 감소되고/거나 실질적으로 제거될 수 있다.
또한, 가온 디바이스를 사용하여 신체를 직장, 방광 또는 기타 온도 프로브에 의해 측정시 약 32℃ 내지 36℃의 낮은 온도 설정점으로 유지시키면서, 뇌는 여전히 보다 낮은 온도로 유지시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 뇌의 강한 냉각의 신경보호 이점이 달성될 수 있으며, 신체의 냉각과 관련된 합병증의 발생은 조절된 허용가능한 수준으로 유지될 수 있다.
사용되는 온도 프로브는 이들 전부가 일회용이 아니라면, 환자 및 환자와 접촉하는 유체와 접촉시키기 위한 일회용 커버가 제공될 수 있다. 일부 예에서, 커버는 얇은 전도성 플라스틱 및/또는 고무이다.
베이스 유닛을 제공하여, 본 명세서에 기재된 환자 인터페이스 시스템/키트와 인터페이스 연결시킬 수 있다. 베이스 유닛은 하기의 부품 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 재사용가능한 및/또는 일회용 온도 프로브(들), 유체 온도 측정 디바이스(들), 프로세서 및/또는 데이터 수집 시스템(들), 재사용가능한 냉각 유닛(들), 열 제거 디바이스(들), 펌프(들), 펌프 제어 유닛(들) 및/또는 냉각 유닛(들), 당업자에 의해 이해될 바와 같이, 본 명세서에 기재된 이들 및 다른 특징의 다양한 조합이 개시된 실시형태에 따른 신규한 인터페이스 시스템의 제공과 관련하여 가능하다.
일부 예에서, 베이스 유닛은 사용자가 환자로부터 데이터를 측정할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 베이스 유닛은 특정 위치에서 환자의 온도(예를 들어, 뇌, 직장, 고막, 액와선, 피부, 중심 정맥, 측두근, 식도 및/또는 기관 커프와 원위, 식도 및/또는 기관 커프와 근위, 외이, 발가락, 손가락, 유출 기체 등)를 수신, 수득 및/또는 디스플레이하도록 (예를 들어, 온도 센서의 배치에 의해) 구성될 수 있다. 모든 가능한 측정 위치를 수득할 필요는 없다. 일부 예에서, 간단한 직장 온도 측정이 충분하다. 그러나, 뇌 온도는 중요할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 온도 센서는 유입 카테터(냉각 유체가 호흡소화관으로 유입될 수 있는 카테터) 및 유출 카테터(예를 들어, 냉각 유체가 호흡소화관으로부터 능동적으로 제거될 수 있는 카테터)의 외부 또는 내부에 배치될 수 있다. 이들 온도 센서는 베이스 유닛에 결합될 수 있으며, 베이스 유닛이 (예를 들어, 사용자에게 뇌 온도에 관한 적어도 일부 정보를 제공하기 위해) 온도 차이를 측정할 수 있도록 구성될 수 있다.
다른 온도 모니터링 방법 및/또는 디바이스를 사용하여 뇌 온도를 정확하게 결정하는데 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 침습적 방법은 볼트(bolt)를 대상체의 뇌에 배치하는 것을 포함할 수 있다(예를 들어, 두개압이 풀려야 하고/거나 정확한 온도 판독이 수득되어야 하는 사건에서). 다른 예로서, 온도 센서는 라인에 결합되고 정맥내로(예를 들어, 경정맥내) 삽입되고 뇌의 가까이에 위치할 수 있다. 또 다른 예로서, 비침습적 방법은 대상체를 하나 이상의 온도 판독을 수득하기 위한 절차 동안 MRI에 노출시키는 것을 포함할 수 있다.
베이스 유닛은 또한 예를 들어, 환자의 기관, 식도 및/또는 두개내 영역에서의 압력을 포함하여, 환자에서 압력의 측정을 수신, 수득 및/또는 디스플레이하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 식도 및/또는 기관내 커프는 (예를 들어, 압력 센서를 사용하여) 압력(예를 들어, 커프 내측의 압력)을 검출하고/거나 측정하도록 구성될 수 있다. 베이스 유닛은 (예를 들어, 카테터 내에서 흐르는 전기 연결을 통하여) 압력 센서에 결합될 수 있어, 베이스 유닛이 압력 센서로부터의 검출 및/또는 측정을 수신하고/거나 수득하도록 할 수 있다. 역치 압력이 충족되거나 초과되는 경우, 경고(예를 들어, 청각, 시각 등)가 발생하도록 베이스 유닛이 추가로 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 역치 압력은 사용자에 의해 조절될 수 있다. 역치 압력은 또한 사전-결정될 수 있다(예를 들어, 커프의 해부학적 배치, 커프 물질 등에 기초하여). 다른 실시형태에서, 커프 내의 압력은 압력 센서로부터의 압력 검출 및/또는 측정, 원하는 압력, 커프의 해부학적 배치, 파열 압력 등에 기초하여 자동으로 조절가능할 수 있다.
다른 실시형태에서, 베이스 유닛은 추가로 냉각액의 유량을 측정하도록 구성될 수 있다. 유동 센서는 대상체로 들어오거나 대상체 밖으로 나가는(예를 들어, 액체의 능동 제거의 경우에) 냉각 유체의 유량이 측정될 수 있도록 위치할 수 있다(예를 들어, 베이스 유닛 내에서, 하나 이상의 카테터(예를 들어, 내부 또는 외부)의 길이를 따라, 커프 내에서 등등).
다른 센서 및/또는 측정 디바이스는 베이스 유닛이 정보를 수신할 수 있도록 베이스 유닛과 인터페이스 연결되도록 구성될 수 있다(예를 들어, IV 유닛은 베이스 유닛에게 IV 유닛에 의해 대상체로 전달되는 유체에 관한 정보를 보내고/거나 베이스 유닛이 IV 유닛에 의해 대상체로 전달되는 유체에 관한 정보를 수득하게 할 수 있다).
일부 예에서, 베이스 유닛은 유체를 환자 내로 또는 밖으로 이동시키는 추진력을 제공하고/거나 열을 부가하거나 열을 환자에 유입되는 유체로부터 제거하고/거나 환자의 상태(예를 들어, 상기 기재된 온도 및/또는 압력 판독치 포함)에 관한 특정 데이터를 디스플레이하도록 구성될 수 있다. 베이스 유닛은 단일 온도의 단순한 폐쇄 루프 피드백 제어를 제공할 수 있으며, 더욱 정교한 실시형태에서, 특정 속도로 주어진 온도 설정점에 접근시키고, 환자를 특정 기간 동안 특정 온도 가까이로 유지시키고, 환자를 특정 속도로 재가온시키는 것과 같이, 사용자가 환자 온도에 대한 특정 시간 경과를 프로그램화시키게 할 수 있다.
베이스 유닛은 온도 디스플레이와 연통하는, 환자 온도를 모니터링하는데 사용하기 위한 재사용가능한 또는 일회용 온도 프로브를 포함할 수 있다. 또한, 1개 초과의 온도 프로브가 사용될 수도 있다. 일부 예에서, 최소한 환자의 직장 온도의 측정이 존재할 수 있다. 임의의 온도 프로브(들)를 사용하여 환자로 유입되고 복귀되는 액체의 온도를 측정할 수 있다. 일부 예에서, 온도 프로브는 일회용이나, 고도로 열 전도성인 물질, 예를 들어, 얇은 알루미늄 또는 플라스틱 슬리브에 의해 유체로부터 분리될 수 있다. 일부 예에서, 열 전도성 그리스 또는 겔을 사용하여 프로브 송신 부재와 슬리브 간의 열 접촉을 증진시킬 수 있다. 프로세서 및/또는 데이터 수집 시스템은 정보가 연통되고/거나 온도 프로브(들)로부터 정보를 수신하도록 제공되고 구성될 수 있다. 디스플레이 스크린 또는 다른 이러한 디바이스가 하나 이상의 온도 프로브로부터 수신되는 정보를 디스플레이하도록 제공될 수 있다.
재사용가능한 냉각 유닛은 열교환기를 허용하도록 제공되고 구성될 수 있다. 일부 예에서, 열교환기는 직사각형 "박스" 기하학적 구조를 갖는 하나 이상의 카트리지를 포함한다. 카트리지는 제거가능하고/거나 일회용일 수 있으나, 이것이 필요하지는 않다. 카트리지는 카트리지의 동일하거나 상이한 측 상에 유입 및 유출 포트를 포함할 수 있다. 냉각 유닛은 카트리지의 한 측 또는 양 측이 냉각 부재와 열 접촉되게 하기 위해 가까이에 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 열은 카트리지와 유체가 접촉하고 있는 냉각 부재 없이 전도에 의해 전달될 수 있다. 카트리지와의 접촉은 열 전도성 물질, 예를 들어, 알루미늄, 강철 또는 구리로 구축된 1개 또는 2개의 편평한 및/또는 특징적 전도 표면과 함께 확립될 수 있다. 일부 예에서, 전도 표면은 또한 표면으로부터 열을 멀리 펌핑시키는 다수의 열전기 냉각 디바이스(하기에 더 상세히 기재)와 접촉하여, 이들의 온도를 감소시킬 수 있다.
일부 예에서, 열전기 디바이스의 "고온"부로부터 열을 제거하기 위한 하나 이상의 디바이스가 제공될 수 있다. 열의 제거는 자연 대류에 의하거나 핀, 팬의 사용에 의해 또는 "히트 파이프(heat pipe)"를 부착시킴으로써 증진될 수 있으며, 히트 파이프는 열전기 디바이스로부터의 폐열에 의해 가온되거나 비등되는 유체의 저장소이다. 가온된 유체는 모세관 작용을 통해 또는 중력에 의해 이동할 수 있다. 중력으로 추진되는 경우에, 유체 증기는 주위 환경과 열 접촉하는 저장소의 다른 부분으로 올라갈 수 있으며, 거기서 응축되어 열이 환경으로 소멸될 수 있다. 이어서, 유체는 응축 후에 저장소로 다시 떨어질 수 있다. 대안적으로, 유체는 저장소의 냉 부품 또는 냉각 코일로 펌핑될 수 있다.
일부 예에서, 적어도 하나의 펌프를 열교환기 전 또는 후에 위치시켜, 유체를 환자로 추진시킬 수 있다. 펌프는 펌핑 메커니즘과의 유체 접촉을 방지하기 위한 연동 펌프일 수 있다. 그러나, 일부 예에서, 다이어프램 펌프 및 다른 유형의 펌프, 예를 들어, 회전식 펌프가 적절할 수 있다. 필요에 따라 일회용 유체 접촉 섹션이 다이어프램 또는 회전식 펌프와 함께 제공될 수 있다.
펌프(들)는 0.2ℓ/분 이하, 0.2 내지 2ℓ/분, 2ℓ/분 이하, 0.5 내지 10ℓ/분, 10 내지 20ℓ/분 또는 일부 예에서, 20ℓ/분 이하를 전달할 수 있다. 원하는 시작 속도에 따라, 간헐적 펌프 시기선택 및 사전-냉각된 액체가 고려될 수 있다. 일부 예에서, 유체를 환자내로 추진시키기 위한 2개의 연동 펌프가 제공될 수 있으며, 1개의 펌프는 하나 이상의 식도 카테터로의 유량을 통제하고, 다른 펌프는 하나 이상의 비강 카테터로의 유량을 통제한다. 제어 유닛을 제공하여, 펌핑의 속도 및/또는 펌프(들)의 턴 온 또는 턴 오프를 제어할 수 있다.
열교환기, 사용자 인터페이스 및/또는 데이터 수집 시스템과 인터페이스 연결된 하나 이상의 냉각 유닛을 제공할 수 있다. 냉각 유닛은 하나 이상의 열전기 디바이스를 사용할 수 있다(예를 들어, 냉각 출력의 조절을 가능하게 하기 위함). 다른 실시형태에서, 또한 다른 유형의 냉각, 예를 들어, 아이스 배쓰 또는 통상의 냉장 유닛이 사용될 수 있다. 다른 실시형태에서, 재순환 칠러(예를 들어, 열전기 또는 통상의 냉장)를 사용하여, 냉각된 유체가 열교환기의 한 측으로 유입되게 할 수 있으며, 여기서, 열교환기의 다른 측은 환자로 도입될 유체를 포함한다. 재순환 칠러는 냉각된 유체의 조절을 가능하게 하도록 조절될 수 있다. 재순환 칠러는 0℃에서 1000 내지 2000 와트의 냉각 용량을 포함할 수 있다.
데이터 수집 시스템은 제어 유닛, 및 환자와 접촉하게 되는 온도 프로브와 인터페이스 연결되도록 구성될 수 있다. 데이터 수집 시스템과 관련된 모듈은 환자로 유입되고 이로부터 복귀되는 액체 스트림의 온도에 대한 데이터를 수집하도록 구성될 수 있다. 모듈은 일부 경우에 두개내 압력 데이터(ICP)를 수집할 수 있다.
일부 예에서, 냉각 유닛은 열 교환기와 건식으로 인터페이스 연결되는 시스템을 포함할 수 있다. 따라서, 열교환기는 인터페이스와 열 접촉될 수 있으나, 베이스 유닛의 냉각/가열 부재와 유체가 접촉하지 않을 수 있다. 일부 예에서, 인터페이스는 최소의 체류 시간과 함께 작동 유체의 최대 냉각을 가능하게 하는 양방향 인터페이스일 수 있다.
다양한 열 싱크 전략을 사용하여 가능한 한 신속하게 열전기 디바이스의 "고온"부로부터 열을 소멸시킬 수 있다. 예를 들어, 팬을 사용하여, 핀이 있는(finned) 열교환기 위로 공기를 강제유동시킬 수 있다. 대안적으로, 그리고 바람직하게는 많은 경우, 열전기 디바이스의 고온부는 순환액과 접촉하게 배치될 수 있으며, 액체를 사용하여, 간단히 폐열을 버리거나 심지어는 환자를 가온시킬 수 있다. 다른 가능한 열 싱크 전략은 하나 이상의 액체 저장소를 사용하며, 상당한 헤드 공간은 열교환기의 고온부와 열 접촉한다. 열전기 디바이스가 환자를 냉각시키고 있는 경우, 이들은 동시에 저장소 내의 액체를 비등시키고 있으며, 액체는 저장소의 내표면 상에서 응축될 것이며, 이는 열이 환경으로 전도되게 할 것이다. 일부 예에서, 열전기 부재를 사용하여, 예를 들어, 환경으로부터 열전기 디바이스의 "저온부"로 열을 전도시킴으로써 환자로 가는 유체를 가온시킬 수 있다. 이러한 디바이스는 강제 공기 냉각/가온에 비하여 복잡성 감소의 이점을 갖는다. 개념은 환류 응축기의 개념과 유사하다.
본 명세서에 사용되는 용어 "히트 싱크"는 또한 히트 파이프를 포함한다. 다양한 작동 유체, 예를 들어, 물, 에탄올, 메탄올, 플루오로카본 및 이들의 임의의 혼합물이 이러한 히트 파이프에서 사용될 수 있다. 파이프가 작동하는 온도는 저장소 내측의 압력에 의해 결정된다. 일 예에서, 히트 파이프 작동의 온도는 45℃ 내지 55℃일 수 있으며, 일반적으로 만져서 따뜻하지만 화상 위험은 없다.
일부 예에서, 히트 파이프는 중력 히트 파이프(gravity heat pipe)일 수 있다. 다른 예에서, 히트 파이프는 고성능 컴퓨터에서 통상적으로 사용되는 것과 같은 모세관 작용을 삿용하여 작동가능할 수 있다. 히트 파이프는 열을 소멸시키기 위한 통상의 팬 및 핀 시스템의 사용에 대하여 몇몇 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 팬 및 핀 시스템은 세척하기 더 어려울 수 있다. 다른 실시형태에서, 상기 기재된 바와 같이, 열교환기(예를 들어, 판형 열교환기)는 냉각 유닛(예를 들어, 환자에 유입되는 유체를 직접적으로 냉각시키거나 열교환기를 통해 유체를 간접적으로 냉각시키도록 구성)과 유체가 연통될 수 있다.
주어진 환자의 온도의 관리는 3개의 기본 단계를 포함할 수 있다. 초기 냉각 또는 "유도" 단계를 수행하여, 환자가 저체온 또는 정상체온 상태가 되게 할 수 있다. 이러한 상태는 "유지" 단계로 이어질 수 있으며, 여기서, 환자의 뇌 및 체온은 수시간 내지 수일 범위의 기간 동안 내과의에 의해 결정시 이들 각각의 목적 온도로 유지된다. 마지막으로, "재가온" 단계가 제공될 수 있으며, 여기서, 뇌 및 신체는 제어된 방식으로 이들의 정상 온도로 복귀된다.
도 11은 예시적인 "긴 컬럼" 냉각 전략을 예시하며, 이를 사용하여 생성되는 유체 유동장을 설명할 수 있다. "오직 비강만의" 전략보다 더 긴 냉각 구역을 제공함으로써, 긴 컬럼 방법은 보다 신속하고 강한 냉각을 가능하게 한다. 또한, 이는 뇌 온도와 신체 온도 사이의 보다 큰 정상 상태 기울기가 달성되고 유지될 수 있게 한다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 냉 유체는 비강 카테터(401) 및 다수 루멘 식도 카테터(402)를 통해 공급될 수 있다. 유체가 포트(403)를 통해 식도로 빠져 나가는 한편, 풍선(404)을 사용하여 위로의 유체 소실이 방지된다. 풍선(404)는 또한 위 내용물의 흡인을 조절할 수 있다. 큰 루멘 카테터(405)는 위 접근을 보호하고, 구토 및 장 기체를 위한 출구 경로를 제공함으로써 하부 식도 또는 위 내의 압력 증가를 방지할 수 있다.
하부 기관(406)으로의 유체 유입은 풍선(408)에 의해 감소되거나 방지될 수 있으며, 포트(409)는 기관 내의 유체의 제거를 가능하게 하여, 유체 정체를 줄이고/거나 방지하는데 도움을 줄 수 있다. 하부 기관으로의 유체 유입은 벤틸레이터를 사용함으로써 추가로 감소되어, 폐에 약간의 정압을 생성할 수 있다. 다기능성 내기관(기관) 튜브(407)의 주요 루멘은 호흡을 허용할 수 있다. 주요 출구 라인(410)은 여과 및 재순환 또는 처리를 위해 유체를 회수하도록 구성될 수 있다. 환자는 반듯이 또는 트렌델렌부르크 자세로 배치되어, 유체 제거를 보조할 수 있다.
사용 시에, 도 11에(그리고 적용가능한 다른 도면에) 나타낸 시스템은 하기 예시적인 방법에 기재된 바와 같이 구현될 수 있다:
1. 유도 단계(일단 냉각이 뇌 손상 환자에 대해 적절하다고 결정되면)
a. 이미 관이 삽입되지 않는다면, 커프가 있는 ETT(추가의 포트 및 루멘이 있거나 이것이 없는)가 삽입되어, 폐를 보호한다. ETT는 추가의 루멘 및 포트를 가질 수 있다. 커프는 20 내지 50㎝ 물의 압력으로 팽창된다. 이중 풍선 또는 커프 ETT 또는 카테터가 사용된다면, 이의 제2 풍선이 팽창될 수 있다.
b. 식도 튜브가 식도에 삽입되고, 이의 커프가 20 내지 60㎝ 물로 팽창되어, 위를 보호한다.
c. 비강 카테터가 콧구멍에 삽입된다.
d. 구강 카테터가 입에 배치된다.
e. 튜브 라인을 이동하는 액체가 이들의 각각의 매니폴드(비강, 기관, 식도 및 복귀)에 부착된다.
f. 복귀 라인이 저장소에 연결된다.
g. 일회용 열교환기 또는 열교환기(들)를 냉각 유닛과 아마도 가온 유닛에 배치함으로써 유체 경로가 완료된다.
h. 저장소가 냉각 유체로 채워진다.
i. 냉각 유닛이 활성화된다.
j. 펌프가 활성화된다.
k. 유체 유동이 이제 확립되고, 순환에서 이동할 수 있다(예를 들어, 도 10a, 도 10b 및 도 10c 참조).
l. 환자 내측의 유동장(예를 들어, 도 11 참조).
m. 호흡소화관이 감염성 물질, 예를 들어, 위 내용물 또는 인두 유체를 함유할 수 있음을 고려하면, 환자를 빠져나오는 처음의 리터 또는 그러한 유체를 폐기하고 재순환시키지 않을 수 있다. 이중 풍선 기관 카테터가 사용된다면, 플러싱 또는 약간의 흡인을 기관 내의 풍선 또는 커프 사이의 공간에 적용하여, 폐를 감염성 유체 유입으로부터 보호할 수 있다. 또한, 벤틸레이터를 사용하여 압력이 폐에서 약간 증가되어, 폐로의 유체 유입에 대하여 추가로 보호할 수 있다.
n. 측정 디바이스(열전대 또는 서미스터(thermistor) 기반의 디바이스)가 직장 또는 액와에 도입된다. 중심 정맥 라인 및/또는 "볼트"가 존재한다면, 이들 온도가 획득될 수 있다. 적용가능하면, 두개내 압력 데이터도 또한 획득될 수 있다.
o. 냉 유체 순환이 확립된 후에, 뇌 온도는 신속하게 감소될 것인 한편, 체온은 뇌의 온도보다 더 느리게 감소될 것이다. 유도 동안, 가온 기능이 사용되지 않을 것이 가능하다.
p. 환자의 신체 심부 온도는 정상 온도 근처로 남겨질 수 있다. 그러나, 다른 경우에, 신체 심부 온도가 36℃, 35℃, 34℃, 33℃, 32℃ 이하, 그리고 일부 경우에는 26℃, 25℃, 24℃ 이하가 될 때까지 환자가 냉각될 수 있다. 뇌가 신체 심부 온도보다 더 차갑게 냉각될 것이 바람직하다. 신체 심부 온도가 이의 설정점에 도달함에 따라, 가온 유닛이 연동되어, 정상 상태에 궁극적으로 도달할 것이며, 여기서 냉각 유닛에 의해 추출되는 열이 가온 유닛에 의해 환자에 공급되는 열과 균형을 이룬다.
q. 뇌 온도 측정이 이용가능하고 뇌 온도가 제어 루프의 제어된 변수인 사건에서, 뇌 온도가 모니터링될 것이며, 뇌 온도가 이의 설정점에 도달하는 경우, 냉각이 중단되고/거나 가온 유닛이 연동되어, 결국 정상 상태에 도달할 것이며, 여기서, 냉각 유닛에 의해 추출되는 열은 가온 유닛에 의해 환자에 공급되는 열과 균형을 이룬다.
2. 유지 단계
a. 일단 환자가 목적 온도에 도달하면, 환자를 목적 온도 근처로 유지하는데 필요한 바와 같이 제어 작동이 취해질 것이다. PID 방법, 다중 입력, 단일 출력 제어(MISO) 및 다중 입력, 다중 출력 제어(MIMO)를 포함하는 많은 제어 방법이 당업계에 기재된다. 내부 모델 제어(IMC)도 또한 사용될 수 있다.
b. 다른 치료에 더하여, 호흡소화관의 간헐적 플러싱이 취해져서, 이러한 "유지 단계" 동안 (특히 기관 내의) 유체의 정체를 방지할 수 있다.
c. 또한, 간헐적 흡인이 기관 포트 상에 배치되어, 커프 "보다 위에서" 유체의 정체를 방지하여, 폐를 보호할 수 있다. 이러한 맥락에서, "보다 위에서"는 폐에 가장 가깝기보다는 입에 가장 가까운 커프의 측면상을 의미한다.
d. 유지 단계 동안, 냉각 및 가온 둘 모두가 증가되어, 뇌와 신체 온도 사이의 보다 큰 기울기를 가능하게 할 수 있다. 이는 환자를 관주시키는데 사용되는 냉각 유체의 온도의 감소 또는 시스템의 듀티 사이클(duty cycle)의 증가(예를 들어, 분(능동 관주)/시간(경과 시간))와 부합할 수 있다.
e. 유지 단계 동안, 관주 유체의 온도는 냉각 속도를 증가시키거나 감소시키기 위해 조절될 수 있다. 호흡소화관의 전부 또는 일부의 관주의 간헐적 중단을 포함하여, 관주 유체의 유량도 또한 변경될 수 있다.
3. 재가온 단계
a. 재가온 동안, 가온 디바이스가 존재하지 않는다면, 냉각 시스템 파워 또는 듀티 사이클이 감소되고, 환자는 재가온되게 허용된다. 가온 블랭킷가 존재한다면, 냉각이 감소되기 때문에, 추가의 에너지가 환자에게 가해질 수 있다.
b. 환자가 목적 온도에 도달함에 따라, 가온 디바이스에 대한 동력이 감소되거나, 가온 디바이스가 꺼진다.
c 필요에 따라 유체가 환자로부터 회수되고, 적절한 경우, 카테터가 제거된다.
상기 논의된 바와 같이, 기계적 벤틸레이터에 의존하는 환자는 입 및 인두에 존재하는 박테리아가 폐로 유입되기 때문에, 특히 폐렴에 걸리기 쉽다. 그러나, 냉각 유체를 사용한 상기도 및 식도의 플러싱은 몇몇 메카니즘에 의해 이러한 위험을 이동시킬 수 있다. 먼저, 플러싱은 타액, 점액 및 인두 유체를 함께 끌고 가고, 관련 박테리아를 떠내려 보낸다. 이에 따라, 박테리아가 호흡소화관에서 증식되고 축적되는 것이 방지된다. 두번째로, 플러싱에 의해 박테리아 성장에 요구되는 영양소가 희석되어, 떠내려 보내지지 않은 박테리아의 증식 속도가 감소된다. 이는 환자가 최근에 구토한 적이 있거나, 위 내용물의 흡인 위험이 있는 예에서, 특히 중요하다. 세번째로, 플러싱 유체가 매우 차갑기 때문에, 호흡소화관의 표면의 온도가 상당히 감소되어, 박테리아 성장 속도를 더 하락시킨다. 이러한 효과의 최종 결과는 폐에 유입되는 임의의 액체가 플러싱되지 않는 환자의 폐에 유입되는 것보다 훨씬 덜 감염성일 것 같다는 것이다. 또한, 항박테리아제 및 계면활성제를 관주 유체에 첨가하는 것이 가능하다.
신경보호를 위해 냉각을 겪는 환자는 환자 신체 심부 온도의 감소와 관련된 면역계 억제 때문에, 종종 특히 폐렴에 취약하다. 선택적 냉각 시스템은 대체로 신체 심부의 냉각을 방지하며, 환자 자신의 면역계가 감염과 더 잘 싸울 수 있게 한다. 이러한 이익은 표면 가온이 독립적으로 또는 통합된 가온 디바이스를 사용하여 적용될 수 있다는 사실에 의해 더 향상된다.
플러싱은 도 11에 관하여 상기에, 그리고 다른 곳에 기재된 바와 같이, 유체가 빠져 나가고 순환되게 함으로써 수행될 수 있다. 또한, 예시적인 플러싱 방법은 하기와 같이 수행될 수 있다:
1. 최소한 기관 카테터를 환자 내로 도입하고, 추가로, 임의의 또는 모든 비강 또는 식도 카테터뿐 아니라 복귀 라인이 환자에 도입된다.
2. 비강 카테터 및/또는 식도 카테터가 사용되어, 유체를 환자에 도입시킨다. 심지어 기관 카테터의 루멘 그 자체가 사용될 수 있다.
3. 흡인이 기관 튜브의 흡인 포트에 간헐적으로 적용된다.
플러싱은 쿨링 프로세스의 부분일 수 있거나, 플러싱이 환자의 신체 심부 온도에 가까운 유체를 사용하여 수행될 수 있다는 점에서 플러싱은 냉각과 별개의 것일 수 있다.
도 22a 및 도 22b는 유체가 다기능 기관 튜브를 통해 플러싱되는 단순화 플러싱 시스템을 예시한다. 도 22a 및 도 22b에 나타낸 바와 같이, 유체는 다기능 기관 카테터(501)를 통해 도입될 수 있으며, 포트(502)를 통해 기관에 유입된다. 풍선(503)은 하부 기관으로의 유체 유입을 제한하고/거나 방지할 수 있는 한편, 주요 루멘(미도시)은 호흡 기체의 유입 및 유출을 가능하게 한다. 플러싱 유체는 위로 넘치거나, 또는 포트(502)와 유체가 연통하는 루멘, 또는 포트(502) 부근의 다른 포트와 연통하는 인접 루멘으로의 흡인의 적용에 의해 회수될 수 있다.
신체 또는 디바이스 내의, 그 위의 및/또는 그 근처의 다양한 위치로부터의 온도를 사용하여 사용 중에 디바이스의 기능을 조절할 수 있다. 또한, 이들 측정을 사용하여, 직접 측정되지 않는 특성, 예를 들어, 신체 심부 조직 온도(뇌), 심박출량, 신체 심부 열 발생, 뇌 열 발생 및 뇌로의 혈액 유동을 추정할 수 있다. 가능성 있는 온도 측정의 위치는 예를 들어, 뇌, 직장, 식도, 방광, 고막, 위, 폐동맥, 대정맥, 대동맥, 유출된 기체, 기관 벽, 눈, 피부, 복막, 액와 및 서혜부를 포함한다.
예시적인 냉각 시스템 및 관련 분석이 하기에 기재된다. 환자의 신체에 대한 거시적 열 균형은 하기의 식 1에 나타나 있다.
Figure 112014018588302-pct00008
상기 식의 좌변은 전신에 걸쳐 평균을 낸 공간 평균에 의해 나타나는 밀도 ρ(x,y,z), 열 용량 Cp(x,y,z) 및 온도의 시간 미분값(time derivative) T(x,y,z)의 곱으로서의 환자의 신체의 열 함량의 총 변동률을 보여준다. 체열 함량은 다수의 열류(단위 시간당 줄, 즉 와트로 측정)의 결과로서 시간에 따라 변한다. 식 1의 우측에 대한 제1 항은 신체 그 자체에 의해 생성되는 열, qmet이며, 일상적인 상황에서, 이는 약 37℃의 평형화 온도에서 제2 항, qenv에 의해 표시되는 신체의 환경과의 열 교환에 의해 균형을 이룬다. 뇌 손상 환자가 냉각되는 경우, 추가의 열이 냉각 디바이스에 의해 추출되며, qcooler에 의해 표시되는 이러한 열류는 새로운 평형이 확립될 때까지 환자의 전체 평균 온도가 감소되게 할 것이며, 대사 가열은 환경 및 디바이스 추진 냉각에 의해 균형을 이룬다.
가온 디바이스, 예를 들어, 발열 블랭킷, 도체 패드 또는 랩의 사용에 의한 열 에너지의 부가는 냉각 디바이스에 의해 추출되는 에너지를 대략적으로 상쇄시키고, 이러한 환자 온도의 전반적인 감소를 줄일 수 있다. 가온 장비에 의해 부가되는 에너지, qwarmer는 종종 냉각 에너지 qcooler와 보통 대략적으로 동일할 것이다(그러나 항상정확하게 동일하지 않음). 그러나, 일부 경우에, 환자 뇌 온도의 신속한 감소가 요구되는 경우, 치료적 저체온의 유도 동안과 같이, 2가지 에너지 유동이 매우 어려울 것이다.
이러한 시스템의 이점은 일부 예에서, 건강 관리자가 선택적으로 뇌를 한 온도로 만드는 한편, 신체를 다른 온도로 만들게 할 수 있다는 점이다. 이는 종종 뇌에 대한 최적의 치료적 온도가 신체에 대한 최적의 온도와 상이하기 때문에, 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 이는 뇌 손상이 심장정지로부터 야기되는 경우일 수 있다. 이러한 이점은 두부와 신체를 도 9a 및 도 9b에 나타낸 바와 같은 2개의 개별적이나 상호작용하는 시스템으로 계획함으로써 강조될 수 있다.
도 9a는 뇌 및 신체 심부의 온도에 영향을 미치는 주요 열류를 보여주는 블록 다이어그램이다. 도 9a에 나타낸 구조는 동시 뇌 냉각 및 신체 가온을 제공한다. 도 9b는 뇌 및 신체 심부의 온도에 영향을 미치는 주요 열류의 더욱 상세한 블록 다이어그램이다. 이러한 표시에서, 제3 "헤드" 구획이 부가되어, 동맥 혈액에 기인한 냉각이 뇌에 대하여 완전히 선택적이지 않음을 강조한다. 그러나, 내부 경동맥 및 척추동맥 내의 유동이 뇌 온도에 주로 영향을 미치며, 다른 유동은 신체의 냉각 후에 간접적으로 뇌에 영향을 미친다.
이러한 모델에서, "두부"는 경부의 끝에서 평면 제어 표면에 의해 신체로부터 분리된 것으로 고려된다. 물론 비강과 뇌 구획 사이에는 상당한 전도성 열 교환이 존재한다. 이러한 분석을 위하여, 이를 혈행 냉각과 동일시하고, "q a cooler"의 일부로 처리하고, 간결함을 위하여, 따로 나타내지 않았다.
두부에 대한 열 균형은 식 2에 제공되며, 여기서, 위첨자 'h'로 표시된 양은 두부로 그리고 두부로부터의 전체 유량이다. 두부의 온도 프로파일이 불균일함을 인식하면서, 이는 두부의 평균 온도가 전신 냉각 디바이스로 행해지는 바와 같이, 신체 심부를 떠나는 혈액의 에너지량을 변하게 함으로써 조작될 수 있음을 지적한다. 그러나, 이러한 경우에, 혈액 에너지 흐름은 대체로 qa cooler에 의해 제어되며, 여기서 열은 냉각 유닛으로부터의 냉 유체를 사용한 호흡소화관의 관주에 의해 동맥으로부터 추출된다. 차례로, 뇌의 온도는 유출 정맥 혈액의 온도에 영향을 미치며, 이에 따라, 뇌 영역을 떠나 신체를 향하는 에너지 플럭스, qvein에 영향을 미친다.
Figure 112014018588302-pct00009
신체 심부에 대한 열 균형은 식 3에 제공되며, 여기서, 위첨자 'c'로 표시되는 양은 신체 심부에 대한 전체의 플럭스이다. 신체 심부의 온도 프로파일이 불균일함을 인식하면서, 신체 심부의 평균 온도는 두부를 떠나는 정맥 혈액의 에너지 흐름, qvein에 의해 영향을 받으며, 이는 차례로 호흡소화관과의 근접성 때문에, 정맥으로부터 추출되는 열, qv cooler에 의해 영향을 받는다. 신체 심부의 평균 온도는 또한 외부 가온 디바이스의 사용을 통하여 조작될 수 있으며, 이러한 열 플럭스, qc warmer는 복귀 냉 정맥 혈액을 가온시키는데 필요한 에너지에 대한 상쇄를 제공할 수 있다.
Figure 112014018588302-pct00010
신체 심부 및 두부의 대사적 열 발생을 합산하여, 신체의 총 발열을 생성한다.
Figure 112014018588302-pct00011
동일한 논리에 의해,
Figure 112014018588302-pct00012
Figure 112014018588302-pct00013
그리고 마지막으로, 전신의 열 함량을 기술하기 위하여 다시 동일한 논리를 사용하여, 식 7을 제공한다.
Figure 112014018588302-pct00014
이들 정의들을 배경으로 하여, 식 2 및 식 3의 함께한 부가에 의해, 식 1에서의 원래 에너지 균형이 회복된다. 그리고, 정상 상태 열 균형이 어떻게 달성될 수 있는지를 보여준다.
식 2로 돌아가서, 두부에 대한 열 균형을 재배열하여, 두부 및 신체 심부를 떠나는 혈류를 기술하는 용어를 그룹화한다:
Figure 112014018588302-pct00015
괄호 내의 표현을 위하여 신체 식을 풀고, 뇌 식에 대입한다
Figure 112014018588302-pct00016
이는 두부 온도의 변화를 신체 온도의 변화와 관련시키는 조합된 표현을 만든다. 두부의 질량이 신체의 질량보다 훨씬 더 적은 것을 주목하며, 이는 전달되는 주어진 양의 에너지에 대하여, 두부 온도의 변화가 신체 온도의 변화보다 훨씬 더 클 것임을 의미한다.
Figure 112014018588302-pct00017
일반적으로, 대사 및 환경 플럭스는 가변적일 것이며, 그래서 이들은 예측가능하지 않은 "로드" 변수로 이해될 것이다. 그러나, 보다 냉각된, 그리고 보다 가온된 플럭스는 자동화 제어 시스템을 통해 사용자에 의해 용이하게 조작될 수 있다.
이러한 분석은 뇌 및 신체의 온도가 독립적으로 조작될 수 있음을 보여주며, 여기서, qcooler는 두부에 유입되는 혈액의 온도를 제어하기 위해 사용되며, qwarmer는 복귀 혈액의 온도(및 이에 따른 에너지 함량)의 얻어진 감소를 보상하고 이에 따라 환자 심부 온도의 얻어진 감소를 줄이기 위해 본질적으로 사용된다. 본 발명자들은 본 명세서에 제시된 모델이 제어 표면을 통한 전도가 무시되었다는 점에서 단순화되나, 이것은 결과의 상당한 변화 없이, 부가될 수 있었으며, 다시 말하면, 호흡소화관의 냉각이 전신 냉각 전략보다 더 큰 정도로 뇌 온도에 영향을 미치고, 체온에 대해 생성된 장애가 전신 가온에 의해 방지될 수 있으며, 환자가 환경과 열 평형 상태로 유지될 수 있는 것을 인식한다.
도 9a 및 도 9b는 상대 열 플럭스를 도시하며, 상기 식 및 도 9a 및 도 9b의 파라미터는 표 7에 하기에 기재되어 있다.
표 7
Figure 112014018588302-pct00018
Figure 112014018588302-pct00019
도 10a 및 도 10b는 시스템에서의 예시적인 유체(액체, 기체 및 혼합) 유동을 나타낸다. 식도 및 비강 카테터에는 도시된 방식으로 냉 유체가 공급된다. 유체는 펌프에 의해 저장소로부터 빼내어지고, 냉각 유닛과 열 접촉하는 열교환기에 의해 냉각된다. 유체는 진공에 의해 환자로부터 제거되나, 또한 펌핑될 수도 있다. 또한, 유체 유동을 역전시켜, 아무 때나 환자의 호흡소화관을 비워낼 수 있다.
추가의 변형은 기관 및 식도 카테터 중 어느 하나 또는 둘 모두의 루멘을 사용하거나, 또는 비강 카테터 중 하나를 입인두로 연장하고 이를 복귀 라인으로 사용함에 의한 개별 구강 복귀 라인의 제거를 특징으로 할 수 있다. 이러한 경우에, 다른 비강 카테터는 여전히 비강의 관주를 위해 사용될 수 있다.
사용에 있어서, 초기 유체 충전물이 저장소에 공급될 수 있으며, 저장소는 약 2 내지 20ℓ의 용량을 가지며, 병원에서 사용되는 것의 전형적인 진공 하에 유지된다. 진공은 유닛에 포함되는 진공 펌프에 의해 또는 외부 공급 진공, 예를 들어, 하우스 진공 라인(house vacuum line)에 부착시킴으로써 발생될 수 있다. 유체는 비강 펌프 및 식도 펌프에 의해 일회용 열교환기를 통하여 저장소로부터 흡인될 수 있다. 펌프는 연동 펌프일 수 있으며, 유체가 각각 비강 영역 및 식도를 향해 이동되도록 구성될 수 있다. 라인이 내측의 유체의 결과로서 냉각될 수 있기 때문에, 환자 외측에 존재하는 라인은 필요에 따라 단열되어, 응결을 감소시킬 수 있다.
도 10a에 나타낸 예에서, 비강 펌프로부터의 유동은 매니폴드에 의해 (예를 들어, 일반적으로 균일하게) 분할되며, 각각이 환자 콧구멍 중 하나를 통하여 삽입되는 2개의 카테터에 공급된다. 이러한 유체는 비강을 관주시킨다. 그러나, 다른 예에서, 관주 유체는 비강 카테터 중 오직 하나에 의해 전달될 수 있으며, 다른 카테터는 예를 들어, 진공으로 라우팅(routed)될 수 있으며, 복귀 라인으로 사용될 수 있다. 도 10a에 나타낸 식도 펌프는 다기능 식도 카테터의 루멘을 통해 유체를 신체로 이동시키도록 구성된다. 환자 내의 유체가 대략 대기압에서 존재함을 주목해야 하며, 이는 환자의 입 및 가능하게는 비강이 대기에 개방되기 때문이다. 따라서, 이러한 냉각 시스템은 냉각 유체가 매우 높은 압력으로 존재하는 혈관내 시스템에 대하여 상당한 안전성 이점을 향유한다. 환자 내의 유체가 대기압에 매우 가깝게 존재하기 때문에, 저장소 또는 폐기물 라인/컨테이너의 진공은 환자로부터 유체를 제거하기에 충분하다.
이러한 예시적인 실시형태에서, 환자로 도입되는 유체는 주로 구강 복귀 라인에 의해 회수될 수 있다. 도 10a에 나타낸 바와 같이, 구강 복귀 라인은 일부 실시형태에서 수동적으로 작동시킬 수 있고, 다른 실시형태에서, 자동적으로 작동될 수 있는 전환 밸브를 포함할 수 있다. 전환 밸브는 예를 들어, 삼방향 밸브, 일회용 스톱콕(stopcock) 또는 볼 밸브(ball valve), 또는 한 쌍의 핀치 밸브일 수 있다.
유체가 폐기되지 않으면, 이는 재순환을 위한 저장소에 복귀되기 전에 필터 또는 일련의 필터(필터 모듈)에 의해 여과될 수 있다. 추가의 유체는 언제라도 저장소로 첨가되어, 유출, 폐기 등으로 인한 소실을 대체할 수 있다. 유체는 다기능 기관 카테터를 통해 흡인시킴으로써 환자로부터 회수될 수 있다. 이러한 유체는 재순환되거나 이는 폐기물로 라우팅될 수 있다.
유체는 또한 식도 및 비강 튜브를 진공 라인에 연결시킴으로써 식도 또는 비강 펌프 중 어느 하나 또는 둘 모두를 역전시킴으로써 환자로부터 회수될 수 있다.
유체는 필요에 따라 이러한 시스템을 통해 순환되어, 환자 온도를 조절할 수 있다. 시스템은 냉각이 필요하지 않은 경우에 중지될 수 있다. 일반적으로, 유량 및 온도가 관주 유체를 위해 선택되며, 냉각량은 펌프가 켜지거나 꺼지는 시간의 분율에 의해 결정된다(즉, 듀티 사이클). 그러나, 유량 및/또는 온도의 다른 조절을 사용하여, 환자에 제공되는 냉각량을 제어할 수 있다.
바람직하게는 환자의 조직에 대한 흡입 외상을 피하기 위해 주의하며, 흡입 루멘은 전형적으로 다수의 홀을 일직선으로 갖거나(휘슬 카테터(whistle catheter)와 유사), 다기능 카테터 환경 주위의 상이한 점에서 균일하게 분포되어, 이들이 동시에 모두 차단되지 않게 한다. 더욱 균일한 순환을 위하여, 다수의 홀 또는 루멘이 식도 또는 비강 카테터에 부가될 수 있다.
상기 기재된 바와 같이, 도 11은 사용 동안 환자 내측에서의 유체의 유동장을 보여준다. 온도 조절 유체는 비강 카테터(401) 및 멀티 루멘 식도 카테터(402)를 통해 공급된다. 식도 유체는 포트(403)를 통해 식도로 유출되는 한편, 위는 풍선(404)을 사용하여 보호된다. 또한, 풍선(404)은 위 내용물의 흡인을 방지한다. 대형 루멘 카테터(405)는 위 접근을 유지시키며, 구토를 위한 출구 경로를 제공한다. 원위 기관(406)은 풍선(408)에 의해 보호되며, 포트(409)는 유체의 제거를 가능하게 하여, 정체를 예방한다. 구강 카테터는 주요 출구 라인(410)으로서 기능하고, 여과 및 재순환 또는 폐기를 위해 유체를 회수한다. 기관 흡인 포트(409)(포트(409)는 실제로 다수의 포트일 수 있다)를 통한 흡입을 사용하여 필요에 따라 유체를 기관으로부터 인출시킨다. 이는 폐를 보호하는 커프 위의 유체의 "체류 시간"을 감소시킴으로써 박테리아 성장 가능성을 감소시키고, 기관을 플러싱시키는 유리한 영향을 갖는다. 대안적으로, 냉각이 없는 플러싱이 요구된다면, 유체는 열전기 디바이스(들) 상의 극성을 역전시켜, 이들이 냉각기보다는 가온기로 기능하게 함으로써 정상체온으로 만들 수 있다.
도 12는 측정된 직장 또는 다른 온도 측정 및/또는 뇌로부터 추론시, 두개-횡단 볼트를 통한 직접적인 측정으로부터 추론시, 또는 뇌를 침습하지 않는 하나 이상의 측정에 의해 정보가 제공된 모델에 의해, 환자의 신체 심부에 대한 원하는 설정점의 자동화된 유지를 가능하게 하도록 사용될 수 있는 예시적인 제어 시스템을 나타낸다. 또한, 제어 시스템은 "과냉각"을 최소로 하면서, 주어진 설정점으로의 환자의 냉각을 가능하게 하고, 제어된 재가온을 가능하게 할 수 있다. 이는 환자의 측정에 의해, 또는 수학적 모델에 의해, 실험적으로 수득되는 파라미터를 사용한 PID 제어와 함께 달성될 수 있다.
제어 시스템은 하기 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 온도 측정 프로브, 온도 데이터를 제어 유닛으로 전송하는 수단, 사용자 입력을 수락하는 수단, 제어 유닛 및 제어 유닛 출력을 최종 제어 부재(예를 들어, 액츄에이터)로 전송하는 수단.
일 예에서, 단순한 온-오프 피드백 제어 방식이 제공되어, 환자의 심부 온도를 소정의 최소치(예를 들어, 관리 하한, LCL) 초과로 유지시키면서 뇌를 냉각시킨다. 측정되고 제어되는 변수는 예를 들어, 환자의 직장 온도일 수 있다. 냉각 유닛이 사용자에 의해 설정되어, -20℃ 내지 37℃ 부근의 프로그램화된 온도의 유체를 제공할 수 있다. 펌프가 사용자에 의해 설정되어, 능동인 경우, 예를 들어, 0.2 내지 10ℓ/분의 유량을 제공할 수 있다. 일단, 이들 파라미터가 고정되면, 환자 온도는 호흡소화관 전부 또는 일부의 관주의 유량의 조작(온/오프)에 의해 조절될 수 있다. 제2 제어 루프를 사용하여, 열전기 냉각 디바이스(들)의 동작을 제어하여, 원하는 유량과 온도로 관주 유체가 제공되게 할 수 있다. 냉각기(예를 들어, 열전기 또는 기타)에 대한 동력을 조절하여, 관주 유체를 차갑게, 그러나, 얼지 않게, 예를 들어, 약 2 내지 4℃로 유지할 수 있다. 이러한 제2 제어 루프는 통상적인 PID 제어기일 수 있다. 관주 유체에 대한 원하는 설정점은 사용되는 유체 및 특정 상황에 따라 -20℃ 내지 37℃일 수 있으나, 유체 온도 설정점은 일반적으로 치료법의 시작 시에 선택되고, 환자 온도를 제어하기 위해 조작되는 것과 대조적으로, 제어 하에 유지된다. 이러한 방법은 펌프에 대한 듀티 사이클을 최소화시키고, 환자의 호흡소화관이 관주되는 시간량을 최소화시킨다. 환자 심부 온도가 관리 하한 LCL에 도달하는 경우, 환자 온도가 관리 하한 또는 UCL을 초과하여 상승하고 냉각이 재개될 때까지 펌프가 꺼지고, 이것이 유지된다. 일부 경우에, 냉각 작동의 마지막에, 펌프를 역전시키고, 환자의 호흡소화관으로부터 임의의 회수가능한 유체를 제거하는 것이 바람직할 것이다.
다른 예에서, 제어 방식은 또한 환자 온도를 위한 PID 제어기를 사용할 수 있다. 이러한 시스템은 환자의 심부 온도를 사용자 프로그램화 설정점 부근으로 유지시키도록 구성될 수 있다. 아무 때나 사용자(즉, 건강 관리자)에 의해 설정점이 변경될 수 있다. 또한, 사용자는 점진적인 방식(상승 속도(ramp rate))으로 설정점을 변경시킬 수 있으며, 이는 냉각 또는 재가온 속도를 제어하는데 유용할 수 있다. 환자 온도는 호흡소화관의 전부 또는 일부의 관주의 유량의 조작(온/오프)에 의해 조절될 수 있으며, 환자 자신의 대사는 대항하는 가온력을 제공한다. 펌프(들)의 필요한 관주 시간은 PID 제어에 의해 계산될 수 있다. 도 12의 블록 다이어그램은 이러한 시스템을 구현하는 예시적인 방법을 나타낸다.
도 12는 피드백 제어를 가능하게 하기 위한 부품들간의 상호작용을 예시한다. 사용자는 환자에 대한 사용자 명령 설정점 및 상승 속도 온도(Tsetpoint로 나타냄)를 사용하여, 사용자 인터페이스와 상호작용할 수 있다. 사용자는 관주 유체에 대한 온도를 지정할 수 있으며, 이는 열교환기를 이탈하는 유체의 측정된 온도, Tfluid에 대해 비교된다. 열교환기를 따라 몇몇 점에서 측정을 취하여, 열교환기를 가로지르는 온도 프로파일에 관한 더 많은 정보를 제공할 수 있다. 냉각기 제어 디바이스는 I,V(전류 및 전압)로 표시되는 냉각 시스템에 대한 동력을 조절하고, 피드백 제어 디바이스로 작동하여, 냉각 시스템을 이탈하는 유체의 온도를 원하는 온도로 유지시킨다. 이어서, 환자 제어 디바이스는 오차 신호, E로 표시되는, 환자 온도와 설정점 간의 차에 의해 나타나는 경우, 관주 펌프를 턴 온(turn on) 및 턴 오프(turn off)시킴으로써 원하는 속도로 환자 온도, Tmeasured가 원하는 온도가 되게 관주 펌프를 작동시킨다.
상이한 펌프 속도가 요구된다면, 펌프 V1 및 V2로의 신호가 달라질 수 있다. 혹은, V1 및 V2는 단순한 "온/오프" 신호일 수 있다. 전환 밸브를 사용하여, 환자를 이탈하는 유체를 폐기하거나 이를 재순환시킬 수 있다. 펌프를 켜서, 처음에는 환자를 냉각시킬 뿐 아니라, 환자에 대하여 방해물 또는 부하로 작용하는 환경적 및 대사적 열 생성에도 불구하고, 환자를 원하는 온도로 유지시킬 것임이 예상된다(qd로 나타냄). TM 및 FM이 각각 선택적 온도 및 유동 측정 디바이스임을 주목한다. 다양한 온도 및 유동 측정 디바이스가 사용될 수 있으나, 열 교환기가 이전에 기재된 충분한 무차원 길이의 것이면, 환자에 유입되는 유체의 온도는 용이하게 추론될 수 있다. 열전기 유닛 및 가온 유닛(사용되는 경우)에 의해 공급되는 동력의 고려는 환자로의/로부터의 에너지 플럭스 추정의 기반으로 사용될 수 있다.
동시의 냉각 및 반대 가온은 상당한 이점을 제공할 수 있다. 이들 이점을 나타내기 위하여, 호흡소화관 내의 유동장을 특성화시킬 수 있으며, 생성된 냉 유체로의 열 전달률을 추정할 수 있다. 먼저, 유동을 층류(laminar) 또는 난류(turbulent)로 특성화시킬 수 있다. 물에 대한 물리적 특성이 약 200의 레이놀즈 수(Reynolds number)를 제공하는 것을 감안하여, 이러한 유동은 층류이다. 물에 대한 13의 프란틀 수(Prandtl number)를 취하여, 약 15의 누슬렛 수(Nusslet number)의 계산이 가능하게 되며, 이는 "판"에 대한 약 440 w/m2K의 대류열 전달 계수를 암시한다. 더욱 원통형인 기하 구조가 약간 상이한 답, 약 350의 Re 및 약 15의 누슬렛 수를 제공하는 것을 가정하여, 약 300 w/m2K의 대류열 전달 계수를 야기한다. 2가지 경우 간의 중간-범위 값을 취하여, 400 w/m2K의 대류열을 제공한다. 이러한 대류 전달은 대상 동맥으로부터 기도를 분리하는 혈관주위 조직의 열 전달 저항과 일렬로 존재한다. 이러한 영역에서 약 1.5㎝의 조직의 평균 거리를 가정하여, 하기의 식에 의해 약 35 w/m2K의 전체 열 전달 계수를 제공한다:
Figure 112014018588302-pct00020
참조로, 조직 측을 통한 열 전달이 무한히 빠르다면, 열 전달은 약 10배 더 빠를 것이다. 따라서, 조직을 통한 열 전달 저항이 유체가 채워진 기도 내의 저항보다 훨씬 더 크기 때문에, 상기 표현에서 열 교환에 사용되는 표면적, A뿐 아니라 온도 기울기, ΔT를 최대화시켜, 일단 특정 최소 유량이 약 1 내지 10ℓ/분에 도달하면, 냉각 유체의 유량을 최대화시키는 것보다 보다 큰 효과를 제공한다. 또한, 대류성 열 전달보다는 전도성 열 전달이 발생하는 길이 규모, l을 감소시키는 것이 유의미할 수 있다. 이를 염두에 두고, 재순환 냉 유체와 함께 풍선을 사용하는 디바이스, 예를 들어, 미국 특허 출원 공개 제2009/0177258호 및 미국 특허 제7,189,253호는 불리할 수 있는데, 이는 냉각 유체가 풍선에 의해 구속되며, 본 명세서에 개시된 바와 같은 자유 유동 유체 방법으로 가능한 접촉과 동일하게 친밀히 인두 또는 식도의 불규칙적 형상의 특징부와 접촉할 수 없기 때문이다. 이는 둘 모두의 A를 감소시키며, 이 영역은 열교환에 이용가능하며, 풍선의 열 저항을 가하고, 대류가 열 경계 층을 완전히 없앨 수 없는 "데드스폿(deadspot)"을 생성함으로써, l을 매우 증가시킨다. 이들 "데드스폿" 내의 공기는 공기의 낮은 열 전도성 때문에, 열교환을 추가로 지연시킬 수 있다.
대부분의 경우에 층류인 것으로 여겨지는 유동이 있는 식도에 대하여 유사한 분석을 행할 수 있다. 다시, 조직 측 저항은 유체 측 상의 열 전달 저항보다 더 크다. 경동맥에 대한 식도 및 하인두의 근접성을 고려하여, 식도 및 코인두를 함께 이용하여, 척추 동맥 및 경동맥이 횡단하는 신체의 영역에서 열교환에 이용가능한 표면 영역 및 컬럼 길이를 증가시킨다.
혈관주위 조직과 동맥 간의 열 교환이 시험되는 경우, 비강 집중 냉각 전략에 대한 추가의 차별점이 명백하며, 경동맥 및 척추동맥이 특히 흥미롭다. 동맥에 대한 거의 원형의 단면 및 약 4㎜의 반경을 가정하면, 약 400의 레이놀즈 수가 계산된다. 혈액을 나타내기 위해 약 20의 프란틀 수를 사용하여, 하기의 분석으로 약 10의 누슬렛 수가 계산될 수 있다:
Figure 112014018588302-pct00021
이어서, 대동맥활에서 경동맥에 유입되는 따뜻한 혈액이, 이것이 뇌에서 윌리스 서클에 도달하는 시간까지 이를 둘러싸는 냉 조직과 평형화되는 정도를 결정할 수 있다. 평형화 정도에 대한 식은 하기와 같이 제시될 수 있다:
Figure 112014018588302-pct00022
식에서 상기 대표적인 수를 사용하여, 심지어 경동맥에서의 20㎝ 이동 후에도 동맥 혈액이 불완전하게 평형화되는 것이 드러났다. 이러한 결과는 혈관주위 조직의 "냉 구역"의 길이를 최대화시키는 것이 유의미할 수 있으며, 코인두와 연계된 식도를 사용하여, "오직 비강만의" 전략으로 가능한 것보다 혈액이 더욱 완전히 냉각되게 할 수 있음을 보여주며, "오직 비강만의" 전략은 상부 인두를 단독으로 냉각시키고, 이에 따라 보다 짧은 경동맥 및 척추동맥 분절을 냉각시킨다.
도 13 및 14는 뇌 냉각과 심부 가온의 조합 방법을 나타낸다. 빈번하게, 환자 신체의 전부 또는 일부를 가온시켜, 냉각된 뇌로부터 복귀하는 냉 정맥 혈액 또는 경정맥을 통해 통과하는 동안 호흡소화관과의 열 교환에 의해 냉각되는 혈액의 신체 심부에 대한 영향에 대응하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 대응 가온을 적용하여 환자로 유입되고 환자로부터 유출되는 열류에 대한 균형을 유지할 수 있다. 대응 가온은 또한 뇌에서 신체 심부까지의 온도 기울기가 더 커지게 한다. 이러한 효과는 뇌 온도의 대사를 감소시키기 위해 작용하여, 뇌에 의한 열 생성의 감소로 이어진다.
본 개시내용은 다양한 대응 가온 방법 및 디바이스를 포함한다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 시스템은 각각 손과 발을 위한 손바닥 및/또는 발바닥 대응 가온 디바이스를 포함하도록 구성될 수 있다. 손바닥 및 발바닥은 능동적으로 열교환에 참여한다. 이러한 손바닥 및/또는 발바닥 대응 가온 디바이스는 다른 가온 디바이스(예를 들어, 고온 공기 블랭킷, 워터 블랭킷 등)에 더하여, 또는 이와 독립적으로 사용될 수 있다. 손바닥 및/또는 발바닥 대응 가온 디바이스는 예를 들어, (예를 들어, 고온 공기 블랭킷이 손바닥 및/또는 발바닥 대응 가온 디바이스와 함께 사용되지 않는 경우) 냉각 절차 동안 환자로의 최대의 접근을 가능하게 하는 것을 포함하는 다수의 이익을 가질 수 있다. 추가의 유리한 효과는 추가의 심부 가온으로 이어질 수 있는 후경부의 가온시의 손바닥 및/또는 발바닥의 혈관확장을 포함할 수 있다.
다른 실시형태에서, 디바이스 및 방법은 환자를 가온시키도록 구성된 워터 블랭킷(예를 들어, 단열 워터 블랭킷)을 포함할 수 있다. 워터 블랭킷은 다른 가온 디바이스(예를 들어, 손바닥 및/또는 발바닥 가온 디바이스)와 연계하여 또는 이와 독립적으로 사용될 수 있다. 워터 블랭킷은 이들의 가온 능력에 더하여, 블랭킷으로 유입되고 블랭킷으로부터 유출되는 유체 온도를 측정하여, 대상체의 심부 온도(예를 들어, 적어도 워터 블랭킷과 접촉하는 대상체의 부분의 온도)를 추산함으로써 또는 정의된 동력과 온도의 저항 가열을 사용함으로써 시스템을 위한 데이터를 수집하는 것을 추가로 보조할 수 있다. 뇌 냉각 절차 동안 대상체의 신체 심부 온도를 유지하고/거나 증가시키는 것을 보조하기 위한 다른 블랭킷은 예를 들어, 포일 블랭킷(foil blanket)(예를 들어, 스페이스 블랭킷(space blanket))이다. 추가로, 강제 공기 디바이스도 또한 사용될 수 있다(예를 들어, "Bair Hugger" 치료용 블랭킷 등).
다른 실시형태는 신체의 다른 영역을 위해 구성된 가온 디바이스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 대응 가온 디바이스는 가온 공기를 폐로 통과시키는 것을 포함한다(예를 들어, 상기 논의된 기관 튜브를 통해). 추가로, 정맥 가온 디바이스를 사용하여(예를 들어, 경정맥구), (예를 들어, 주어진 절차, 절차 중의 주어진 지점, 뇌에서 신체 심부까지의 원하는 기울기 등에 따라) 정맥을 가온시킬 수 있다.
본 개시내용에 논의된 대응 가온 디바이스 및 시스템 중 하나 이상을 사용하여 대응 가온 방법을 수행할 수 있다. 가온 디바이스, 가온 디바이스의 조합 및/또는 가온 위치는 심부 온도 측정치, 주어진 절차, 절차 중의 주어진 지점, 뇌에서 신체 심부까지의 원하는 온도 기울기 등에 따라 절차 동안 달라질 수 있다.
냉각 사이클의 마지막에, 환자는 제어된 방식으로 재가온될 수 있다. 일 예로서, 가온을 조절하여, 환자의 신체 심부 온도가 원하는 수준(예를 들어, 33℃ 내지 40℃)을 초과하게 유지시킬 수 있다. 환자는 임의의 원하는 속도로 가온될 수 있다. 예를 들어, 사용자는 소정의 기간(예를 들어, 12시간)에 걸쳐 냉각 유체를 감소시킬 수 있으며(예를 들어, 100%에서 0%), 대응 가온도 또한 이러한 기간 동안 조절될 수 있다.
이들 "정상 상태 기울기" 방법은 추가의 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 신경보호는 뇌의 냉각에 의해 달성될 수 있는 한편, 신체 냉각과 관련된 합병증은 환자의 심부로 복귀되는 열 및 환자에 대한 전반적인 열 균형을 고려함으로써 감소되고/거나 방지될 수 있다. 이러한 기울기는 이것이 치료적으로 유익한 한 유지될 수 있다. 인두 및 식도의 이용은 동맥 근처에 긴 냉각 구역을 생성하여, 다른 방법으로는 가능하지 않은 정도로 뇌와 신체 간의 큰 기울기를 가능하게 한다.
뇌 온도와 신체 온도 사이에 기울기를 생성하기 위하여, 호흡소화관은 관주에 의해 냉각될 수 있는 한편, 신체는 신체 심부 또는 팔다리 위의 외부 가온 디바이스, 예를 들어, 가온 헬멧, 패드 또는 가온 블랭킷으로 가온된다. 히트 램프 또는 가온 IV 유체도 또한 사용될 수 있다. 가온 디바이스는 피부가 약 42℃ 초과의 온도에 도달하지 않게 하여, 환자의 화상 위험을 줄여야 한다. 일 예에서, 가온 디바이스는 환자의 큰 표면적에 대하여 매우 온건한 온도 기울기(신체 심부보다 약 2 내지 7℃ 더 높음) 제공하도록 구성될 수 있다.
뇌와 신체 온도 사이의 안정한 차이가 필요하다면, 가온 디바이스의 듀티 사이클을 조절하여, 호흡소화관의 관주에 의해 제거되는 열을 보상하면서, 가온 디바이스의 온도를 피부 손상을 야기할 것 같은 온도 범위 미만으로 엄격하게 유지시킴으로써(대략 42℃), 정상 상태가 달성될 수 있다.
도 13은 이러한 목적을 달성하기 위한 예시적인 디바이스를 보여주며, 여기서, 환자에 유입되는 유체의 유량과 온도의 측정치를 환자를 이탈하는 유체의 유량 및 온도와 비교하여, 시스템에 의해 추출되는 열의 총량을 추론한다. 이러한 측정은 단독으로 또는 냉각 디바이스에 전달되는 동력의 측정과 병용하여 사용될 수 있다. 도 13은 통합된 가온 디바이스가 사용되는 경우, 환자 온도 제어 시스템의 대표적인 블록 다이어그램이다. 이러한 실시형태에서, 가온 디바이스로 보내지는 에너지는 환자로부터 제거되는 열에 기초하여 조절될 수 있으나, 제어는 또한 온도 변화 속도, 환자 크기 또는 체중 또는 수학적 모델에 의해 정보가 제공될 수 있다. 가온시키는 열은 심장으로 복귀되는 냉 정맥 혈액을 가온시킴으로써 신체 심부의 냉각을 상당히 상쇄시킬 수 있다. 가온 시스템은 약 40 내지 42℃로 설정될 수 있으나, 보다 고온으로는 설정되지 않아서 피부에 대한 손상을 방지하는 내부 가온 제어 디바이스를 갖는다. 오직 하나의 가온 디바이스가 도 13에 나타나 있지만, 1개 초과의 가온 디바이스가 필요에 따라 사용될 수 있다. 가온의 양은 "듀티 사이클"을 조절함으로써(예를 들어, 단순한 온/오프 신호 또는 가변 전압을 사용하여, 시간당 가온의 양을 조절함으로써) 조절될 수 있다.
도 14는 다른 예시적인 통합 제어 전략을 보여준다. 도 14는 가온 디바이스로 보내지는 에너지가 환자로부터 제거되는 열뿐 아니라 환자의 심부 온도에 기초하여 조절될 수 있는 일 실시형태의 대표적인 블록 다이어그램이다. 제어 방식은 또한 예를 들어, 냉각 유닛으로의 동력, 환자 온도 변경 속도, 환자 크기 또는 체중 또는 수학 모델을 포함하는 다른 인자를 포함할 수 있다.
도 14에 나타낸 구성에서, 유입 및 유출 유체의 온도 및 유량 측정은 선택적이다. 관주를 시작하여, 베이스 "냉각 부하(cooling load)"를 제공하고, 직장 온도를 모니터링한다. 직장 온도가 주어진 역치 미만이 되면, 가온 디바이스에 동력이 공급되어, 원하는 환자 심부 온도를 몇 도(예를 들어, 2 내지 7℃) 초과하는 표적 "피부 온도"로 상승된다. 가온 디바이스는 PID 제어 디바이스에 의해 제어되어, 안전한 설정점 피부 온도를 유지한 다음, 필요에 따라 턴 온/오프되어, 환자 심부 온도를 원하는 범위로 또는 원하는 설정저 부근으로 유지할 수 있다. 이러한 방식으로, 신체 심부는 실질적으로 정상체온 상태로 유지될 수 있는 한편, 뇌는 냉각된 혈액으로 연속적으로 관류될 수 있다. 외경동맥으로 갈리는 냉 혈액은 선택적으로 가온 헬멧으로 직접 재가온될 수 있는 한편, 경정맥에서 복귀하는 냉 혈액은 안면, 두피, 후경부 중 임의의 것 또는 전부를 가온시키기 위한 전신 가온 조치, 예를 들어, 가온 블랭킷, 또는 벤틸레이터를 통하여 폐로 지향되는 가온 기체에 대응할 수 있다.
신체 심부 온도의 PID 제어 루프가 구상될 수 있으며, 여기서, 냉각 펌프의 관주 시간(듀티 사이클) 및 가온 블랭킷의 능동 가온 시간(듀티 사이클)은 주임부 체온을 원하는 정상 상태 설정점에 가까게 유지하기 위해 조절되는 파라미터이다. 심부 온도 설정점에 몇몇 적은 단계식 변화를 만듬으로써, 동일한 제어 시스템이 신체 심부를 주어진 램프 속도로 가온시키거나 냉각시킬 수 있다.
이러한 시스템은 또한, "최대 기울기" 모드로 사용될 수 있다. 뇌와 심부 온도 사이의 최대 기울기를 확립하고 유지하는 이러한 방법은 하기의 단계 중 하나 이상을 포함한다:
1. 본 명세서에 기재된 바와 같은 디바이스를 사용하여 환자의 호흡소화관의 냉각을 시작하는 단계. 혈액이 신체 심부를 대표하는 온도에서 대동맥활을 이탈함에 따라, 전신 가온과 쌍을 이루는 경우, 전체 호흡소화관을 활용하는 것이 특히 유용할 수 있다. 따라서, 최종적인 뇌 냉각의 정도는 대동맥활로부터 윌리스 서클까지의 이의 이동 중에 혈액으로부터 추출될 수 있는 열의 양에 의해 주로 결정될 수 있다. "냉 구역"의 길이가 예를 들어, "오직 비강만의" 냉각 전략에서와 같이 최대화되지 않으면, 냉각 구역에서의 혈액의 체류 시간이 감소할 것이며, 뇌는 혈액이 신체 심부로 복귀되기 전에 보다 더 적게 심랭될 것이며, 재가온된다.
2. 관주 유체의 온도를 호흡소화관을 손상시키지 않는 가장 낮은 온도(예를 들어, 약 -20℃ 내지 20℃)로 조절하는 단계.
3. 전체 열전달률이 유량의 변이에 대해 상대적으로 둔감하게 충분한 액체의 유량을 호흡소화관에 지속적으로 또는 거의 지속적으로 제공하는 단계. 열 전달에 대한 저항을 제어하는 것이 환자와 관주 유체 간의 대류 교환이 아니도록 충분한 유동(예를 들어, 약 0.2 내지 10ℓ/분)을 제공하는 단계.
4. 표면 가온 디바이스의 온도가 약 40 내지 42℃를 넘지 않게 제어하는 단계.
5. 가온 디바이스를 환자에 적용하여, 환자의 표면(피부)를 가온시키는 단계. 가온 디바이스는 예를 들어, 가온 블랭킷, 가온 헬멧, 안면 또는 후경부의 가온 중 하나 이상을 포함할 수 있다(뇌와 신체 사이의 최대 기울기가 바람직한 경우, 최대 표면적이 바람직하다).
6. 직장 또는 다른 측정에 의해 결정시 환자의 심부 온도를 대략적으로 정상체온(예를 들어, 대략 37℃)으로, 또는 가장 심한 뇌 냉각을 위하여, 최소한 전신 냉각으로부터 야기되는 합병증이 나타나기 시작하는 온도(예를 들어, 약 32℃)를 초과하여, 유지시키도록 충분히 빈번하게 가온 시스템을 작동시킴으로써 환자 심부 온도를 제어하는 단계.
7. 예를 들어, 냉 유체를 사용한 호흡소화관의 지속적인 또는 거의 지속적인 관주를 유지시킴으로써 냉각 펌프의 듀티 사이클을 최대화시키는 단계.
펌프의 듀티 사이클(예를 들어, 1일당 관주 시간)의 감소는, 뇌 냉각의 심도 및 이에 따른 필요한 대응 가온의 양을 줄일 것이다. 이러한 방식으로, 정상 상태 기울기는 최대의 경우와 비냉각의 경우 사이에 임의의 값으로 설정될 수 있다.
다른 제어 시스템이 제공될 수 있다. 신체 심부 온도가 호흡소화관의 관주에 반응하는데 다소의 시간이 걸림에 따라, 가온 기능은 종종 냉각 기능을 약해지게 할 것이다. 가온은 예를 들어, 가온 기능이 제거되는 열에 기초하여 작동되는 피드 포워드(feed forward) 제어의 부재를 포함할 수 있으며, 이에 따라, 환자 심부 온도가 인식가능하게 강하되기 전에 신체 심부를 가온시키는 것을 포함할 수 있다. 가온의 시작은 유입 및 유출 관주 유체 온도의 측정으로부터 결정시, 환자로부터 추출되는 열에 기초할 수 있다. 이러한 양은 독립적으로 또는 온도 측정 데이터와 함께 사용되어, 도 13에 나타낸 방식으로 올바른 제어 동작을 결정할 수 있다.
이러한 시스템은 또한 "최대 선택성" 방식으로 사용될 수 있으며, 여기서, 뇌 냉각 대 전신 냉각의 비가 최대화된다. 본 명세서에 사용되는 용어 "최대화"는 최대이거나 최대 근처인 지점으로의 비의 증가를 말한다. 상기 용어는 전신 냉각이 실제 최대 비보다 낮은 비를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 방법을 사용하여 최소한의 동력의 소모와 함께, 뇌와 신체 심부 온도 사이의 상당한 기울기를 확립하고 유지시킬 수 있다. 또한, 제한된 냉각력 또는 냉각 유체가 이용가능하다면(예를 들어, 야전 병원에서), 또는 식도로의 접근이 어렵거나 다르게 제한된다면, 이러한 방법이 사용될 수 있다. 상기 방법은 또한 대응 가온의 요구를 감소시킬 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 방법은 하기의 단계 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
1. 본 명세서에 다른 실시형태에 기재된 바와 같은 디바이스를 사용하여 환자의 상기도의 냉각을 시작하는 단계. 식도 튜브가 사용되지 않으며, 식도는 냉각을 위해 적극적으로 이용되지 않는다. 후두 마스크, 연장된 구강 카테터 또는 트렌델렌부르크 자세를 사용하여, 식도로의 유체 유입을 감소시킬 수 있다. "냉 구역"의 길이가 최대화되지 않기 때문에, 냉각 구역 내의 혈액의 체류 시간이 감소할 것이며, 뇌는 혈액이 신체 심부로 복귀되기 전에 보다 더 적게 심랭될 것이며, 재가온된다. 그러나, 전력과 유체 요건이 감소되고, 여전히 선택적 냉각이 달성된다.
2. 관주 유체의 온도를 호흡소화관을 손상시키지 않는 가장 낮은 온도(예를 들어, 약 -20℃ 내지 20℃)로 조절하는 단계.
3. 구강 카테터/복귀 라인에서의 유량의 간헐적인 조절에 의해 환자의 입에서의 유체의 높이를 제어하는 단계. 이는 최대 유체 회수 및 심지어는 인두위 불완전한 습윤에 의한 냉각률/선택성의 조절을 가능하게 한다.
4. 열 전달에 대한 저항을 제어하는 것이 환자와 관주 유체 간의 대류 교환이 아니도록 충분한 냉각액(예를 들어, 약 0.2 내지 5ℓ/분)을 상기도에 간헐적으로 제공하는 단계.
5. 가온 디바이스가 사용된다면(임의로, 낮은 냉각력으로 인함), 표면 가온 디바이스의 온도가 약 40 내지 42℃를 넘지 않게 제어하는 단계.
6. 선택적으로, 가온 디바이스를 환자에 적용하여, 환자의 표면(피부)를 가온시키는 단계. 가온 디바이스는 예를 들어, 가온 블랭킷, 가온 헬멧, 안면 또는 후경부의 가온 중 하나 이상을 포함할 수 있다(뇌와 신체 사이의 최대 기울기가 바람직한 경우, 최대 표면적이 바람직하다).
"최대 선택성" 방법은 이것이 대상체의 두부를 침지시키지 않는다는 점에서, 문헌[White et al. (Rapid Selective Brain-Cooling using Head Immersion and Naso-Oral Perfusion in Dogs, Resuscitation 10:189-191, 1983)]에 기재된 개에서의 비강-구간 관류 및 두부 침지를 사용한 신속한 뇌 냉각 방법과 차별화된다. 두부 침지를 피하는 것은 향상된 냉각 선택성을 제공할 수 있다. 뇌가 대류에 의해 안면 및 두피의 표면 냉각으로부터 보호되기 때문에 선택성이 향상되나, 이들 영역에 대한 많은 혈액 유량은 다량의 냉각된 혈액이 심부로 복귀되어, 전신 냉각을 야기할 것임을 암시한다. 또한, 두부 침지의 회피는 액체 이용 및 냉각 동력 요건을 감소시키는데 도움이 된다. 또한, 얼음물 중의 두부 침지의 회피는 안면, 두부 및 두피에 대한 잠재적 미용 효과를 방지한다. 게다가, 기재된 시스템은 얼음보다는 일회용 열교환기, 위생적인 일회용 유체 경로, 유체의 베이스 유닛 열전기 시스템으로의 복귀를 위한 구강 카테터, 및 적어도 환자 심부 온도에 기초한 냉각 및 가온의 피드백 제어를 사용한다.
도 15는 일회용 열교환기로부터 열을 제거하기 위해 사용될 수 있는, 베이스 유닛의 일부인 재사용가능한 냉각 시스템을 나타낸다. 도 15는 냉각 시스템(냉각기) 그 자체의 일 실시형태를 보여주는 대표적인 블록 다이어그램이다. 냉각기가 일회용 열교환기와 열 접촉될 수 있다. 피드백 제어 시스템은 열전기 시스템에 대한 동력이 시스템을 이탈하는 유체의 온도에 기초하여 조절되도록 구성될 수 있다.
선택적인 우회 밸브 디바이스가 도 15에 나타나 있다. 우회 밸브는 유체가 환자에 도입되기 전에 재순환되게 할 수 있다. 우회 밸브 디바이스는 또한 유체 순환의 다른 부분, 예를 들어, 열교환기의 출구 라인과 복귀 라인의 연결부에 배치될 수도 있다. 열전기 시스템(들)은 일회용 열교환기와 인터페이스 연결되도록 설계된 열 전도성 부재(플래튼)와 열 접촉되는, 일렬로 배열된 하나 이상의 개별 열전기 부재를 포함할 수 있다. 플래튼과 열교환기가 물리적으로 접촉되고, 우수하게 열 접촉될 수 있지만, 이들은 바람직하게는 유체 연통되지 않는다. 히트 싱크(들)는 열전기 시스템의 고온부와 열 접촉될 수 있으며, 열전기 시스템이 열교환기로부터 제거되는 열의 축적에 기인한 과열뿐 아니라 동력이 인가되는 경우 내부 생성을 형성하는 것을 방지한다. 다양한 히트 싱크가 사용될 수 있다.
상기 논의된 바와 같이, 다양한 열교환기(예를 들어, 플레이트, 쉘, 튜브 등)를 사용하여, 유체를 위한 둘 이상의 별개의 경로를 제공할 수 있다. 냉각 시스템 및 열교환기는 열 접촉되고 물리적으로 접촉되나, 유체 연통되지 않을 수 있다. 따라서, 환자와 접촉하는 유체로 냉각 유닛이 오염되는 것을 방지하면서, 열교환이 달성될 수 있다.
일 예에서, 열교환기는 "샌드위치 유사" 구조의 냉각 시스템의 열전기 어레이의 교환 표면과 접촉할 수 있다. 잠금 메카니즘 또는 위치결정 핀/데이텀(datum)을 제공하여, 냉각 유닛 내의 열교환기의 적절한 위치를 확인하고, 광을 제공하여, 올바른 배치 또는 "준비" 상태를 나타낼 수 있다. 동력이 공급되는 경우, 열전기 어레이는 교환 표면으로부터 열을 제거하고, 이를 히트 싱크를 향해 "펌핑"시켜, 히트 싱크가 가온되고, 유체가 냉각되게 한다. 유체가 일반적으로는 0 내지 10℃의 온도로 냉각되나 일부 경우에는 더 낮을 수 있도록 열전기 어레이로 보내지는 동력은 선택될 수 있다. "샌드위치" 기하 구조 특징의 대안적인 실시형태는 예를 들어, 일방향 열전기 접촉 또는 2개의 보다 작은 열교환기를 직렬로 포함할 수 있다. 2개의 열교환기의 경우에, 하나는 비강 영역에 제공하도록 구성되고, 하나는 식도 영역에 제공하도록 구성될 수 있다. 이들 열교환기는 개별 냉각 유닛과 인터페이스 연결되거나, 하나의 냉각 유닛에서 별개의 슬롯을 갖는다. 도 16은 예시적인 냉각 시스템을 나타낸다. 비록 도 16이 "팬이 없는(fanless)" 히트 싱크와 열 연통되는 열전기 어레이를 나타내지만, 다른 히트 싱크, 예를 들어, 핀이 있는 영역 및/또는 팬을 사용하는 히트 싱크가 사용될 수 있다.
도 17은 디바이스와 피부 사이의 계면에서의 온도에 기초하여 표면 가온 디바이스를 제어하도록 설계된 간단한 피드백 제어 루프를 보여주는 블록 다이어그램을 나타낸다. 가온 디바이스에 대한 전류 및 전압(I, V)이 환자의 피부에서의 디바이스의 온도와 제어 디바이스에 제공되는 설정점 간의 차이에 기초하여 조절될 수 있다. 물론, 필요에 따라, 1개 초과의 위치에서 측정이 사용될 수 있다.
히트 싱크는 열전기 디바이스의 전형적인 핀이 있고 팬이 있는 히트 싱크를 포함할 수 있으며, 여기서, 팬을 사용하여, 고온 표면 위의 공기를 강제시키고, 교환을 위한 영역은 핀의 부가를 통하여 증진될 수 있다. 대안적으로, 도 15의 것과 유사한 디바이스를 사용함으로써, 팬이 없는 히트 싱크를 사용하여 열을 제거할 수 있다. 열전기 어레이로부터의 열은 충분한 헤드스페이스(headspace)가 있는 밀봉된 구획에 함유되는 유체의 저장소를 가온시킬 수 있다. 30 내지 60℃ 범위의 비점을 갖는 유체가 선택되면, 이러한 범위의 "고온부" 온도를 제공하도록 열전기 어레이의 전류 및 전압을 선택할 수 있다. 더 많은 열이 히트 싱크 저장소 측으로 가해짐에 따라, 이는 액체 비등을 야기할 것이며, 일회용 열교환기와 접촉하는 측은 냉각된다. 히트 싱크 저장소 구획에서 생성되는 증기는 헤드스페이스를 통해 히트 싱크의 응축 섹션으로 상승하고, 여기서, 증기가 보다 차가운 온도와 마주침에 따라, 이것이 응축될 것이다. 히트 싱크 유체는 히트 싱크 구획을 통해 계속 환류할 수 있으며, 이에 따라, 열전기 디바이스로부터의 열이 환경으로 소멸된다.
이러한 히트 싱크는 (예를 들어, 유출물에 의한) 오염의 경우에, 핀이 있고 팬이 있는 히트 싱크보다 상당히 더 용이하게 세척할 수 있다. 또한, 통상적인 작동 동안 시스템은 바람직하게는 팬이 있는 시스템보다 더 적은 먼지 및 티끌을 축적하고 퍼뜨릴 수 있다. 병원 환경에서 팬이 없는 디바이스의 추가의 이점은 향상된 신뢰성 및 감소된 노이즈를 포함한다. 또한, 추가로, 응축 섹션이 배치되어, 유닛을 위한 핸들로 작용할 수 있다.
본 명세서에 기재된 히트 싱크의 벽은 바람직하게는 통상적인 화학 살균 용액(예를 들어, 수 중의 에탄올, 암모늄 염 등)에 저항성이 있는 고도의 열전도성 물질(예를 들어, 금속)으로 구성된다. 예를 들어, 보호 코팅이 있는 또는 이것이 없는 스테인리스 강 또는 다른 금속이 사용될 수 있다.
다른 실시형태에서, 열전기 어레이를 기반으로 하지 않는 냉각 기술, 예를 들어, 통상적인 냉장 시스템, 아이스 배쓰 또는 흡열성 화학 반응이 사용될 수 있다.
냉각 시스템과 인터페이스 연결되는 열교환기는 환자 인터페이스 키트의 부품일 수 있으며, 일회용으로 의도된다. 열교환기는 분당 약 0.2 내지 10 리터의 유량에서 약 5 내지 300W의 열교환을 제공하도록 크기가 결정된다. 열교환의 실제 양은 유입 유체의 온도에 좌우된다. 열교환기는 대부분의 열교환기 설계에 전형적인 바와 같이, 냉각될 유체를 위한 사형(serpentine) 유동 경로를 제공한다. 열교환기는 바람직하게는 고도의 열전도성 물질, 예를 들어, 적절하게 선택되는 금속, 알루미늄, 스테인리스 강 또는 구리로 구축된다. 직사각형 단면의 내부 채널이 있는 박스-유사 기하 구조가 계획된다. 유체 경로의 직경 또는 수력 직경(hydraulic diameter)은 0.2 내지 6㎝일 수 있으며, 유동 경로의 길이는 100 내지 300w의 열교환능을 제공하도록 선택된다. 전체 열교환기의 전형적인 치수는 약 20 내지 40㎝ 너비 및 10 내지 30㎝ 높이, 약 2 내지 8㎝의 두께일 수 있다. 이들 값은 단순한 사형 유체 경로에 기초하며, 경로가 보다 길고 복잡하게 됨에 따라 더욱 복잡한 디바이스가 가능하다.
일회용 열교환기는 저장소로부터 유체를 수용하기 위한 유입구 및 빠져 나가는 유체에 대한 하나 이상의 유출구를 가질 수 있다. 일 예에서, 비강 펌프를 위한 하나의 유출구가 제공되고, 식도 펌프를 위한 하나의 유출구가 제공된다. 유입구와 유출구 단부에 가까운 열교환기의 부분은 유입 및 유출 라인을 위한 피팅(fitting) 및 커넥터(connector)를 수용하기 위해 약간 확대될 수 있다. 또한, 우회 라인이 일회용 열교환기에 포함되어, 디바이스가 대기 모드로 존재하는 동안 열교환기를 통한 유체의 재순환을 가능하게 할 수 있으며, 이러한 특징은 임의적이다. 일부 실시형태에서, 냉각 유닛의 냉각 부재와 접촉하지 않는 열교환기의 벽은 응축과 냉의 환경으로의 소실을 감소시키도록 단열될 것이다.
상기 논의된 바와 같이, 다양한 냉각 유체는 호흡소화관에 도입될 수 있다. 최대 냉각 속도 및 항박테리아 특성이 요구되는 경우, 상기 개시된 유체 제형이 바람직할 수 있다. 연장된 기간의 관주가 요구되는 경우, 물이 불필요하게 제거되거나 환자에 가해지지 않도록, 호흡소화관 주위 조직의 삼투압 농도(osmolality)와 대략 등가의 삼투압 농도를 갖는 관주 유체를 선택하는 것이 유리할 수 있다. 삼투압 농도 균형을 달성하기 위하여, 예를 들어, 인두 및 식도 벽 내층의 세포가 보통 직면하는 것과 유사한 유체 제형이 바람직할 수 있다.
일 예에서, 제형은 양이온, 약 1 내지 40mmol/ℓ의 나트륨, 약 5 내지 60mmol/ℓ의 칼륨, 약 0.5 내지 5mmol/ℓ의 칼슘, 1mmol/ℓ 미만의 마그네슘, 및 음이온, 1 내지 200mmol/ℓ의 클로라이드, 1 내지 100mmol/ℓ의 바이카르보네이트, 50mmol/ℓ 미만의 포스페이트 및 10mmol/ℓ 미만의 요오드 중 일부 또는 전부를 포함하는 통상의 타액의 조성과 유사한 전해질 조성을 갖는 것일 수 있다. 이러한 혼합물은 호흡소화관 경계의 세포와 관주 유체 사이의 큰 삼투압 농도 또는 농도 기울기를 방지함으로써 신체와 관주 유체 사이의 화학적 교환을 최소화시킬 수 있다. 그러나, 재순환 유체가 환자와 평형화되기 때문에, 매치가 정확할 필요가 없음을 주목해야 한다.
또한, 약간 저장성의 제형이 유용할 수 있는데, 유체 순환 중의 총 부피가 대략 불변 유지될 것이기 때문이다. 더욱 정교한 제형에서, 관주 유체를 사용하여, 호흡소화관에서 관찰되는 유체, 예를 들어, 삼킨 타액의 기계적 및 면역학적 기능 중 일부를 대체할 수도 있으며, 타액에서 통상적으로 관찰되는 단백질, 예를 들어, 뮤신, 아밀라제 등을 첨가함으로써 다른 제형을 생성할 수 있다. 발관 직전에 특정 용량의 점액 유사 유체를 첨가하여, 튜브의 제거를 용이하게 할 수 있다.
하기의 표 8은 본 명세서 및 도면에 사용되는 기호를 확인시켜준다.
표 8
Figure 112014018588302-pct00023
필요한 가온의 양은 다음 중 하나 이상에 의해 결정될 수 있다: 환자 심부 온도의 모니터링, 유입 및 유출 유체에 대한 열 균형에 의해 결정시 환자로부터 제거되는 열의 양의 고려, 열전기 냉각 유닛에 대한 에너지 균형, 다수의 환자 온도 측정 간의 실험적 또는 반실험적 관계 및/또는 수학 모델. 다른 곳에 기재된 바와 같이, 가온의 위치가 달라질 수 있으며, 예를 들어, 두피, 팔, 다리 또는 다른 신체 표면을 포함할 수 있다. 가온의 수단은 순환 액체 블랭킷(들), 액체가 순환하는 하이드로겔 패드(들), 강제된 공기, 열 램프(들), 전기 블랭킷(들) 또는 다른 적절한 열 생성 디바이스를 포함할 수 있다. 가온 디바이스가 순환하는 액체를 사용하는 경우, 다른 열 소실에 대해 확인한 후에, 가온 유체의 유입 및 복귀 온도를 모니터링함으로써 환자에 제공되는 가온력을 추정할 수 있다.
다른 실시형태에서, 하이브리드 냉각 시스템이 제공될 수 있다. 하이브리드 냉각 시스템은 (a) 자유 유동 유체를 전달하여, 본 명세서에 기재된 바와 같이 비강을 냉각시키고, (b) 유체가 순환될 수 있는 풍선-함유 유체를 전달하여, 식도 또는 식도의 적어도 일부를 냉각시키도록 구성된 냉각 시스템을 포함할 수 있다.
풍선은 환형 또는 부분 환형 방식으로 카테터 주위에 배치될 수 있다. 환형 풍선은 본 명세서에서 다른 곳에 기재된 바와 같이, 구토를 카테터의 큰 루멘에 가두는 기능을 할 수 있다. 대안적으로, 풍선은 예를 들어, 비-환형 방식으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 측부 연장형(elongated side) 풍선은 동맥과 우수하게 열 접촉된다. 식도 카테터의 중심 루멘은 여전히 위 접근을 제공하는 기능을 할 수 있으며, 커프를 제공하여 식도로의 구토의 유입을 제한할 수 있다. 커프 튜브는 폐를 보호할 수 있으며, 다른 실시형태에서 더욱 상세히 기재된 바와 같이, 커프 바로 위에 흡입을 적용하여 정체를 방지할 수 있다.
필요에 따라, 추가의 유체를 첨가하여, 식도를 세척하고, 우수한 열 접촉을 만들 수 있다. 유체는 입에서 빠져나올 수 있거나, 대안적으로 위로 "하강(drop)"할 수 있다. 추가의 유체를 첨가하는 것 대신에, 유체가 코 영역으로부터 식도 또는 식도의 일부로 적하되게 할 수 있다.
풍선 내의 유체를 사용하여, 식도를 냉각된 상태로 유지하거나, 대안적으로, 필요에 따라 환자를 재가온시킬 수 있다.
다른 실시형태에서, 코 내의 재순환 냉 유체 및 식도 내의 자유 유동 유체를 갖는 풍선이 있는 시스템이 제공될 수 있다. 추가의 유체를 말단 루멘을 통해 첨가하여, 비강을 세척하고 우수한 열 접촉을 만들 수 있다(예를 들어, "써멀 그리스(thermal grease)"와 같음). 자유 유동 유체는 예를 들어, 식도에서 축적되고 예를 들어, 구강 복귀 라인을 통해 제거될 수 있다. 다른 실시형태에서와 같이, 폐는 커프가 있는 튜브로 보호될 수 있으며, 커프 바로 위의 흡입에 의해 정체를 감소/방지할 수 있다.
다른 실시형태에서, 개별 풍선이 냉각을 위한 재순환 액체와 함께 코 및 식도에 제공될 수 있다. 추가의 유체가 전도성/플러싱을 위해 제공될 수 있다. 다시, 다른 실시형태에서와 같이, 폐는 커프가 있는 튜브로 보호될 수 있으며, 커프 바로 위의 흡입에 의해 정체를 감소/방지할 수 있다.
방법 및 디바이스가 이들의 작동의 특정 이론과 공동으로 기재되어 있지만, 본 발명은 이들 이론에 의해 제한되지 않을 것이다. 본 발명이 기재된 구조와 방법에 관하여 이해될 수 있는 한, 특허청구범위에서 명백히 다르게 나타나지 않는 한, 특허청구범위는 작동 이론을 포함하지 않는다.
다른 시스템 및 방법을 사용하여, 뇌에서 신체 심부까지의 온도 기울기를 달성하고/거나 유지시키는데 도움을 줄 수 있다. 이러한 방법은 이전에 기재된 디바이스, 시스템 및 방법과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 디바이스, 시스템 및 방법은 뇌혈류를 (예를 들어, 기준선보다 0 내지 50% 더 낮게) 감소시키는 방법과 함께 사용될 수 있다. 뇌혈류의 감소는 몇몇 이점, 예를 들어, 혈액이 본 발명의 방법, 시스템 및 디바이스에 의해 냉각되는 해부학적 영역과 접촉하는 시간의 증가(예를 들어, 뇌에 유입되는 혈액의 온도 감소) 및 (예를 들어, 냉각된 혈액이 뇌에 존재하는 시간의 양을 증가시키고, 주어진 기간에 뇌에 유입되는 혈액의 양을 감소시켜, 이에 따라 총 심박출량에 비하여 심부로 복귀되는 냉각된 혈액의 양을 감소시킴으로써) 뇌와 신체 심부 사이의 열 상호의존성의 감소를 가질 수 있다.
뇌혈류를 감소시키는 다양한 방법이 본 발명에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 뇌 그 자체의 선택적 냉각은 감소된 뇌 혈류를 야기할 수 있다. 그러나, 선택적 뇌 냉각이 뇌혈류를 증가시키는 사건에서, 다른 조치(예를 들어, 하기 기재)를 취하여, 뇌혈류를 감소시킬 수 있다. 추가로, 뇌의 내면의 직접적인 전도 냉각의 최대화(예를 들어, 표면 활성제를 냉각 유체에 첨가하고/거나 부비강 내의 냉각 유체 체류 시간을 감소시킴에 의함) 및/또는 총경동맥 및 척추동맥의 냉각의 최대화는 뇌혈류를 감소시킬 수 있다. 인간에서 뇌 및 신체의 유도된 전신 냉각은 또한 뇌혈류를 감소시킬 수 있다.
다른 예로서, 다양한 진정 방법을 사용하여 혈류량을 감소시킬 수 있다. 추가로, 뇌혈류를 감소시키는 방법은 예를 들어, 혈압(수축기 및 이완기)을 감소시킴으로써 뇌 관류 압력을 감소시키고/거나 혈액을 (예를 들어, 뇌 및 뇌막동맥으로부터 멀리) 신체 심부로 이동시키고/거나 두피를 가온시키는 것을 포함할 수 있다. 추가로, 짧은 전신 급랭 또는 전신 냉각 에피소드는 (예를 들어, 뇌 대사를 감소시킴으로써) 뇌로의 혈류량을 감소시킬 수 있다. 뇌로의 혈류량을 감소시키는 다른 예는 (예를 들어, 동맥 CO2의 감소에 의해) 저탄산증 또는 과다호흡을 유도하기 위한 것일 수 있으며, 이는 뇌 관류를 감소시키고/거나, 뇌 동맥을 협착시키고/거나, 뇌혈류에 대한 저항을 증가시키고/거나, 뇌 혈액 부피를 감소시키는 작용을 한다.
다른 실시형태에서, 약제 및/또는 작용제(agent)를 환자에 투여함으로써 환자의 뇌혈류를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 대상체에는 바비튜레이트(예를 들어, 티오펜탈 점적주입, 페노바비탈, 펜토바비탈, 메토헥시탈 등), 벤조디아제핀(예를 들어, 베르세드(Versed), 아티반(Ativan), 발륨(Valium)), 프로포폴, 클로니딘, 리도카인, 에토미데이트, 카페인, 알코올(예를 들어, 에탄올), 코카인, 베타-차단제(예를 들어, 라베탈롤), 두통-방지 약제(예를 들어, 트립탄, 에르고타민 등), 흡입 기체(예를 들어, 아이소플루오란), 마약, 전신 혈관수축제(예를 들어, 페닐에프린) 및 다른 선택 약제 및/또는 작용제가 투여될 수 있다. 이러한 작용제는 뇌동맥의 협착, 뇌 혈액 부피의 감소 및/또는 뇌혈류에 대한 저항을 야기할 수 있다. 이러한 약제 및/또는 작용제의 적절한 용량은 당업자에 의해 이해될 것이다.
일부 예에서, 냉각 치료법에 의해 유도되는 저압 수준으로부터의 두개내압을 증가시키는 것(예를 들어, 대상체의 두부 및 신체를 평평하게 눕힘에 의함, 벤틸레이터를 사용하여 호기말정압의 증가에 의함)도 또한 뇌혈류를 감소시키는 것을 보조할 수 있다. 뇌혈류를 감소시키는 다른 방법은 심박수를 감소시키고, 뇌 혈관 저항에 비해 전신 혈관 저항을 감소시키는 것을 포함할 수 있다(예를 들어, 혈관확장제 및/또는 피부의 가온과 함께). 다수의 이들 방법은 또한 뇌의 대사 요구를 감소시키며, 이는 추가로 감소된 뇌혈류로 이어질 수 있다.
실시예
하기에는 본 발명의 방법 및 디바이스의 다양한 실시형태에 포함될 수 있는 특징부의 다양한 예, 및 본 발명의 디바이스, 시스템 및 방법의 이용의 2개의 실시예를 포함한다. 실시예 1 및 2는 유체를 냉각시키기 위한 재순환 칠러 유닛 및 판형 열 교환을 포함한다(예를 들어, 도 23a, 도 23b, 도 24a 및 도 25a에 도시된 바와 같음). 연동 펌프(Cole-Parmer 컴퓨터-제어 펌프 디지스탈틱(digistaltic) 드라이브)를 사용하여 10ℓ 유체 공급 저장소로부터 유체를 빼낼 수 있다. 유체를 2개의 열교환기를 통해 펌핑시켜, 복수의 카테터를 통해 유체를 통과시켰다. 열교환기를 냉각시키기 위해 열교환기를 하나 이상의 재순환 칠러 유닛(예를 들어, Polyscience 벤치탑(benchtop) 칠러)에 결합시켰다. 유체를 유체 공급 저장소와 유체 연통하는 구강 및/또는 기관 복귀 루멘을 통해 환자로부터 회수하였다(예를 들어, 진공 흡입을 통해).
각 실시예에서, 하기의 절차를 사용하였다:
1. 기계적 인공호흡
a. 부피 제어: Vt = 8㎖/㎏, 속도 = 10/분, PEEP = 5, FiO2 = 30%
b. ETCO2: 30 내지 35 Torr
c. pH: 7.35 내지 7.45
d. 연구 내내 96% 초과의 산소 포화도
2. 카테터
a. 식도 카테터: 3-루멘 카테터
i. 위로의 접근을 제공하여, 기체 및 유체가 위를 벗어나게 한다.
ii. 식도 내의 풍선을 팽창시키는 능력을 제공하여, 냉각 유체가 위로 유입되는 것을 방지한다.
iii. 냉각된 액체를 식도의 하부에 제공한다.
b. 기관내 카테터: 3-루멘 카테터
i. 폐로의 접근을 제공하여, 공기가 폐에 유입되고 폐로부터 유출되게 한다.
ii. 기관 내의 풍선을 팽창시키는 능력을 제공하여, 냉각 유체가 폐로 유입되는 것을 방지한다.
iii. 냉각액을 기관으로부터 제거하는 능력을 제공한다.
c. 2개의 비강 카테터: 냉각 유체를 호흡소화관에 제공한다.
d. 구강 카테터: 입에 축적되는 유체를 제거하는 능력을 제공한다.
3. 제어 시스템:
a. 시스템 온/오프
b. 신체 설정점
c. 펌프 1 속도
d. 펌프 2 속도
e. 펌프 이네이블(Enable) 온/오프
실시예 1
76㎏의 돼지를 앙아위로 배치하고, 작은 가이마르(Gaymar) 순환 워터 블랭킷 및 강제 고온 공기를 사용하여 전신 가온시켰다.
4개의 온도 프로브를 참여시켰다. 니들(needle) 프로브를 동물의 뇌에 삽입하였다. 2개의 카테터 프로브를 각각 동맥 및 하대정맥에 삽입하였다. 또한, 직장 온도 프로브를 사용하여, 심부 온도를 모니터링하였다. LabView를 사용하여 온도 프로브를 제어하고, 펌프를 수동으로 제어하였다(즉, 시스템을 "오픈 루프(open loop)" 모드로 구동시켰다). 사용되는 시스템의 개략적 유체는 도 23a에 도시되어 있으며, 개략적 전기는 도 23b에 도시되어 있다. 일련의 세트-업(set-up) 시험 후에, 돼지를 재가온시키고, 냉각 유체를 다시 채웠다. 펌프를 300 RPM으로 설정하고, 냉 유체를 대략 120분 동안 카테터를 통해 펌핑시켰다. 돼지의 초기 온도는 다음과 같았다: 뇌 38.0℃; 대동맥 38.3℃; 대정맥 38.4℃; 및 직장 38.3℃. 결과의 그래프 표면은 도 23c에 도시되어 있으며, 표 9는 이러한 시험과 관련된 파라미터를 나타낸다.
표 9
Figure 112014018588302-pct00024
돼지를 재가온시키고, 냉각 유체를 다시 채웠다. 펌프를 600 RPM으로 설정하고, 냉 유체를 대략 32.45분 동안 카테터를 통해 펌핑시켰다. 돼지의 초기 온도는 다음과 같았다: 뇌 38.1℃; 대동맥 38.3℃; 대정맥 38.5℃; 및 직장 38.1℃. 결과의 그래프 표현은 대략 32.45분의 시간까지 도 23d에 도시되어 있으며, 표 10은 이러한 시험과 관련된 파라미터를 나타낸다.
표 10
Figure 112014018588302-pct00025
펌프 속도를 대략 32.45분에 순환 중간에 600 RPM에서 300 RPM으로 감소시키고, 대략 30분 이상 동안 냉 유체를 카테터를 통해 펌핑시켰다. 대략 32.45분에 시작한 결과의 그래프 표현은 도 23d에서 도시되어 있으며, 표 11은 이러한 시험과 관련된 파라미터를 나타낸다.
표 11
Figure 112014018588302-pct00026
이들 시험은, 다양한 유량을 사용하여 냉각을 달성할 수 있으며, 냉각이 신속하고, 냉각이 선택적이며, 일단 냉각이 종료되면 뇌가 그의 이전의 상태로 복귀되고, 결과가 재현성이 있음을 입증한다.
실시예 2
실시예 2에서, 유사한 크기의 돼지를 사용하였다. 냉각 장치는 이전의 실시예에 사용된 것과 유사하였으나; 유량계 및 진공 조절기를 포함시켰다. 실시예 2의 유체 시스템의 개략적 표현은 도 24a에 도시되어 있다. 전기 시스템은 실시예 1의 것에서 변경시키지 않았다. 실시예 2의 결과의 그래프 표현은 도 24b에 도시되어 있다.
도 24b의 120 내지 180분에 도시된 바와 같이, 신체 심부 온도는 대응 가온 디바이스를 사용하여 실질적으로 유지시키고/거나 증가시킨 한편, 뇌 온도를 감소시켰다(예를 들어, 뇌에서 신체 심부까지의 온도 기울기 증가). 대략 10.8℃의 뇌에서 신체 심부까지의 최대 온도 기울기가 달성되었다. 마취제로서 프로포폴의 첨가는 예를 들어, 뇌로의 혈류를 감소시키고/거나 경부의 대동맥에서 혈액의 보다 심냉의 평형화(예를 들어, 유량 및 속도를 감소시키고 체류 시간을 증가시킴에 의함)를 가능하게 함으로써 뇌 온도의 감소를 보조하였다. 그러나, 상기 기재된 바와 같이, 다수의 다른 마취제도 또한 사용될 수 있다.
개시된 발명의 원리가 적용될 수 있는 많은 가능한 실시형태를 고려하여, 예시된 실시형태가 본 발명의 바람직한 예일 뿐이며, 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 취해지지 않아야 하는 것을 인식하여야 한다. 오히려, 본 발명의 범주는 하기의 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 발명자들은 이들 특허청구범위의 범주와 사상의 범주 내에 있는 전부를 본 발명으로 청구한다.
상기 상세한 설명 및 실시예는 예시된 실시형태의 구조와 이용의 완전한 설명을 제공한다. 특정 실시형태가 소정의 정도의 특정함으로, 또는 하나 이상의 개별 실시형태를 참조하여 상기에 기재되었지만, 당업자는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고, 개시된 실시형태에 대하여 수많은 변경을 만들 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 다양한 예시적인 실시형태는 개시된 특정 형태로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 오히려, 이들은 특허청구범위의 범주 내에 속하는 모든 변형 및 대안을 포함하며, 나타낸 것 외의 실시형태는 도시된 실시형태의 특징부 중 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 부품은 단일 구조로 합해질 수 있고/거나 연결이 대체될 수 있다. 추가로, 적절한 경우, 상기 기재된 임의의 예의 태양은 기재된 임의의 다른 예의 태양과 조합되어, 비슷하거나 상이한 특성을 가지며 동일하거나 상이한 문제를 다루는 추가의 예를 형성할 수 있다. 유사하게, 상기 기재된 이익 및 이점이 일 실시형태와 관련되거나, 몇몇 실시형태들과 관련될 수 있음이 이해될 것이다.

Claims (312)

  1. 비-연무화된(non-nebulized) 자유 유동 유체를 환자의 호흡소화관으로 지향시키도록 구성된 제 1 카테터로서, 상기 자유 유동 유체의 적어도 일부가 호흡소화관의 조직과 직접 접촉되어 있고, 상기 자유 유동 유체가 대동맥활과 뇌 사이에 흐르는 혈액을 냉각시키는 제 1 카테터;
    환자의 호흡소화관으로부터 자유 유동 유체를 제거하도록 구성된 제 2 카테터; 및
    열 교환기 및 환자의 호흡소화관을 통해 자유 유동 유체의 적어도 일부를 능동적으로 재순환시키도록 구성된 재순환 시스템으로서, 적어도 3℃의 뇌에서 신체 심부까지의 온도 기울기에 도달할 때까지 상기 호흡소화관으로 지향된 자유 유동 유체의 부피가 상기 호흡소화관으로부터 능동적으로 제거된 자유 유동 유체의 부피와 동일한 재순환 시스템을 포함하는, 뇌를 냉각시키기 위한 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 자유 유동 유체가 0.1 미크론 초과의 미립자를 여과할 수 있는 하나 이상의 필터 장치를 통해 전달되는 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 카테터와 제 2 카테터 중 하나 이상이 위와 유체 연결을 유지하는 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 장치가 3℃ 내지 25℃의 뇌에서 신체 심부까지의 온도 기울기에 도달할 때까지 상기 자유 유동 유체를 제 1 카테터 및 제 2 카테터를 통해 재순환시키도록 추가로 구성된 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 장치가 4℃ 내지 12℃의 뇌에서 신체 심부까지의 온도 기울기에 도달할 때까지 상기 자유 유동 유체를 제 1 카테터 및 제 2 카테터를 통해 재순환시키도록 추가로 구성된 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 자유 유동 유체가 전해질을 포함하는 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 자유 유동 유체가 항박테리아제를 포함하는 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 자유 유동 유체가 프로필렌 글리콜을 포함하는 장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 자유 유동 유체가 고장성(hypertonic)인 장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 자유 유동 유체가 점막 보호제(mucosal protectant)를 포함하는 장치.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 재순환 시스템이 자유 유동 유체의 적어도 일부를 능동적으로 재순환시켜 1시간 이상 동안 뇌에서 신체 심부까지의 온도 기울기를 불변 유지하도록 구성된 장치.
  12. 제 1항에 있어서, 환자의 적어도 일부를 가온시키도록 구성된 가온 디바이스를 추가로 포함하는 장치.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 장치가 환자의 뇌와 환자의 신체 심부 중 하나 이상의 온도를 모니터링하도록 추가로 구성된 장치.
  14. 제 1항에 있어서, 환자의 뇌 온도를 측정하는 제 1 온도 센서 및 환자의 신체 심부 온도를 측정하는 제 2 온도 센서를 추가로 포함하는 장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 제 1 온도 센서와 제 2 온도 센서 중 하나 이상이 정맥내 온도 센서를 포함하는 장치.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 제 1 온도 센서와 제 2 온도 센서 중 하나 이상이 경정맥에 정맥내 배치되고, 상기 제 1 온도 센서 및 제 2 온도 센서가 뇌 가까이에 배치되는 장치.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 장치가 환자의 뇌로의 혈류를 감소시킬 수 있도록 추가로 구성된 장치.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 장치가 환자를 진정시킬 수 있도록 추가로 구성된 장치.
  19. 제 17항에 있어서, 상기 장치가 환자의 혈압을 감소시킬 수 있도록 추가로 구성된 장치.
  20. 제 1항에 있어서, 바비튜레이트(barbiturate), 프로포폴(propofol), 벤조디아제핀(benzodiazepine), 리도카인(lidocaine), 에토미데이트(etomidate), 카페인, 알코올, 마약(narcotics), 코카인, 베타-차단제, 항-편두통 약제(anti-migraine medication), 혈관수축제(vasoconstrictor), 및 클로니딘(clonidine) 중 하나 이상을 환자에게 투여하기 위한 제 3 카테터를 추가로 포함하는 장치.
  21. 제 1항에 있어서, 상기 장치가 환자의 두부를 적어도 부분적으로 둘러싸는 냉각 저장소를 포함하지 않는 장치.
  22. 열 교환기와 유체 연통되게, 연동 또는 롤러 펌프와 연결하기(interface) 위한 튜빙;
    비-연무화된 자유 유동 유체를 환자의 호흡소화관으로 지향시키도록 구성된 제 1 카테터로서, 상기 자유 유동 유체의 적어도 일부가 호흡소화관의 조직과 직접 접촉되어 있고, 상기 자유 유동 유체가 대동맥활과 뇌 사이에 흐르는 혈액을 냉각시키는 제 1 카테터; 및
    환자의 호흡소화관으로부터 자유 유동 유체를 제거하도록 구성된 제 2 카테터를 포함하는, 제 1항의 장치 내의 자유 유동 유체와 접촉하고 있는 환자를 분리하기 위한 일회용 키트로서,
    상기 제 1 카테터와 제 2 카테터 중 하나 이상이 유체의 회수를 위한 환자의 구강과 유체 연통되게 배치되도록 구성되는 일회용 키트.
  23. 제 22항에 있어서, 필터를 추가로 포함하는 일회용 키트.
  24. 제 22항에 있어서, 저장소를 추가로 포함하는 일회용 키트.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 저장소가 저장소 내 유체를 분리하기 위한 제 1 밸브 및 제 2 밸브로 구성된 일회용 키트.
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