專利名稱：溫熱療法應用和控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于有效地將溫熱療法應用于人體或動物身體部分，以降低、升高或者保持治療部位的體溫的改進的溫熱療法應用和控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
公知地，通過在受傷和/或手術(shù)之后應用冷凍療法降低人體或動物身體器官的溫度而降低腫脹和疼痛，并且促進愈合。同樣地，在手術(shù)過程中保持恒溫對于降低內(nèi)出血、挫傷以及腫脹是極其重要的。當在運動賽事和劇烈運動期之前和之后應用時，冷凍療法還公知地有利的作為運動訓練計劃的一部分。研究顯示，通過在受傷發(fā)生之后或手術(shù)開始之后盡快降低受影響區(qū)域的溫度而實現(xiàn)通過冷卻和保持體溫而獲得的最佳利益。研究還顯示，將極低溫度簡單應用于目標區(qū)域并不能實現(xiàn)最佳冷卻效果，并且由于其會引發(fā)寒冷灼傷或凍傷而對患者造成傷害。用于使人體各部分局部溫度降低的公知的方法需要使用笨重的冷卻墊、冰袋、冷凍凝膠等?？焖俳档腕w溫的這種方法的問題在于降低體溫的速率較慢。進一步的問題是，由于體溫降低的這種低速率，存在嘗試將極低溫度應用于受傷部位，以實現(xiàn)降溫的更快速率， 并且使得治療更有效的趨勢。進一步的問題是，當將冰袋等放置于受傷部位，冰開始融化， 并且提供連續(xù)變化、不可控的溫度。已知的是，熱傳遞延遲和無效的主要原因是由于在施用器和治療部位之間微觀級別接觸的極小“實際”區(qū)域。研究顯示，接觸的‘實際’區(qū)域小于大約5%的總區(qū)域，在其上可能發(fā)生最優(yōu)熱傳遞，剩余區(qū)域由氣隙構(gòu)成。接觸點處的熱流匯集產(chǎn)生“熱點”，這增加了局部溫度，并且融化了周圍的冰或冷凍凝膠。申請人:認識到，冷凍療法的全部潛在優(yōu)勢并未通過已知的用于快速冷卻應用的設(shè)備而開發(fā)。申請人:還認識到，為了提高施用器和治療部位之間的熱傳遞效率，存在對改進的施用器和治療部位之間的界面的需要，該界面在治療過程中緊密地與患者身體區(qū)域的輪廓相吻合，從而使得施用器和治療部位之間的真實接觸最大化。發(fā)明人之前還認識到，界面的導熱性必須高，并且阻礙熱傳遞最小化，從而優(yōu)化熱傳遞的效率，并且因此允許最大冷卻效果在最短時間間隔中應用。英國專利申請?zhí)朑B0416879. 5描述了解決這些問題的設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在第一方面提供一種根據(jù)現(xiàn)將提及的獨立權(quán)利要求1和32所限定的用于將溫熱療法應用于人體或動物體的一部分的施用器。本發(fā)明在第二方面提供一種根據(jù)現(xiàn)將提及的獨立權(quán)利要求23和33所限定的閥單元，該閥單元用于將施用器連接至控制系統(tǒng)，該施用器用于將溫熱療法應用于人體或動物體的一部分。
本發(fā)明在第三方面提供一種根據(jù)現(xiàn)將提及的獨立權(quán)利要求27和34所限定的熱交換器，該熱交換器用于改變將要被通過施用器循環(huán)的熱能傳遞流體的熱能，該施用器用于將溫熱療法應用于人體或動物體的一部分。本發(fā)明在第四方面提供一種根據(jù)現(xiàn)將提及的獨立權(quán)利要求四和35所限定的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)用于控制將溫熱療法應用于人體或動物體的一部分的施用器。本發(fā)明的各個方面的優(yōu)選特征在其各個方面由現(xiàn)將提及的從屬權(quán)利要求提出。本發(fā)明在第一方面提供一種改進的用于應用溫熱療法的施用器，該施用器具有導電支撐層，該導電支撐層用于支撐界面層，并且用于從控制系統(tǒng)接收電信號。這使得能夠通過來自控制系統(tǒng)的電流為支撐層供電。這是有利的，因為界面材料的分子可以被激活，從而增強界面層和患者皮膚之間的分子接觸，并且增加界面層的導熱性。優(yōu)選地，導電支撐層定位于界面層之中，以使得當支撐層由控制系統(tǒng)供電壓，支撐層任一側(cè)上的界面層的分子容易地并且有效地被激活。優(yōu)選地，初級、測量電路將導電支撐層與用于將施用器連接至控制系統(tǒng)的連接器連接，以方便將例如溫度數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)從定位于界面處的傳感器傳輸至控制系統(tǒng)。優(yōu)選地，次級、驅(qū)動電路將支撐層連接至連接器，以使得電流可以容易地從控制系統(tǒng)直接傳遞至導電支撐層。優(yōu)選地，具有多個孔和/或流管網(wǎng)絡的中間層設(shè)置在護罩中，以提供熱能傳遞流體的復雜流動路徑，以產(chǎn)生紊流，以增加傳遞流體的熱傳遞特性，并且分配流體。本發(fā)明在第二方面提供一種用于應用溫熱療法的施用器的閥單元，其將運動傳給施用器的護罩中的熱能傳遞流體。攪拌器是有利的，因為其攪拌流體，以引起紊流，并且因此增強了流體的熱能傳遞特性。本發(fā)明在第三方面提供一種與應用溫熱療法的施用器一起使用的熱交換器，其具有改進的吸熱器，該吸熱器具有多個不規(guī)則定位的和/或不規(guī)則成形的突出物，該突出物延伸進入熱能傳遞流體的流動路徑，以擾亂流體的流動，并且產(chǎn)生紊亂的非層流流體流動。 這是有利的，因為紊流流動增強了流體的熱能傳遞特性，使其在與連接至吸熱器的熱能源交換熱能時更有效。本發(fā)明在第四方面提供一種用于控制應用溫熱療法的施用器的控制器，其具有用于給施用器的電敏支撐層供電的電流源以及用于控制來自電流源的電流特性的控制器。當提供對于施用器和治療區(qū)域之間的界面材料行為的準確控制時，特別有利，這增強了施用器和治療部位之間的熱能傳遞效率。


現(xiàn)將通過示例，參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，其中圖1為用于體現(xiàn)本發(fā)明的溫熱療法應用的系統(tǒng)的示意圖；圖2為用于冷卻熱能傳遞流體的圖1的冷卻源的頂部透視圖；圖3為圖2的冷卻源的分解圖；圖4為圖2和3的冷卻源的吸熱器的仰視圖；圖5示出了處于患者膝蓋位置上的圖1的施用器的示例；圖6為圖5的施用器的頂部透視圖7為穿過圖6的施用器的離散的熱傳遞部分的放大的橫截面；圖8為具有定位于界面層中的支撐層的圖6和7的施用器的復合界面層的放大的圖像；圖9為存在于患者的皮膚和已知的熱能施用器之間的界面處的氣隙的放大視圖；圖10為患者的皮膚和施用器之間的界面的放大視圖，該施用器具有體現(xiàn)本發(fā)明的連接的復合界面層；圖11為圖5的施用器的離散的熱能傳遞部分的分解圖；圖12為圖5和11的施用器的離散的熱能傳遞部分的又一分解圖；圖13為體現(xiàn)本發(fā)明的膝蓋施用器的分解圖；圖14的左手側(cè)示出了圖13的膝蓋施用器的離散層，右手側(cè)示出了用于將圖13和 14的施用器的各個層連接在一起的連接方式；圖1 為包括用于熱能傳遞流體的入口和出口的圖13的膝蓋施用器部分的放大視圖；圖15b為穿過圖15a的線A_A，的放大橫截面；圖15c為穿過圖15a的線B_B，的放大橫截面；圖16為復合界面層和導電支撐層的展開圖；圖17為圖16的復合界面層和導電支撐層的放大視圖；圖18為示出了連接至導電支撐層的初級和次級電路的圖16和17的復合界面層和導電支撐層的又一放大視圖；圖19為用于連接至施用器的控制系統(tǒng)的示意圖；圖20為圖19的控制系統(tǒng)和施用器的分解圖；圖21示出了用于將圖19和20的控制系統(tǒng)連接至施用器的閥單元；圖22為圖21的閥單元的分解圖；以及圖23為圖21和22的閥單元的旋轉(zhuǎn)推進器的透視圖；圖M為圖23的旋轉(zhuǎn)推進器的側(cè)視圖；以及圖25為圖M的旋轉(zhuǎn)推進器沿線B-B的截面視圖。
具體實施例方式為了避免疑問，本發(fā)明的優(yōu)選實施例的以下描述涉及冷凍療法或冷卻的應用，以降低人體部分的溫度和/或保持降低的體溫，值得注意的是，該系統(tǒng)還可以用于熱能的應用，以增加人體部分的溫度和/或保持升高的體溫。該系統(tǒng)還可以用于選擇性地應用熱能以改變身體部分的溫度，并且將其保持在理想的溫度。而且，以下描述涉及將冷卻應用于身體部分或患者的治療部位，這也旨在覆蓋動物體部分以及動物上的治療部位。其中“熱能”指的是以下描述，其表示熱或動能處于比治療區(qū)域處的體組織更低的溫度。已知的是，用于提供溫熱療法施用器和身體上的治療部位之間的界面的材料導熱性對治療部位和熱能源之間的熱能傳遞的效率具有顯著影響。已知的影響熱能傳遞過程效率的因素是i)熱能如何有效地從施用器傳遞出去；ii)熱能如何有效地從熱能傳遞介質(zhì)
6釋放至熱交換器；iii)熱能如何可以容易地從熱交換器釋放，即，熱能如何容易地消散到吸熱器；iv)施用器的熱阻抗；以及ν)施用器和治療部位之間的物理接觸的‘真實’區(qū)域。 這些因素由如下所述的本發(fā)明的優(yōu)選實施例陳述。如圖1所示，用于控制身體的一部分溫度的溫熱療法系統(tǒng)10包括用于向系統(tǒng)提供電力的電源20，用于循環(huán)熱能傳遞流體的熱能傳遞流體再循環(huán)系統(tǒng)30，用于冷卻熱能傳遞流體的冷卻系統(tǒng)40，用于監(jiān)視和控制溫熱療法系統(tǒng)10的各部件的監(jiān)視和控制系統(tǒng)50以及用于將熱能應用于身體部分的施用器60。電源20可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的許多類型的電源之一，因此不作詳細描述。 燃料電池尤其適合于為溫熱療法系統(tǒng)10的部件提供電力。熱能傳遞流體再循環(huán)系統(tǒng)30包括泵70，其可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的許多類型的泵之一，因此不作進一步描述。再循環(huán)系統(tǒng)30還包括用于存儲熱能傳遞流體的供給的貯存器80。在將熱能傳遞流體返回至貯存器80之前，泵70通過冷卻系統(tǒng)40和施用器60 從貯存器80泵送熱能傳遞流體。熱能傳遞流體優(yōu)選地為非水性氟流體，其可以比水冷卻地更快，并且比水更長時間保持熱能，因此提供了更有效的從冷卻系統(tǒng)40至施用器60的熱能傳遞。優(yōu)選地，熱能傳遞流體保持在至少-20°C至+30°C溫度范圍內(nèi)的流體狀態(tài)。冷卻系統(tǒng)40包括在圖2和3中詳細示出的冷卻源90。冷卻源90包括具有上部和下部外罩區(qū)段100和110的外罩。外罩區(qū)段100和110之間為圖4中更詳細示出的吸熱器120。吸熱器120具有多個從板140突出的突出物130。突出物130大致為有序的矩陣形式，但至少某些為不規(guī)則地成形的和/或至少某些相對于其他突出物不規(guī)則地定位，從而某些突出物130不與大致有序的矩陣結(jié)構(gòu)對齊。上部和下部外罩區(qū)段100和110 —起圍繞吸熱器120封閉，吸熱器120的突出物 130接收在下部外罩區(qū)段110中的通道180內(nèi)。密封件190設(shè)置于下部外罩區(qū)段110和吸熱器120之間，以防止流體從上部和下部外罩區(qū)段100，110連接處溢出。通道180布置于下部外罩區(qū)段110中，以為冷卻源入口 200和出口 210之間的流體提供連續(xù)流動路徑。沿流動路徑流過的熱能傳遞流體被迫圍繞突出物130流動，并且突出物130的不規(guī)則形狀和/或不規(guī)則位置引起熱能傳遞流體的紊亂非層流流動，并且增加了從熱能傳遞流體至吸熱器120的熱能傳遞速率。優(yōu)選地，冷卻源90以熱電致冷原理工作，因此包括一對連接至晶體管的板150， 160。當由電源20在晶體管上施加電位差時，上部板150的溫度增大，并且下部板160的溫度減小。產(chǎn)生于板160處的熱能由通過吸熱器120的傳導傳遞至突出物130，以冷卻流體。 翼片165設(shè)置于上部外罩區(qū)段100上，增加了暴露于環(huán)境空氣的表面積，并且使空氣流動， 以將熱能從冷卻源90帶走。冷卻風扇170還設(shè)置于上部外罩區(qū)段100的頂面中，優(yōu)選地， 在翼片165中間，以提供附加的空氣運動和板150，160以及吸熱器120的冷卻。通過反向晶體管的極性，上部板150的溫度減小，下部板160的溫度增大，以使得產(chǎn)生于板160處的熱能由通過吸熱器120的傳導傳遞至突出物130，以加熱流體。如圖5所示，施用器60可以定位于患者身體的一部分，以將熱能從冷卻源90應用于患者。施用器60還可以成形為與特定身體部分相符。在圖6中所示的一個實施例中，施用器60由許多離散的熱能傳遞部分215構(gòu)成，其中之一在圖7的橫截面中示出。
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在其最簡單的形式中，施用器60包括囊狀袋，該袋由一對聚酯薄膜220制成。優(yōu)選地，這些薄膜大約12微米厚，并且由聚對苯二甲酸乙二醇酯(PolyKhylene Tetrapthalate)構(gòu)成。薄膜220限定出腔室230，在腔室230中，熱能傳遞流體可以在泵70 的壓力下循環(huán)。施用器60具有熱能傳遞流體入口和出口管(未示出)，用于通過腔室230 循環(huán)熱能傳遞流體。管通過卡扣裝配類型連接器連接至施用器60，該連接器包含閥或其他快速釋放類型的閥配件。這使得與被治療的特定身體部分的通常形狀相符的不同形狀和尺寸的施用器60快速和方便地連接至冷卻系統(tǒng)40。柔性凝膠狀材料的界面層240設(shè)置于施用器60的表面上，用于接觸患者的皮膚。 界面層240的寬度優(yōu)選地，但并不限于1. 5mm至5mm厚度之間。如圖8中所示，提供支撐網(wǎng)狀層250，以支撐凝膠狀界面層M0。優(yōu)選地，支撐層250通過界面層240定位。網(wǎng)狀層可以是稀疏或緊密的編織物，并且下文將詳細論述。支撐層250的一部分從界面層240突出， 并且圍繞著包圍界面層240的邊緣部分粘結(jié)或連接至薄膜220之一，以靠著施用器60的表面保持界面層M0。如圖9中所示，缺少界面層M0，氣隙存在于施用器60和患者皮膚260之間。氣隙對于有效熱能傳遞提供了阻礙，并且導致接觸區(qū)域的熱能傳遞的集中或‘熱點’，其加熱了周圍的熱能傳遞流體。如圖10中箭頭圖案所示，特別設(shè)計的復合界面層240在顯微程度工作，以填充氣隙，從而降低對熱能流體的阻礙，并且優(yōu)化了施用器60和患者皮膚260之間的熱能傳遞。發(fā)明人的測試顯示界面層240能夠?qū)@微級程度的表面接觸增加至公知的冰或凝膠包的20倍。申請人:已經(jīng)意識到，當顆粒之間的柔性互連為患者皮膚提供界面層的最佳一致性時，顆粒之間的緊固互連提供了界面層240的最佳導熱性。基于這些原則，發(fā)明人開發(fā)了凝膠狀材料，其可以被認為是粘彈性固體，但其具有流體狀、膠粘的、然而干的表面。這給予材料唯一、并且特殊的能力，以在顯微程度上與身體表面相一致并且與身體表面相接觸，同時，提供施用器60和患者皮膚之間的高熱效率界面。界面層240通常包括具有橫向連接的硅形式的復合材料，其加有高導電離子，優(yōu)選地為微粒。顆粒優(yōu)選地為陶瓷，并且可以是氧化鋁、氮化硼、鍍銀銅和無定形碳之一或其組合。然而，其他材料的導電顆?？梢詥为毷褂没蚺c其他材料的顆粒組合使用，以提供熱能傳遞特性中的變化。界面材料MO的特定特性可以通過改變對凝膠狀材料、嵌入凝膠中的高導電顆粒，以及支撐層250的編織物特性和材料的選擇來控制。在優(yōu)選的復合物中，界面層為硅基凝膠，該凝膠加有氮化硼顆粒。優(yōu)選地，硅基凝膠與氮化硼顆粒的比率為0. 5至0. 8范圍內(nèi)的硅比0. 5至0. 2范圍內(nèi)的氮化硼。更優(yōu)選地， 硅基凝膠與氮化硼顆粒的比率為0. 6至0. 7的硅比0. 4至0. 3范圍內(nèi)的氮化硼。圖11和12為根據(jù)施用器60的可替換的實施例的許多離散的熱能傳遞部分300 之一的展開圖。每個熱能傳遞部分300均由囊狀袋限定出，該囊狀袋由一對限定出熱能傳遞流體腔室的聚酯薄膜310制成。腔室中為多個用于承載熱能傳遞流體的流管320，流管夾在一對凝膠狀界面層330之間，該凝膠狀界面層330由與以上參照圖7至10描述的材料相同的材料制成。熱能傳遞流體分配回路包括流管335，其在熱能傳遞部分300之間經(jīng)過，并且將熱能傳遞流體傳遞至每個傳遞部分300的入口。冷的熱能傳遞流體回路340和熱的熱能傳遞流體回路350圍繞由薄膜310限定的腔室的內(nèi)周經(jīng)過，并且經(jīng)由流管320的網(wǎng)絡彼此流體連通。流管320允許相對更冷的熱能傳遞流體在壓力下從貯存器80流出，并且在每個離散的部分300的入口處進入冷的流體回路340，以從熱能傳遞部分的一側(cè)橫向流動至另一側(cè)， 并且進入熱的熱能傳遞流體回路350。隨后熱能傳遞流體從每個離散的部分300的出口流出，并流入流管335，返回至貯存器80。多個流管320橫跨盡可能大的腔室區(qū)域分配熱能傳遞流體，并且優(yōu)選地實質(zhì)上橫跨每個熱能傳遞部分300的腔室的整個區(qū)域，以使得熱能傳遞流體和治療部位之間的熱能傳遞均勻地發(fā)生在每個熱能傳遞部分300上。然而，通過改變每個離散的部分300上的流管320的數(shù)量和樣式和/或通過改變從一個離散的部分300至下一個離散的部分的流管的數(shù)量和樣式，可以控制施用器60的熱能傳遞特性，以使得橫跨施用器60和治療部位之間的接觸區(qū)域而以不同速率施加冷卻?？梢蕴峁┯糜趬嚎s施用器60的一個或多個裝置，以促使施用器60采用特定形狀， 并且更緊密地與被治療的特定身體部分相符。在一個實施例中，網(wǎng)狀層250的編織物的樣式可以橫跨施用器60不同部分而改變，以形成更緊密地與身體部分相符的形狀，例如用于圍繞患者手臂和腿部的管?？梢蕴鎿Q地、或附加地提供彈性條、帶或管，Nylex 材料的索或帶或例如Velcro 的鉤和環(huán)緊固件的薄帶，以圍繞應用溫熱療法的身體部分成形和壓縮施用器60。在另一實施例中，一個或更多氣袋255 (參見圖7)或通道設(shè)置于施用器60至界面層240的相反側(cè)上， 以使得可以通過袋應用氣壓，以迫使施用器60和附著的界面層240與治療部位相接觸。在又一替換中，電介質(zhì)彈性體懸浮于施用器60至界面層240的相反側(cè)上的填充有流體的袋255中。當通過應用的電流而激活彈性體時，減少流體可獲得的封閉體積，因此流體向外施加壓力，使得在治療時袋更有效地與身體表面相符。返回圖1，監(jiān)視和控制系統(tǒng)50由電源20提供電力，并且連接至施用器60、泵70以及冷卻源90。監(jiān)視和控制系統(tǒng)50接收來自定位于治療部位處的熱敏電阻的溫度數(shù)據(jù)，并且使得可以如以下將進一步描述的對治療部位處的溫度進行調(diào)節(jié)。圖13示出了應用于患者膝蓋上的施用器400的優(yōu)選結(jié)構(gòu)的示例。膝蓋施用器400 由許多層構(gòu)成。冷層410和熱層420定位于中間層430的相反側(cè)上。中間層具有多個孔 440，其通過圖13和14中的例子以矩形縫示出?？?40的樣式和形狀并不旨在限于縫，并且還可以使用其他孔形狀和位置，例如，圓形孔或切口。冷層410和熱層420圍繞其周邊連接至中間層430的相反側(cè)，例如通過焊線或其他合適的連接部450，以形成中央容膝孔任一側(cè)的密封袋。當安裝施用器時，容膝孔安裝在患者的膝蓋上，并且密封袋接觸膝蓋的側(cè)面。焊接具有支撐網(wǎng)狀層250的凝膠狀界面層 M0，或者將其連接至熱層420的外側(cè)表面，用于提供施用器和患者膝蓋之間的界面。冷層410和熱層420還例如通過焊接連接至中間層430的相反側(cè)，以限定出流體通道的樣式。如圖14所示，焊線460將冷層410連接至中間層430，并且焊線470將熱層 420連接至中間層430。這提供了冷層和熱層中的每個與中間層之間的連續(xù)和彎曲的平面流動路徑。冷層410和熱層420在這樣的位置焊接至中間層430，在該位置上，流動路徑在中間層的孔440上面。這為經(jīng)過中間層的熱能傳遞流體提供了三維流動路徑。如圖I^u 1 和15c大致示出，熱能傳遞流體在壓力下從入口 480進入限定在冷
9層410與中間層430之間的流動路徑，通過中間層430中的孔440，進入限定在熱層420與中間層430之間的流動路徑。該流體還可以通過中間層中的下游孔返回并且返回至限定在冷層410與中間層430之間的流動路徑。熱能傳遞流體通過出口 490離開施用器并且返回至貯存器80。在操作中，循環(huán)泵70將熱能傳遞流體從處于相對高溫的貯存器80泵送至下部外罩區(qū)段110的入口 200。熱能傳遞流體沿由下部外罩區(qū)段110中的通道180提供的連續(xù)流動路徑經(jīng)過，并且從已經(jīng)由下部板160保持在相對低的溫度下而冷卻至較低溫度的出口 210 流出。應用于板160和170的直流的極性可以通過操作者根據(jù)需要而控制和改變，其使用監(jiān)視和控制系統(tǒng)50的控制器，以改變下部板160的溫度，因此改變熱能傳遞流體離開出口 210的溫度。當熱能傳遞流體沿由通道180提供的連續(xù)流動路徑流動時，不規(guī)則形狀和/或不規(guī)則定位的突出物130擾亂熱能傳遞流體的流動。這引起熱能傳遞流體的紊流，這激活了熱能傳遞流體分子，并且迫使分子彼此碰撞。碰撞產(chǎn)生并輻射額外的熱能，該熱能由熱能源 90的相對低溫的外罩吸收。冷卻風扇170使空氣循環(huán)經(jīng)過翼片160，并且將熱輻射至周圍的冷空氣中。冷卻源90提供了熱能從冷卻源90的低溫板160至在入口 200處進入的較高溫度熱能傳遞流體的快速和可控傳遞。參照圖11和12中示出的，并且由許多離散的熱能傳遞部分300構(gòu)成的施用器60 的實施例，以相對低的溫度離開冷卻源90的熱能傳遞流體通過泵70在壓力下沿流線(未示出)泵送至施用器60的入口。隨后熱能傳遞流體經(jīng)過流管335流到每個離散的部分300 的入口，并且進入冷的流體回路340。流體經(jīng)過冷的流體回路340，并且沿流管網(wǎng)絡進入熱的流體回路350。當處于相對低的溫度的熱能傳遞流體流過流管320，冷卻了與離散的部分 300相接觸的身體表面，并且熱能由流體攜帶遠離治療區(qū)域。隨后，以相對高的溫度離開熱的流體回路的熱能傳遞流體沿流管335流回，并且通過返回管(未示出)返回至貯存器80。參照圖13至15c所示的膝蓋施用器400，熱能傳遞流體由泵70沿流線(未示出) 泵送至相對低溫的施用器入口 480，并且經(jīng)過由冷層410和中間層430之間以及熱層420和中間層430之間的焊接樣式限定的三維流動路徑而循環(huán)。實質(zhì)上橫跨一對形成于熱層420 和冷層410之間的密封的袋的每一個的整個區(qū)域而分配熱能傳遞流體，以最大化施用器 400和治療區(qū)域之間的熱能傳遞。穿過中間層430中的孔440的復雜的三維流動路徑擾亂熱能傳遞流體的流動，從而釋放額外的熱能，并且提高熱能傳遞流體和治療區(qū)域之間的熱能傳遞效率。隨后，以相對低的溫度離開施用器出口 490的熱能傳遞流體經(jīng)由返回管(未示出)返回至貯存器80。無論溫熱療法系統(tǒng)10連接至施用器60或者膝蓋施用器400，進入施用器的熱能傳遞流體的溫度由監(jiān)視和控制電路50的控制器中的微處理器監(jiān)視和控制。微處理器接收來自定位于界面層240任一側(cè)的傳感器以及來自施用器的冷卻流體入口和出口的溫度數(shù)據(jù)。 溫度數(shù)據(jù)使得微處理器能調(diào)整冷卻系統(tǒng)40的操作參數(shù)，以改變熱能傳遞流體的溫度，并且因此改變治療部位處的溫度。微處理器可以對離開冷卻源的熱能傳遞流體的溫度、循環(huán)泵壓力、經(jīng)過吸熱器120的突出物130的熱能傳遞流體流速以及通過冷卻風扇170影響的冷卻源處的空氣循環(huán)的速率中的一個或多個進行調(diào)整，以影響治療部位處的溫度。在前的描述涉及基本溫熱療法系統(tǒng)10的結(jié)構(gòu)和操作，其可以與施用器60或膝蓋
10施用器400使用，以管理溫熱療法。發(fā)明人還認識到，提高施用器和治療部位之間的熱能傳遞效率的關(guān)鍵因素是能夠準確地控制和操縱構(gòu)成施用器和治療部位之間界面的分子以及熱能傳遞流體的分子的行為。發(fā)明人認識到，公知的用于溫熱療法施用器的設(shè)備不提供這種對分子行為的主動控制和操縱，同樣地，它們不能優(yōu)化溫熱療法的應用。因此開發(fā)了可替換的溫熱療法系統(tǒng)600(參見圖17)，其使用調(diào)制的高頻電流，以操縱熱能傳遞流體和界面材料的分子行為?，F(xiàn)將詳細說明該系統(tǒng)。如圖16至18中大致所示的，由金屬條編織的導電支撐網(wǎng)狀層510支撐界面層 500。優(yōu)選地，支撐層510位于中間位置處的界面層500中。金屬網(wǎng)狀層510提供對柔性、 凝膠狀界面層500的支撐，并且通過界面材料500提供導電介質(zhì)。充滿孔的薄的導電片可以作為支撐層510而替換使用，然而，編織結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于其提供提高的界面層500的柔性和一致性。優(yōu)選地，編織物為稀疏編織物。更優(yōu)選地，編織物處于大約5% -25%材料區(qū)域?qū)?95%-75%空隙或稀疏區(qū)域的范圍中。然而，可以修改編織物，以改變支撐層的導電特性，并且可以如下面進一步論述的在某些區(qū)域中比在其他區(qū)域中更緊密。優(yōu)選地，支撐層510由馬氏體時效鋼的細線制成，線具有大約10% -25%的鎳含量。更優(yōu)選地，線具有大約15% -20%的鎳含量。熱敏電阻連接至金屬支撐層510，其實質(zhì)上橫跨整個治療部位測量界面層500的溫度。初級電路520連接至支撐層，以將即將傳遞的來自熱敏電阻的溫度數(shù)據(jù)傳遞至控制器，如下將進一步描述的。次級、驅(qū)動電路530分開地連接至支撐層510，并且使得通過網(wǎng)狀層510施加調(diào)制高頻電流，以影響界面層500的分子行為，如下進一步描述的。如圖19和20中所示，提供監(jiān)視和控制系統(tǒng)605，用于連接至合適的施用器610。施用器610具有與膝蓋施用器400相同的分層結(jié)構(gòu)，然而可以用于將治療應用于可選擇的身體部分?？刂葡到y(tǒng)605包括電源620，其可以是例如燃料電池的許多公知的電源之一，用于提供電流供給，以給導電支撐層510供電。控制系統(tǒng)605還包括用于控制系統(tǒng)各種部件的控制器630，用于產(chǎn)生調(diào)制的高頻電流的振蕩器640，以及用于將控制系統(tǒng)605連接至施用器610并且控制熱能傳遞流體通過施用器610的流動的閥單元650?？刂破?30連接至電源620、振蕩器640以及閥單元650。閥單元650還連接至振蕩器640和電源620。閥單元650和振蕩器640形成相變泵。相變泵具有如下所述的兩個主要功能。第一功能是攪動通過施用器610循環(huán)的熱能傳遞流體，以通過對流冷卻而冷卻流體。第二功能是在以下描述的可替換實施例中改變形成施用器610和治療部位之間的高導電界面的界面材料的相位。在圖21和22中詳細示出的閥單元650包括用于容納攪拌器670的外殼660，這在圖23至25中詳細示出。攪拌器用于攪拌，并且引起熱能傳遞流體經(jīng)過閥單元650的紊流， 從而冷卻熱能傳遞流體。攪拌器優(yōu)選地為旋轉(zhuǎn)推進器。優(yōu)選地，旋轉(zhuǎn)推進器包括三維輪廓的可變旋轉(zhuǎn)盤，其具有可連接的葉片或翼片，或與葉片或翼片整體形成，例如渦輪、葉輪或螺旋槳。旋轉(zhuǎn)推進器由磁性驅(qū)動耦合器680驅(qū)動。磁性驅(qū)動耦合器680轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)推進器 670，并且還允許旋轉(zhuǎn)推進器響應于由振蕩器640產(chǎn)生的調(diào)制高頻信號的軸向振動。旋轉(zhuǎn)推進器的旋轉(zhuǎn)和過渡運動的結(jié)合，例如，軸向振動攪拌流經(jīng)旋轉(zhuǎn)推進器的熱能傳遞流體，從而冷卻流體。閥單元650通過卡扣裝配或其他快速釋放類型的連接部連接至施用器610中的相應成形的連接器690 (參見圖20)。當閥單元650連接至施用器610時，連接部700將閥單元650連接至初級、測量電路520的相應連接部705。這使得由熱敏電阻傳遞來的溫度測量數(shù)據(jù)傳遞至控制器630，該熱敏電阻連接至導電支撐層510。連接部715還將閥單元外殼 660連接至次級、驅(qū)動電路530，其分開地連接至金屬網(wǎng)狀編織物510。這使得由振蕩器640 產(chǎn)生的高頻調(diào)制信號穿過導電支撐層510。當閥單元600連接至施用器610的連接器690時，熱能傳遞流體借助于旋轉(zhuǎn)推進器670從在熱層410和中間層430之間限定出的流動路徑，穿過閥單元660，并且返回至在冷層410和中間層430之間限定出的流動路徑來循環(huán)?？梢詫刂破?30編程，以連續(xù)地或者離散的時間周期操作旋轉(zhuǎn)推進器670，從而改變施用器610中的熱能傳遞流體的溫度。如圖23中所示，旋轉(zhuǎn)推進器670具有多個翼片，每個翼片包括一個或多個孔隙 730，其在圖23中僅作為縫的例子示出。其他形狀的孔隙，例如圓孔，或從翼片突出的突出物可以用于提供與以下進一步論述相同的結(jié)果。當旋轉(zhuǎn)推進器670旋轉(zhuǎn)和軸向振動時，熱能傳遞流體經(jīng)過旋轉(zhuǎn)推進器670循環(huán)，迫使熱能傳遞流體的一部分通過孔隙730，這進一步攪動流體，并且增加了相變泵的對流冷卻效果。在操作中，相變泵的旋轉(zhuǎn)推進器670循環(huán)熱能傳遞流體通過施用器610。通過振蕩器將調(diào)制高頻信號應用于磁性驅(qū)動耦合器660，這引起旋轉(zhuǎn)推進器670相對于閥單元外殼 660的軸向振動。由于借助于翼片720迫使熱能傳遞流體通過閥單元660，迫使一部分流體通過孔隙730。這攪動并且擾亂了熱能傳遞流體以產(chǎn)生紊流，并且在熱能傳遞流體中產(chǎn)生微泡。微泡膨脹并且最終破滅。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)微泡的產(chǎn)生和破滅從熱能傳遞流體釋放熱能，因此通過對流冷卻來降低熱能傳遞流體的溫度。耦合至控制器630的振蕩器640還傳遞調(diào)制高頻電信號，其還可以具有通過次級、 驅(qū)動電路530至導電支撐層510的變化振幅。調(diào)制高頻信號激活界面層500的分子，這增強了界面層以分子級接觸治療區(qū)域的患者皮膚的能力。這增加了熱能傳遞流體和治療區(qū)域之間的熱能傳遞速率。應用于導電支撐層510的電流還使得支撐層振動，這進一步激活界面層500的分子，并且增強了界面層和治療部位之間的熱能的傳遞。由振蕩器640產(chǎn)生的信號的頻率和振幅可以由操作者在控制器630的用戶界面處根據(jù)需要來調(diào)節(jié)，或者根據(jù)預編程的治療輪廓來改變。應用于旋轉(zhuǎn)推進器670和直接應用于界面層500的調(diào)制高頻信號的效果在于熱能更深地滲透入治療部位處的組織，改善冷凍療法治療的效果。因此可以準確地控制溫熱療法系統(tǒng)，以保持最適合于特定傷害或情況治療的環(huán)境。已經(jīng)開發(fā)了之前根據(jù)圖17至25描述的許多溫熱療法系統(tǒng)600的變形，并且現(xiàn)將進行描述。許多閥單元650可以連接至控制系統(tǒng)605，這允許相同或不同形狀的施用器610連接至閥單元650中的每一個。這使得系統(tǒng)可用于同時對患者的身體的兩個或多個部分實施溫熱療法。振蕩器640和旋轉(zhuǎn)推進器670可以遠離閥單元650而任意地定位，其中，用于熱能傳遞流體的管(未示出)將相變泵連接至施用器610。
12
除溫熱療法系統(tǒng)10的熱能傳遞流體再循環(huán)系統(tǒng)30和冷卻系統(tǒng)40之外，溫熱療法系統(tǒng)還可以包括相變泵。在這種系統(tǒng)中，相變泵可以用于攪動來自貯存器80的穿過閥單元 660進入施用器610的熱能傳遞流體的連續(xù)流，并且從而提供熱能傳遞流體的附加冷卻。導電支撐層510可以由形狀記憶合金構(gòu)造，以使得當驅(qū)動電流從電流源由次級電路530傳遞，以為導電支撐層510供電時，其改變形狀，并且圍繞治療部位壓縮施用器610， 確保其更加緊密地符合特定身體部分的輪廓。在替換實施例中，與施用器60、400或610 —起使用的界面層為膠體，該膠體包含在膜狀護罩中，通過該膜狀護罩定位支撐層，以支撐膜狀護罩，并且使其連接至施用器610 的外側(cè)表面。在未激活的形式中，膠體為液體狀態(tài)，其包括懸浮支撐的導電顆粒。當由次級、 驅(qū)動電路530或另一合適的供給裝置，穿過導電支撐層將電流傳遞至膜狀護罩，激活膠體， 以使得其變成更具有粘性和凝膠狀高導電層，該高導電層具有與以上描述的界面層240或 500相似的熱能傳遞特性。在又一替換實施例中，或結(jié)合以上提及的任意實施例，超聲波發(fā)生器740包括在控制系統(tǒng)50或605中(例如，參見圖19)。在操作中，超聲波信號從超聲波發(fā)生器通過支撐層250或510傳遞至界面材料層240或500，或者經(jīng)由替換的連接部傳遞至界面層。隨后將超聲波信號連續(xù)地或者以離散脈沖應用于界面層，從而激活界面材料的分子，并且增強界面層的導熱性。在這個或者又一替換實施例中，處于未激活形式的界面層500為膠體，其包括懸浮的化合物，并且包含在由支撐層支撐的膜狀護罩中，支撐層焊接或連接至施用器610的外表面。在操作中，界面層材料通過由超聲波發(fā)生器740產(chǎn)生的超聲波短脈沖激活，并且變得更加具有粘性和凝膠狀。超聲波信號將界面材料的狀態(tài)從透明液體改變成不透明膠體， 在透明液體中，形成化合物的二聚物分子通過芳香疊加相互作用而彎曲和自鎖，在不透明膠體中，該結(jié)構(gòu)為具有互鎖聚集體的平面，其提供了具有與界面層240或500相似特性的高導電層。
權(quán)利要求
1.一種用于將溫熱療法應用于人體或動物體的一部分的施用器，包括柔性護罩，熱能傳遞流體可以在該柔性護罩中循環(huán)；連接器，用于將所述施用器連接至控制系統(tǒng)；界面層，連接至所述柔性護罩的外表面，用于提供所述柔性護罩與人體或動物體的一部分之間的導熱界面；以及導電支撐層，用于支撐所述界面層，并且用于接收來自所述控制系統(tǒng)的電信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的施用器，其中，所述導電支撐層定位于所述界面層中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的施用器，具有初級、測量電路，其將所述導電支撐層連接至所述連接器，從而數(shù)據(jù)可以從所述導電支撐層傳遞至所述控制系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的施用器，具有次級、驅(qū)動電路，其將所述導電支撐層連接至所述連接器，從而電流可以從所述控制系統(tǒng)傳遞至所述導電支撐層。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的施用器，包括通過所述護罩的中間層，其具有多個孔， 以允許熱能傳遞流體從所述中間層的一側(cè)流至另一側(cè)。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的施用器，包括定位于所述護罩中的流管網(wǎng)絡，用于引導熱能傳遞流體通過所述護罩的流動，以覆蓋盡可能大的所述護罩的區(qū)域。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的施用器，其中，所述導電支撐層連接至所述柔性護罩， 以相對于所述護罩保持所述界面層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的施用器，其中，所述導電支撐層鄰近所述界面層的邊緣連接至所述柔性護罩。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的施用器，其中，所述柔性護罩和導電支撐層通過焊接連接。
10.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的施用器，其中，所述連接器為卡扣裝配或其他快速釋放類型的連接器。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的施用器，其中，在操作中，所述導電支撐層由控制系統(tǒng)供電以激活所述界面層的分子，并且增加所述界面層的導熱性。
12.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的施用器，其中，所述界面層為由加有氮化硼顆粒的硅基凝膠制成的彈性體。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的施用器，其中，硅基凝膠與氮化硼顆粒的比例為大約0.5至 0. 8范圍內(nèi)的硅比大約0. 5至0. 2范圍內(nèi)的氮化硼顆粒。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的施用器，其中，所述界面層為膠體，其包括懸浮的導電顆粒并且保持在由所述導電支撐層支撐的膜狀護罩中，所述膠體可響應于電流而激活，以變得更加具有粘性和凝膠狀。
15.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的施用器，其中，所述界面層可響應于從所述控制系統(tǒng)接收的超聲波信號而激活，以變得更加導熱。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的施用器，當從屬于權(quán)利要求1至11任一項時，其中，所述界面層為膠體，該膠體保持在膜狀護罩中并且可響應于從所述控制系統(tǒng)接收的超聲波信號而激活，以變得更加具有粘性和凝膠狀。
17.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的施用器，其中，所述支撐層為導電材料的編織網(wǎng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的施用器，其中，所述支撐層由具有大約10%至25%的鎳含量的馬氏體時效鋼的細線制成。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的施用器，其中，所述編織物為實質(zhì)上稀疏的編織物。
20.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的施用器，該施用器通常成形為符合人體或動物體的特定部分。
21.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的施用器，包括用于壓縮所述施用器的壓縮器，以使得其更加緊密地符合人體或動物體的特定部分。
22.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的施用器，其中，適合于通過所述護罩的循環(huán)的熱能傳遞流體為非水性氟流體。
23.一種用于將施用器連接至控制系統(tǒng)的閥單元，該施用器用于將溫熱療法應用于人體或動物體的一部分，所述閥單元包括外殼，接收在所述施用器的所述連接器中；以及攪拌體，可活動地連接至用于將運動傳給所述護罩中的所述熱能傳遞流體的所述外tJXi O
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的閥單元，其中，所述攪拌體為旋轉(zhuǎn)推進器。
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的閥單元，其中，所述攪拌體具有用于將運動傳給所述熱能傳遞流體的多個翼片。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的閥單元，其中，所述翼片具有孔隙，當所述旋轉(zhuǎn)推進器通過所述柔性護罩傳遞熱能傳遞流體的運動時，該孔隙允許熱能傳遞流體從每個翼片的一側(cè)至另一側(cè)經(jīng)過。
27.一種用于改變將要被通過施用器循環(huán)的熱能傳遞流體的熱能的熱交換器，所述施用器將溫熱療法應用于人體或動物體的一部分，所述熱交換器包括外罩，其限定了熱能傳遞流體的流動路徑；以及吸熱器，具有多個不規(guī)則定位的和/或不規(guī)則成形的突出物，其延伸進入熱能傳遞流體的流動路徑；其中，在使用中，不規(guī)則定位的和/或不規(guī)則成形的突出物擾亂熱能傳遞流體通過流動路徑的流動，以產(chǎn)生紊亂的、非層流流體流動。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的熱交換器，進一步包括連接至所述吸熱器的熱能源，用于改變沿經(jīng)過所述吸熱器的所述突出物的所述流動路徑流動的所述熱能傳遞流體的溫度。
29.一種用于控制施用器的控制系統(tǒng)，所述施用器將溫熱療法應用于人體或動物體的一部分，所述控制系統(tǒng)包括連接器，用于將所述控制系統(tǒng)連接至所述施用器連接器；電流源，用于為電敏支撐層供電；以及控制器，用于控制自所述電流源流來的電流的特性。
30.根據(jù)權(quán)利要求四所述的控制系統(tǒng)，其中，所述控制器包括振蕩器，該振蕩器用于將調(diào)制電流源提供至所述電敏支撐層。
31.根據(jù)權(quán)利要求四或30所述的控制系統(tǒng)，進一步包括由所述控制器控制的超聲波發(fā)生器，用于將超聲波信號提供至所述施用器的所述界面層，以改變所述界面材料的狀態(tài)，并且使其變得更加具有粘性和凝膠狀。
全文摘要
一種用于將溫熱療法應用于人體或動物體的一部分的設(shè)備，包括施用器(610)，其具有柔性護罩，熱能傳遞流體可以在其中循環(huán)，連接器，用于將施用器連接至控制系統(tǒng)，界面層，用于提供柔性護罩和治療部位之間的導熱界面以及導電支撐層，用于支撐界面層，并且能夠由來自控制系統(tǒng)的電信號提供電壓，以改進界面層的導熱性。該裝置還包括閥單元(650)，用于將施用器連接至控制系統(tǒng)，熱能交換器，用于冷卻熱能傳遞流體，以及控制系統(tǒng)(605)，用于控制溫熱療法的施用器。該設(shè)備允許操縱和控制界面層以及熱能傳遞流體的分子，以改進施用器和治療部位之間的熱能傳遞效率。
文檔編號A61F7/10GK102215794SQ200980145928
公開日2011年10月12日 申請日期2009年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者N·J·羅絲 申請人:麥蒂廓德有限公司