Institute of Fundamental Technological Research

Kidney Cooling Jacket (KCJ) preserves the kidney graft, wrapped in the jacket, against the too fast time of temperature rise during the operation of connecting a cooled transplant to the patient’s bloodstream. The efficiency of KCJ depends on the stationarity of the fluid flow and its spatial uniformity. In this paper, the fluid velocity field inside the three different KCJ prototypes has been measured using the 20 MHz ultrasonic Doppler flowmeter. The simplified 2D geometrical model of the prototypes has been presented using COMSOL-Multiphysics to simulate the fluid flow assuming the laminar flow model. By comparing the numerical results with experimental data, the simplified 2D model is shown to be accurate enough to predict the flow distribution of the internal fluid velocity field within the KCJ. The discrepancy between the average velocity measured using the 20 MHz Doppler and numerical results was mainly related to the sensitivity of the velocity measurements to a change of the direction of the local fluid flow stream. Flux direction and average velocity were additionally confirmed by using ommercial colour Doppler imaging scanner. The current approach showed nearly 90% agreement of the experimental results and numerical simulations. It was important for justifying the use of numerical modelling in designing the baffles distribution (internal walls in the flow space) for obtaining the
most spatially uniform field of flow velocity.

multi-canal system; fluid flow prediction; cooling jacket; flow Doppler measurement

Breast cancer is one of the most common women's cancers, so an available diagnostic modality, particularly non-invasive, is important. Infrared thermography (IRT) is a supporting diagnostic modality. Until now, many finite element methods (FEM) numerical models have been constructed to evaluate IRT's diagnostic value and to relate breast skin temperature characteristics with breast structural disorder presence, particularly to distinguish between cancerous types and normal structures. However, most of the models were not based on any clinical data, except for several papers based on clinical magnetic resonance imaging (MRI) data, wherein a three-dimensional (3D) breast model was studied. In our paper, we propose a very simplified numerical two-dimensional FEM model constructed based on clinical ultrasound data of breasts, which is much cheaper and available in realtime as opposed to MRI data. We show that our numerical simulations enabled us to distinguish between types of healthy breasts in agreement with the clinical classification and with thermographic results. The numerical breast models predicted the possibility of differentiation of cancerous breasts from healthy breasts by significantly different skin temperature variation ranges. The thermal variations of cancerous breasts were in the range of 0.5 8C–3.0 8C depending on the distance of the tumor from the skin surface, its size, and the cancer type. The proposed model, due to its simplicity and the fact that it was constructed based on clinical ultrasonographic data, can compete with the more sophisticated 3D models based on MRI.

non-invasive cancer detection, Pennes' bioheat transfer equation, finite element method, breast thermography, ultrasonography

Agar-gel based materials are widely used as tissue mimicking materials. Pure agar-gel is stable up to 60◦C but exhibits small ultrasound attenuation compared to a soft tissue. To enhance the attenuation of agar-gel we fabricated samples of agar-gel with the adding of graphite micro particles (GMP), magnetic micro particles (MMP) and magnetic nano particles (MNP) with two weight fractions of dry powders added before the formation of the gel to the aqueous agar solution, namely 0.8 % and 1.6 %, respectively. In order to compare the thermal effect caused by the addition of a particles, the samples immersed in a water bath were heated by 2 MHz circular focused transducer (diameter 44 mm), with power of 1, 2, 3 and 4 W. The temperature rise curves were recorded using thermocouples. The temperature change rate (TCR) in the initial point of heating was calculated. For the 0.8 % weight fraction the MMP sample had the highest TCR value at each sound power tested, the smallest value had the MNP sample. For the 1.6 % weight fraction, the highest TCR value had the MNP sample, while the smallest TCR had the GMP sample. We stated that for the higher fraction of particles, the MNP material had the highest TCR value for all powers, and besides the difference between TCR in MMP and GMP samples was less than the difference between TCR in MMP and MNP samples. Besides, the MNP sample exhibited the minimal exposure time to achieve the temperature increment of 5◦C for all applied acoustic powers. These facts underline the unique properties of MNP material and its usefulness as a model material for ultrasonic hyperthermia experiments.

tissue mimicking materials, ultrasound hyperthermia, nano and micro magnetic particles, temperature change rate

hipotermia, transplantacja nerki, urządzenie do chłodzenia narządów

Lokalna hipertermia, czyli podwyższenie temperatury tkanki w określonym miejscu do temperatury około 44 stopni C, spowodowana absorpcją dostarczonej z zewnątrz energii, jest wykorzystywana np. w leczeniu nowotworów. Hipertermia może być wywołana przez naświetlanie skoncentrowaną wiązką ultradźwiękową lub zmienne pola magnetyczne o określonych mocach i częstotliwościach. Procedury hipertermii powinny być wstępnie kalibrowane na wzorcach tkankowych, czyli na materiałach tkanko-podobnych, aby zapewnić bezpieczeństwo termiczne żywych tkanek. W przypadku hipertermii ultradźwiękowej materiały te powinny posiadać podobne do tkanek właściwości fizyczne, w szczególności powinny w podobny sposób tłumić i rozpraszać ultradźwięki. Najprostsze w przygotowaniu i najczęściej wykorzystywane w doświadczeniach ultradźwiękowych są wzorce na bazie żelu agarowego. Domieszkowanie wzorców agarowych, na przykład, szklanymi kulkami o rozmiarach mikrometrów, jest niezbędne do uzyskanie właściwości akustycznych zbliżonych do właściwości tkanek miękkich. W pracy zbadano wpływ na efektywność hipertermii ultradźwiękowej domieszkowania wzorców agarowych nanocząstkami magnetycznymi w porównaniu do innych cząstek o rozmiarach mikrometrycznych. W tym celu zostały wyprodukowane trzy typy wzorców agarowych: z dodatkiem mikrocząsteczek grafitowych o wymiarach mniejszych niż 20 µm oraz mikro i nanocząstek magnetycznych tlenku żelaza, odpowiednio o rozmiarach 50-100 µm oraz 50-100 nm. Do nagrzewanie wzorców wiązką ultradźwiękową stosowano głowicę ogniskującą o częstotliwości 2.2 MHz z różną mocą sygnału nadawczego od 1W do 4 W. Użyto specjalnie zbudowanego stanowiska pomiarowego, pozwalającego na bardzo precyzyjne ustawienie głowicy i kontrolowanie zmian temperatury wewnątrz wzorca wzdłuż osi wiązki. Rejestracja temperatury w ciągu 5 min naświetlania z częstotliwością co 1 s odbywała się przy użyciu modułu USB-TEMP i 7 termopar. Analiza zarejestrowanych danych pomiarowych pokazała, że najefektywniejszym dodatkiem do agarowych wzorców przy hipertermii ultradźwiękowej wśród badanych typów domieszek są nanocząstki tlenku żelaza. Ich obecność wpływa mocniej na wzrost temperatury podczas działania ultradźwięków, niż obecność domieszek z mikronowych cząstek z tego samego materiału lub grafitu. Obliczono współczynnik absorpcji właściwej (ang. specific absorption rate, SAR), który mierzy efektywność hipertermii. Wartości SAR są najwyższe dla wzorców domieszkowanych nanocząstkami ze wszystkich próbek przy założeniu znajomości ciepła właściwego każdego składnika.