PL233387B1

PL233387B1 - Phantom for visualisation of distribution of temperature

Info

Publication number: PL233387B1
Application number: PL42315417A
Authority: PL
Inventors: Marek Kuna-Broniowski; Izabela Kuna-Broniowska; Piotr Makarski
Original assignee: Univ Przyrodniczy W Lublinie
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2019-10-31
Also published as: PL423154A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest fantom do wizualizacji rozkładu temperatury, której zmiana wywołana jest oddziaływaniem niejonizującego promieniowania elektromagnetycznego. Fantom ma zastosowanie w szczególności do odwzorowania zmian temperatury w tkankach ludzkich bądź zwierzęcych. Fantom umożliwia kontrolę procesu nagrzewania, towarzyszącego ekspozycji na promieniowanie elektromagnetyczne. Za odwzorowanie rozkładu temperatury odpowiedzialne są substancje termochromowe.The subject of the invention is a phantom for the visualization of temperature distribution, the change of which is caused by the influence of non-ionizing electromagnetic radiation. The phantom is used in particular to map temperature changes in human or animal tissues. The phantom allows you to control the heating process associated with exposure to electromagnetic radiation. Thermochromic substances are responsible for mapping the temperature distribution.

Spośród układów termochromowych znane są układy hydrożel - barwnik wskaźnikowy. Układy te stają się termochromowymi poprzez oddziaływania występujące pomiędzy matrycą polimeru a wprowadzonym barwnikiem wskaźnikowym. Termochromizm jest rezultatem zmiany struktury układu zależnej od temperatury.Among the thermochromic systems, the hydrogel-indicator dye systems are known. These systems become thermochromic through interactions between the polymer matrix and the introduced indicator dye. Thermochromism is the result of a temperature-dependent change in the structure of the system.

Z opisu patentowego Korei Południowej KR101431522 (B1) znany jest fantom do oceny zmian temperatury, spowodowanych na przykład promieniowaniem z urządzenia medycznego. Fantom ma postać przezroczystego lub półprzezroczystego ciała stałego i wykonany jest z substancji skupiającej wypromieniowaną energię. Substancja ta jest ponadto równomiernie wymieszana z materiałami termochromowymi. Materiał termochromowy stanowi między innymi odwracalny pigment zeolitowy, posiadający właściwości zmiany koloru w zakresie temperatur od 0°C do 80°C. Wymieszanie z substancją termochromową powoduje jednak, że partie fantomu umieszczone głębiej pozostają niewidoczne wskutek zasłonięcia ich przez termochromowe cząstki. Głęboka wizualizacja przestrzenna rozkładu temperatur jest więc utrudniona.South Korean patent description KR101431522 (B1) discloses a phantom for assessing temperature changes, caused for example by radiation from a medical device. The phantom is in the form of a transparent or translucent solid and is made of a substance that concentrates the radiated energy. Moreover, this substance is evenly mixed with thermochromic materials. The thermochromic material is, inter alia, a reversible zeolite pigment with color change properties in the temperature range from 0 ° C to 80 ° C. Mixing with a thermochromic substance, however, causes that parts of the phantom located deeper remain invisible due to being obscured by thermochromic particles. Therefore, a deep spatial visualization of temperature distribution is difficult.

W publikacji zgłoszenia CN103162857 (A) ujawniono wskaźnik temperatury, który zawiera kryształ fotoniczny i zbudowany jest jako blok wykonany z hydrożelu, stanowiącego element termoczuły i monodyspersyjnej koloidalnej emulsji mikrosferycznej. Kryształy fotoniczne wykorzystują m. in. zjawisko załamania światła.Application CN103162857 (A) discloses a temperature indicator which contains a photonic crystal and is constructed as a block made of a hydrogel which is a thermosensitive element and a monodisperse colloidal microsphere emulsion. Photonic crystals use, among others. the phenomenon of light refraction.

Wskutek oddziaływania ich z substancją pochłaniającą promieniowanie zmienia się ich współczynnik załamania światła.As a result of their interaction with the radiation absorbing substance, their refractive index changes.

Istota fantomu do wizualizacji rozkładu temperatury zawierającego materiał termoczuły, reagujący zmianą temperatury na oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego oraz zawierającego materiał termochromowy polega na tym, że składa się z odwzorowujących budowę tkanek badanego obiektu transparentnych wskaźników termicznych, z których pierwsze wskaźniki termiczne odwzorowują zachowanie tkanek uwodnionych, a drugie wskaźniki termiczne odwzorowują zachowanie tanek tłuszczowych.The essence of the phantom for visualization of the temperature distribution containing thermosensitive material, reacting with temperature change to the influence of electromagnetic radiation and containing thermochromic material consists in the fact that it consists of transparent thermal indicators reflecting the structure of the tissues of the tested object, the first thermal indicators of which reflect the behavior of hydrated tissues, and the second thermal indicators reflect the behavior of fat tanks.

Korzystnie, pierwszy wskaźnik termiczny odwzorowujący zachowanie tkanki uwodnionej zbudowany jest z pierwszego elementu termoczułego oraz z zespolonego z nim elementu termochromowego, przy czym pierwszy element termoczuły ma formę bryły o wymiarach zewnętrznych wynoszących od 5 do 10 mm i wykonany jest z hydrożelu nasyconego wodą.Preferably, the first thermal indicator representing the behavior of the hydrated tissue is composed of the first thermosensitive element and a thermochromic element bonded thereto, the first thermosensitive element having the form of a block with external dimensions ranging from 5 to 10 mm and made of a water-saturated hydrogel.

Korzystnie, drugi wskaźnik termiczny odwzorowujący zachowanie tkanki tłuszczowej zbudowany jest z drugiego elementu termoczułego oraz zintegrowanego z nim elementu termochromowego, przy czym drugi element termoczuły ma formę bryły o wymiarach zewnętrznych wynoszących od 5 do 10 mm i wykonany jest jako zewnętrzna transparentna powłoka żelatynowa wypełniona olejem.Preferably, the second thermal indicator reflecting the behavior of adipose tissue is made of a second thermosensitive element and a thermochromic element integrated with it, while the second thermosensitive element has the form of a block with external dimensions ranging from 5 to 10 mm and is made as an external transparent gelatin coating filled with oil.

Przedstawiona budowa wskaźników termicznych umożliwia tworzenie fantomu o pożądanym kształcie, zbliżonym do badanego obiektu.The presented structure of thermal indicators enables the creation of a phantom of the desired shape, similar to the tested object.

Korzystnie, maksymalne pole powierzchni rzutu elementu termochromowego, zasłania nie więcej niż 20% pola powierzchni rzutu elementu termochromowego. Zastosowane materiały elementów termoczułych, czyli hydrożel i olej są transparentne i zasadniczo bezbarwne. Aby możliwa była obserwacja w głębszych partiach fantomu, element termochromowy zastosowany we wskaźniku musi być odpowiednich rozmiarów. Nie dojdzie wtedy do zasłonięcia przez niego i przez kolejne elementy termochromowe zintegrowane z głębiej położonymi elementami termoczułymi kolejnych warstw fantomu w stopniu uniemożliwiającym prowadzenie obserwacji. Zaproponowane wymiary stosowanego elementu termochromowego pozwalają zatem na uwidocznienie rozkładu temperatury nie tylko w warstwach zewnętrznych, ale też w warstwach położonych głębiej.Preferably, the maximum projected area of the thermochromic element obscures no more than 20% of the projected area of the thermochromic element. The materials used in the thermo-sensitive elements, i.e. hydrogel and oil, are transparent and essentially colorless. To be able to observe deeper parts of the phantom, the thermochromic element used in the indicator must be of the appropriate size. Then it will not be covered by it and by further thermochromic elements integrated with deeper thermo-sensitive elements of subsequent phantom layers to a degree that makes it impossible to conduct observations. Therefore, the proposed dimensions of the thermochromic element used make it possible to visualize the temperature distribution not only in the outer layers, but also in the deeper layers.

Korzystnie, wskaźniki termiczne mają formę kuli, dzięki czemu pojedynczy wskaźnik nagrzewa się bardzie równomiernie.Preferably, the thermal indicators are in the form of a sphere whereby a single indicator becomes more evenly heated.

PL 233 387 B1PL 233 387 B1

Korzystnie, element termochromowy jest umieszczony wewnątrz wskaźnika termicznego.Preferably, the thermochromic element is located inside the thermal indicator.

Alternatywnie, element termochromowy jest umieszczony na zewnętrznej powierzchni wskaźnika termicznego. Element termochromowy umieszczony na zewnętrznej powierzchni może być wykonany jako zamalowany farbą termochromową fragment powierzchni, albo może być to też papier termoczuły naklejony na powierzchnię wskaźnika.Alternatively, the thermochromic element is located on the outer surface of the thermal indicator. The thermochromic element placed on the outer surface can be made as a fragment of the surface covered with thermochromic paint, or it can also be a heat-sensitive paper glued onto the indicator surface.

Fantom wykonany z dwóch rodzajów wskaźników termicznych: odwzorowujących zachowanie tkanek uwodnionych oraz odwzorowujących zachowanie tanek tłuszczowych pozwala obrazować interakcje najważniejszych składników obiektów, zwłaszcza pochodzenia organicznego, które zwykle poddawane są nagrzewaniu elektromagnetycznemu, tzn. tłuszczu i wody. Budowa wskaźników termicznych umożliwia tworzenie wiarygodnych fantomów - modeli obiektów organicznych, zwłaszcza takich, jakie stosowane są w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym.A phantom made of two types of thermal indicators: imitating the behavior of hydrated tissues and reflecting the behavior of fat tanks, allows to visualize the interactions of the most important components of objects, especially of organic origin, which are usually subjected to electromagnetic heating, i.e. fat and water. The construction of thermal indicators enables the creation of reliable phantoms - models of organic objects, especially those used in the food and pharmaceutical industries.

Fantom według wynalazku przedstawiony został szczegółowo w przykładowym wykonaniu na rysunku, na którym:The phantom according to the invention is shown in detail in an exemplary embodiment in the drawing, where:

Fig. 1 przedstawia fantom schematycznie;Fig. 1 shows a schematic view of the phantom;

Fig. 2a przedstawia w przekroju pierwszy wskaźnik termiczny odwzorowujący zachowanie tkanki uwodnionej, w którym element termochromowy jest umieszczony wewnątrz wskaźnika termicznego;Fig. 2a is a sectional view of a first thermal indicator representing the behavior of a hydrated tissue, wherein the thermochromic element is positioned within the thermal indicator;

Fig. 2b przedstawia pierwszy wskaźnik termiczny odwzorowujący zachowanie tkanki uwodnionej, w którym element termochromowy jest umieszczony na zewnętrznej powierzchni wskaźnika termicznego;Fig. 2b shows a first thermal indicator representing the behavior of a hydrated tissue, wherein the thermochromic element is disposed on the outer surface of the thermal indicator;

Fig. 3a przedstawia w przekroju drugi wskaźnik termiczny odwzorowujący zachowanie tkanki tłuszczowej, w którym element termochromowy jest umieszczony wewnątrz wskaźnika termicznego;Fig. 3a is a cross-sectional view of a second thermal indicator representing the behavior of adipose tissue, wherein the thermochromic element is positioned within the thermal indicator;

Fig. 3b przedstawia drugi wskaźnik termiczny odwzorowujący zachowanie tkanki tłuszczowej, w którym element termochromowy jest umieszczony na zewnętrznej powierzchni wskaźnika termicznego.Fig. 3b shows a second thermal indicator representing the behavior of adipose tissue, wherein the thermochromic element is positioned on the outer surface of the thermal indicator.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Fantom do wizualizacji rozkładu temperatury składa się z odwzorowujących budowę tkanek badanego obiektu transparentnych wskaźników termicznych 1 i 2, z których pierwsze wskaźniki termiczne 1 odwzorowują zachowanie tkanek uwodnionych, a drugie wskaźniki termiczne 2 odwzorowują zachowanie tanek tłuszczowych. Wskaźniki termiczne 1 i 2 umieszczone są w transparentnej powłoce 3, posiadającej kształt badanego obiektu. Pierwszy wskaźnik termiczny 1 odwzorowujący zachowanie tkanki uwodnionej zbudowany jest z pierwszego elementu termoczułego 4 oraz elementu termochromowego 5. Pierwszy element termoczuły 4 ma formę kuli i wykonany jest z hydrożelu, który nasycony jest wodą. Element termochromowy 5 ma postać stałą i umieszczony został we wnętrzu pierwszego elementu termoczułego 4 poprzez introdukcję. Substancjami do zastosowania jako element termochromowy 5 mogą być na przykład pigmenty termochromowe na bazie ciekłych kryształów o zakresie zmiany barw dostosowanym do przewidywanego zakresu zmian temperatur. Nie wyklucza to jednak możliwości zast osowania w pierwszym elemencie termoczułym 4 elementu termochromowego 5, mającego postać płynną. Płynnymi substancjami mogą być farby termochromowe na bazie ciekłych kryształów, również o zakresie zmiany barw dostosowanym do przewidywanego zakresu zmian temperatur. Umieszczenie elementu termochromowego 5 w postaci płynnej we wnętrzu pierwszego elementu termoczułego 4 zrealizowane może zostać poprzez wstrzyknięcie go do wnętrza. Drugi wskaźnik termiczny 2 odwzorowujący zachowanie tkanki tłuszczowej zbudowany jest z drugiego elementu termoczułego 6 oraz zintegrowanego z nim elementu termochromowego 5. Drugi element termoczuły 6 ma również formę kuli i wykonany jest jako zewnętrzna transparentna powłoka 7 żelatynowa, wypełniona olejem 8. Element termochromowy 5 ma postać stałą i umieszczony został we wnętrzu drugiego elementu termoczułego 6 również poprzez introdukcję.The phantom for visualization of the temperature distribution consists of transparent thermal indicators 1 and 2 reflecting the structure of the tissues of the tested object, of which the first thermal indicators 1 reflect the behavior of hydrated tissues, and the second thermal indicators 2 reflect the behavior of fat tanks. Thermal indicators 1 and 2 are placed in a transparent coating 3 having the shape of the tested object. The first thermal indicator 1 representing the behavior of the hydrated tissue consists of a first thermosensitive element 4 and a thermochromic element 5. The first thermosensitive element 4 is in the form of a sphere and is made of a hydrogel saturated with water. The thermochromic element 5 is in the form of a solid and is placed inside the first thermosensitive element 4 by introduction. The substances to be used as the thermochromic element 5 may be, for example, thermochromic pigments based on liquid crystals with a color change range adapted to the predicted temperature range. However, this does not exclude the possibility of using a thermochromic element 5 in the first thermosensitive element 4 in a liquid form. Liquid substances can be thermochromic paints based on liquid crystals, also with a color change range adapted to the predicted range of temperature changes. Placing the thermochromic element 5 in liquid form inside the first thermocouple element 4 can be realized by injecting it into the interior. The second thermal indicator 2 reflecting the behavior of adipose tissue is made of a second thermosensitive element 6 and a thermochromic element 5 integrated with it. The second thermosensitive element 6 is also in the form of a sphere and is made as an external transparent gelatin coating 7, filled with oil 8. The thermochromic element 5 has the form of fixed and placed inside the second thermosensitive element 6 also through introduction.

W celu przeprowadzenia badania rozkładu temperatury wewnątrz przygotowanego fantomu, fantom ten poddaje się działaniu promieniowania elektromagnetycznego, na przykład poprzez umieszczenie w komorze grzewczej urządzenia mikrofalowego.In order to study the temperature distribution inside the prepared phantom, the phantom is subjected to electromagnetic radiation, for example by placing a microwave device in the heating chamber.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Przykład przedstawia bardziej szczegółowo wskaźniki zastosowane w przykładzie 1, które zobrazowane są na Fig. 2a i Fig. 3a. Elementy termoczułe 4 i 6 mają formę kuli o średnicy wynoszącej 8mm. Zastosowano elementy termochromowe 5, mające również formę kuli o średnicy 3 mm. MaksyThe example shows in more detail the indicators used in example 1 which are illustrated in Fig. 2a and Fig. 3a. The thermosensitive elements 4 and 6 are in the form of a sphere with a diameter of 8 mm. Thermochromic elements 5 are used, also in the form of a sphere with a diameter of 3 mm. Maksy

PL 233 387 B1 malne pole powierzchni rzutu elementu termochromowego 5 równa jest jego przekrojowi poprzecznemu względem osi symetrii i wynosi około 7 mm². Element termochromowy 5 o takich wymiarach zasłania około 14% pola powierzchni rzutu elementu termoczułego 4 albo 6.The maximum projected area of the thermochromic element 5 is equal to its cross section with respect to the axis of symmetry and is approximately 7 mm ² . The thermochromic element 5 with such dimensions covers approximately 14% of the projection area of the thermochromic element 4 or 6.

P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3

Przykład przedstawia wskaźniki w wariantowym wykonaniu, zobrazowane na Fig. 2b i Fig. 3b. Elementy termoczułe 4 i 6 mają formę kuli o średnicy wynoszącej 10mm. Zastosowano elementy termochromowe 5, które naniesione są na powierzchnię elementu termoczułego 4 albo 6. Elementy termochromowe 5 mogą być namalowane z zastosowaniem farby o właściwościach termochromowych, albo mogą być naklejone na powierzchnię, na przykład w postaci papieru termoczułego. Zamalowana względnie zaklejona elementem termochromowym 5 powierzchnia ma kształt zbliżony do prostokąta o wymiarach około 3 x 4mm, co stanowi mniej niż 17% po la powierzchni rzutu elementu termoczułego.The example shows the indicators in an alternative embodiment, depicted in Fig. 2b and Fig. 3b. The thermosensitive elements 4 and 6 have the form of a sphere with a diameter of 10mm. Thermochromic elements 5 are used, which are applied to the surface of the thermochromic element 4 or 6. The thermochromic elements 5 can be painted using paint with thermochromic properties, or they can be glued to the surface, for example in the form of heat-sensitive paper. The surface painted or stuck with the thermochromic element 5 has a rectangular shape with dimensions of approximately 3 x 4 mm, which is less than 17% of the projection area of the thermochromic element.

Claims

Patent claims

1. Phantom for visualization of temperature distribution, containing thermosensitive material, reacting by temperature change to the influence of electromagnetic radiation and containing thermochromic material, characterized by the fact that it consists of transparent thermal indicators reflecting the structure of the tissues of the tested object (1, 2), of which the first thermal indicators (1) reflect the behavior of hydrated tissues, and the other thermal indexes (2) reflect the behavior of adipose tanks.

2. The phantom according to claim The method of claim 1, characterized in that the first thermal indicator (1) representing the behavior of the hydrated tissue consists of the first thermosensitive element (4) and a thermochromic element (5) combined with it, the first thermosensitive element (4) having the form of a solid with external dimensions. between 5 and 10 mm and is made of a hydrogel saturated with water.

3. The phantom according to claim A device according to claim 1, characterized in that the second thermal indicator (2) reflecting the behavior of adipose tissue consists of a second thermosensitive element (6) and a thermochromic element (5) integrated with it, and the second thermosensitive element (6) has the form of a block with external dimensions from 5 to 10 mm and is made as an external transparent gelatin coating (7) filled with oil (8).

4. The phantom according to any one of claims from 1 to 3, characterized in that the maximum projection area of the thermochromic element (5) covers no more than 20% of the projection area of the thermochromic element (4, 6).

5. A phantom according to any one of the preceding claims. from 1 to 4, characterized in that the thermal indicators (1, 2) have the form of a sphere.

6. A phantom according to any one of the preceding claims. A method as claimed in any of the claims 1 to 5, characterized in that the thermochromic element (5) is located inside the thermal indicator (1,2).

7. The phantom according to any of claims The method of any of the claims 1 to 5, characterized in that the thermochromic element (5) is disposed on the outer surface of the thermal indicator (1,2).