Устройство температурного воздействия на кору больших полушарий головного мозга Российский патент 2021 года по МПК A61F7/00 

Область техники

Изобретение относится к медицине и предназначено для использования при различных патологических состояниях, для которых характерно развитие нарушений теплового баланса головного мозга (ГМ), в частности, при расстройствах мозгового кровообращения или нейротравме, возрастных инволюционных заболеваниях и других состояниях, сопровождающихся формированием в коре больших полушарий областей повышенной или сниженной температуры.

Уровень техники

Церебральная температура является важнейшей переменной составляющей температурного гомеостаза организма, зависит от нейрональной активности и непосредственно на нее влияет, определяя в итоге эффективность работы ГМ, при этом центральную роль в реализации широкого круга высших функций центральной нервной системы играет кора больших полушарий.

В норме повышение активности нейронов коры больших полушарий в связи с различного рода возбудительными процессами, сопровождается ростом их метаболической активности, усилением регионального кровотока и повышением температуры. Напротив, снижение активности нейронов сопровождается понижением их метаболизма, относительным уменьшением кровотока и снижением температуры. В этой связи, распределение температуры в коре мозга имеет мозаичный характер, отражая умеренную температурную, а, следовательно, и функциональную гетерогенность органа. AT между наиболее разогретыми и относительно холодными областями коры мозга в норме в покое колеблется в пределах 1,5-2,5°С. Чем выше активность нейронов, тем выше температурная гетерогенность (Mrozek S, F.Vardon, Т. Geeraerts «Brain Temperature: Physiology and Pathophysiology after Brain Injury»//Anesthesiology Research and Practice, V. 2012, Article ID 989487, 13 p.).

Температура коры больших полушарий в норме в покое в среднем составляет 36,2-36,7°С, а базальных структур - 37°С. Наличие определенного уровня функциональной (температурной) гетерогенности необходим для реализации функций мозга. В частности, смена фаз сна от «быстрого» к «медленному» сопровождается понижением температуры корковых нейронов на 0,5°С, что способствует восстановлению мембран нейронов после возбуждения (Харакоз Д.П. «Температура мозга и сон», Ж-л ВНД, Т. 63, №1, 2013, С. 112-124).

Таким образом, в норме периодическое повышение и снижение температуры в различных областях коры мозга, как и наличие определенного уровня температурной гетерогенности, является важной особенностью церебрального теплового баланса.

При поражении ГМ в связи с нарушениями кровообращения, например, при инсультах и травматических повреждениях, развиваются реакции эксайтотоксичности, сопровождающиеся резким возбуждением нейронов в связи с выбросом глутамата, активацией NMDA-рецепторов и нарушениями клеточного дыхания, активацией свободно-радикального окисления. Это приводит к фокальному повышению температуры нейронов в области пенумбры до 38-40°С и выше. ДТ между наиболее разогретыми и относительно холодными областями коры мозга достигает 2,5-4°С, что свидетельствует о резком нарастании температурной гетерогенности. Данные процессы сопровождаются ростом средней температуры коры больших полушарий выше 37°С и снижением уровня сознания (Шевелев О.А., Бутров А.В., Чебоксаров Д.В., Ходорович Н.А., Лапаев Н.Н., Покатилова Н.С.«Патогенетическая роль церебральной гипертермии при поражениях головного мозга», Клиническая медицина. Т. 95, №4, 2017, С. 302 - 309).

Повышение церебральной температуры приводит к ухудшению течения патологического процесса и является плохим прогностическим признаком исходов заболевания.

Температура коры ГМ понижается при угнетении сознания, например, при действии седативных средств или медикаментозного наркоза, в коматозных состояниях, в хронических критических состояниях, являющихся следствием грубых церебральных поражений, приводящих к развитию вегетативного состояния (ВС) и состояния малого (минимального) сознания (CMC). Средняя температура коры мозга может понизиться до 35-36°С. При угнетении сознания температура областей коры мозга распределяется равномерно, ДТ между наиболее разогретыми и относительно холодными областями коры мозга оказывается ниже 1-1,5°С, отражая снижение температурной гетерогенности.

При аффекте, эмоциональном стрессе, при физических нагрузках во время спортивных состязаний, а также при возбуждении, связанном с приемом психостимуляторов и наркотических средств, при тяжелом абстинентном синдроме и делирии, формируются области гипертермии мозга, ДТ между наиболее разогретыми и относительно холодными областями коры повышается до 2,5 - 3,5°С, температура и температурная гетерогенность мозга нарастают (Kiyatkin ЕА. «Cellular Neurobiology Branch, National Institute on Drug Abuse-Intramural Research Program», National Institutes of Health, Brain Res Brain Res Rev. 2005).

Кору больших полушарий ГМ правомочно рассматривать как сложнейшую систему, состоящую из взаимосвязанных между собой элементов и взаимодействующих с системами всего организма (Уотермен Т. «Теория систем и биология», под ред. Кринского В.И., М., Мир, 1971, 128 с). Эффективно функционирующая система в норме умеренно гетерогенна. Это обеспечивает широкие возможности регулирования за счет вариабельности реакций, формируемых элементами системы и инициируемых действием внешних и внутренних стимулов. В условиях патологии при снижении функциональной гетерогенности адаптивный резерв системы снижается за счет ограничения вариабельности реакций и сильной взаимозависимости, а сверхсильные воздействия на систему и составляющие ее элементы могут привести к повреждению компонентов системы, разрыву связей между ними и «полому» системы.

Иначе говоря, жесткая детерминированность ограничивает возможности приспособления системы как к внешним, так и к внутренним возмущениям. В свою очередь чрезмерное нарастание функциональной гетерогенности системы сопровождается ослаблением взаимосвязей между ее элементами, разрушает систему, приводит к прекращению ее деятельности как целого.

Нарушения сознания, развившиеся от различных причин, сопровождаются значительным нарастанием или, напротив, понижением температурной, а следовательно, и функциональной, гетерогенности, а также повышением или понижением температуры коры больших полушарий. Из этого следует, что для повышения эффективности функционирования системы необходимо повысить сниженную и понизить повышенную функциональную гетерогенность, а также купировать церебральную гипертермию или гипотермию.

В совокупности указанное создает основу создания устройства, выполняющего функцию температурных воздействий, направленных на нормализацию теплового баланса ГМ, то есть на понижение высокой и повышение низкой температурной гетерогенности, путем чередования воздействий, обеспечивающих повышение или снижение температуры коры мозга.

В частности, известно, что однократный сеанс КЦГ длительностью не менее 8-16 часов, проводимый в остром периоде развития ишемического инсульта, обеспечивает понижение температуры коры больших полушарий и снижение температурной гетерогенности, что сопровождается повышением уровня сознания (Бутров А.В., Молчанов И.В., Петрова М.В., Кондратьев А.Н., Чебоксаров Д.В., Шевелев О.А., Шестов А.В., Каленова И.Е., Шаринова И.А. «Методические рекомендации по применению медицинского изделия "АТГ-01 (аппарат терапевтической гипотермии-01)" у больных в критических состояниях», Новости науки и техники. Серия Медицина. Новости анестезиологии и реаниматологии, №3, 2014, С. 37 - 53).

Известно также, что у пациентов в ВС и МС после применения КЦГ температура коры мозга быстро повышается за счет спонтанного согревания в связи с притоком теплой артериальной крови, что обеспечивает повышение температурной гетерогенности и повышению уровня сознания (RU2698217).

Кроме того, известно, что температуру коры больших полушарий можно измерить, используя метод неинвазивной радиотермометрии (РТМ), основанный на регистрации мощности собственного электромагнитного излучения тканей коры мозга в СВЧ-диапазоне (1-7 ГГЦ), которая пропорциональна метаболической активности и температуре тканей (Колесов С.Н., Воловик М.Г., Кравец П.Я. «Тепловидение и радиотермометрия при черепно-мозговой травме», в кн. Клиническое руководство по черепно-мозговой травме под ред. Коновалова А.Н., Москва, «Антидор», 1998, с. 429-439). Измерения позволяют составить объективную картину распределения температуры по поверхности коры ГМ, рассчитать значения средней температуры коры больших полушарий и вычислить различия между наиболее разогретыми и относительно холодными областями мозга (ΔТ°С), определяя тем самым уровень температурной гетерогенности.

Известно несколько устройств, позволяющих понизить температуру ГМ и имеющих средства контроля температуры различных участков тела, например, US2013211484, US8529613, US6277143, US6183501, US8696726.

Кроме того, известно устройство для индукции управляемой гипотермии ГМ, содержащее шлем-криоаппликатор (ШКА) для охлаждения кожи в краниоцеребральной области головы и криоаппликатор-воротник (КВ) для охлаждения области проекции сонных артерий на коже в области шеи (RU2653794). При этом ШКА и КВ содержат термоизолирующие шлем и воротник, фиксирующие криоаппликаторы в области контакта с кожей и предупреждающие потери теплоты в окружающую среду. ШКА и КВ выполнены с возможностью циркуляции в них жидкого охлажденного теплоносителя. Устройство содержит средство охлаждения теплоносителя и гидравлическую систему, снабженную средством прокачки теплоносителя, клапанами для включения и прерывания циркуляции теплоносителя; а также содержит средства регистрации температуры участков тела, включая средства регистрации мощности ЭМИ глубоких тканей в СВЧ-диапазоне (РТМ) для неинвазивного определения температуры ГМ и тканей в каротидной области; а также средство управления, которое выполнено с возможностью осуществлять управление средством охлаждения теплоносителя, средством прокачки теплоносителя и клапанами гидравлической системы в зависимости от данных, получаемых с помощью средств регистрации температуры. Выбран в качестве прототипа.

Данное устройство предназначено для индукции управляемой гипотермии ГМ, в нем не предусмотрена возможность изменения характера тепловых воздействий - охлаждения или согревания, а также проведения переменных механические воздействия на кожу головы краниоцеребральной области. Конструкция ШКА позволяет обеспечить воздействие холодом в лобной, теменной, височной и затылочной областях без учета возможности воздействия на кожу в области сосцевидного отростка височной кости и мыщелка затылочной кости.

Конструкция заявляемого устройства разработана с целью решения задачи создания эффективного и безопасного устройства температурного воздействия на кору больших полушарий ГМ для восстановления нарушенного теплового баланса путем проведения температурных воздействий на кожу краниоцеребральной области головы, включающих согревание или охлаждение, а также режим переменного механического воздействия на кожу головы.

При осуществлении изобретения достигаются следующие технические результаты:

- разработан новый принцип работы устройства для теплового воздействия на кору больших полушарий ГМ субъекта, заключающийся в охлаждающем, согревающем и переменном температурном воздействии, а также переменном механическом воздействии на кожу головы;

- увеличена область температурного и механического воздействия на кожу головы, включая лобною, теменную, височную и затылочную области, а также сосцевидный отросток височной кости и мыщелок затылочной кости, учитывающая особенности анатомии проникновения эмиссарных вен к поверхности коры мозга.

Указанные технические результаты достигаются при помощи устройства, включающего

- шлем-аппликатор (ША), содержащий каналы с возможностью циркуляции в них жидкого теплоносителя и соединенного с исполнительными органами устройства гибкими шлангами;

- гидравлическую систему, содержащую два независимых контура циркуляции согретого и охлажденного теплоносителей, а также средства переключения направления потоков циркуляции согретого и охлажденного теплоносителей, представляющие собой систему клапанов, при этом контур циркуляции согретого теплоносителя и контур циркуляции охлажденного теплоносителя содержат замкнутые контуры циркуляции, причем замкнутый контур циркуляции согретого теплоносителя снабжен теплообменником и вентилятором;

- каждый контур циркуляции содержит независимые средства прокачки согретого и охлажденного теплоносителя с возможностью регулирования их производительности (л/мин);

- устройство содержит, по меньшей мере, одно средство охлаждения и согревания теплоносителя, представляющее собой термоэлектрический элемент (ТЭ) типа Пельтье;

- средства регистрации температуры согретого и охлажденного теплоносителя, по меньшей мере, одно средство регистрации температуры коры больших полушарий, представляющее собой антенну для регистрации мощности ЭМИ тканей коры мозга в СВЧ-диапазоне (РТМ);

- средство управления, представляющее собой процессор с возможностью его программирования, и осуществляющее управление работой средствами прокачки теплоносителя и ТЭ по данным мониторинга регистрируемых температур, средство регулирования силы тока, подаваемого на ТЭ и средства прокачки теплоносителя; а также блок питания.

ША выполнен с возможностью образования плотного механического контакта с кожей головы в лобной, теменной, височной и затылочной областях, а также с сосцевидным отростком височной кости и мыщелком затылочной кости для температурного и механического воздействия на кожу головы, содержит, по меньшей мере, одно функциональное отверстие для установки антенны средства регистрации температуры коры больших полушарий (РТМ).

Наружная оболочка ША выполнена из плотного материала, не меняющего свои геометрические размеры при изменении давления в каналах ША. Каналы ША выполнены из эластичного материала, способного изменять геометрические размеры при повышении и понижении давления теплоносителей при их циркуляции в ША, а давление в каналах ША определяется производительностью средств прокачки теплоносителей (л/мин).

Поверх ША располагают термоизолирующий шлем, выполненный из материала с низкой теплопроводностью, предупреждающий потери теплоты в окружающую среду, и снабженный средствами его фиксации под подбородком субъекта (пациент), уплотняющими контакт ША с кожей головы. Шланги, соединяющие ША с исполнительными органами устройства теплоизолированы.

Раскрытие изобретения

Головной мозг - единственный орган, кровоснабжение которого осуществляется с поверхности, обеспечивая в первую очередь нейроны коры больших полушарий. Кровоток в сером веществе коры мозга выше перфузии белого вещества почти в 2 раза, что обусловлено высокой активностью корковых нейронов, требующих доставки должного количества субстрата и кислорода. При этом мощный артериальный кровоток способствует удалению избытка теплоты, что обеспечивает более низкую температуру коры по сравнению с базальными структурами мозга. Температура коры больших полушарий в норме в покое в среднем составляет 36,2-36,7°С, а базальных структур -37°С.

Известно, что избыток теплоты удаляется от ГМ с энергичным церебральным кровотоком, достигающим 20-25% минутного объема общего кровообращения в покое. Малозначимо в терморегуляции ГМ участвует прямое проведение теплоты от поверхности мозга наружу в связи с низкой теплопроводностью плоских костей черепа и мягких тканей поверхности головы. В значительной степени на температуру коры больших полушарий влияет приток крови в венозные синусы твердой мозговой оболочки по эмиссарным венам - vv. emissariae (Cabanac М., Brinnel Н. «Blood flow in the emissary veins of the human head during hyperthermia))// European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology, vol. 54, n. 2, 1985, P. 172-176).

Эмиссарные вены собирают охлажденную во внешней среде кровь от кожи головы и через перфорантные отверстия костей черепа напрямую доставляют ее в венозные синусы твердой мозговой оболочки к поверхности мозга. Эмиссарные вены не имеют клапанов, что допускает в них ретроградное и маятникообразное движение крови. Кроме того, вены кожи головы несут кровь в систему яремных вен, которые контактируют с внутренними сонными артериями, приносящими кровь к ГМ.

Эмиссарные вены тесно анастомозируют с диплоэтическими венами (vv. diploicae), которые залегают в каналах диплоэ плоских костей черепа. Часть диплоэтических вен, пройдя через отверстия во внутренней пластине костей черепа, впадает в синусы твердой мозговой оболочки, а другие, через эмиссарные вены, соединяются с венами наружного покрова головы. Таким образом, эмиссарные, диплоэтические вены и вены наружного покрова головы, а также синусы твердой мозговой оболочки тесно анастомозируют друг с другом и образуют единую венозную сеть.

Понижение температуры кожи головы способствует охлаждению притекающей к мозгу крови за счет противоточного теплообмена в области контактов яремных вен и внутренних сонных артерий, а также за счет притока охлажденной крови по эмиссарным венам. Кроме того, понижение температуры кожи головы способствует увеличению потока теплоты от поверхности головного мозга наружу за счет увеличения разницы температур между кожей головы и корой больших полушарий.

Механический массаж кожи головы увеличивает поток крови к мозгу по эмиссарным венам.

Из этого следует, что температурные и механические воздействия на кожу головы способны обеспечить изменения температуры коры мозга и интенсифицировать поток крови в эмиссарных венах и венах костей черепа. При этом, температурные и механические воздействия должны быть направлены на всю поверхность кожи краниоцеребральной области головы, имея ввиду, в том числе, области проекций проникновения эмиссарных вен в полость черепа и их анастомозов с диплоэтическими венами, то есть на лобную, височную и теменную области, мыщелок затылочной кости и сосцевидный отросток височной кости.

Указанные анатомические особенности венозной системы тканей головы, костей черепа и венозных синусов твердой мозговой оболочки обосновывают отличительные признаки устройства, включая конструкцию шлема-аппликатора для температурного и механического воздействия на кожу головы в целях передачи температурного воздействия к коре больших полушарий.

Учитывая, что низкие температуры обеспечивают развитие нейропротекторных эффектов, а повышение температуры может оказать неблагоприятное влияние на поврежденные нейроны коры, температурные воздействия необходимо дозировать, поддерживая изменения температуры коры больших полушарий в безопасных пределах -не ниже 30°С и не выше 37°С.

Поражения ГМ различной этиологии сопровождаются нарушением церебрального теплового баланса, повышением или понижением температурной гетерогенности и температуры мозга. Восстановление теплового баланса ГМ способствует повышению уровня сознания и улучшает клинические показатели у таких пациентов.

Скорость и глубина изменения температуры коры больших полушарий при тепловых воздействиях на кожу головы зависит от множества трудно учитываемых факторов, например таких, как температура окружающей среды, температура и масса тела, возраст, пол. Кроме того, применение лекарственных средств, влияющих на механизмы терморегуляции, как и различные заболевания и поражения ГМ, сопровождающиеся нарушениями центральных механизмов терморегуляции, способны повлиять на характер влияния тепловых воздействий на кожу головы. При повышении температуры коры ГМ и температурной гетерогенности следует применить охлаждающее воздействие, а при понижении температуры и снижении температурной гетерогенности -согревающее.

При этом важно понимать, что понижение температуры коры ГМ способствует развитию нейропротекторных реакций, уменьшает потребность нейронов в кислороде и глюкозе и повышает их устойчивость к ишемии и гипоксии, снижает объем последствий церебральных повреждений. В свою очередь повышение температуры ГМ является важным звеном патогенеза развития и углубления церебральной патологии. Это подчеркивает необходимость тщательного контроля температуры коры ГМ при проведении тепловых воздействий.

При определении предпочтительных режимов воздействия используют известный метод неинвазивного измерения температуры коры больших полушарий (РТМ). Известны устройства, позволяющие зарегистрировать мощность собственного электромагнитного излучения (ЭМИ) тканей субъекта в диапазоне сверх высоких частот (СВЧ, длина волны γ=0,8-30 см, частота - 1-10 ГГЦ) с помощью контактных антенн-аппликаторов, размещаемых на поверхности кожи и расчетным путем определить значения температуры глубоких тканей (RU2510236, RU2562025 RU2407429).

Наличие в устройстве средства регистрации температуры коры больших полушарий позволяет осуществлять автоматическое управление средствами переключения направления циркуляции теплоносителей, обеспечивая понижение и повышение температуры коры ГМ в задаваемых безопасных пределах, меняя режим теплового воздействия.

Безопасным является понижение температуры коры мозга до 30°С, а повышение -до 37°С.

Для того чтобы повысить эффективность температурных воздействий, предложено применение механических воздействий на кожу головы.

Программирование средства управления позволяет менять давление в каналах ША путем изменения производительности средств прокачки теплоносителей (л/мин). Изменение давления теплоносителя, циркулирующего в каналах ША, изменяет интенсивность механического воздействия на кожу головы, что позволяет в процессе процедуры уменьшить давление при возникновении субъективных ощущений чрезмерности давления. Это позволяет повысить комфортность процедуры.

Периодичность и длительность повышения и понижения давления в каналах ША устанавливает пользователь. В частности, при объемном расходе теплоносителя через ША 0,7-0,9 л/мин, давление в каналах ША составит 0,3-0,5 атм. При уменьшении объемного расхода до 0,5-0,7 л/мин давление в каналах ША понизится до 0,2-0,3 атм. Указанные значения объемного расхода теплоносителя и давления в канал ША не ограничивают пределы возможности использования устройства.

При повышении давления в каналах ША часть венозной крови активно вытесняется из кожи головы по эмиссарным венам к поверхности мозга, а при понижении -возвращается в вены кожи головы пассивно под влиянием разницы давлений в разных участках венозной системы. Период изгнания крови быстрее периода возвращения. Из этого следует, что длительность периода повышенного давления может составить 5-10 сек., а длительность периода сниженного давления - 10-15 сек, что не ограничивает пределы возможности использования устройства.

Механическое воздействие на кожу головы увеличивает кровоток в венах кожи, что улучшает доставку охлажденной или согретой венозной крови к поверхности коры больших полушарий. Эффективное понижение температуры коры мозга достигается при понижении температуры кожи до 8-10°С, а согревание кожи до 37-40°С способствует повышению температуры коры мозга. При этом, неинвазивная регистрация температуры мозга позволяет управлять процессами охлаждения и согревания в безопасных пределах -30-37°С. Длительность температурного воздействия для достижения искомых температур мозга индивидуально варьирует.

Значения температуры охлажденного и согретого теплоносителя устанавливают в пределах комфортных ощущений, например 8-10°С и 37-40°С соответственно, что не ограничивает пределы возможности использования устройства.

Заявляемое устройство также может содержать средство регистрации базальной температуры (температура тела).

В некоторых вариантах устройства гидравлическая система может содержать емкости для теплоносителей. В качестве теплоносителей используется вода.

Нижеследующие примеры работы устройства приведены в целях раскрытия характеристик настоящего изобретения и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Принципиальная схема компоновки элементов устройства.

Обозначения: ША - шлем-аппликатор, СУ - средство управления, БП - блок питания, ГКЦ - горячий контур циркуляции, ХКЦ - холодный контур циркуляции, ЗКЦ -закрытые контуры циркуляции, К - клапаны средств переключения потоков циркуляции теплоносителей, 1 - теплообменник горячего контура, 2 - теплообменник холодного контура, 3 - средство прокачки согретого теплоносителя, 4 - средство прокачки охлажденного теплоносителя, 5 - теплообменник и вентилятор горячего контура. Графические обозначение вынесены на рисунке.

Фиг. 2. Схема работы устройства в режиме охлаждения кожи головы. Обозначения вынесены на рисунке.

Фиг. 3. Схема работы устройства в режиме согревания кожи головы. Обозначения вынесены на рисунке.

Фиг. 4. Схема изменения геометрических размеров каналов ША при повышении (А) и понижении (Б) в них давления теплоносителя в связи с изменением производительности средств прокачки теплоносителя. Повышенное давление в каналах ША приводит к небольшой деформации поверхностных слоев кожи. Обозначения вынесены на рисунке.

Работа устройства и способ его использования.

Во всех случаях использования устройства перед процедурой у субъекта проводят измерения температуры коры больших полушарий с применением РТМ-технологии, по меньшей мере в 9 симметричных областях левого и 9 областях правого полушарий. Рассчитывают среднюю температуру коры ГМ, вычисляют ΔТ°С между наиболее разогретыми и холодными областями коры мозга. При повышении средней температуры коры больших полушарий выше 37°С и при наличии выраженной температурной гетерогенности мозга при ΔТ°С >2,5°С используют режим охлаждения. При понижении средней температуры коры больших полушарий ниже 36,2°С и снижении температурной гетерогенности при ΔТ°С <1,5°С используют режим переменного теплового воздействия.

После проведения исследования состояния теплового баланса ГМ пользователь включает устройство и программирует средство управления, устанавливая целевые значения температуры теплоносителей и коры больших полушарий, а также длительность периодов и интенсивность механического воздействия на кожу головы.

В предпочтительном варианте применения охлаждающего воздействия устанавливают минимальные значения температуры коры мозга, например 32°С.

В предпочтительном варианте применения переменных согревающих и охлаждающих воздействий, значения уровня понижения температуры коры ГМ от исходной в каждом цикле охлаждения составят, например, 1°С, а последующего повышения в каждом цикле согревания, также 1°С. Такой режим позволит поддерживать температуру коры больших полушарий на определенном уровне ±1°С в безопасных пределах. Это способствует увеличению температурной гетерогенности коры больших полушарий.

Конструкция устройства и возможность программирования средства управления позволяет использовать и другие значения понижения и повышения температуры коры мозга при его охлаждении и согревании, не ограничивая приведенные варианты воздействия на ГМ в безопасных пределах.

Электропитание устройства осуществляется от аккумулятора или от сети (блок питания). При включении электропитания устройства включается средство управления, подается постоянный ток на ТЭ, включаются средства прокачки теплоносителей, средства переключения потоков циркуляции теплоносителей, средства регистрации температуры теплоносителей и коры больших полушарий. На стороне горячего спая ТЭ выделяется теплота, а на стороне холодного - теплота поглощается. На сторонах горячего и холодного спаев ТЭ установлены теплообменники, через которые прокачиваются теплоносители. Температура теплоносителя в холодном контуре понижается, а в горячем контуре повышается. При этом, в момент включения электропитания клапаны средства переключения направления потоков, охлажденного и согретого теплоносителей закрыты, что обеспечивает циркуляцию теплоносителей в замкнутых контурах циркуляции. Циркуляция теплоносителей в ША отсутствует.

Температура теплоносителей в горячем и холодном контурах задается пользователем (медицинский работник) путем программирования средства управления, постоянно измеряется средствами регистрации температуры теплоносителей и при отклонении этих значений от установленных средство управления подает управляющий сигнал на средство регулирования силы тока, подаваемого на ТЭ для автоматического поддержания постоянной температуры теплоносителей в горячем и холодном контурах в заданных пределах. При достижении заданных значений температуры согретого и охлажденного теплоносителей средство управления подает сигнал о готовности устройства к работе.

Перед проведением процедуры пользователь определяет состояние теплового баланса ГМ субъекта, используя метод РТМ для измерения температуры ГМ. Температуру измеряют по меньшей мере в 9 областях проекций коры левого и 9 областях проекций коры правого полушарий, рассчитывают среднее значение температуры по данным измерений в обоих полушариях и определяют разницу между наиболее разогретой и холодной областями коры мозга. В зависимости от уровня температурной гетерогенности (высокая - ΔТ>2,5°С) или низкая (ΔТ<1,5°С) и температуры коры больших полушарий (повышенная ->37,5°С или пониженная -<36°С) пользователь определяет режим воздействия: охлаждение или переменное согревание и охлаждение.

Пользователь программирует средство управления, задавая уровень повышения и понижения температуры коры больших полушарий, а также параметры переменных тепловых и механических воздействий. На субъекта надевают ША, поверх которого надевают термоизолирующий шлем. Проверяют плотность контакта внутренней поверхности ША с поверхностью кожи головы, фиксируют ША при помощи термоизолирующего шлема под подбородком. Далее пользователь включает процедуру.

При использовании режима охлаждения средство управления подает управляющий сигнал на клапаны средства переключения направления потоков циркуляции охлажденного теплоносителя, клапаны открываются, что обеспечивает его циркуляцию в ША и замкнутом контуре циркуляции, при этом клапаны средства переключения направления потоков циркуляции согретого теплоносителя остаются закрытыми. Согретый теплоноситель циркулирует в замкнутом контуре циркуляции. Кожа головы охлаждается, температура мозга понижается.

При достижении заданного уровня понижения температуры коры мозга, средство управления, получая сигнал от средства измерения температуры коры мозга, подает управляющий сигнал на средство переключения направления потоков циркуляции охлажденного теплоносителя, клапаны закрываются, циркуляция в ША отсутствует. Охлаждение кожи головы прекращается.

В период прекращения охлаждения за счет спонтанного согревания температура коры мозга повышается и, при достижении заданного уровня температуры, средство управления, получая сигнал от средства измерения температуры коры мозга, подает управляющий сигнал на средство переключения направления потоков циркуляции охлажденного теплоносителя, клапаны открываются, циркуляция охлажденного теплоносителя в ША и охлаждение кожи головы возобновляется. Циклы охлаждения и спонтанного согревания повторяются на протяжении всей процедуры.

При использовании переменных тепловых воздействий на кожу головы средство управления подает управляющий сигнал на клапаны средства переключения направления потоков циркуляции согретого теплоносителя, клапаны открываются, что обеспечивает его циркуляцию в ША и замкнутом контуре циркуляции, при этом клапаны средства переключения направления потоков циркуляции охлажденного теплоносителя остаются закрытыми, охлажденный теплоноситель циркулирует в замкнутом контуре циркуляции. Кожа головы согревается, температура коры мозга повышается.

При достижении заданного уровня повышения температуры коры мозга, средство управления, получая сигнал от средства измерения температуры коры мозга, подает управляющий сигнал на средства переключения направления потоков циркуляции, при этом клапаны горячего контура закрываются, а клапаны холодного контура открываются, циркуляция согретого теплоносителя в ША прекращается, охлажденный теплоноситель циркулирует в ША и замкнутом контуре циркуляции. Согретый теплоноситель циркулирует в замкнутом контуре циркуляции, не попадая в ША. Кожа головы охлаждается, температура мозга понижается.

При достижении заданного уровня понижения температуры коры мозга циркуляция в ША меняется с охлажденного теплоносителя на согретый. Циклы повторяются на протяжении всей процедуры.

При любом режиме теплового воздействия циркуляция теплоносителей в замкнутых контурах циркуляции сохраняется. Это позволяет поддерживать температуру теплоносителей на задаваемом уровне за счет циркуляции теплоносителей через теплообменники соответственно горячего и холодного контуров. Теплообменник и вентилятор горячего контура обеспечивает отведение избытка теплоты в окружающую среду, что повышает надежность и безопасность работы устройства.

При программировании механического воздействия на кожу головы пользователь задает длительность периодов повышенного и пониженного давления каналов ША на кожу головы. Во время процедуры средство управления через заданный интервал времени подает управляющий сигнал на средство регулирования силы тока, увеличивая или уменьшая производительность средства прокачки теплоносителя, циркулирующего в ША (л/мин). При повышении производительности средства прокачки теплоносителя, циркулирующего в ША, давление в каналах ША повышается, каналы ША за счет эластичности стенок меняют свою геометрические размеры, диаметр их увеличивается, соответственно механическое давление каналов ША на кожу головы увеличивается.

При понижении производительности средства прокачки теплоносителя, циркулирующего в ША, давление в каналах ША понижается, диаметр их уменьшается, соответственно механическое давление каналов ША на кожу головы уменьшается. Циклы повторяются на протяжении всей процедуры. При этом средство прокачки теплоносителя, циркулирующего в замкнутом контуре, работает с постоянной производительностью, а при переключении направления его циркуляции из замкнутого контура в ША, средство управления обеспечивает заданный переменный режим производительности средства прокачки.

Программирование средства управления позволяет применить сочетание механического воздействия с охлаждающим и переменным тепловым воздействием на кожу головы. Кроме того, средство управления позволяет уменьшать или увеличивать производительность средств прокачки теплоносителей через ША во время процедуры, руководствуясь ощущениями субъекта, уменьшая давление в каналах ША, что повышает комфортность процедуры.

Подача теплоносителя в ША осуществляется по двум соединительным шлангам, по одному из которых теплоноситель подается в ША, а по второму возвращается в гидравлическую систему.

В предпочтительном варианте исполнения устройства оно снабжено двумя и более ТЭ, что позволяет повысить тепловую производительность устройства и усилить охлаждающее и согревающее воздействие на кору больших полушарий.

В еще одном предпочтительном варианте исполнения устройства оно снабжено по меньшей мере двумя средствами регистрации мощности ЭМИ тканей мозга в СВЧ-диапазоне для определения температуры коры больших полушарий, позволяющими зарегистрировать температуру, например, в симметричных областях мозга, что повышает точность измерения, дает дополнительные данные об уровне температурной гетерогенности, а ША содержит два функциональных отверстия для установки средства регистрации температуры коры мозга.

В еще одном предпочтительном варианте исполнения устройство содержит расходомер, позволяющий регистрировать объемную скорость прокачки теплоносителя, а также датчик давления теплоносителя в ША. Контроль давления теплоносителя и его объемный расход позволяет повысить точность регулирования интенсивность механического давления каналов ША на кожу головы.

Пример 1.

При измерении температуры коры больших полушарий средняя температура составила 37,6°С, ΔT=2,8°С. Выявлена повышенная температурная гетерогенность и повышение температуры коры мозга. Использован режим охлаждения.

Пользователь программирует средство управления: температура охлаждаемого теплоносителя 10°С, значения понижения температуры коры больших полушарий -36,2°С, режим согревания кожи головы не применяется, длительность периода повышенного давления в ША - 5 сек., сниженного - 10 сек., длительность процедуры - 180 минут.

По готовности устройства к работе пользователь включает процедуру. Средство управления фиксирует исходные значения температуры коры мозга, клапаны средства переключения потоков циркуляции охлажденного теплоносителя открываются, через ША и замкнутый контур прокачивается охлажденный теплоноситель. Согретый теплоноситель циркулирует по замкнутому контуру циркуляции. Через 5 сек. средство управления подает управляющий сигнал на средство прокачки охлажденного теплоносителя, уменьшая его производительность. Давление в каналах ША уменьшается. Уменьшается механическое давление каналов на кожу головы. Через 10 сек. средство управления подает управляющий сигнал на средство прокачки охлажденного теплоносителя, увеличивая его производительность. Давление в каналах ША повышается, повышается механическое давление каналов на кожу головы. Циклы смены давления теплоносителя в каналах ША продолжаются на протяжении всей процедуры. Циркуляция согретого теплоносителя в замкнутом контуре циркуляции осуществляется непрерывно при постоянной производительности средства его прокачки.

Через интервал времени, длительность которого варьирует индивидуально, средство управления, получив сигнал от средства регистрации температуры коры мозга о снижении температуры коры ГМ от исходной до заданной, подает управляющий сигнал на средство переключения потоков циркуляции охлажденного теплоносителя, клапаны холодного контура закрываются, циркуляция теплоносителя в ША прекращается.

Температура коры мозга повышается в связи с центральными притоками теплоты. Через интервал времени, варьирующийся индивидуально, средство управления, получив сигнал от средства регистрации температуры коры мозга о повышении температуры коры выше заданной, подает управляющий сигнал на средство переключения потоков циркуляции охлажденного теплоносителя, клапаны холодного контура открываются, циркуляция теплоносителя в ША и охлаждение кожи головы возобновляется, возобновляются механические воздействия на кожу головы.

Циклы активного охлаждения кожи головы и спонтанного согревания повторяются до конца процедуры.

Пример 2.

При измерении температуры коры больших полушарий средняя температура составила 35,7°С, ΔT=0,8°С. Выявлена пониженная температурная гетерогенность и сниженная температура коры больших полушарий. Использован режим переменного согревания и охлаждения кожи головы.

Пользователь программирует средство управления: температура охлаждающего теплоносителя 10°С, температура согревающего теплоносителя 37°С, установлены значения повышения температуры коры больших полушарий на 1°С от исходной в период согревания кожи головы и понижения на 1°С в период охлаждения кожи головы, длительность периода повышенного давления в ША - 10 сек., сниженного - 15 сек., длительность процедуры 180 минут.

При включении процедуры средство управления подает управляющий сигнал на средство переключения потока циркуляции согретого теплоносителя, клапаны открываются, обеспечивается подача в ША согретого теплоносителя, при этом поток охлажденного теплоносителя циркулирует по замкнутому контуру при постоянной производительности средства прокачки теплоносителя. Через 10 сек. средство прокачки согретого теплоносителя по управляющему сигналу средства управления понижает свою производительность в течении 15 сек., после чего снова повышает производительность. Циклы повторяются с заданной периодичностью, обеспечивая механическое воздействие на кожу головы.

Через интервал времени температура коры больших полушарий повысилась на 1°С (36,7°С) от измеренной перед процедурой, средство управления подает управляющий сигнал на средство переключения потоков циркуляции теплоносителей, клапаны горячего контура закрываются, а клапаны холодного контура открываются, циркуляция согретого теплоносителя в ША прекращается, в ША циркулирует охлажденный теплоноситель. В замкнутом контуре согретого теплоносителя средство прокачки обеспечивает его циркуляцию с постоянной производительностью.

Через 10 сек. средство прокачки охлажденного теплоносителя по управляющему сигналу средства управления понижает свою производительность в течении 15 сек., после чего снова повышает производительность. Циклы повторяются с заданной периодичностью, обеспечивая механическое воздействие на кожу головы.

Через интервал времени температура коры больших полушарий понизилась на 1°С от измеренной в конце цикла согревания, средство управления подает управляющий сигнал на средство переключения потоков циркуляции теплоносителей, клапаны горячего контура открываются, а клапаны холодного контура закрываются, циркуляция охлажденного теплоносителя в ША прекращается, в ША циркулирует согретый теплоноситель.

Циклы согревания и охлаждения кожи головы повторяются до конца процедуры.

Во всех циклах смены циркуляции средства прокачки теплоносителей обеспечивают постоянную производительность прокачки теплоносителя в замкнутом контуре циркуляции и переменную в ША.

Определения и термины

Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведены некоторые термины, использованные в настоящем описании изобретения.

Под «субъектом» следует понимать человека (пациента), получающего процедуру теплового и механического воздействия. Под «пользователем» следует понимать человека (врача, медицинского работника), назначающего и проводящего процедуру.

Под шлемом-аппликатором следует понимать компонент устройства, подвергаемого охлаждению или согреванию, контактирующий с тканями кожи головы при температурном и механическом воздействии на них.

Под замкнутым контуром циркуляции следует понимать компонент гидравлической системы устройства, который является по существу замкнутым в период закрытия клапанов средства переключения потоков циркуляции теплоносителей. В период их открытия циркуляция осуществляется как по замкнутому контуру, который оказывается разомкнутым, так и в ША.

Под средством прокачки теплоносителей следует понимать насосы с регулируемой производительностью.

Под средством переключения направления циркуляции теплоносителей следует понимать систему клапанов, открытие и закрытие определяет направление циркуляции.

Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе.

Несмотря на то, что изобретение описано со ссылкой на раскрываемые варианты воплощения, для специалистов в данной области должно быть очевидно, что конкретные подробно описанные эксперименты приведены лишь в целях иллюстрирования настоящего изобретения, и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения. Должно быть понятно, что возможно осуществление различных модификаций без отступления от сути настоящего изобретения.

Изобретение относится к медицинской технике. Устройство содержит шлем-аппликатор для переменных тепловых и механических воздействий на кожу головы в лобной, теменной и височной областях, включая мыщелок затылочной кости и сосцевидный отросток височной кости. Устройство содержит средство охлаждения и согревания теплоносителей, гидравлическую систему циркуляции теплоносителей в шлеме-аппликаторе и замкнутых контурах циркуляции, средства контроля температуры теплоносителей, как минимум одно средство неинвазивной регистрации температуры коры больших полушарий, а также программируемое средство управления работой устройства, обеспечивающее задаваемые режимы охлаждения и согревания теплоносителей, а также переменное давление теплоносителя, циркулирующего в шлеме-аппликаторе. Особенностью устройства является возможность применения переменных охлаждающих и тепловых воздействий, а также переменных механических воздействий на кожу головы с использованием неинвазивной регистрации температуры коры больших полушарий головного мозга субъекта, при этом механические воздействия направлены на увеличение притока венозной крови кожи головы к венозным синусам твердой мозговой оболочки и поверхности коры больших полушарий. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство температурного воздействия на кору больших полушарий головного мозга субъекта, содержащее по меньшей мере:

а) шлем-аппликатор (ША), внутренняя поверхность которого контактирует с кожей головы субъекта, при этом шлем-аппликатор выполнен с возможностью циркуляции в нем жидкого теплоносителя;

б) средство понижения температуры теплоносителя и гидравлическую систему, содержащую средство прокачки теплоносителя и клапаны включения и выключения циркуляции теплоносителя;

в) средства регистрации температуры теплоносителя и участков тела субъекта, включая по меньшей мере одно средство неинвазивной регистрации температуры коры больших полушарий головного мозга путем регистрации мощности собственного электромагнитного излучения глубоких тканей;

д) средство управления, которое выполнено с возможностью осуществлять управление средством изменения температуры теплоносителя, средством прокачки теплоносителя и клапанами в зависимости от данных, получаемых с помощью средств регистрации температуры.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что шлем-аппликатор обеспечивает плотный контакт с кожей головы в лобной, теменной и височной областях, а также с мыщелком затылочной кости и сосцевидным отростком височной кости.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что шлем-аппликатор содержит внешнюю оболочку, выполненную из материала, не меняющего геометрические размеры при изменении давления теплоносителя, циркулирующего в каналах ША, а каналы циркуляции теплоносителя в ША выполнены из эластичного материала, допускающего изменение их геометрических размеров при изменении давления теплоносителя, циркулирующего по каналам.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что содержит по меньшей мере одно средство одновременного охлаждения и согревания теплоносителя.

5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что гидравлическая система состоит из двух независимых контуров циркуляции охлажденного и согретого теплоносителя, содержит по меньшей мере один теплообменник нагревания и один теплообменник охлаждения теплоносителя, а также по меньшей мере два средства прокачки теплоносителя для обеспечения независимой циркуляции охлажденного и согретого теплоносителя;

6. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что гидравлическая система выполнена с возможностью попеременной циркуляции согретого и охлажденного теплоносителя через шлем-аппликатор, содержит два независимых замкнутых контура циркуляции согретого и охлажденного теплоносителя.

7. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что гидравлическая система содержит средства переключения циркуляции согретого и охлажденного теплоносителя из шлема-аппликатора в независимые замкнутые контуры циркуляции согретого и охлажденного теплоносителя.

8. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что гидравлическая система содержит средства прокачки согретого и охлажденного теплоносителя переменной производительности.

9. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что гидравлическая система в замкнутом контуре циркуляции согретого теплоносителя содержит теплообменник, снабженный вентилятором.

10. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что средство управления выполнено с возможностью изменять производительность средств прокачки теплоносителя, изменяя давление теплоносителя в каналах шлема-аппликатора с различной частотой.

11. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что средство управления выполнено с возможностью управления температурой охлажденного и согретого теплоносителя на основании данных мониторинга температуры в контурах циркуляции охлажденного и согретого теплоносителя.

12. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что средство управления выполнено с возможностью переключения направления потоков циркуляции охлажденного и согретого теплоносителей в шлем-аппликатор или в замкнутые контуры циркуляции теплоносителей на основании данных мониторинга температуры коры больших полушарий головного мозга.