冷却大脑并诊断和治疗胶质母细胞瘤的装置和方法与流程

冷却大脑并诊断和治疗胶质母细胞瘤的装置和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术根据35 usc 119要求于2019年9月25日提交的序列号为62/905,996的美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请通过引用并入本文。
技术领域
3.所示出的实施例是针对一种独特入路以安全且快速地将大脑快速冷却至深低体温(20摄氏度至25摄氏度，使用冷却至1-10℃的人工脑髓液(acsf))，用于在大脑缺乏血液循环的情况下预防大脑死亡，包括如由于心肌梗塞、中风以及放血所致的心脏停搏的疾病。


背景技术：

4.五十年前，罗伯特
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怀特(robert white)教授证明，当绑住脖子上所有主要的血管，在血液循环没有到猴子的大脑达一小时的情况下，将猴子的大脑冷却到15摄氏度将保护大脑的结构和功能。当围绕所有颈部血管的绑带在一小时之后被释放时，给予猴子返回室温的时间，在此之后测试显示记忆、问题解决和运动活动没有恶化。
5.现在，怀特教授的新工作成果目前已被心胸外科医生成功地使用，他们用主动脉假体修复主动脉弓，诸如在具有如图4中所描绘的具有主动脉夹层的马凡氏综合征的情况下。在几乎没有血液到大脑的情况下，如果他们将大脑预冷至10摄氏度，则他们可以获得30分钟的操作时间。通过将极冷的盐水引导到锁骨下动脉中，他们可以达到大脑中的这个温度。这是相当成功的，结果是预防脑损伤而没有丧失记忆或功能。图4凸显了解神经学和神经外科之外的广泛医学文献的重要性。在1975年，格里普(griepp)等人在心胸文献中首次报道，在用心肺转流术将脑温度降低至深低体温后的情况。他们用主动脉弓的替换而成功地保留了脑功能，尽管他们的患者中有心脏停搏。对于此类手术，常见的医疗实践是包括深低体温以在没有血液到大脑的30分钟或更长时间内将大脑置于“暂停生命”。
6.通过将大脑的温度降低到极端低体温，大脑可以被置于暂停生命的状态，尽管没有血流。在柳叶刀(355(9201)375-376)中报道了一名29岁的放射科医生安娜
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博根霍尔姆(anna)在意外淹没已经以平的心电图方式被冻僵至13.7摄氏度。在苏醒并恢复至正常体温后，她完全恢复了所有心智能力。在2019年11月报道了，具有国防部资金的塞缪尔
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蒂瑟曼(samuel tisherman)md通过使用冷冻的盐水进入脑血管循环，而通过将脑冷却至极端低体温来治疗严重受创伤的患者。低体温两小时后，他能够完成手术修复，然后使患者复活。
7.已经报道落入结冰的湖中的儿童在极端以低体温形式淹没1小时或更长时间之后存活而没有明显的大脑损伤—在类似挑战性的情况下，成人将不会存活于结冰的水中，因为儿童可能具有开放的囟门以及更薄的颅骨允许快速冷却大脑。现今，将处于缺血性脑损伤的危险中的婴儿和儿童用中度至轻度低体温进行治疗，与不降低其全身温度的儿童相比，这些婴儿和儿童具有增加的存活率以及更少的脑损伤。
8.许多报道已经研究了在心脏病发作的情况下使用轻度至中度低体温，将体温降低
至仅33摄氏度，其中在结果分析中具有不同的成功报告。将体温降低到小于33摄氏度可导致心律失常(由于对心室的有害影响)，以及出血问题(由于血小板聚集的中断导致出血)。
9.在存在到脑的血液中断的情况下，在存在不可逆的脑损伤之前我们可能仅有几分钟。虽然心肺复苏(cpr)已经是用于心脏停搏的标准治疗，但是即使成功的病例可能导致具有重大残疾的脑组织的中风。除了心脏停搏之外，大中风和放血是主要威胁生命的问题，这些问题需要在大脑血液循环不足的前几分钟内进行治疗。难怪军方急于寻找在循环停滞的情况下，延长大脑存活一小时或更长时间的方式。这种对延长“黄金时间”的方法的搜索将给治疗医师机会以处理紧迫的问题及其原因。如果大脑可以以暂停生命的方式放置一个小时或更长时间，这将引起病人的医疗护理的模式转换，其中该病人被紧迫的大脑死亡威胁！如果可以通过快速且有效地利用深低体温来保护大脑免于缺血性损伤，则循环的恢复和受伤的器官和组织的修复将是可能的。给一个小时而不仅仅是五分钟的时间，治疗医师将有机会挽救患者。


技术实现要素：

10.在深度低体温(＜14摄氏度)范围内，此类低体温可以使用以人工脑脊液(acsf)冷却大脑的技术来实现。虽然经受临床改进，就本专利而言，与“深低体温循环停滞”(dhca)的外科手术技术一致，使用“深”低体温的目标温度范围。提出了在接近大脑的深低体温时这一模式转变的历史回顾、当前工作和基本原理的综述。
11.本发明的说明性实施例提供用于预防脑死亡的设备和方法，该脑死亡是由于到大脑颅内的血液循环中断引起的，该颅内的血液循环中断是由于心脏停搏、中风、由于放血引起的失血以及其他原因引起的。通过选择性地冷却大脑，可以在没有循环血流的情况下将大脑置于“暂停生命”一小时或更长时间。代替仅5分钟来挽救即将发生的脑死亡的患者，治疗医师将具有一小时或更长时间来挽救患者的生命。通过直接冷却脑脊液，冷却大脑是可能的，而不使用通过向连着大脑的主动脉或大血管进行插管直接进入脑血管循环。对循环插管所需的时间使得其难以快速进行，并且全身冷却的问题可能导致心律失常和出血。
12.因此，快速冷却大脑的模式转变需要新的方式。说明性实施例的设备是必需的，以便安全、精确地和无损地快速进入小脑延髓池。因为可用于将针插入脑中的第一人可能是护理人员，所以操作必须是充分证明的、易于使用的、并且快速施用的。一旦就位，针必须固定到稳定的解剖部位，并且针的锋利的切割尖端必须改变其形状以防止对小脑延髓池和脑干中的脑组织的损伤。在战场情况下，当护理人员使用时，用于进入诸如股动脉等的大血管的类似针系统的设计必须安全且快速地完成。
13.用于通过小脑延髓池冷却大脑的方法
14.安全、准确性和速度是示出的实施例的特点，以在处理具有将导致脑死亡的到大脑血液循环的急性中断的患者的紧急情况下快速防止脑死亡。临床上，在手术期间，大脑可处于假死状态，以将冷冻盐水通过到锁骨下动脉的旁路而泵入大脑，以取代夹层主动脉瘤。这在全世界在人类中相当成功地完成。
15.我们的实验室研究证明，实验动物中的大脑可以快速冷却到深低体温，或甚至降低到极度低体温。通过使得冷却的人工冷却物(acsf)围绕大脑循环而快速冷却脑脊液(csf)，通过标定底池内的血管以及蛛网膜下隙内的大脑从而也将会引起冷却中枢神经系
统(cns)。我们已经发现，通过从在后方的头颈接合处或从乳突骨下方的侧向入路进入小脑延髓池可以快速且安全地实现进入蛛网膜下隙。由于进入的针接近脑干和椎动脉，这必须在如下直接可视化下完成：所述直接可视化使用通过针和在针周围的超声方向。必须在前额(靠近发线)放置排放口，以将acsf从头部抽空并且允许对流冷却。这个排放口是针对环钻的新设计，该环钻是被快速插入的、是稳定的、免受对大脑的伤害、是被准确放置的、并且是由单个人半自主地完成的。与在患者仰卧时枕骨附近的后方较冷的流体的温度不同，在额叶附近的出口流体较热。蛛网膜下隙在老年患者中相对较大，具有较大体积的acsf提供有更大的冷却效果。
16.一种不同的配置允许acsf离开环钻并且再循环到小脑延髓池中。排放口开口连接到无菌排出系统或连接到泵系统以再循环acsf，该acsf经由来自前额中的管的信息控制以用于温度和压力测量。监控出口acsf的温度以及在小脑延髓池处进入的温度。冷却系统集成了制冷单元和蠕动泵。如果使用封闭系统，则过滤器系统与封闭系统串联以从脑的前部流体离开的路径移出碎片和污染物以及传染性病原体；由此，将发生对流冷却，引起大脑快速更好地冷却。通过对流冷却产生的虚拟“泵”将用作颅骨内的附加“马达”以促进快速冷却。
17.实际上，再循环冷却的acsf处于封闭且无菌的系统中，该系统将冷却小脑延髓池和蛛网膜下隙内的大脑的结构。提供初始冷却给大脑基部处的血管，由此通过冷却的血液循环通过大脑组织。冷却的acsf将直接冷却大脑的基部和包括记忆的重要结构。从那里冷却的acsf将经过蛛网膜下隙内的大脑周围。在仰卧位置，在枕骨附近的冷却的流体与出口流体所在的大脑前部处的温暖流体之间存在温差，因此，将发生对流冷却，以引起大脑快速更好地冷却。通过对流冷却产生的虚拟泵将用作颅骨内的附加泵以促进快速冷却。
18.虽然为了语法流畅性已经或将要对设备和方法进行带有功能性解释的描述，应明确理解的是，除非根据35 usc 112明确表述，否则权利要求不应被解释为必须以任何方式通过“方法”或“步骤”限制的构造来限制，但应根据司法等同原则来给予由权利要求提供的定义的含义和等同物的全部保护范围，并且在35 usc 112下明确制定权利要求的情况下，根据35 usc 112给予全部法定等同物。现在通过参照以下附图，本公开可以被更好地可视化，在附图中相同的元件由相同的附图标记指代。
附图说明
19.图1为示出了具有泵和冷却器的冷却系统的元件，该泵和冷却器通过小脑延髓池中的固定针给予人工脑脊液(acsf)，使冷却的acsf通过底池、通过颅骨周围的蛛网膜下隙循环，并排放至无菌容器的人头部的简化侧剖面示意图。
20.图2为示出了acsf从颅骨中的出口端口再循环到泵、过滤器和冷却系统，并且然后通过在小脑延髓池的固定针再次进入蛛网膜下隙的人头部的简化侧剖面示意图。
21.图3为示出了特别设计的单元，半自动环钻，其被置于颅骨中和蛛网膜下隙中，用于在acsf已经循环通过蛛网膜下隙之后使acsf出去的人头部的简化侧剖面示意图。其还包括温度传感器和压力监控器。
22.图4为在马凡氏综合征(marfan’s syndrome)的夹层主动脉瘤的现有技术外科手术修复中使用的假体的示意图，该假体使用要求使用深低体温以防止脑死亡的当前技术，
证明自1975年以来，全世界已经成功地使用通过冷却大脑的“暂停生命”。
23.图5为示出了一种用于从侧向入路进入小脑延髓池的新技术的人类头部的简化侧剖面示意图，其首先在2018年报道使用不同入路，该新技术具有与乳突骨相邻以用于将针定位和固定到骨解剖位置的优点。
24.图6为示出了通过将针通过腰椎穿刺将针插入小脑延髓池和脊椎管的蛛网膜下隙中来冷却脊髓的入路的人体的简化侧剖面示意图。通过将冷却的acsf循环到小脑延髓池内并且将其引导出腰椎穿刺，泵/冷却系统将引导acsf从脊椎管上流下。根据情况，可将冷却的acsf引导到腰椎穿刺针中并从小脑延髓池针离开。
25.图7为示出了人体的简化侧剖面示意图，其中示出了通过使用冷却的acsf在小脑延髓池的进入点以及引导流出的且在颅骨的出口端口和下面的腰锥穿刺两者来冷却大脑和脊髓两者的方法。
26.图8为示出了人类头部的简化侧剖面示意图，其中示出了当患者仰卧时使用对流冷却以更迅速地冷却大脑的优点，其中冷的csf在下方并且较暖的csf在上方，产生引起大脑甚至更快地冷却的附加的“运动”效果。
27.图9为相控阵超声装置在2mm直径插管内(在17号针内)的部件示意图，其包括针、电子接口单元和便携式手持监控器。
28.图10为图9的超声装置的传输和接收端的示意图，其示出了在相控阵成像中使用64个或更多个元件、高达30度或更多度的视场和高达2.5cm的穿透度。
29.图11为示出了使用诸如镍钛诺等的温度敏感合金的概念的超声针的终端在不同时间的立体图。在由针穿透进入小脑延髓池之后，进入针的冷却的acsf将引起其形状改变，使得切割边缘变钝，其中尖端变钝。此外，温度敏感合金可使尖端再成形以允许acsf流动以在神经组织上产生较少的湍流和直接流动。
30.图12为人类头部的简化侧剖面示意图，其示出了“颅骨盖”，该“颅骨盖”将适合于像外骨架一样的，以给予超声针单元固定和稳定的。
31.图13为人类头部的简化侧剖面示意图，其示出了使用提供半刚性单元以为针提供支撑和固定的从前额至上颈椎的带。它足够结实以允许附接至图14中描述的伺服马达系统。由环钻中的螺钉提供的在前面的固定被固定在额骨。在后面的固定点充当在头部和上部颈部上面的像“颅骨盖”或类似装置的牢固适配外骨架，以给予超声针进入颈部并且进入小脑延髓池的稳定性和精确性。
32.图14为可以半自主地或机器人地将相控阵超声针插入图15中描述的小脑延髓池或股动脉中的系统的示意图。一旦针进入适当位置，来自相控阵超声针的信息被发送到微处理器/人工智能单元，然后发送到控制针插入至目标部位的伺服马达。这需要牢固和稳定的固定单元，如图13所示。
33.图15为用于定位针入口的股动脉目标部位和相关联的解剖结构的简化前剖面示意图。
34.图16为示出了当相控阵超声插管从股动脉进入主动脉时的轨迹的主动脉的示意图。在30度范围的视野和高达2.5cm的穿透度下，主动脉的气囊填塞变得更精确并快速执行。
35.图17为具有中心套管针的中空环钻螺钉的一系列侧平面图和两个侧剖视图，当移
出中心套管针时，中心套管针将留下锥形通道，用于安全地、精确地且以良好的固定将超声探头准确地放置到蛛网膜下隙中。一旦就位，该环钻螺钉允许从蛛网膜下隙移出脑脊液。
36.图18为示出环钻装置单元的放大图，该环钻装置单元容纳四个或更多个换能器以将超声信息提供给微控制器，该微控制器半自主地控制伺服马达以引导螺钉穿过颅骨以将螺钉牢固地固定至骨并且一旦螺钉进入蛛网膜下隙就使螺钉停止。
37.图19为人类头部的简化侧剖面示意图，其示出了图10的装置，即，包括具有64个或更多个元件的2mm内径针的超声针，所述元件能够表征与正常组织行成对比的肿瘤组织特性。仪表化的超声针将信息提供给图像、以引导针的半自主或机器人插入、以及以治疗胶质母细胞瘤肿瘤。超声换能器在肿瘤附近的针的尖端处产生能量。在肿瘤预处理之后，相同的针允许各种治疗模式的微升支配。在施用药物之后，超声针尖对组织成像以确定治疗效果相对于正常脑组织的位置。
38.图20为示出了图14和图18的装置的组合的人类颅骨中的插入部位的侧剖面图，所述装置的组合包括具有超声针单元的环钻单元，以将针小心地引导到蛛网膜下隙中并将针固定在适当位置以用于组织诊断、以映射大脑组织以及形成超声针进入大脑中的轨迹。
39.图21为具有2mm直径并且适配在周围螺钉内的3mm至4mm中空锥形空间内的超声针的侧剖面示意图，提供足够的自由度以使用高精度的半自主或机器人系统精确地放置超声针。
40.图22为示出了外骨架如何可以用于治疗身体中其他地方的实体瘤的人体的立体图的示意图。从激光扫描数据或从诸如mri或ct扫描等的其他成像数据，可迅速产生外骨架的三维打印以用最小的移动牢固地和精确地适配。这将给出用于固定环钻和/或超声针单元的实体基础设施，以精确地进入身体并且标定肿瘤至肿瘤附近1mm内，从而用超声能量诊断和治疗并且以高精度对肿瘤施用治疗药物，并且监控对肿瘤和周围正常组织的影响。
41.图23为在人类乳房上使用外骨架以将稳定性和精确度提供给半自主或机器人单元，以将超声针引导至乳房肿瘤的1mm内的侧剖面图的示意图，其中，其可以以对正常组织的最小伤害来诊断、标示和治疗肿瘤。
42.图24为在动物研究中使用的猪的斩首的头部和颈部的矢状图。该ct扫描确认了小脑延髓池针的位置和由白色箭头表示的热敏电阻的位置。
43.图25为在图24中描绘的猪实验中测量的温度相对于时间的曲线图。
44.现在，通过转向优选实施例的以下详细描述，可以更好地理解本公开及其不同实施例，这些优选实施例被呈现为在权利要求中限定的实施例的说明性示例。应明确了解，由权利要求书限定的实施例可以比下文所描述的说明性实施例更宽广。
具体实施方式
45.动物研究：
46.由于经由腰椎穿刺对大脑进行冷却的无效的先前尝试，位于大脑基部的小脑延髓池被选择为冷却装置的入口点。由于脊椎管中的循环血管的温暖，通过脊椎管进入导致acsf的温度升高。通过进入最大池，小脑延髓池，17号针可置于蛛网膜下隙中，并用于将冷却的生理盐水通过前额中的排放口循环出来。使用这种方法，对超过50只最近死亡的猪进行的最初工作提供了有希望的结果并且鼓励了体内测试。
47.为了体内测试，我们的方式是与放置在大脑的不同深度(5mm增量)处的热敏电阻相结合，以监控组织的温度，并且因此监控如图24的ct扫描中所描绘的循环冷却的acsf的影响。在体内实验期间收集的大脑温度证明，在全身麻醉下，在大动物模型内用流入大脑的温血可以实现冷却大脑。此外，一旦样本在15：35时用依他沙醇(euthasol)终止，就在没有血流的情况下监控脑温度。图25的图表表明，终止来自心脏温血的流入会导致大脑的附加的冷却。这些结果与我们的假设一致：当试图用冷却的acsf冷却大脑时，有必要考虑进入的血液的温梯度。图25是从监控在全身麻醉下猪模型的大脑温度的四个植入的热敏电阻收集的数据以及我们提出的诱导低体温的方法论的图表。每个热敏电阻以5mm的增量放置在大脑的距表面四个不同深度处的皮层内。水平条指示以ml/min计的泵速度。在前10分钟内，温度下降至15℃。在15：35时终止样本之后，温度继续降低直到实验结束。
48.相反，这种全新的系统是针对紧急情况的极端情况设计的，专门针对正在经历休克或几乎没有血流至大脑的患者。这些情况将是更有利的，因为将最小化来自循环血液的热量，使得冷却大脑甚至更容易并且因此使干预的时间最大化。
49.来自我们体内研究的结果给予我们通过冷却csf直接来冷却大脑的方式的支持，并允许对流冷却以提高神经元所位于的皮层附近的蛛网膜下隙中的冷却效果。此外，由于来自小脑延髓池的csf流在大脑基部开始，因此记忆环路的冷却被早期冷却。由于椎基底动脉的循环邻近小脑延髓池，因此将存在循环血液的冷却而不对任何血管插管，从而引起深层结构的附加的冷却。
50.我们已经在我们的活动物研究中证明了如图1所示的冷却系统的功效。最重要的警告是，一旦针被插入，它必须立即被固定以便防止超声针3重新定位在小脑延髓池1外部。acsf在冷却器7中冷冻到1℃至10℃范围内的温度，由泵8承载，通过过滤器9并进入小脑延髓池1中的针3内。冷却的acsf在整个蛛网膜下隙2中的流动对于在不同层次处冷却大脑是非常有效的，尤其是在灰质的较易受伤的神经元所驻留的皮层表面处有效。在老年患者中，蛛网膜下隙2容量更大，因为大脑随着年龄的自然收缩，引起大脑更快速地暴露于冷却效应，其中在循环中具有较大体积的acsf。在小脑延髓池1中的冷却的acsf靠近基底动脉和脑底动脉环(circle ofwillis)的循环，其将对中心结构，特别是对促进记忆的大脑区域具有附加的冷却效果。注意，冷却系统最初可以是化学冷却，这是在紧急情况下更加简化和有效的方法。此外，如果治疗不一定要冷却大脑，而是要改变温度到较暖的状态，则可以在类似的系统中利用冷却器和/或保温器，以产生用于灌洗剂的适当温度。提供热敏电阻来监控如下的蛛网膜下隙2内的温度：在通过环钻4在颅骨前部中的acsf 5的出口处、以及在进入小脑延髓池1的入口处。颅内压压力计监控颅内压。
51.所公开的设备和方法提供了一种通过使用深低体温迅速冷却大脑以防止大脑死亡的成功且安全的方式。针3安全、快速和精确地置于小脑延髓池1中以使冷的人工脑脊液(或其他等渗溶液)循环到颅内和蛛网膜下隙2内。通过降低人工脑脊液(acsf)的温度并使其围绕底池血管循环，大脑的循环将被冷却。一旦冷却的acsf通过计算机控制的蠕动泵到达蛛网膜下隙2，尤其是在大脑的后部，对流冷却将开始，因为将使得出口穿过额骨用于较暖的流体的离开。如图1所示，出口acsf然后将被无菌收集。
52.可替代地，它会在身体外部被冷却和过滤并且如图2所示再循环回到插入的针3中，该插入的针将牢固地置于小脑延髓池1中。在图2中，acsf10从颅骨中的出口端口再循环
到泵需要过滤系统9以在acsf再次进入小脑延髓池1之前从acsf中除去传染因子和碎片。在无菌环境中再循环acsf 10具有许多优点：更容易维持无菌环境；冷却更有效；在紧急情况下需要较少的acsf；可以产生空间和供应的效率。插入的针3将固定到头部和颈部的如图12和图13中描述的稳定结构，以防止针尖在小脑延髓池1内移动。
53.图12示出了在进入小脑延髓池1之后固定针尖的方法的一个配置，包括使用放置在后头部和颈部上的外骨架24，以给予超声针正确插入到小脑延髓池1中的固定、稳定性以及精确性。乳突骨和/或外耳道将是固定的后点，而额骨中的环钻螺钉将是固定的前点。“颅骨盖”将适合于像外骨架24一样的，以给予超声针固定和稳定性。
54.图13表示在进入到小脑延髓池1中之后固定针的第二实施例。它包括在环钻处围绕前额放置的牢固带的使用，环钻被牢固地拧入额骨25中并且该牢固带围绕上颈椎行进而不引起对耳朵的压迫伤害。外耳道将用作为使带位于适当平面的参考点。当针进入小脑延髓池1时，它给予针稳定的固定。此外，如果伺服马达系统用于半自主地或自动地将针引导和移动到小脑延髓池1中，其将需要稳定且固定的基部，其将从该基部引导针，诸如图12中描述的“颅骨盖”外骨架24。
55.冷却的acsf在蛛网膜下隙中的这种循环快速冷却整个大脑，包括在大脑基部的结构以及在大脑的外表面上的灰质。
56.在图3中，在颅骨中计划单个开口以使从蛛网膜下隙2循环的acsf离开，并且如果患者仰卧，最好朝向额叶放置该开口以利用如图8所示的对流冷却。具有中空螺杆的半自主或机器人环钻4用于抽空图18中的流体。温度传感器11通过同一开口给出关于冷却深度、冷却效能和冷却速率的反馈。压力传感器(未示出)也将是必需的，以防止在施用acsf期间具有过高压力的脑损害。了解进入小脑延髓池1和离开出口点4的流体的温度以及流速将给出冷却速率以及冷却效能。图8解释了对流冷却13在acsf进入小脑延髓池1并且在患者仰卧的情况下沉降在头部的枕骨区后对acsf上的泵送作用的累加效应。由于冷的csf在下方的枕骨区中并且相对较暖的csf朝向在上方的额叶，对流冷却将发生，其中较暖的流体被抽空以排出。
57.因此，所公开的设备和方法成功地安全且快速地产生大脑的深低体温。此外，该方法也将有效地快速且安全地冷却如图6所述的脊髓以防止创伤后脊髓肿胀或保护脊髓免于缺血性损伤；经由通过腰椎穿刺针14的排放而将冷却的acsf的流动从小脑延髓池1向下改向至腰椎区域，引起脊髓的冷却。
58.心脏停搏、中风以及放血可以在5分钟内导致脑死亡，除非大脑可以快速置于暂停生命中，给予治疗医师长达一小时或更长时间以挽救患者的生命，这是由本公开的设备和方法提供的。
59.所公开的设备包括如图9和图10所描述的超声引导针3，该超声引导针具有多个元件，多个元件被配置成在进入针前方给出三维超声图像。图像和超声反馈显示在尺寸类似于移动电话的视频监控器上，使得护理人员能够快速和安全地进入大脑的小脑延髓池1。此外，针3的尖端包括如图11所示的温度敏感合金，以将其再成形以防止切割脑组织并且利于acsf通过针3的平缓流动。当在紧急情况下需要快速和安全的进入时，类似设计的针3便于半自主地进入体内的动脉和其他血管，诸如股动脉等。
60.为了通过使用深低体温来快速冷却大脑以防止大脑死亡，关键的是将针3设计成
安全、快速且准确地置于小脑延髓池1中以使冷却的人工脑脊液或其他等渗溶液循环到颅内和蛛网膜下隙2中。
61.图5示出了来自恰好在乳突骨12下方的颈部的侧面的新入路。贡(gong)等人(神经外科杂志129:146-152,2018)描述了进行了1008次穿刺的侧向寰枕间隙穿刺，其中98.3％是成功的。这具有快速插入、接近乳突骨用于固定以及高的插入成功率的优点。目前，此步骤由神经外科医生和神经放射科医生使用在现场、急诊室或手术室中不总是可用的荧光镜检查来执行。此外，在紧急情况的压力之下会发生错误，并且锋利的针尖长时间在小脑延髓池时会对大脑造成危害。因此，显然需要新的技术来进入小脑延髓池1。这在本公开中被解决。
62.对于护理人员或护士来说，乳突骨下方的侧颈可以更容易地确定位置和接近。它容易被鉴定为如图5中所示的耳朵后面的骨突出，它通常不必剃掉头发，它是固定的稳定点，并且针3的固定可以快速且容易地完成。如图9所示，超声引导针3的插入给出了手持单元(如手机)上的定向图像，其中实时显示视觉和音频信息。还描述了半自主或机器人插入。从超声针3的尖端获得的数据将该单元的尖端引导至其轨迹。
63.脊柱冷却
64.图6示出了当经受直接创伤、钝伤、震荡损伤、缺血性创伤、爆炸性暴露、以及可能危害到脊髓的血液循环的外科手术时治疗和/或保存脊髓的新方式。将冷却的acsf送到小脑延髓池1中并且引导acsf的流动15沿着脊椎管向下引起通过腰部穿刺针14的排放。类似于冷却大脑，冷却脊髓可通过将acsf泵送到小脑延髓池1中并排放至排出瓶来完成。通过使用串联的泵、过滤器和冷却器将acsf从腰椎穿刺针14再循环回到小脑延髓池1，模拟用于大脑冷却的技术。根据流体动力学和需要冷却的脊髓上的位置，可通过腰椎穿刺针14启动冷却，并通过小脑延髓池1排放到上方。
65.图7涉及当大脑和脊髓两者都需要同时冷却时的情况。这样的情况可以包括主动脉瘤的广泛解剖、爆炸性和震荡性创伤、以及其他的暴露于创伤诸如辐射暴露。通过从小脑延髓池1冷却，脑和脊髓可被冷却的同时通过从头部和腰部穿刺部位中的排放口排出冷却的acsf。
66.防止尖锐针尖切割大脑
67.为了防止针3的锋利尖端刺穿或伤害小脑延髓池1或在脑干、脊髓和大脑中的其他神经组织，针3的尖端由形状记忆合金制成，该形状记忆合金在温度变化至如图11所示的预定范围时改变其形状。除了去除针尖的锐度之外，出口可被重新定形状以使冷却的acsf的流出最大化，同时改善可能损伤邻接的神经组织的流动模式。镍钛诺是由美国海军开发的一种可变形的合金并且代表镍钛合金，并且它具有热记忆。
68.图11示出了在针的切割尖端处使用诸如镍钛诺等的温度敏感合金的概念。在锋利的尖针21穿透进入小脑延髓池1之后，针的轴必须牢固地固定在那个确定的位置处。移除插管并通过针轴给予冷却的acsf，引起切割尖端重新成形为钝化尖端22而没有锋利边缘。如果泵被快速给予地提升到更高的体积，重要的是为针轴的端部设计新的形状，以在acsf进入小脑延髓池1时产生acsf的平缓分散。它可以需要张开的尖端23或由计算机模拟和建模确定的其他形状。
69.在使用类似设计的针3快速进入诸如股动脉等的大血管的情况下，针3尖端内的相
控阵插管19描绘各种组织，直到针3进入动脉，而护理人员使用如图9所示的手持视频和音频单元以快速引导尖端和针3进入血管。图15示出股动脉28目标部位以及可能在插入时引起混淆的各种组织和血管。半自主单元26固定到解剖结构，该解剖结构将给予稳定性和固定用于将针插入到股动脉28中。如果关于区分动脉和静脉存在混淆，则多普勒信号告知差异。一旦针尖3处于动脉中，如果需要存在任何延长的时间，则温度敏感合金尖3在动脉血液的较高温度下改变形状以钝化任何锋利表面从而防止对动脉的损伤，如图11所示。相控阵插管16沿主动脉向上延伸，以识别周围腹部组织的血液循环以及到诸如肾、脾、胰腺、肝脏、心脏和其他器官等结构的血管，如图16所示。相控阵元件具有30度的视场，可以向前穿透高达2.5cm，并且具有如图10所示的实时3-d成像。图16示出了相控阵超声插管从股动脉28进入主动脉时的轨迹。插管具有30度的视野范围以及高达2.5cm的穿透度，从而给予它脱离主动脉的血管分支的三维实时图像。如果存在威胁生命的放血，主动脉的气囊填塞29将更精确且更快速地执行。
70.图10表明了在被配置为进行相控阵成像的2mm内径插管内的64或更大元件前面的有效三维空间。超声数据可覆盖30度的视场和高达2.5cm20的穿透深度。使用多个超声元件的相控阵在整个医疗行业中被使用。带有导液管超声系统的volcano公司系统图像具有angio tm定量冠状动脉分析，该分析自动实时计算管腔尺寸和狭窄。interson公司已经商业生产了具有可商购的硬件的小型换能器系统，使用其自身内置的电子装置来应用于心脏疾病。
71.针的机动化插入
72.半自主或机器人技术已经普遍实践了数十年并且用于自动驾驶汽车等的导航。基于雷达、相机数据和gps信息，“自动驾驶”汽车使用人工智能将汽车编程以安全地操纵其从家到工作的路线。类似地，我们利用来自针尖的三维超声信息，使用人工智能来将伺服马达编程，以引导针安全行进通过皮肤、脂肪、肌肉、筋腱和血管到达小脑延髓池。一旦在小脑延髓池中，针自动锁定就位以防止损伤神经组织。这需要专业的软件开发，所有这些已在其他行业中完成。本发明的新颖性是应用定制开发的软件，以便能够以比自动驾驶汽车高几个数量级的精度(在目标部位内大约为一毫米的几分之一)半自主地或机器人地插入针。
73.如公开于mathiassen等人的“医用超声探头插入针的视觉伺服”，(“visual servoing of a medical ultrasound probe for needle insertion”)2016国际机器人与自动化会议(2016 ieee international conference on robotics and automation)(2016年5月16日-21日)，由超声成像引导的经由皮肤的针插入在医院常规地进行。自动进行这些操作增加了放置精度并且降低了医疗保健人员执行这些操作的时间用量。自动化中的重要步骤是估计超声图像中的针取向和定位。估计针取向和定位的一种方式是使针与超声探头的图像平面对准。即使具有针和探针的精确测量和校准，针与平面的对准也是困难的。使用机器人执行视觉伺服以移动超声探头从而将探头的图像平面与针对准，这解决了针对准的问题。该方法对针进行分割并且基于针的模型更新一组视觉特征。使用状态机来保持对准过程的跟踪，并且使用不同的视觉特征来控制处于不同状态的探针。
74.在本领域中存在使用从摄像机采集的图像来引导车辆的转向、制动和加速的方法、算法和设备。例如，参见美国专利申请15/413568“自动驾驶控制装置”(“autonomous driving control device,”)和美国专利9566983“用于控制自动驾驶车辆的控制装置、自
动驾驶装置、车辆和方法”(“control arrangement arranged to control an autonomous vehicle,autonomous drive arrangement,vehicle and method”)，两者均通过引用并入本文。在我们的技术中，代替使用来自摄像机的图像，我们使用来自我们的超声探头的图像。代替控制汽车的移动，我们控制探头的移动。总的来说，概念和方式是相似的。算法将是不同的以适应不同种类的图像的使用和不同种类的致动机构的控制。进行这些调整的方法在本领域普通技术的范围内。已经公告了许多关于使用超声图像作为反馈以控制医疗装置的专利。具体地，美国专利8343050“用于高强度聚焦超声的医用超声成像中的反馈”(“feedback in medical ultrasound imaging for high intensity focused ultrasound”)(通过引用并入本文)描述了使用超声成像来检测和监控由于将高强度聚焦超声(hifu)施加至组织而引起的肿瘤组织的小变化。图像用作反馈以控制hifu的焦点、强度和持续时间。在我们的情况下，我们使用相同的超声成像技术作为反馈来控制探头的移动。算法适于控制伺服马达而不是hifu。基本原理和方式相同。
75.用于针3进入小脑延髓池1的机动化插入器需要具有人工智能的微控制器38以控制伺服马达39。伺服马达39是允许角度或线性位置、速度和加速度的精确控制的旋转致动器或线性致动器。如图14所示，其包括耦接至用于定位反馈的传感器的合适的马达。图14描绘了系统26，该系统26半自主地或机器人地将配备有相控阵超声插管的针3插入，相控阵超声插管具有连至微控制器38和微控制器引导的伺服马达39的超声数据反馈单元37。一旦医学专家将针3的轨迹设定在其到目标(小脑延髓池1)的路径上，超声数据反馈单元37就实时引导伺服马达39以插入针3。它牢固地附接至部位上的固定装置，诸如外骨架24形状的“颅骨盖”或如图12和图13所描述的类似设备，并且其取决于从如图9和图10所描绘的相控阵超声系统16获得的超声数据反馈单元37的信息。伺服马达插入器26将便于在紧急情况下将针3快速、准确和安全地插入小脑延髓池1中。图9示出了用于通过使用已知技术以在针的尖端处的独特适配引导针穿过皮肤到达小脑延髓池1的装置。通过在切割针(17号针)16内使用2mm直径的插管，图10中所示的64个或更多个超声元件19用于产生相控阵超声像场20。通过使用光栅图形，在手持便携式监控器18上实时呈现三维图像。接口单元17将超声数据转换成待显示的成像信息。由监控器18提供的视觉反馈和听觉反馈都帮助将针插入到小脑延髓池1中。此外，为了插入的更容易和精确，可以描绘出小脑延髓池1的形状。如下文关于图12和图13更详细描述的，一旦针3固定到稳定部位，插管16从小脑延髓池1移出，以允许施用冷却的acsf。在将相控阵针插入到股动脉中的情况下，插管16可被引导到主动脉中以使主动脉中的许多血管分支可视化。
76.图22示出外骨架36如何可用于治疗身体中别处(诸如乳房中)的实体瘤。根据激光扫描数据或者根据诸如mri或ct扫描的其他成像数据，可以迅速产生刚性外骨架的三维打印，从而以最小的移动牢固地和精确地适配进入或操作部位。这将给出用于固定环钻单元33和/或超声针3的实体结构，以精确地进入身体并且标定肿瘤34至肿瘤34附近1mm以内，从而用超声能量诊断和治疗，并且精确地向肿瘤34施用治疗药物以及监控其对肿瘤和周围正常组织的影响。
77.图23示出了如紧密固定至乳房以给出稳定性和精确度的图22的外骨架36的用法。然后，将超声针3精确地引导至肿瘤34的1mm以内，以诊断组织并精确地对肿瘤34进行治疗而不损伤周围的正常组织。
78.在将针3插入到股动脉中的情况下，相控阵超声系统将给出解剖信息以便于识别股动脉与股静脉的区别。此外，如果不能感觉到股动脉的脉搏，则来自超声系统的解剖信息将更好地确定股动脉的位置。待插入到股动脉中的半自主超声针单元14还需要如图15所示的单元的固定，在这种情况下，固定至腹股沟韧带和/或外骨架配置中的骨突出。
79.产生环钻穿过颅骨的安全和快速插入的方法和装置：
80.为了在前额中形成出口点以供冷却的流体在acsf的灌洗期间离开蛛网膜下隙2以冷却大脑，用环钻在颅骨中的骨头上钻孔必须安全、快速、无血地和精确地由单个健康护理人员完成。该单元必须是独立的，包括“盒子”中的换能器和半自主的或机器人机动的插入装置，如在“针的插入方法”26中描述的，该盒子将附接至额骨的区域。“螺钉”30包括具有套管针31的中空轴，中空轴在内径为3mm至4mm的螺钉内，该套管针小心地拧入头盖骨中。从装置26内的换能器接收的信息控制螺钉30穿过骨头半自主或机器人插入并安全地插入到蛛网膜下隙2中。图17示出具有中心套管针31的中空环钻螺钉30，当移除套管针31时，留下圆锥形通道32，用于安全地、精确地且以良好的固定准确地放置到蛛网膜下隙2中。一旦就位，环钻螺钉30允许从蛛网膜下隙移出脑脊液。
81.用于半自主环钻单元的插入方法包括以下：在选择进入点(通常在上额靠近发线)之后，用解剖刀沿着自然皮肤褶皱中的kraissl线进行切口，从皮肤向下到覆盖额骨的皮下组织。维持无菌，将具有血管收缩剂的麻醉物注射到皮肤中，并且切口的长度在1.0mm至1.5mm之间。将自保持牵开器插入置于伤口中以提供稳定性和止血。盒子单元26和螺钉30插入该开口并固定至牵开器。半自主或机器人插入被激活并小心地引导穿过骨头进入蛛网膜下隙2中。超声数据是从附接至头皮的环钻“盒子”内的四个或更多个换能器40获得的。具有人工智能的微控制器38引导伺服马达39，伺服马达39进而将环钻拧入颅骨中。如图18中所描绘的，最终配置非常稳定并且通过额骨中的螺钉移动。
82.额骨中的螺钉30被刚性地附接、相当稳定并且良好固定。它用作一个点，在该点上，头带被带到头部的后部并且在后面附接到两个或三个点，以在将超声针插入小脑延髓池过程中提供更大的稳定性，如图13所描绘的。
83.在操作结束时，可以通过局部麻醉完成螺钉30的移出，如果需要，将骨蜡置于小的3mm至4mm开口中，并且单个缝合线穿过皮肤放置。由于切口是在kraissl线上形成的，所以存在极小的瘢痕，其中切口是在自然皮肤褶皱中。
84.此外，由于其通过产生出口端口来冷却大脑中的中心作用，所公开的方法和装置可以用于其他大脑操作中，包括用于硬膜外血肿的手术、用于硬膜下血肿的手术、以及用于立体定向颅内手术。
85.因此，本文呈现了将超声针3与环钻33组合以治疗颅内脑肿瘤、尤其是胶质母细胞瘤的方式。图18示出环钻装置单元33，该环钻装置单元33容纳四个或更多个换能器，以将超声信息提供给半自主或机器人控制的伺服马达，从而引导螺钉穿过颅骨以将螺钉牢固地固定至骨并且一旦螺钉进入蛛网膜下隙2就使螺钉停止。
86.一种诊断、定位和管理胶质母细胞瘤的新颖方式：
87.胶质母细胞瘤(最常见的内在脑癌)挑战早期诊断和治疗。从用常规成像和脑活检的诊断到在4至16个月内患者不可避免的死亡，这些患者经常经历神经手术、放射和化疗，对治愈几乎没有希望。我们拥有技术和专业知识来完成疾病的表征和诊断，也许无需通过
使用超声检查从数据中研究组织特征来进行组织的正式活组织检查。所公开的方式是将超声针微创地插入颅骨和蛛网膜下隙中以用30度视场和高达2.5cm的深度扫描大脑。来自针尖的超声波数据将对肿瘤进行三维成像，并且然后用于半自主地或机器人地将针尖插入至目标组织的1mm内。这要求伺服控制的装置的精确性和发展以环钻33穿过颅骨并且将超声针3引导至目标组织。
88.用于大脑的超声成像的当前现有技术是在头皮上使用换能器并且通过颅骨传输能量。低频换能器在通过头皮和骨的组织进行传输方面具有优势，但是分辨率较低。为了在细胞级和/或组织级具有高分辨率成像，超声换能器必须更靠近物体并具有高频成像。这造成了两难的困境。因此，理想的超声设计将具有用高频换能器穿透到疾病部位的非侵入性装置。这可以通过使穿过颅骨的环钻33开口足够小以便最小地侵入并且使用被设计成放置在针3的轮廓内的超声单元来完成。此外，使用半自主的或机器人机动化的系统精确地将超声针3插入身体的软组织中。sheehan等人的最近基础实验室研究报道了使用超声辐射来增强药物对培养物中胶质母细胞瘤细胞死亡的作用的积极作用(金伯尔希恩等人，声动力学疗法在恶性胶质母细胞瘤脑肿瘤中的杀肿瘤作用的研究，神经肿瘤期刊，148,9-16,2020)(kimball sheehan et al.investigation of tumoricidal effects of sonodynamic therapy in malignant glioblastoma brain tumors.j.neuro-oncology.148,9-16,2020)。
89.以上公开的是使用超声针26和半自主的或机器人的环钻33，其使用超出了在脑死亡的情况下冷却大脑的初始目的。该方式的基础是声音，因为它利用用于成像的针3的尖端中的元件，声音被编程为从相同针3的尖端中的相同换能器产生能量。这种用于治疗大脑的胶质母细胞瘤的方法取决于半自主或机器人超声针26与半自主或机器人环钻33接合在一起以形成独特的、精确的和稳定的平台的紧密关系。以上描述了超声针26及环钻33的设计及特性。这种技术的应用为脑的胶质母细胞瘤的诊断、定位、以及管理创造了一种新的方式。
90.此外，超声针包括在针的尖端中的2mm直径插管内的至少64个元件，其具有小于0.1mm的定义，具有30
°
的视场和高达2.5cm的深度。它不仅能够对肿瘤的形状和尺寸进行成像，而且当超声在肿瘤附近或内部穿过并且通过正常组织时也能够呈现特定组织特征。因此，可以仅利用超声波进行组织诊断。在使中空螺钉30的半自主或机器人的插入下降至蛛网膜下隙2的水平之后，移出螺钉30的套管针31并用由其自身的半自主或机器人单元26包围的超声针3替换。这两个单元充当一个单元并且被牢固地附接，从而在针26在颅腔内被更深地送给时给出极度的准确性和固定。图19示出了图10的装置的使用，即包括2mm内径的针3的超声针3，针3具有64个或更多个超声元件，这些超声元件表征与周围正常组织形成对比的肿瘤组织。超声元件将信息提供给图像、引导针3的半自主或机器人插入设备26穿过半自主或机器人环钻33、并且治疗胶质母细胞瘤34。超声换能器在肿瘤34附近的针3的尖端处产生能量。在肿瘤34的预处理之后，相同的针3将允许各种治疗模式的微升支配。在施用药物之后，超声针3然后可以对组织成像以确定治疗效果的位置。
91.超声(us)引导的活组织检查是在临床实践中常规执行的医疗操作。这个任务可以由机器人系统来执行，以提高执行的精度性并且然后提高患者的安全性。机器人操作和人类操作都极大地受益于超声图像中的针的实时定位。该信息将机器人或专家引导到正确的
目标点，避免关键结构。在mathiassen等人的“2d超声图像中的实时活检针尖估计(real time biopsy needle tip estimation in 2d ultrasound images)”，2013年ieee机器人和自动化国际会议(2013年5月6日-10日)，公开了一种能够从b模式超声图像实时提取针取向和尖端位置的针定位方法。结果显示与文献中的先前工作相比在定位准确度方面的改进。
92.如在mathiassen，“基于统计滤波的二维超声图像鲁棒实时针跟踪”，ieee控制系统技术汇刊(“robust real-time needle tracking in 2-d ultrasound images using statistical filtering”，ieee transactions on control systems technology)，2017,25(3)966-978中公开的，经皮图像引导的肿瘤切除是一种用于使用针形切除探头治疗恶性肿瘤的微创外科手术操作。通过使用机器人来自动插入针提高了准确性并减少了操作的执行时间。从超声(us)图像中提取针尖位置验证了针没有接近任何禁区(例如，主要血管和肋骨)，并且还被用作机器人插入针的直接反馈信号。先前已经开发了用于估计针尖的方法，该方法组合了经修改的霍夫变换、图像滤波器和机器学习。在超声图像中引入感兴趣区域的动态选择并且使用卡尔曼滤波器(kalman filter)或微粒滤波器对跟踪结果进行滤波的方法也是已知的。结果表明，与先前的自动方式相比，精确度显著改进并且95％的误差减少超过85％。该方法以35.4帧/s的帧速率实时运行。提高的鲁棒性和准确性使所公开的算法可用在用于针插入自主的或机器人的外科手术系统中。
93.图20是图19的一部分的放大图，示出了插入部位，并且示出了图17和图19的装置的组合，包括具有超声针单元26的环钻单元33，以将超声针3小心地引导到蛛网膜下隙2中并且将其固定在适当位置以用于组织诊断、映射大脑组织以及形成超声针3进入到大脑中的轨迹。
94.图21示出了该设计如何允许将超声针3精确地定向引导至其在胶质母细胞瘤肿瘤34处的目标。因为超声针3具有2mm的直径并且装配在周围稳定螺钉30内的3mm至4mm的空心锥形空间内，所以使用半自主或机器人系统26准确地执行超声针3的精确放置。
95.由于螺钉30内的空心芯被定形状为类似锥形，在3mm至4mm空心螺钉环钻内将存在2mm直径针的一些间隙。因此，利用半自主马达或机器人马达的控制允许针3扩展其范围以覆盖大于30
°
的区域。将紧邻超声针前面的组织成像至高达2.5cm的深度将描绘肿瘤的形状和尺寸。此外，因为可以用超声确定组织密度，将有可能从正常组织中诊断胶质母细胞瘤细胞。为了证实超声诊断，可以通过针3进行针活组织检查以用于确认。
96.如果决定用半自主或机器人控制和超声信息将针3更深地引导到脑组织中，则可以将其缓慢地和精确地放置到肿瘤34的边界或甚至在肿瘤34内。换能器然后可以被编程为在针尖3的前面产生超声能量进入肿瘤34。化疗剂、免疫疗法或其他形式的添加可以通过针尖3以良好控制的小微升体积给予。注射入组织的效果可以通过使用超声成像来寻找异常组织反应来确定。颅内压力计(未示出)示出是否存在引起颅内压增加的组织的肿胀。如果需要，然后可以应用大脑操作的低体温来冷却大脑并防止肿胀。
97.超声针的半自主或机器人插入：
98.通过使用由从针3的尖端内的64个元件获得的信息引导的伺服控制马达来完成针进入小脑延髓池的半自主或机器人插入。如图10所示，信息将具有30度范围和高达2.5cm的深度的三维空间。具有自学习算法的人工智能向图14中的装置26中的微控制器38提供机器
学习。在“针的机动化插入”下描述了半自主或机器人插入和伺服控制的马达启用。
99.螺钉环钻的半自主或机器人插入：
100.螺钉环钻33穿过颅骨到蛛网膜下隙中的半自主或机器人插入将使用伺服控制的马达(未示出)，该伺服控制的马达由从放置在头皮上的单元26中的四个或更多个换能器获得的信息引导。在图18中，信息包括骨厚度以及硬脑膜和蛛网膜的界面以及含有脑脊液的蛛网膜下隙2的超声数据。一旦控制器确定关于具有套管针21的中空孔螺钉30的适当接口，螺钉30在骨内的固定将自动完成。在“针的机动化插入”下描述了半自主或机器人插入和伺服控制的马达启用。
101.本领域的普通技术人员可以做出许多改变和修改而不背离本实施例的精神和保护范围。因此，必须理解的是，仅为了示例的目的阐述示出的实施例，并且不应被视为限制由所呈实施例及其各种实施例限定的实施例。
102.因此，必须理解的是，示出的实施例仅出于举例的目的而阐述，并且不应被视为限制所呈权利要求所限定的实施例。例如，尽管以下以某种组合阐述权利要求的元件，但是必须明确理解的是，实施例包括更少、更多或不同元件的其他组合，即使最初没有以这种组合要求保护，它们也在上文中公开。在要求保护的组合中组合两个元件的教导被进一步理解为还允许要求保护的组合，其中，两个元件不彼此组合，而是可以单独使用或以其他组合组合使用。实施例的任何公开的元件的删减被明确地涵盖在实施例的保护范围内。
103.在本说明书中用于描述各种实施例的词语不仅应理解为其通常定义的含义，而且应通过特殊定义包括在本说明书中超出通常定义的含义的结构、材料或动作。因此，如果元件在本说明书的上下文中可以被理解成包括多于一个的含义，则其在权利要求中的使用必须被理解成对本说明书以及词语本身所支持的所有可能的含义是通用的。
104.因此，所呈权利要求的词语或元件的定义在本说明书中被定义为不仅包括字面阐述的元件的组合，而且还包括用于以基本相同的方式执行基本上相同的功能以获得基本上相同的结果的所有等效结构、材料或动作。因此，在这个意义上，可以预期的是，两个或更多个元件的等效替换可以替换所呈权利要求中的元件中的任何一个，或者单个元件可以替换权利要求中的两个或更多个元件。虽然元件可以在上面描述为在某些组合中起作用并且甚至最初如此要求保护，但是应明确理解，在一些情况下，可以从组合中去除来自所要求保护的组合的一个或更多个元件，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变体。
105.如本领域普通技术人员所看到的，现在已知的或以后设计的来自所要求保护的主题的非实质性改变被明确地认为是等效地在权利要求的保护范围内。因此，本领域普通技术人员现在或之后已知的明显替换被限定在所限定的元件的保护范围内。
106.权利要求因此被理解为包括以上具体示出和描述的内容、概念上等效的内容、可以明显替代的内容、以及还有实质上结合了这些实施例的基本思想的内容。