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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Wärmesteuerung eines lebenden
Körpers.
Das System gemäß der Erfindung
kann sowohl an Menschen als auch an Tieren angewendet werden.
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Hintergrund der Erfindung
und Stand der Technik
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Ein
lebender Körper
kann eine normale Körpertemperatur,
welche bei Menschen etwa 36,5 bis 37°C beträgt, unter normalen Bedingungen
aufrechterhalten. Unter extremen Temperaturbedingungen jedoch oder
bei verschiedenen medizinischen Behandlungen kann der Körper nicht
in der Lage sein, die Körpertemperatur
richtig zu regulieren. Dies ist zum Beispiel in folgenden Fällen der
Fall: bei Individuen, welche extremen Temperaturen ausgesetzt sind;
und bei verschiedenen physiologischen Störungen und medizinischen Zuständen (zum
Beispiel allgemeine Anästhesie),
wobei der Körper
eine Fähigkeit
zum richtigen Regulieren der Körpertemperatur verliert.
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Hypothermie
ist eine Verminderung der Körpertemperatur,
welche daraus resultiert, dass man einer kalten Umgebung ausgesetzt
ist. Geringfügige Hypothermie,
bei welcher die Körperinnentemperatur (nämlich die
Temperatur von inneren Organen und Gewebe innerhalb des Körpers) um
etwa 2°C
unter die Normaltemperatur reduziert ist, tritt gewöhnlich während und
im Anschluss an eine Operation auf, welche unter allgemeiner Anästhesie
ausgeführt wird,
da Patienten dazu neigen, Körperwärme aufgrund
eines abgesenkten Metabolismusses und als ein Ergebnis des Aussetzens
der inneren Körperorgane
oder Gewebe an Umgebungsluft, zum Beispiel in einem Unterleibs-
oder Brustraum-Hohlraum, zu verlieren.
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Hypothermie
tritt bei mehr als 60% der Patienten nach einer Operation auf, wobei
bei einigen operativen Eingriffen, zum Beispiel offener Herzchirurgie,
Hypothermie bei mehr als 90% der erwachsenen Patienten auftritt.
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Hypothermie
kann verschiedene schwere physiologische Probleme verursachen, einschließlich Herzkrankheit,
Koagulopathie, Immunsystemstörung,
Wundheilungsstörung,
Schüttelfrost,
geänderte pharmazeutische
Eigenschaften von Arzneimitteln und so weiter.
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Hyperthermie,
nämlich
Anstieg der Körpertemperatur über normale
Schwellenwerte, kann auch verschiedene physiologische Störungen hervorrufen und
im Extremfall lebensbedrohlich sein.
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Die
klinische Notwendigkeit, Mittel zur Steuerung der Körpertemperatur
bereitzustellen, wurde seit langem erkannt.
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MicroClimate
Systems Inc. Stanford, MI, U.S.A., vermarktet eine Reihe von portablen
persönlichen
Kühlsystemen
(verkauft unter den Handelsmarken KOOLVEST, KOOLJACKET, KOOLBAND, KOOLPAD
und andere), welche für
den Gebrauch durch gesunde Personen gedacht sind, welche eine physische
Aktivität
in einer heißen
Umgebung ausführen
(siehe Internet http://www.microclimate.com/prodline.html oder http://www.microclimate.com/work.html).
Das System besteht aus einem Kleidungsstück (es kann eine Weste, Jacke, Kopfbedeckung,
ein Schal und so weiter sein) mit darin eingebetteten Schläuchen, in
welchen durch eine Batteriebetriebene Pumpe vorwärts getriebenes Wasser strömt. Wasser
tritt durch Eis oder durch eine Kühlvorrichtung hindurch bevor
es in die Schläuche innerhalb
des Kleidungsstückes
eintritt. Der Benutzer kann die Pumprate, die Temperatur und so
weiter steuern. Eine ähnliche
Produktlinie wird auch von Mallinckrodt Inc., St. Louis, MO, U.S.A.,
(siehe Internet unter http://www.mallinckrodt.com/ccd) und anderen
angeboten.
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Ein ähnliches
System ist in US-Patentschrift 4,807,447 (Macdonald et al.) offenbart.
Das einzigartige Merkmal dieses Systems ist, dass die Atmung der
Person benutzt wird, um den Kühlmittelkompressor
zu betreiben.
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Verschiedene
Systeme, welche Gebrauch von Kleidungsstücken, Polstern oder Decken
mit Wärmeübertragungselementen
machen, zum Beispiel darin eingebetteten Kanälen, sind in US-Patentschriften 3,738,367,
4,094,357, 4,094,367, 4,149,541, 4,844,072, 5,184,612, 4,691,762, 5,269,369,
5,609,619 und in WO 96/26693 offenbart. Jedoch stellt, aufgrund
verschiedener physiologischer Gründe,
welche nur in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung realisiert sind, und welche weiter
unten spezifiziert werden, keines der obigen Systeme eine adäquate Steuerung
der Körpertemperatur
des Individuums im Allgemeinen und von Patienten nach einer Operation
nach Durchführung allgemeiner
Anästhesie
im Besonderen bereit.
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Druckschrift
WO 96/26693 offenbart ein System zum Steuern der Temperatur einer
Behandlungsstelle. Dieses System umfasst einen Wärmeaustauscher zum Übertragen
von Wärme
zu oder Entfernen von Wärme
von Abschnitten der Körperoberflä che des
Individuums. Es umfasst auch ein Steuermodul zum Empfang eines Datensignals
von Messgeräten und
zum Aussenden eines Steuersignals zum Steuern von Wärmeaustauscheigenschaften
des Wärmeaustausches
als eine Funktion der Datensignale und einer Soll-Temperatur der
Behandlungsstelle. Es umfasst auch eine Sensiervorrichtung zum Messen
eines Parameters, welcher Aufschluss über die Wärmetransportdynamik -HTD- zwischen
der Körperoberfläche und
dem Körperinneren
gibt.
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Es
existiert außerdem
ein Bedarf nach Steuerung der Körpertemperatur
in der Veterinärmedizin, insbesondere
die Steuerung der Körpertemperatur während einer
Operation bei allgemeiner Anästhesie. Tiere
und insbesondere kleine Tiere sterben gelegentlich infolge einer
Operation, und zwar aufgrund unkontrollierter Änderungen der Körpertemperatur.
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Allgemeine Beschreibung
der Erfindung
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Im
folgenden wird der Ausdruck "Innentemperatur" benutzt, um die
Temperatur innerhalb des Körpers
zu bezeichnen, nämlich
die der inneren Organe und des Gewebes. Die Innentemperatur wird
typischerweise durch das Rectum gemessen ("Rektale Temperaturmessung"), kann aber auch
durch Einführen
von Sonden durch eine Vielzahl weiterer Körperhohlräume, zum Beispiel Mund, Nase
oder Ohr-Temperatursonden gemessen werden. Die Bezeichnung "Oberflächentemperatur" wird benutzt, um
die Temperatur der äußeren Körperfläche zu bezeichnen (welche
die der Haut oder dort, wo die Haut entfernt wurde, zum Beispiel
bei einer Verbrennung, d.h. die der äußersten Schichten sein kann).
Es sollte festgestellt werden, dass die Oberflächentemperatur zwischen verschiedenen
Körperteilen
variieren kann. Die Oberflächentemperatur
kann mit einer Vielzahl von Temperatursonden gemessen werden, einschließlich zum
Beispiel einem Infrarot-Sensor, welcher die Infrarotemission von
einem spezifischen Hautab schnitt misst, Sonden, welche an der Haut
angebracht sind, wie zum Beispiel eine Thermoelementvorrichtung,
ein Thermistor und so weiter.
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In Übereinstimung
mit der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass ein Hauptnachteil
herkömmlicher
thermoregulierender Vorrichtungen nämlich der ist, dass diese nicht
in ausreichendem Maße die
Tatsache berücksichtigen,
dass der Körper
kein passiver Wärmeleiter
ist, sondern eher intrinsische dynamische physiologische Thermoregulationsmechanismen
anwendet, welche die Wärmeübertragungseigenschaften
zwischen dem Körperinneren und
der Peripherie ändern
können.
Zum Beispiel tritt bei niedriger Temperatur eine Gefäßverengung
von peripheren Blutgefäßen auf,
wodurch der Blutstrom zur Peripherie reduziert wird, und dadurch
die Wärmeübertragung
zwischen der Peripherie und dem Körperinneren reduziert wird.
In anderen Situation tritt Gefäßerweiterung
auf, was in erhöhtem
Blutstrom zur Peripherie über
normale Schwellenwerten resultiert, wodurch eine Erhöhung in
der Wärmeübertragungsrate
zwischen dem Körperinneren
und der Peripherie erzeugt wird.
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In Übereinstimmung
mit der Erfindung wird ein System zur Steuerung der Körpertemperatur
bereitgestellt. Das System der Erfindung gestattet kontrolliertes
Kühlen
der Körpertemperatur,
kontrolliertes Erwärmen,
als auch Regulieren der Körpertemperatur
eines Individuums, um sie auf einer eingestellten Soll-Temperatur
zu halten. Es ist ein einzigartiges Merkmal der Erfindung, dass
die Komplexität
des Wärmeübertragungsvorgangs
von der Haut zum Körperinneren
berücksichtigt
wird. Diese Komplexität manifestiert
sich durch dynamische Wärmeübertragungseigenschaften,
nämlich
physiologische Änderungen,
welche die Rate ändern
können,
bei welcher Wärme
zwischen der Haut und dem Körperinneren überragen
werden kann. Eine solche Wärmeübertragungsdynamik (HTD)
kann mit Hilfe verschiedener Mittel festgestellt werden, wie weiter
unten dargestellt werden wird.
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In Übereinstimmung
mit der Erfindung wird ein System zur Steuerung der Körperinnentemperatur
(BCT – body
core temperature) eines Individuums gemäß Einspruch 1 bereitgestellt.
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Der
Wärmeaustauscher
kann entweder mit einer internen Wärme- oder Kälte-erzeugenden Fähigkeit
ausgebildet sein, zum Beispiel Peltier-Effekt-Module umfassend,
oder der Wärmeaustauscher
kann mit wenigstens einer Quelle eines kalten und/oder heißen Fluids
verbunden sein, wobei das Fluid dann zwischen einer solchen Quelle
und dem Wärmeaustauscher
zirkuliert, um Wärme/Kälte zwischen
dem Tauscher und der Quelle zu übertragen.
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Die
Steuerung der Wärmeaustausch-Eigenschaften
dieses Wärmeaustauschers
kann eine Änderung
der Wärmeübertragungseigenschaften
zwischen dem Wärmeaustauscher
und der Körperoberfläche umfassen,
was zum Beispiel durch Ändern
der Wärmeleitfähigskeitsparameter
zwischen der Körperoberfläche und
der Haut erzielt werden kann, zum Beispiel durch Pumpen oder Entfernen
von Luft in oder aus Lufttaschen, welche zwischen wärmeausstrahlenden/wärmeabsorbierenden
Gliedern innerhalb des Wärmeaustauschers
und der Haut angeordnet sind; oder vorzugsweise durch Ändern der
Temperatur des Wärmeaustausches,
was entweder eine Reduktion im Ausmaß des Erwärmens oder Kühlens sein
kann, ein Verzögern
des Erwärmungs-
oder Kühlbetriebs,
oder Umkehren des Erwärmungs- oder Kühl-Betriebs
in jeweils Kühlen
oder Erwärmen. Beim
Umkehren wird der erst als Wärmequelle
agierende Wärmeaustauscher
geschaltet, um eine Wärmesenke
zu werden, oder umgekehrt, wodurch die Wärmeübertragungsrichtung umgekehrt
wird.
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Der
Wärmeaustauscher
kann zum Beispiel elektrische Heiz-/Kühlvorrichtungen,
zum Beispiel Peltier-Vorrichtungen und anderes, umfassen. In Übereinstimmung
mit einer bevorzugten, nicht-beschränkenden Ausführungsform
der Erfindung ist der Wärmeaustauscher
jedoch von einer Art, welche einen oder mehrere Kanäle oder
ein Fluid-Übertragungs-Medium
umfasst, nämlich
zum Hindurchführen
des Wärme-Steuer-Fluids
dorthindurch, zum Übertragen
von Wärme
zu oder zum Absorbieren von Wärme
von der Körperoberfläche des
Individuums. Das Fluid, welches typischerweise, jedoch nicht ausschließlich, eine
Flüssigkeit,
zum Beispiel Wasser, ist, kann durch die Kanäle oder das Medium mittels einer
Pumpe oder irgendeiner anderen dafür geeigneten Vorrichtung getrieben
werden. Ein solches Fluid zirkuliert daher zwischen dem Wärmeaustauscher und
einer Wärme-
oder Kälte-Quelle.
Der Wärmeaustauscher
ist typischerweise flexibel, um engen Kontakt mit einer Körperoberfläche für ausreichenden Wärmeübergang
dazwischen zuzulassen.
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Zusätzlich zu
den oben erwähnten
Messvorrichtungen (die BCT-Sensiervorrichtung und die Vorrichtung
zum Messen eines HTD anzeigenden Parameters), kann das System weiterhin
eine oder mehrere Vorrichtungen zum Messen einer Temperatur des
zirkulierenden Fluids und zum Ausgeben von einem darauf bezogenen
Datensignal zu der Steuereinheit umfassen. Zu Zeitpunkten, wo das
System zwei oder mehrere solcher Vorrichtungen umfasst, wobei wenigstens
eines davon als eine Eingangstemperatur-Sensiervorrichtung zum Messen
einer Temperatur des Fluids, wenn es in den wenigstens einen Kanal
oder das Fluid-Übertragungsmedium eintritt,
dient, und wenigstens eine weitere als eine Ausgangstemperatur-Sensiervorrichtung
zum Messen einer Temperatur des Fluids, wenn es den wenigstens einen
Kanal oder das Fluid-Übertragungsmedium
verlässt,
dient. Der Temperaturabfall, (ΔT) zwischen
dem Kleidungseingang und dem -ausgang ist ein sehr guter Indikator
dieser HTD, da diese Information, zusammen mit der Information über die
Fluidströmungsrate,
eine akkurate Berechnung des Wärmeübergangs
zwischen dem Wärmeaustauscher
und dem Körper
gestattet, was von dieser HTD abhängt.
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Der
Wärmeaustauscher
der Erfindung ist typischerweise ein Kleidungsstück, welches über einen Abschnitt
des Körpers
des Individuums getragen wird. Typischerweise kann das Kleidungsstück derart ausgebildet
sein, um wenigstens etwa 30%, vorzugsweise wenigstens etwa 40% der
Oberfläche
des Körpers
abzudecken. Auf diese Weise stabilisiert das System der Erfindung
in effektiver Weise die Körpertemperatur
eines Individuums, und zwar auf eine Soll-Körperinnentemperatur
innerhalb eines minimalen Toleranzbereiches. Solch ein Kleidungsstück kann
unterschiedliche Formen in Abhängigkeit
seiner beabsichtigten Verwendung aufweisen. Zum Beispiel kann das
Kleidungsstück
zum Gebrauch von Individuen ausgebildet sein, welche unter extremen
heißen
Bedingungen harte Arbeit ausführen,
zum Zwecke des Kühlens
ihres Körpers.
Für einen
solchen Zweck muss das Kleidungsstück relativ flexibel sein, um
so die freie Beweglichkeit des Individuums so wenig wie möglich einzuschränken. In
einem anderen Beispiel kann das Kleidungsstück für einen medizinischen Zweck
ausgebildet sein, entweder für
den Zweck des Reduzierens der Innentemperatur von Individuen, welche
eine Krankheit verbunden mit sehr hohem Fieber haben, für den Zweck
des Erhöhens der
Körperinnentemperatur
von hypothermischen Individuen oder für beides.
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Das
System kann zur Steuerung der Körpertemperatur
von Patienten während
oder nach allgemeiner Anästhesie
angewendet werden. Zu diesem Zweck kann der Wärmeaustauscher, welcher typischerweise
die Form eines Kleidungsstückes
hat, eine Vielzahl von Öffnungen
aufweisen, welche Zugang für
das Ausführen
verschiedener chirurgischer Eingriffe gestatten, für die parenterale
Verabreichung von Arzneimitteln oder Fluiden oder zum Abführen von
Körperfluiden
(zum Beispiel Ausscheidungen oder Blut).
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Ein
Beispiel der Verwendung des Systems ist die offene Herzchirurgie.
Offene Herzchirurgie umfasst typischerweise das Kühlen der
Körpertemperatur
auf etwa 22°C.
Während
einer solchen Operation wird die Herzaktivität zeitweise angehalten, wobei das
Blut durch eine Vorrichtung für
eine künstliche Herz/Lunge
zirkuliert wird. In der Folge einer solchen Operation besteht ein
Bedarf, die Körpertemperatur auf
eine normale Temperatur so schnell wie möglich zu erhöhen, da
das Beibehalten einer solchen Körperinnentemperatur über längere Zeit
schädlich
sein kann, zum Teil sogar lebensbedrohlich. Heutige medizinische
Praktiken umfassen, hinsichtlich des Endes der Operation, Erwärmen des
Blutes, wenn es durch die künstlich
Herz-/Lungen-Vorrichtung zirkuliert. Jedoch hat sich diese Erwärmungs-Praktik
als unzureichend herausgestellt, da die Körperinnentemperatur auf diese
Weise nicht ausreichend erwärmt wird,
wobei, sobald das Blut von der Vorrichtung abgetrennt ist und wieder
durch das reaktivierte Herz zirkulieren kann, die Bluttemperatur
sofort abfällt. Das
Erwärmen
bei solchen Eingriffen wird heutzutage typischerweise durch die
Verwendung von erwärmten
Decken, Anblasen des Individuums mit heißer Luft, und so weiter ausgeführt. Im
allgemeinen lassen die heutzutage zugänglichen Verfahren eine ausreichende Überwachung
und Steuerung der Körperinnentemperatur
nicht zu. Mit der Erfindung kann die Körperinnentemperatur in steuerbarer
Weise während
der Anfangsphasen der Operation gekühlt werden, dann auf etwa 32°C aufrechterhalten
werden, während
Erwärmen
oder Kühlen
nach Bedarf ausgeführt
wird, und dann schließlich
in steuerbarer Weise am Ende der Operation erwärmt werden, um normale Körpertemperatur
zu erreichen.
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Im
allgemeinen kann das System der Erfindung zur Steuerung der Körpertemperatur
eines Patienten während
der Eingriffszeit in einem weiten Bereich verschiedener Operationen
verwendet werden.
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Wie
es ohne Zweifel begrüßt werden
wird, kann ein Wärmeaustauscher
in der Form eines Kleidungsstückes
typischerweise ausgebildet sein, um verschiedene Formen und Größen aufzuweisen,
um Vorgaben von Individuen verschiedenen Alters, Gewichts, Lebensstils
und so weiter zu erfüllen,
oder um spezifische Erfordernisse eines spezifischen medizinischen
Verfahrens zu erfüllen.
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Zusätzlich zu
der Verwendung bei Menschen, insbesondere in der Humanmedizin, kann
das System der Erfindung auch einen großen Bereich von Anwendungen
in der Veterinärmedizin
aufweisen. Die gleichen Probleme der Wiederherstellung der normalen
Körpertemperatur
als auch kontrolliertes Kühlen
während
einer Operation werden auch in der Veterinärmedizin angetroffen. Wie begrüßt werden
wird, kann der Wärmeaustauscher,
typischerweise in der Form eines Kissens, einer Decke oder Kleidungsstückes, ausgebildet
sein, um verschiedene Gestalten, in Abhängigkeit der Art des Tieres,
der Art der Operation und so weiter aufzuweisen.
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Ein
System der Erfindung zur Verwendung im Operationssaal kann typischerweise
zum Austausch von Daten mit anderen in dem Operationssaal vorhandenen
Instrumenten ausgebildet sein, zum Beispiel Import von Daten betreffend
die Bluttemperatur von der Herz-Lungen-Vorrichtung, Import von Daten
betreffend Herzschlag oder Blutdruck von entsprechenden Messvorrichtungen,
und so weiter.
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Die
Sensiervorrichtung zum Messen eines über die HTD (im folgenden stellenweise
als "HTD-Vorrichtung" bezeichnet) Aufschluss-gebenden
Hautparameters umfasst eine Vorrichtung zum Messen einer Temperatur
an einem Hautabschnitt in der Nähe
eines Hautabschnitts, an welchem der Wärmeaustausch angewendet wird.
Die HTD kann dann zum Beispiel entweder durch das eine oder beides bestimmt
werden
- (i) Bestimmen der Temperaturänderungsrate
an dem Hautabschnitt nachfolgend dem Erwärmen oder Kühlen der benachbarten Hautabschnitte mittels
des Wärmeaustausches,
oder
- (ii) durch Einstufen der Temperaturdifferenz-Änderungsrate
zwischen dem Hautabschnitt und dem Inneren während Erwärmens oder Kühlens des
Körpers.
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Ein
Hauptmerkmal der Erfindung betrifft die Messungen der Wärmeübergangsdynamik
(HTD), und Berücksichtigen
der Wärmeübergangsdynamik beim
Wärmesteuerungsvorgang
des Individuums. Insbesondere sollte, wenn die HTD-Parameter das Auftreten
von Gefäßverengung
andeuten, jegliches angewandte Kühlen
zeitweise ausgesetzt oder reduziert werden. Zeitweise ist es auch
vorteilhaft, die Wärmeübertragungsbetriebsart
umzukehren, das heißt
zeitweises Erwärmen
in eine Kühl-Betriebsart. Das
bedeutet, dass eine Kühl-Betriebsart
gelegentliche Wärmeimpulse
umfasst, welche zu Zeitpunkten und nach einem Muster gemäß der HTD
auftreten.
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Das
System kann eine Benutzerschnittstelle aufweisen, welche einem Benutzer
gestattet, eine dBCT einzugeben, nämlich einen Temperatur-Einstellpunkt
des Systems. Die Benutzerschnittstelle kann weiterhin Steuermittel
umfassen, welche wahlweisen Betrieb des Systems entweder in automatischer
Betriebsart, nämlich
in einer Betriebsart, welche sowohl Kühlen oder Erwärmen zulässt, in
Abhängigkeit
von der Richtung oder Abweichung des aBCT von dem dBCT, zulassen.
Zusätzlich
können
die Steuermittel typischerweise auch die Auswahl nur einer Erwärmungs-Betriebsart
oder nur einer Kühl-Betriebsart
zulassen.
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Typischerweise
wird das Erwärmen
beschränkt,
so dass die Temperatur bei der Oberfläche des Wärmeaustauschers, welche in
Kontakt mit der Körperoberfläche ist,
nicht eine Maximaltemperatur überschreitet,
zum Beispiel eine Temperatur von etwa 40°C, und nicht unterhalb einer
Minimaltemperatur, zum Beispiel etwa 15°C, fällt.
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Um
beim Kühlen
oder Erwärmen
wirksam zu sein, muss der Wärmeaustauscher,
typischerweise in der Form eines Kleidungsstückes, an die Haut des Individuums
angepasst werden. Manchmal gibt es den Bedarf, ein solches Kleidungsstück über längere Zeitperioden
zu tragen, wobei dies das Risiko von Druckstellenwunden erhöhen kann.
Um dieses Problem in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform der
Erfindung zu umgehen, weist der Wärmeaustauscher zwei oder mehrere
individuelle Strömungs-gesteuerte
Subsysteme auf, wobei diese Subsysteme dann abwechselnd benutzt
werden können,
wobei nämlich
ein System mit einem Fluid gefüllt
und benutzt wird, während
das andere geleert wird und daher keinen Druck auf die Haut ausübt; ebenso
auch umgekehrt. In Übereinstimmung
mit einer weiteren Ausführungsform
wird die Fluid-Übertragung
zum Kleidungsstück
zeitweise für
Perioden von mehreren Sekunden bis Minuten ausgesetzt, um den Druck
auf die Haut zu reduzieren, um daher Druckströme zu reduzieren.
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In Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung umfasst das System eine eingebaute elektrische Fluid-Erwärmungs-/Kühleinheit, wobei
das Zirkulationsfluid derart gelenkt wird, um durch diese Einheit
zum Zwecke des Erwärmens oder
Kühlens
zu strömen.
Erwärmen
oder Kühlen des
Fluids in einer solchen Einheit kann auch mittels eines Hilfs-Zirkulations-Wärmeübertragungsfluids durch
die Vermittlung eines Wärmeaustausches
innerhalb dieser Einheit erzielt werden. In Übereinstimmung mit einer weiteren
Ausführungsform
kann das System wenigsten ein Kalt-Fluid-Reservoir und wenigstens
ein Heiss-Fluid-Reservoir, und ein Fluid-Strömungsteuersystem
zum wahlweisen Saugen von Fluid aus diesen Reservoiren umfassen.
Ein Vorteil unabhängiger
Heiss- und Kalt-Fluid-Reservoire besteht darin, dass das Schalten
zwischen Erwärmungs-
und Kühl-Betriebsarten
schnell sein kann.
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In
einem System, welches unabhängige Heiss-Fluid-
und Kalt-Fluid-Reservoire
umfasst, ist das Strömungsteuersystem
vorzugsweise ausgebildet, um Rücklauffluid
zurück
in das Reservoir strömen
zu lassen, von welchem es gesaugt wurde. Es wird bevorzugt, dass
während
des Schaltens von einem kalten zu einem heißen Fluid oder umgekehrt das
ursprünglich
Fluid anfangs zu dem Reservoir strömen wird, von welchem es gesaugt
wurde, und nur nachdem das warme Fluid erschöpft ist, dass das zurückgegebene
Fluid zu dem anderen Reservoir gelenkt wird. Ansonsten kann das
kalte Reservoir erwärmt
oder das heiße
Reservoir gekühlt
werden. Dies kann durch eine Temperatur-Sensiervorrichtung erzielt
werden, welche die Temperatur des aus dem Wärmeaustauscher strömenden Fluids
misst, wobei nur, wenn die Vorrichtung eine abrupte Temperaturänderung
misst, das Strömungsteuerungssystem beginnen
wird, das Fluid zu dem neuen Reservoir zu lenken.
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Um
die Erfindung zu verstehen und zu sehen, wie sie in der Praxis ausgeführt werden
kann, wird nun eine bevorzugte Ausführungsform anhand eines nicht-beschränkenden
Beispieles beschrieben, mit gelegentlichem Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Es
wird festgestellt, dass die Erfindung in den Ansprüchen definiert
ist. Das folgende kann Bezüge
auf Beispiele enthalten, welche nicht Ausführungsformen der Erfindung
sind, selbst wenn es unterschiedlich angedeutet ist.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1A ist
ein Kleidungsstück
in Übereinstimmung
mit der Ausführungsform
der Erfindung.
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1B ist
eine Vergrößerung des
mit "B" in 1A markierten
Bereiches, wobei die zwei externen Schichten teilweise für Darstellungszwecke
getrennt sind.
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2 stellt
eine Draufsicht auf eine offengelegtes Kleidungsstück dar,
zur Verwendung in dem System in Übereinstimmung
mit einem System der Erfindung.
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3 ist
eine schematische Darstellung des Kleidungsstückes aus 1,
bei Anwendung an einem Patienten.
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4 ist
eine seitliche Darstellung des Patienten mit dem Kleidungsstück aus 3.
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5 zeigt
ein Kleidungsstück
in Übereinstimmung
mit einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, in einem offenen Zustand, wobei der Patient darauf
liegt, ausgestattet mit einer Haftmittel-Matrix.
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6 ist
eine allgemeine schematische Darstellung eines Systems in Übereinstimmung
mit der Erfindung.
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7 ist
eine schematische Seitenansicht des Systems aus 6.
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8 ist
eine schematische Prinzipdarstellung eines Systems in Übereinstimmung
mit einer weiteren Ausführungsform
des Systems
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9A und 9B zeigen
ein schematisches Blockdiagram des in dem System betriebenen Algorithmus
in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung.
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(9B ist
die Fortsetzung von 9A).
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Eine
Draufsicht auf ein Kleidungsstück 2 in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung, dargestellt in einer offenen Anordnung, kann in 1 betrachtet werden. Kleidungsstück 2 ist
ausgebildet, um auf den Rumpf einer Personen zu passen. Kleidungsstück 2,
wie insbesondere in 1B erkannt werden kann, ist
mit zwei äußeren Schichten 4 und 6 ausgebildet,
welche zwischen sich einen Fluid-Durchgangsraum 7 definieren.
Das Kleidungsstück
ist mit einem Fluid-Einlass 8 und einem Fluid-Auslass 10 für entsprechenden
Fluid-Eingang und -Ausgang in und aus dem Fluid-Durchgangsraum ausgebildet. Das Kleidungsstück ist mit
einer Trennung 12 ausgebildet, welche einen Fluid-Strömungspfad
definert, welcher schematisch durch die Pfeillinie 14 repräsentiert
wird. Dieses Fluid ist typischerweise Wasser, kann jedoch auch jede
andere geeignete Flüssigkeit
sein, zum Beispiel Alkohol, Öl
und so weiter, und kann auch in anderen Ausführungsformen ein Gas, zum Beispiel
Luft, sein.
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Wie
weiter in 1B gesehen werden kann, ist
das Kleidungsstück
mit einer Matrix geschweißter Punkte 16 ausgebildet,
wo die zwei äußeren Schichten
des Kleidungsstücks 2 miteinander
verschweißt sind.
In Gebrauch treibt der Druck des Fluids die zwei Schichten weg voneinander,
wobei Fluid in den Raum zwischen den geschweißten Punkten gefüllt wird.
Die geschweißten
Punkte stellen die strukturelle Integrität der zwei Schichten sicher
und gewähren weiterhin
gewissen Widerstand gegen Fluidströmung und daraus folgend eine
im wesentlichen gleichmäßige Verteilung
der Fluidströmung
durch den gesamten Fluid-Durchgangsraum 7 des Kleidungsstücks. Es wird
zweifellos begrüßt werden,
dass die interne Struktur des Kleidungsstückes nur ein Beispiel ist.
In anderen Ausführungsformen
kann das Kleidungsstück
zwei äußere Schichten
umfassen, welche eine poröse
Matrix zwischen sich begrenzen; sie kann Röhren oder andere Kanäle umfassen,
welche eingebettet, oder darin durch verschweißte Linien definiert sind;
und so weiter.
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Eine
Draufsicht auf ein Kleidungsstück
in Übereinstimmung
mit einer weiteren Ausführungsform,
welche in offener Darstellung gezeigt ist, und im Allgemeinen mit 20 bezeichnet
wird, ist in 2 sichtbar. Das Kleidungsstück 20 weist Öffnungen 22 und 24 auf,
welche, wenn das Kleidunkstück
von einer Person getragen wird, eine Öffnung zu dem darunter liegenden
Hautabschnitt zulassen, zum Beispiel für Hauttemperaturmessungen,
für eine
Injektion und so weiter. Statt mit Öffnungen 22 und 24 kann das
Kleidungsstück
auch mit Klappen ausgebildet sein, welche einem ähnlichen Zweck dienen. Das Kleidungsstück ist mit
mehreren Schnitten 28, 30 und 32 ausgebildet,
und zwar zum Anpassen des Kleidungsstücks an das Individuum, wie
in 3 sichtbar ist. Das Kleidungsstück, welches
eine ähnliche
innere Struktur wie die in 1B dargestellte
aufweisen kann, ist mit Schweißlinien 34A, 34B, 35, 36A und 36B ausgebildet,
welche zusammen einen Fluidströmmungspfad
definieren, wie durch Pfeillinien 37A, 37B, 37C und 37D repräsentiert
wird, welche sich zwischen dem Fluid-Einlass 44 und -Auslass 46 erstrecken.
In diesem Fall ist das Kleidungsstück derart strukturiert, dass
der Brust- und Unterleibs-Abschnitt des Individuums offen gelassen
sind, wodurch dieses Kleidungsstück
für Brust-
und Unterleibs-Operation geeignet gemacht wird. Für andere
operative Eingriffe kann das Kleidungsstück eine Vielzahl verschiedener
Formen annehmen. Zusätzlich
kann das Kleidungsstück
auch in verschiedenen Grüßen zur Anpassung
an Individuen verschiedenen Gewichts, Geschlechts, Alters und so
weiter ausgebildet sein.
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Das
Kleidungsstück
kann aus einer Vielzahl verschiedener Materialien einschließlich Stoffe,
Plastik-Materialien und so weiter hergestellt sein. Das Kleidungsstück sollte
vorzugsweise flexibel und elastisch sein, um es über den Körper eines Individuums streifen
zu können.
Die äußere Schicht
des Stoffs kann mit einem wärmeisolierenden
Material beschichtet sein, um Wärmeübergang
an die äußere Umgebung
zu vermeiden. Zusätzlich
kann das Kleidungsstück
ein weiches Innenfutter wie zum Beispiel Filz aufweisen, um das
Auftreten von Druckstellen zu vermeiden.
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Weiterhin
kann, wie mit Bezug auf 5 erläutert wird, das Kleidungsstück mit einer
inneren Fluid-absorbierenden Schicht ausgebildet sein.
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Das
Kleidungsstück
kann für
mehrfachen Gebrauch hergestellt sein, oder auch für Einmal-Gebrauch.
Das Kleidungsstück
für mehrfachen
Gebrauch sollte aus solchen Materialien hergestellt sein, um seine
Sterilisation mittels irgendeines aus einer Vielzahl von an sich
bekannten Sterilisationsmitteln zu gestatten.
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Wie
in 2 bis 4 sichtbar ist, sind die Fluid-Einlass-/-Auslassröhren 44, 46 mit
einer Flüssigkeits-Temperatur-Steuereinheit 48 (zu
sehen in 4) verbindbar.
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Um
leichtes Anbringen und Abnehmen des Kleidungsstückes zuzulassen, ist es typischerweise mit
lösbaren
Anbringmitteln, wie zum Beispiel Anbringungsgliedern 49 vom
Klettverschluss-Typ (zum Beispiel VelcroTM)
ausgebildet.
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5 ist
eine Ebenenansicht eines Kleidungsstückes 120 in Übereinstimmung
mit einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, weiterhin in einer offenen Position, vor Anbringen
an dem Körper eines
Patienten. In dieser Figur wurden gleiche Bezugszeichen wie in den 2 bis 4 verwendet, mit
einem "100"-Index (nämlich mit
einer vorangestellten "1"), wobei der Leser
zu ihrer Erläuterung
auf die Beschreibung bezüglich
der 2 bis 4 Bezug nehmen soll. Weiterhin
sind in 5 Grundsubstanzen 50 sichtbar,
welche aus einem absorbierenden Material hergestellt sind. Typischerweise
weist eine solche Grundsubstanz bzw. Matrix eine Fluid-durchlässige Schicht
auf, und ein hygroskopisches Material, welches in der Lage ist,
Flüssigkeiten
zu absorbieren und sie darin zurückzuhalten.
Solche Grundsubstanzen mit Flüssigkeits-absorbierenden Eigenschaften
sind im Stand der Technik wohlbekannt, wobei eine detaillierte Beschreibung
ihrer Struktur über
die vorliegende Schrift hinausgeht.
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Weiterhin
in 5 sichtbar sind Hauttemperatur-Sensierfühler 60 und 62 und
ein Temperaturfühler 64 für rektalen
Gebrauch zum Messen einer Innentemperatur. Zusätzlich können weitere Arten von Temperaturmessvorrichtungen
ausgebildet sein, zum Beispiel eine Innenohr- Temperaturmessvorrichtung, ein Infrarotsensor
zum Messen der Hauttemperatur, eine Temperaturmessvorrichtung zur
oralen Anwendung zum Messen einer Innentemperatur und so weiter.
Wie oben erläutert,
wird die Hauttemperatur in Übereinstimmung
mit der Erfindung gemessen, um die Wärmeübergangsdynamik (HTD) der Haut
zu bestimmen.
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Zusätzlich können auch
in vorteilhafter Weise Temperatursensiervorrichtungen 70 und 72 zum Messen
einer Eingangs- und
Ausgangs-Fluid-Temperatur bereitgestellt sein.
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Eine
schematische Repräsentation
des Systems in Übereinstimmung
mit einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann in 6 und 7 gesehen
werden. Ein Patient 80 ist, wie hier dargestellt, ausgestattet
mit einem Kleidungsstück 220 (schematisch
als ein Rechteck in 5 dargestellt). In 6 und 7 werden
die gleichen Bezugszeichen wie die zuvor benutzten verwendet, wo
es nötig
ist mit einem "200"-Index. Kleidungsstück 220 ist
mit einem Fluid-Einlass 244 und -Auslass 246 und
mit einem kontinuierlichen Fluid-Kanal
oder einem kontinuierlichen porösen
Raum 240 zwischen ihnen ausgebildet, eingebettet in Kleidungsstück 220.
Eine Vielzahl von Sensiervorrichtungen, welche hierin schematisch
als Komponente 90 dargestellt sind, übertragen Datensignale, welche
die physiologischen Parameter des Patienten wiedergeben, wobei sie
zur Steuerung 94 übertragen
werden.
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Das
System dieser Ausführungsform
ist für beides,
nämlich
Erwärmen
oder Kühlen
des Patienten, ausgebildet. Durch eine Ausführungsform wird heißes Fluid
und kaltes Fluid jeweils von unabhängigen Heiß- und Kalt-Fluid-Reservoiren
bereitgestellt. Jedes der Reservoire hat entsprechende Fluid-Einlässe 101, 102 und
entsprechende Fluid-Auslässe 103, 104.
Das System ist mit einer Pumpe 105 zum Bewegen des Fluids
innerhalb des Systems ausgebildet.
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Das
System ist mit zwei Strömungs-Steuerventilen 106 und 107 ausgebildet,
und zwar zum wahlweisen Übertragen
von Rücklauffluid
zu oder zum Saugen von Fluid von einem der beiden Reservoire. Pumpe 105 und
Strömungs-Steuerventile 106 und 107 werden
durch Steuerung 94 jeweils mittels Steuerleitungen 108 und 110 elektrisch
betrieben.
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Beim
Schalten von einer Heiz-Betriebsart zu einer Kühl-Betriebsart oder ungekehrt werden die Strömungs-Steuerventile entsprechend
geschaltet. In Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung ist der Fluid-Auslass 246 mit
einem Hitze-Sensor 272 ausgebildet, welcher das Schalten des
Rücklauffluids
von einem Reservoir zu einem anderen schon beim Sensieren einer
abrupten Temperaturänderung
mittels Sensier-Vorrichtung 272 zulässt, welche dann ein Datensignal
zur Steuerung 97 übermittelt,
welche wiederum das Strömungs-Steuerventil
schaltet. Die Anordnung ist derart, daß das erste zu schaltende Strömungs-Steuerventil das Ventil 107 sein
wird und falls, zum Beispiel, das Umschalten von Kalt-Fluid zu Heiß-Fluid
stattfand, wird Ventil 106 weiterhin das Rücklauffluid
in das Reservoir 98 leiten und nur beim Registrieren eines
abrupten Temperaturabfalls durch Sensier-Vorrichtung 272 wird
das Rücklauffluid
zum Reservoir 96 geleitet.
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In
anderen Ausführungsformen,
wie zum Beispiel die in 8 dargestellte, wird Heizen
und Kühlen
des Arbeits-Fluids "on-line" mittels einer Wärmepumpe
ausgeführt,
welche als Heiz-/Kühl-Einheit arbeitet.
Eine solche Einheit, welche zum Beispiel mit Peltier-Effekt-Heizpumpen
ausgebildet sein kann, kann in einfacher Weise gesteuert werden,
um das dorthindurch tretende Fluid entweder zu heizen oder zu kühlen.
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Eine
schematische Beschreibung eines Systems in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der
Erfindung ist in 8 sichtbar. Hier wurden wiederum
gleiche Bezüge
zu den in der Beschreibung verwendeten mit einem Index "300" benutzt, wobei der
Leser auf die vorherige Beschreibung zur Erläuterung ihrer Funktion verwiesen
wird. Steuerung 394 ist mit einer Anzeige 311 ausgebildet,
um die registrierten Parameter anzuzeigen, zum Beispiel gemessene
Innentemperatur, die gemessene Hauttemperatur, die Soll-Innentemperatur,
Strömungsrate,
Fluidtemperatur und so weiter. Zusätzlich ist die Steuerung mit
einer Steuerschalttafel 312 und einem Prozessor 313 ausgebildet.
Der Prozessor 313 empfängt Datensignale
von allen Sensier-Vorrichtungen (Innentemperaturmessvorrichtung 364,
Hauttemperatur-Messvorrichtung 362,
eine optionale Infrarot-Hauttemperatur-Messvorrichtung 314 und
weiteren). Zusätzlich
empfängt
der Prozessor auch Temperaturdaten auch von Einlass- und Auslass-Fluidtemperatur-Sensiervorrichtungen 370 und 372 und
in Heiz-/Kühlvorrichtung 315 mittels
eines Sensors 316 registrierter Temperatur. Vorrichtung 315 kann
zum Beispiel eine Peltier-Effekt-Heizpumpe sein, wie sie an sich
bekannt ist. Zusätzlich
steuert die Steuerung die Strömungsrate
der Pumpe 308 über
eine Steuerleitung 317 und steuert die Temperatur der Vorrichtung 315 über Leitung 318.
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Auf
der Basis der verschiedenen von dem Prozessor registrierten Datensignale
und des Implementierens verschiedener Algorithmen, welche in Übereinstimmung
mit der allgemeinen Lehre der Erfindung gestaltet sind, zum Beispiel
die weiter unten als Beispiel dienende, kann die Strömungsrate
des Fluids und/oder die Temperatur des Fluids gesteuert werden.
Verschiedene Servoschleifen können
mittels Prozessor 313 für
die richtige Steuerung der verschiedenen Parameter implementiert
werden.
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8 zeigt
einen Algorithmus anhand eines Blockdiagramms der verschiedenen
Rechenschritte des Algorithmusses, welcher in einem Prozessor in Übereinstimmung
mit der Ausführungsform
der Erfindung arbeitet. Im Gegensatz zu vorherigen Figuren weisen
die in dieser Figur verwendeten Bezugszeichen keine Beziehung zu
zuvor verwendeten Bezugszeichen auf.
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In
einem ersten Entscheidungsschritt 410 wird das System initiiert
und die Integrität
wird geprüft.
Falls das System einen Fehler erkennt, in irgendeiner seiner Komponenten,
wird eine System-Abschalt-Sequenz 412 veranlasst. In diesem
Initiierungsschritt werden die verschiedenen Betriebsarten eingestellt.
Diese können
automatische, nur Heiz- oder nur Kühl-Betriebsarten sein.
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Andere
Parameter, welche durch den Nutzer eingestellt werden können, sind
die minimal und maximal erlaubte Temperatur der Wärmeübertragungsflüssigkeit,
welche typischerweise Wasser ist, um Gewebeverletzung zu vermeiden,
als auch Unbehagen des Patienten, insbesondere wenn keine allgemeine
Anästhesie
vorliegt.
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In
den nächsten
zwei Entscheidungs-herbeiführenden
Schritten 414 und 416 wird die tatsächliche
Wassertemperatur (in der Figur bezeichnet als "Wasser-Temperatur") vergleichen mit der maximal zulässigen Wassertemperatur
(hohe Temperatur) und mit der minimal zulässigen Wassertemperatur ("niedrige Temperatur"). Falls in Schritt 414 die
Wassertemperatur als oberhalb der Hoch-Temperatur-Schwelle festgestellt
wird, wird eine Kühlsequenz 418 initiiert,
und falls das Wasser in Schritt 416 als zu kalt festgestellt
wird, wird eine Heiz-Sequenz 420 initiiert.
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Beim
nächsten
Entscheidungsschritt 422 wird eine Betriebsart basierend
auf der Eingabe des Nutzers ausgewählt, zwischen nur Kühlen-Betriebsart,
nur Heizen-Betriebsart oder automatische Betriebsart, jeweils mit 424, 426 und 428 bezeichnet.
Im ersten Entscheidungsschritt 430 der Heiz-Betriebsart wird
die Körperinnentemperatur
("Innen-Temperatur") verglichen mit
der Soll-Körper-Innentemperatur ("Soll-Wert"). Wo die Körperinnentemperatur
als oberhalb des Sollwertes festgestellt wird, wird das System veranlasst,
in einen Stand-By-Betrieb 432 zu gehen, wobei nämlich die
Heiz-Funktion beendet ist. Während
der Stand-By-Betriebsart
wird die Innentemperatur kontinuierlich gemessen und mit dem Sollwert
verglichen.
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Wenn
die Innentemperatur als unterhalb des Sollwertes festgestellt wird,
wird die Wassertemperatur mit der Hoch-Temperatur bei 434 verglichen,
und falls die Wassertemperatur unterhalb der Hoch-Temperatur ist,
wird die Heiz-Betriebsart 420 initiiert.
Falls die Wassertemperatur als oberhalb der Hoch-Temperatur festgestellt
wird, wird das System wiederum veranlasst, in eine Stand-By-Betriebsart 432 zu
gehen.
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In
dem ersten Entscheidungs-herbeiführenden
Schritt 440 der Kühl-Betriebsart 424 wird
die Körper-Innentemperatur
mit dem Sollwert verglichen, und falls er als unterhalb des Sollwertes
festgestellt wird, wird das System veranlasst in die Stand-By-Betriebsart 432 zu
gehen. Falls die Innentemperatur unterhalb des Sollwertes ist, stellt
das System fest, ob Gefäßverengung
der Haut aufgetreten ist 442. Falls keine Gefäßverengung
vorliegt, schreitet die Kühlbetriebsart
in einem nächsten
Entscheidungs-herbeiführenden
Schritt 440 fort, wo die Wassertemperatur mit der minimal
zulässigen
Temperatur vergleichen wird. Falls die Wassertemperatur geringer
ist als die niedrige Temperatur, wird das System veranlasst, in eine
Stand-By-Betriebsart 432 zu gehen, und falls sie darüber liegt,
wird die Kühl-Sequenz 418 initiiert.
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In
Schritt 442 wird, falls das Auftreten von Gefäßverengung
festgestellt worden ist (das heißt, geringe Wärmeleitfähigkeit
zwischen dem Inneren und dem Äußeren),
trotz der Tatsache, dass eine Kühl-Betriebsart
vorherrscht, eine Heiz-Sequenz
initiiert. Wenn festgestellt wird, dass die Gefäßverengung beendet ist, wird
die Kühlsequenz
wieder eingesetzt.
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In
einem ersten Entscheidungs-herbeiführenden Schritt 450 in
der automatischen Betriebsart 428 wird die Innentemperatur
mit dem Sollwert verglichen, und falls sie als unterhalb des Sollwertes
festgestellt wird, geht das System zu Heiz-Betriebsart über. Falls
die Innentemperatur als unterhalb des Sollwertes festgestellt wird,
schreitet die Sequenz zum nächsten
Entscheidungs-herbeiführenden Schritt 452 fort,
und dort, falls die Innentemperatur oberhalb des Sollwertes festgestellt
wird, wird die Kühlsequenz 4 initiiert.
Falls die Innentemperatur als unterhalb des Sollwertes festgestellt
wird, wird das System auf Stand-By-Betriebsart geschaltet.
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In
dem oben beschriebenen Algorithmus ist der einzige gesteuerte Parameter
die Wassertemperatur. Es sollte wahrgenommen werden, dass in anderen
Ausführungsformen
Parameter wie zum Beispiel Strömungsrate
des Wärmeübertragungsfluids auch
gesteuert werden können.
Zusätzlich
können verschiedene
andere Parameter, wie zum Beispiel Bluttemperatur, auf der Basis
von von der künstlichen Herz-/Lungen-Vorrichtung
importierten Daten, in der System-Ausgabe berücksichtigt werden.
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Es
ist begrüßenswert,
dass die Feststellung des Auftretens von Gefäßverengung auf einer Vielzahl
von Parametern basiert werden kann, wie es oben in der Beschreibung
festgestellt worden ist, wobei von von einer oder mehreren der oben
beschriebenen Sensier-Vorrichtungen empfangenen Daten Gebrauch gemacht
wird.