專利名稱：一種體表冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)療方法，尤其涉及一種采用體表冷卻技術(shù)以迅速將大量輻射功 率導(dǎo)入人體深層組織的方法，避免體表灼傷增大輻射功率的無創(chuàng)輻射全身熱療方法，特別 適用于腫瘤患者的全身熱療。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，在人類所面臨的各種重大疾病中，惡性腫瘤最主要的致死疾病之一。全身熱 療正是在此背景下應(yīng)運(yùn)而生的，該方法通過將身體溫度提高到39-43°C，引發(fā)繼發(fā)生物效應(yīng) 來實(shí)現(xiàn)腫瘤治療。全身熱療的機(jī)理在于通過人為提高體溫，運(yùn)用熱效應(yīng)選擇性地殺死癌細(xì) 胞，是控制癌細(xì)胞廣泛轉(zhuǎn)移比較有前景的治療方法。其特點(diǎn)是不僅要提升癌灶處的局部溫 度，而且使全身溫度升高到同一溫度，它是一種全身性的治療手段。臨床實(shí)驗(yàn)表明全身熱療 需要在一定溫度下經(jīng)過嚴(yán)格的溫度控制才可以引發(fā)既定的生物繼發(fā)效應(yīng)并引起全身熱療。為了提高身體的溫度，攝入人體的熱量必須高于總的散失熱量。在熱平衡狀態(tài)下， 新陳代謝產(chǎn)生的熱量將與皮膚表面的蒸發(fā)、輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)相平衡。熱療設(shè)備的任務(wù)便在 于引入額外的能量來打破這種平衡。當(dāng)前的全身熱療方法及裝置包括輻射式、對(duì)流式、接觸 式和生物應(yīng)激式四大類?，F(xiàn)有的輻射式熱療方法采用紅外、微波等電磁波對(duì)身體進(jìn)行輻射， 這種全身熱療方法受到輻射源特性限制，因此穿透深度有限，容易在體表造成燒傷。直接接 觸式難以引起深部組織的升溫，因此不適用于腫瘤熱療的全身熱療治療。生物應(yīng)激式全身 熱療則存在控制特性差、風(fēng)險(xiǎn)大的缺點(diǎn)。通常認(rèn)為輻射式熱療是實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)輻射全身熱療的優(yōu)秀物理手法，廣義定義的電磁 輻射包括射頻、微波、紅外、可見光和紫外線在內(nèi)的寬頻電磁波譜系列。由于具有良好的產(chǎn) 熱特性，此波譜中的低頻波段已被廣泛地應(yīng)用于各種加熱設(shè)備中。常見加熱頻段包括微波、 射頻、近紅外和遠(yuǎn)紅外。電磁場在人體組織中傳播的能量強(qiáng)度隨深度指數(shù)衰減，且此衰減速 度與頻率相關(guān)。穿透系數(shù)是用于刻畫這種與頻率有關(guān)的衰減特性的參數(shù)，穿透系數(shù)指當(dāng)?shù)?強(qiáng)度降低為入射強(qiáng)度Ι/e (約36%)時(shí)的深度。由于電磁輻射的這種衰減和不均勻分布特 性，不難想象全身熱療中體表熱區(qū)完全可能使皮膚表面燒傷。除了垂直吸收梯度和熱不均 外，低介電常數(shù)的皮膚和可能的橫向(面)電流也將加劇熱區(qū)和燒傷的可能性。因此尋找 合適的全身熱療方法，實(shí)現(xiàn)全身的均勻、快速、可控升溫對(duì)腫瘤治療具有重大意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種體表冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療方法，首次借助對(duì)人體 體表的冷卻和深層輻射的聯(lián)合作用來提升加熱范圍，從而在避免體表燒傷的前提下盡可能 將熱量導(dǎo)入體內(nèi)，以解決現(xiàn)有輻射式全身熱療中體表易燒傷的問題。既能實(shí)現(xiàn)機(jī)體的均勻、 快速升溫，又可避免局部過熱。本發(fā)明提出一種體表冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療的方法，其特征在于該方法包括如 下步驟
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1)將病人安置于輻射加熱系統(tǒng)的病床上，輻射加熱系統(tǒng)包括輻射發(fā)生器和輻射加 熱探針；2)在病人體表布置體表溫度傳感器陣列，用溫度傳感器監(jiān)測體核溫度，并在體表 裹緊帶有冷卻介質(zhì)的固著物；3)采用輻射加熱系統(tǒng)對(duì)病人進(jìn)行加熱，加熱過程采用體表溫度傳感器陣列監(jiān)測體 表溫度，采用體核溫度傳感器監(jiān)測身體的深層溫度，同時(shí)對(duì)冷卻介質(zhì)進(jìn)行循環(huán)或更換；4)每個(gè)體表溫度傳感器監(jiān)視輻射加熱系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的輻射加熱探針的加熱溫度，當(dāng) 體表溫度傳感器陣列中某一傳感器的溫度高于周圍溫度傳感器溫度時(shí)，則降低這一傳感器 所對(duì)應(yīng)的輻射加熱探針的輻射功率，并使各體表溫度傳感器的檢測溫度相等；5)當(dāng)體表溫度傳感器超過30°C時(shí)，更換冷卻介質(zhì)或增加冷卻介質(zhì)的循環(huán)速度；6)當(dāng)體核溫度為37. 2_45°C時(shí)，輻射加熱系統(tǒng)停止加熱，同時(shí)摘除帶有冷卻介質(zhì) 的固著物。本發(fā)明所述的輻射加熱系統(tǒng)包括紅外加熱系統(tǒng)、微波加熱系統(tǒng)或射頻加熱系統(tǒng)。 所述的冷卻介質(zhì)采用冰袋、冷水袋、相變材料或冷卻流體。所述的固著物是采用紡織品、塑 料或硅膠制成的多層結(jié)構(gòu)，多層結(jié)構(gòu)可以采用服裝或毯狀結(jié)構(gòu)，冷卻介質(zhì)被包裹在固著物 的多層結(jié)構(gòu)中。上述技術(shù)方案中，當(dāng)冷卻介質(zhì)為相變材料、冰袋或冷水袋時(shí)，冷卻介質(zhì)分塊填充在 固著物的多層結(jié)構(gòu)中間，各塊材料邊緣相互重疊，整體厚度一致。冷卻流體包括液氮，冷卻流體包括液氮，酒精或水，酒精溫度為-110 10°C，水的 溫度為0 10°c。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于在技術(shù)上突破了現(xiàn)有裝備一味通過在加熱方式、熱源控制 等方面進(jìn)行改進(jìn)的技術(shù)路線，首次引入超低溫的冷卻抵消體表局部輻射、避免過熱和燒傷。 同時(shí)，利用深層次輻射加熱源進(jìn)行無創(chuàng)輻射的全身熱療，實(shí)現(xiàn)了理想的高效、可控加熱，在 大幅度避免體表燒傷的同時(shí)提高機(jī)體可接受的功率。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用體表冷卻措施后，可以避免體表由于過量接觸加熱電磁 波而產(chǎn)生過熱和燙傷。同時(shí)輻射過程中由于避免了體表過熱，因此可以采用更大劑量、高功 率直接穿透深層組織進(jìn)行無損的高溫深層次選擇性加熱，提高了加熱速度和效率。本發(fā)明的關(guān)鍵之處在于首次提出了通過體表低溫流體進(jìn)行迅速冷卻的方法來提 高可透過輻射劑量，一反直觀思維中盡可能對(duì)人體進(jìn)行加熱的作法，而是巧妙地通過全身 體表引入冷卻來提高熱量滲透繼而提升全身溫度。這一原理基于輻射透熱和體表熱冷卻的 深度差，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到輻射本身的衰減，將體表在僅接受輻射時(shí)的過吸收通過冷卻流 體帶走，實(shí)現(xiàn)身體不同輻射深度的均勻升溫。


圖1為本發(fā)明提供的一種體表冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療方法的原理圖。圖2為一種實(shí)現(xiàn)體表冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療方法的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為一種實(shí)現(xiàn)體表冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療方法的控制算法流程圖。圖4(a)為冷卻介質(zhì)為低溫流體時(shí)固著物的結(jié)構(gòu)4
圖4(b)為冷卻介質(zhì)為冰袋、水袋或相變材料時(shí)固著物的結(jié)構(gòu)圖。圖4(c)為冷卻介質(zhì)為冰袋、水袋或相變材料時(shí)固著物的多層結(jié)構(gòu)圖。圖中1.輻射加熱系統(tǒng)；2.病床；3.輻射發(fā)生器；4.輻射加熱探針；5.體表溫度 傳感器陣列；6.體核溫度傳感器；7.固著物；8.冷卻介質(zhì)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明首次借助對(duì)人體體表的冷卻和深層輻射的聯(lián)合作用來提升加熱范圍，從而 在避免體表燒傷的前提下盡可能將熱量導(dǎo)入體內(nèi)。機(jī)體升溫源自聚焦輻射源的能量及組織 的熱吸收和熱傳導(dǎo)。輻射能量從外層向體核的指數(shù)分布及其在體表的能量聚集限制了受輻 總能量。增加輻射功率將造成體表的過多能量和燒傷。為了避免體表燒傷，則勢(shì)必降低總 輻射能量，帶來升溫效率的下降。因此，本發(fā)明通過冰袋、冷水袋、相變材料以及低溫冷卻流 體循環(huán)系統(tǒng)采取體表冷卻措施將提高可接受的受輻總能量，同時(shí)還可以避免體表燒傷。實(shí)驗(yàn)研究表明，在體表采用溫度等于10°C的冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻，可將安全接受的 最大功率增加為原來的兩倍。利用增加的能量輸入，腹部體核最終可達(dá)到的溫度也增加到 了 41. 1°C，從而達(dá)到全身熱療溫度。提高輻射劑量和采取體表冷卻這一有趣的組合治療措 施，最大化利用了幾種傳熱機(jī)制各自的特性，增大溫度提升效果。下面結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明。圖1為本發(fā)明的一種體表冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療方法的原理圖。輻射傳熱具有 兩大特性。第一，衰減特性。未處理的輻射全身熱療裝置具有從體表向下的指數(shù)衰減的熱 輻射劑量。因此，現(xiàn)有熱療裝置在體表部位易于造成燒傷，而在體核深層則難以提升溫度。 加大熱劑量將不可避免在體表造成燙傷。輻射傳熱的第二大特性是穿透深度大。雖然其能 量沿身體介質(zhì)衰減，但其衰減深度大，仍具有較深層次的穿透深度。微波的衰減深度可達(dá) 30cm，穿透深度最低的紅外輻射也可達(dá)數(shù)厘米。相反，熱傳導(dǎo)和對(duì)流的穿透深度較低，圖中 的冷卻能力表明了在體表進(jìn)行冷卻時(shí)，傳熱深度僅在毫米量級(jí)。因此，在輻射熱傳導(dǎo)的同時(shí) 采用體表冷卻，不難發(fā)現(xiàn)在體表位置的高能高溫區(qū)域?qū)⒈焕鋮s液流抵消。相應(yīng)的，由于可用 溫升的空間分布恒定，應(yīng)用時(shí)將不必?fù)?dān)心體表部位的高溫，從而可以通過同時(shí)提高熱輻射 劑量和冷卻劑量，將實(shí)際溫升大幅度提高。圖2為本發(fā)明的一種實(shí)現(xiàn)體表冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療方法的裝置結(jié)構(gòu)圖。體表 冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療裝置，該裝置包括輻射加熱系統(tǒng)1、體表冷卻系統(tǒng)、體表溫度傳感 器陣列5以及體核溫度傳感器6 ；輻射加熱系統(tǒng)包括輻射加熱探針4、輻射發(fā)生器3和病床 2，體表冷卻系統(tǒng)包括固著物7和冷卻介質(zhì)8。輻射加熱系統(tǒng)可采用紅外加熱系統(tǒng)、微波加熱 系統(tǒng)或射頻加熱系統(tǒng)。為了避免人體的損傷，同時(shí)提高加熱的效率，需要對(duì)加熱的過程進(jìn)行管理。傳感元 件包括體表溫度傳感器陣列和體核溫度傳感器。溫度傳感器陣列采集人體表溫度信息，并 傳遞給控制芯片運(yùn)算，輻射加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)接收控制芯片信號(hào)并進(jìn)行調(diào)節(jié)。溫度傳感 器陣列采集病人體表溫度信息，并傳遞給控制芯片運(yùn)算；輻射加熱系統(tǒng)的加熱探針輻射區(qū) 域與傳感器檢測區(qū)域?qū)?yīng)；某一傳感器的檢測溫度升高時(shí)，通過控制芯降低對(duì)應(yīng)輻射探針 的加熱功率。溫度傳感器直接采集的人體體表溫度對(duì)防止體表過溫具有重要作用，同時(shí)也 是溫度場重建，構(gòu)建內(nèi)部溫度算法的需求?？谇弧⒚つc體核溫度等對(duì)內(nèi)部體核溫度具有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系的溫度也是溫度傳感器陣列采集的重要參數(shù)之一。圖3為本發(fā)明的一種實(shí)現(xiàn)體表冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療方法的控制算法流程圖。 啟動(dòng)輻射加熱系統(tǒng)和體表冷卻系統(tǒng)后，應(yīng)加熱過程的高速和平穩(wěn)，可以實(shí)行自適應(yīng)溫度控 制算法。即在一個(gè)監(jiān)測周期內(nèi)，先獲得傳感器陣列每一傳感器相對(duì)于上一計(jì)算時(shí)間的溫度 增量ATi,計(jì)算該傳感器周圍各傳感器檢測到的升溫平均值Zl。若此傳感器的升溫ATi 高于周圍傳感器的升溫平均值Zl〒,，則降低此傳感器對(duì)應(yīng)的輻射加熱探針的輻射功率，反 之提高對(duì)應(yīng)輻射加熱探針的功率。追蹤參量除溫度增量△ T之外，也可以為溫度T，或者兩 者的加權(quán)組合Τ+ΔΤ。當(dāng)體核溫度傳感器檢測到溫度已達(dá)到既定的熱療溫度時(shí)，則停止加熱 和算法的運(yùn)行。實(shí)施體表冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療時(shí)，將病人安置于輻射加熱系統(tǒng)的病床上，輻 射加熱系統(tǒng)含有輻射發(fā)生器和輻射加熱探針；在病人體表布置體表溫度傳感器陣列，用溫 度傳感器監(jiān)測體核溫度，體核溫度的檢測點(diǎn)可以選擇腹部盲腸、口腔、腋下等處；在體表裹 緊帶有冷卻介質(zhì)的固著物；采用輻射加熱系統(tǒng)對(duì)病人進(jìn)行加熱，加熱過程采用體表溫度 傳感器陣列監(jiān)測體表溫度，采用體核溫度傳感器監(jiān)測身體的深層溫度，同時(shí)對(duì)冷卻介質(zhì)進(jìn) 行循環(huán)或更換；每個(gè)體表溫度傳感器監(jiān)視輻射加熱系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的輻射加熱探針的加熱溫 度，當(dāng)體表溫度傳感器陣列中某一傳感器的溫度高于周圍溫度傳感器溫度時(shí)，則降低這一 傳感器所對(duì)應(yīng)的輻射加熱探針的輻射功率，并使各體表溫度傳感器的檢測溫度相等；當(dāng) 體表溫度傳感器超過30°C時(shí)，更換冷卻介質(zhì)或增加冷卻介質(zhì)的循環(huán)速度；當(dāng)體核溫度為 37. 2-45°C時(shí)，輻射加熱系統(tǒng)停止加熱，同時(shí)摘除帶有冷卻介質(zhì)的固著物。醫(yī)生在執(zhí)行操作時(shí)使用前拉起輻射加熱裝置外殼，病人躺上病床采取仰臥位，必 要時(shí)可實(shí)施固定及輕微麻醉。固定妥當(dāng)后，為病人連接溫度傳感陣列，生理參數(shù)采集設(shè)備各 傳感器及監(jiān)控器，合上病位外殼。檢查熱療裝置的各部件連線是否完成，完成后啟動(dòng)加熱按 鈕，電磁輻射輻射系統(tǒng)開始輻射電磁波并直接進(jìn)入病人體殼深部，病人接受大量電磁輻射， 身體升溫。由于系統(tǒng)設(shè)定了按照一定安全劑量及熱療溫度范圍之內(nèi)進(jìn)行保溫，并根據(jù)預(yù)定 熱療計(jì)劃實(shí)施熱量管理。圖4(a)為本發(fā)明的冷卻介質(zhì)為低溫流體時(shí)固著物的結(jié)構(gòu)圖；圖4(b)為本發(fā)明的 一種體表冷卻的冷卻介質(zhì)為冰袋、水袋或相變材料時(shí)固著物的結(jié)構(gòu)圖；圖4(c)為本發(fā)明的 一種體表冷卻的冷卻介質(zhì)為冰袋、水袋或相變材料時(shí)固著物的多層結(jié)構(gòu)圖。冷卻介質(zhì)采用 冰袋、冷水袋、相變材料或冷卻流體。固著物是采用紡織品、塑料或硅膠制成的多層結(jié)構(gòu)，該 多層結(jié)構(gòu)可做成具有服裝或毯狀結(jié)構(gòu)，冷卻介質(zhì)被包裹在固著物的多層結(jié)構(gòu)中。冷卻介質(zhì) 為相變材料、冰袋或冷水袋時(shí)，冷卻介質(zhì)分塊填充在固著物的多層結(jié)構(gòu)中間，各塊材料邊緣 相互重疊，整體厚度一致。冷卻流體包括液氮，或溫度為-iio-io°c酒精和0-10°C的水。采 用流體冷卻時(shí)，冷卻系統(tǒng)還應(yīng)包括制冷循環(huán)必要的泵、閥門、制冷機(jī)、交換器等部件。
權(quán)利要求
一種體表冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)將病人安置于輻射加熱系統(tǒng)的病床上，輻射加熱系統(tǒng)包括輻射發(fā)生器和輻射加熱探針；2)在病人體表布置體表溫度傳感器陣列，用溫度傳感器監(jiān)測體核溫度，并在體表裹緊帶有冷卻介質(zhì)的固著物；3)采用輻射加熱系統(tǒng)對(duì)病人進(jìn)行加熱，加熱過程采用體表溫度傳感器陣列監(jiān)測體表溫度，采用體核溫度傳感器監(jiān)測身體的深層溫度，同時(shí)對(duì)冷卻介質(zhì)進(jìn)行循環(huán)或更換；4)每個(gè)體表溫度傳感器監(jiān)視輻射加熱系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的輻射加熱探針的加熱溫度，當(dāng)體表溫度傳感器陣列中某一傳感器的溫度高于周圍溫度傳感器溫度時(shí)，則降低這一傳感器所對(duì)應(yīng)的輻射加熱探針的輻射功率，并使各體表溫度傳感器的檢測溫度相等；5)當(dāng)體表溫度傳感器超過30℃時(shí)，更換冷卻介質(zhì)或增加冷卻介質(zhì)的循環(huán)速度；6)當(dāng)體核溫度為37.2 45℃時(shí)，輻射加熱系統(tǒng)停止加熱，同時(shí)摘除帶有冷卻介質(zhì)的固著物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種體表冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療方法，其特征在于輻射 加熱系統(tǒng)包括紅外加熱系統(tǒng)、微波加熱系統(tǒng)或射頻加熱系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種體表冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療方法，其特征在于 冷卻介質(zhì)采用冰袋、冷水袋、相變材料或冷卻流體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種體表冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療方法，其特征在于固著 物采用紡織品、塑料或硅膠制成的多層結(jié)構(gòu)，所述的冷卻介質(zhì)被包裹在固著物的多層結(jié)構(gòu) 中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種體表冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療方法，其特征在于多層 結(jié)構(gòu)采用服裝或毯狀結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種體表冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療方法，其特征在于所述 的冷卻介質(zhì)為相變材料、冰袋或冷水袋時(shí)，冷卻介質(zhì)分塊填充在固著物的多層結(jié)構(gòu)中間，各 塊材料邊緣相互重疊，整體厚度一致。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種體表冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療方法，其特征在于所述 的冷卻流體包括液氮，酒精或水，酒精溫度為-110 10°C，水的溫度為0 10°C。
全文摘要
一種體表冷卻的無創(chuàng)輻射全身熱療方法，涉及一種采用體表冷卻技術(shù)以迅速將大量輻射功率導(dǎo)入人體深層組織，避免體表灼傷增大輻射功率的無創(chuàng)輻射全身熱療方法。本發(fā)明采用輻射加熱系統(tǒng)和體表冷卻系統(tǒng)相結(jié)合，帶走體表低衰減的電磁輻射，并將大劑量紅外、微波、射頻、各頻段電磁波探針的能量輻射迅速輻射入人體的深部進(jìn)行加熱，從而實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)輻射全身熱療。本發(fā)明在技術(shù)上突破了現(xiàn)有技術(shù)一味通過在加熱方式、熱源控制等方面進(jìn)行改進(jìn)的技術(shù)路線，首次引入超低溫的冷卻抵消體表局部輻射、避免過熱和燒傷。同時(shí)，利用深層次輻射加熱源進(jìn)行無創(chuàng)輻射的全身熱療，在大幅度避免體表燒傷的同時(shí)提高機(jī)體可接受的功率。
文檔編號(hào)A61N5/00GK101912669SQ20101026865
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者劉靜, 賈得巍 申請(qǐng)人:清華大學(xué)