1 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ЛОКАЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ МОЗГА В ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЕ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЭПИЛЕПТИЧЕСКИХ ПРИСТУПОВ И. Осорио 1, Г.Кочемасов 2, В. Баранов 2, В. Ерошенко 2, Т. Любынская 2, Н. Гопалсами 3 1 Флинт Хиллз Саентифик и Университет Канзасского Медицинского Центра, США 2 ООО Биофил и Российский Федеральный Ядерный Центр – ВНИИЭФ, Саров 3 Аргоннская Национальная Лаборатория (США) III Троицкая конференция МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА И ИННОВАЦИИ В МЕДИЦИНЕ 3-6 июня 2008 г.

2 Концепция замкнутой системы для предотвращения эпилептических приступов Системы телеметрического контроля и энергообеспечения Система охлаждения, костный имплантат, температурный датчик и оконечный теплообменник Основная цель проекта – разработка миниатюрной охладительной системы для охлаждения локального участка ткани эпилептогенных зон мозга таких как гипокампус и кортекс как средства предотвращения или купирования эпилептических приступов. Задачей является охладить объем в 1 куб. дюйм от 37 C до 16 C за 30 сек. Размер зонда должен быть меньше 2 мм в диаметре и длиной достаточной для достижения заданной области.

3 Оценка глубины, на которую проникает тепловая волна за время t - температуропроводность Для см 2 /сек и t = 30 сек L d 2 mm Чтобы охладить значительную по размеру область мозга, необходимо использовать много охлаждающих зондов, размещаемых на расстоянии приблизительно 2*L d !

4 7-элементный конвективный микроохладитель Цилиндрические элементы микроохладителя длиной 2 см и диаметром 1 мм расположены гексагонально симметрично плюс один в центре. Расстояние между центрами охлаждающих элементов 4.5 мм. Каждый элемент представляет собой пару коаксиальных стальных трубок. Внутренняя трубка имеет диаметр 0.6 мм.

5 Одноэлементный микроохладитель Одноэлементный микроохладитель длиной ~5 см был разработан, изготовлен и протестирован для охлаждения глубоких областей мозга, таких как гиппокампус.

6 параметрзначение теплоемкостьc = 3.6 Дж/г/град плотность = 1 г/ см 3 теплопроводность = В/см/град Скорость теплообмена с бассейном артериальной крови = В/ см 3 /град Температура артериальной крови T a = 37 C Метаболическая скорость наработки тепла = В/см 3 Начальная температура ткани T 0 = 37 C Численное моделирование Физические параметры, используемые в расчетах Для численных расчетов процесса распространения тепла в ткани мозга был разработан комплекс программ интегрирования уравнения Пеннеса с учетом теплопроводности и притока тепла в результате микроциркуляции крови и метаболизма.

7 Экспериментальные и расчетные зависимости температуры от времени для массового расхода 400 мл/час T 0 exp T 0 calc T out exp T out calc Временная зависимость температуры измерялась термопарами в водном потоке на выходе из микроохладителя и в агар-агаре приблизительно в центре треугольника, образованного тремя соседними охлаждающими элементами. время, сек Температура, C

время, сек Температура, C T 0 exp T 0 calc T out exp T out calc Некоторое различие между расчетом и экспериментом на больших временах связано, видимо, с наличием термических потоков, не учитываемых в расчетах Экспериментальные и расчетные зависимости температуры от времени для массового расхода 800 мл/час

9 Гидравлическая блок-схема портативной системы охлаждения в соединении с многоэлементным микрохолодильником 1 – 7-элементный микроохладитель; 2 – термоэлемент Пельтье; 3 – основной теплообменник; 4 – теплообменник предварительного охлаждения жидкости; 5 – пористый фильтр; 6 – перистальтический насос; 7 – танкер с жидкостью; 8 – жидкостной теплообменник, охлаждающий горячую пластину элемента Пельтье; 9 - вентилятор

10 Портативная автоматическая охладительная система 1 – корпус охладительной системы; 2 – 7-элементный микроохладитель

11 1 – корпус системы без верхней крышки; 2 – блок термоэлектрического источника холода; 3 – блок перистальтического насоса и аккумуляторной батареи системы электропитания. Фото портативной охладительной системы на последнем этапе сборки

12 Временной ход температуры охлаждающей жидкости, измеренный на входе и выходе микро- холодильника и температуры охлаждаемой среды В лабораторных экспериментах в качестве заменителя ткани мозга использовалось желе из агар-агара. Температура вне микрохолодильника измерялась игольчатой термопарой приблизительно в центре треугольника, образованного тремя соседними охлаждающими элементами.

13 Датчик измерения температуры на поверхностных акустических волнах T L t изменение температуры изменение фазы LiNbO 3 Акустическая волна Al электроды изменение длины подложки изменение времени задержки ПАВ датчик Размеры ПАВ датчика: 20мм длина, 2мм диаметр

ПАВ-датчик для измерения давления Металлический корпус ЭлектродыГаз N 2 Твердый клей Подложка из LiNbO 3 Мембрана из нержавеющей стали ПАВ-датчик представляет собой по форме полуцилиндр длиной 20 мм, корпус которого выполнен из тонкой нержавеющей стали с сечением полукруг Ø3мм. К мембране изнутри приклеивается на жестком клею кристалл ниобата лития длиной 5 мм с напыленными встречно - штыревыми электродами

15 Разработка системы телеметрического контроля датчик, стимулятор источник питания микроконтроллер Прием и передача сигналов на сенсор и стимулятор

16 1.Разработана концепция устройства предотвращения эпилептических приступов 2.Проведены оценки важнейших параметров процесса распространения тепловой волны в веществе мозга, создан комплекс программ расчета охлаждения мозга и проведены расчеты, моделирующие реальную ситуацию и лабораторный эксперимент 3.Разработаны отдельные составляющие системы предотвращения эпилептических приступов: датчик на поверхностных акустических волнах и микрохолодильник с термоэлектрическим модулем охлаждения 4.Разрабатывается система телеметрического контроля и дистанционного управления узлами устройства Заключение