Name: 誘導加熱の小さな磁気圏を取り巻く水の近赤外温度計測 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-30T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 52 s
Description: 学ぶ近赤外温度計測法で水中の誘導加熱された小さな鋼球周辺の温度分布を測定する手法です。ハイパーサーミア研究や磁気粒子を用いた局所加熱の評価に応用でき、簡便なセットアップで正確な温度推定が可能です。

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著者は、山田健太、藤岡亮太氏、氏瑞希許田を実験・ データ解析に応援ありがちましょう。この作品は、日本学術振興会科研費助成番号 25630069、スズキ財団と精密測定技術振興財団、日本によって支えられました。

1 実験装置およびプロシージャ
サンプルと NIR イメージングとおり光学マウントする光学レールを準備します。
<ol><li>
サンプルの準備。 注: 水または水性の液体を使用する場合 1.1.1 のステップを行います。粘度の高い水性ゲルを使用している場合は、1.1.2 をステップを行います。<ol>
<li>鋼球が水に設定します。<ol>
<li>接着剤の少量を使用して薄いプラスチック製のひもの端に直径 2.0 mm の鋼球を修正します。</li>
			<li>10.0 mm、幅 10 mm、高さ 45 mm (図 3) の光路長と長方形のガラスのセルの中央に鋼球をハングします。</li>
			<li>慎重にセルに浄水を注ぐ気泡を生成しないようにします。 注: 鋼球が固定する細いプラスチックの棒の先端に接着剤19の量が少ない。</li>
		</ol>
</li>
		<li>鋼球水系ゲルで設定します。<ol>
<li>それがスムーズに注がれるには十分に低く、その粘度を下げるため水系ゲルを熱します。</li>
			<li>注射器を使用して、半分完全に 45 mm の高さ、幅 10 mm、2.0 mm の光路長の長方形ガラス セルに水系ゲルを注ぎ、冷却しておきます。</li>
			<li>ゲルの表面の中心に直径 0.5 mm の鋼球を置き。</li>
			<li>水系のゲルのセルを入力します。 注: 大きな球体 (&gt; ~ 1 mm φ) 誘導加熱中に重力および磁気の力で移動するので、ゲルで使用しないでください。</li>
		</ol>
</li>
		<li>プラスチック製のホルダーのセルを設定し、(図 3) の光のレールにマウントします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
近赤外イメージング システムの準備。
	<ol>
<li>光ファイバーライトガイドにハロゲン ランプを準備し、光のレールにホルダーと導べ光ファイバーの終わりを修正します。</li>
		<li>Λに透過ピークを持つ狭帯域通過フィルター (NBPF) を置き 1150 nm またはλを = = 1412 nm の間光ファイバーライトガイドと細胞 (図 3)。</li>
		<li>伝送波長範囲はハロゲン ランプと、NBPF と、NBPF のそれよりも広い別のバンドパス フィルター (BPF) を割り込みます。 注: BPF は、直接光を受け取るため、NBPF への熱損傷を防ぐために必要です。</li>
		<li>迷光 (図 3) を減らすために NBPF と携帯ホルダー間の光パスに iris diaphragm(s) を置きます。</li>
		<li>(図 3) セルの透過光を検出する近赤外カメラを設定します。画像集録ソフトウェアがパーソナル コンピューター (PC) にインストールされているグラフィック ボードにデータ転送ケーブルを介してカメラに接続します。</li>
		<li>携帯カメラ (図 3) とテレセン トリック レンズを設定します。 注: 一般的なカメラレンズを使用もできます。テレセン トリック レンズは、IAT の主線に光の平行の選択的検出と回折の影響の軽減の面で優れています。 注: NBPF と BPF には置かないで電池とカメラの間、そう、水の温度はハロゲン ランプから高強度の光の直接吸収率向上します。</li>
		<li>近赤外カメラをオンにし、画像集録ソフトウェアを起動します。</li>
		<li>ハロゲン ランプし、観察 (図 4) モニターに表示される画像の出力電力を調整します。</li>
		<li>軸、位置、および鋼球の微細な画像を取得するテレセン トリック レンズのフォーカスを調整します。 注: 場合調整が完全ではない、不規則な強度パターン表示されます、不適切な結果につながる。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
誘導加熱装置の準備。
	<ol>
<li>誘導加熱、高周波信号のジェネレーターから成るシステムを準備 (最大出力電力: 5.6 kW; 周波数: 780 kHz)、水冷コイルと水チラー。 注: 誘導加熱ろう付けのためのシステム、溶接、小さな金属部品をはんだ付けは、この目的のために適切です材料表を参照してください。</li>
		<li>可能であれば、その位置を変更する XYZ 可動ステージ上コイルをマウントします。</li>
		<li>コイル センターと鋼球間の距離が約 15 mm (図 3) になるように、セル近くコイルを配置します。コイルの近くの他の金属部分がないことを確認します。 注意: 距離は誘導加熱電力および球のサイズに応じて調整する必要があります。</li>
		<li>冷却水を循環します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
画像の収集及び誘導加熱。
	<ol>
<li>順番に画像を保存できる画像集録ソフトを「スタート」をクリックします。</li>
		<li>誘導加熱誘導加熱を開始するコントロール ソフトウェアを「スタート」をクリックします。</li>
		<li>(条件・目的に応じて数秒後画像集録ソフトウェアの「停止」をクリックします。</li>
		<li>誘導加熱制御ソフトウェアの「停止」をクリックします。</li>
		<li>画像集録ソフトウェアの TIFF シーケンス (またはその他の非圧縮形式) として一時的に保存されている画像を保存します。 注: 温度が十分に高い場合、光偏向の影響は画像7に表示されます。誘導加熱電源必要があります減少適切にも実験など球付近の温度の増加はより小さい約 10 K で、温度推定の次のプロトコルの手順で確認できます。</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 画像処理・温度の推定
注: 保存されている連続画像として表されます私私(x, z)、連続したフレーム数が。座標、 x、 y、 z r、およびr' として図 2に示されている定義されています重力と反対方向に正のzです。サプリメント 1に次のプロトコル手順の概要も示します。
<ol><li>
吸光度イメージの構築。
	<ol>
<li>オープン私私(x, z) 画像処理ソフトウェア。</li>
		<li>ノイズを低減私私(x, z) 3 × 3 ピクセルの平均を実装することにより。</li>
		<li>平均像を作成私私(x, z)以上には、1、5 (またはそれ以上) を =、加熱する前に、参照イメージとして定義私r(x, z)。 注: は、1 つのフレームのイメージよりもより信頼性の高い画像を得るためノイズを低減この平均化します。</li>
		<li>Δ 吸光度差の連続画像を構築私(x, z) 次の同等化によって。 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq1.jpg">(1) 注: ΔAは私(x, z) が、私(x, z) から参照吸光度、 r(x, z)、前に吸光度の変化暖房, とは次のように派生した15,16,17,18,19。 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq2.jpg">(2) ここ私0はセルに入射光の強さです。</li>
		<li>Δ私、画像は赤青など適切なカラーマップを使用して色付けします。 注: ImageJ の 2.1.5 から 2.1.2 の手順を実行するためのコマンド スクリプト ファイルは補足 2に提示されます。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
温度の推定。
	<ol>
<li>どの Δ の中にAは私(x, z) は環状球の中心に対して対称画像を視覚的に観察することで期間を選択します。 注: 主に対流によって円形対称性は壊れています。以前の作業19; の対流が発生する画像ベースの分析判断を導入します。しかし、実際には、視覚的判断は効果的です。</li>
		<li>データを抽出、ΔAは私( θ,rʹ) 360 ラジアル線に沿って (Δθ = 1˚)、私(x, z) Δ の画像を。</li>
		<li>データを除外 Δ私( θ,rʹ) 球内およびその周辺で (Δrʹ≈ 0.2 mm)。注: データが異常非常に小規模または大規模な近所の主な理由は球のわずかな動きです。</li>
		<li>平均 Δ私( θ,rʹ) θの上線プロファイル、Δ を決定します、私(rʹ)。 注: ImageJ の 2.2.4 から 2.2.2 の手順を実行するためのコマンド スクリプト ファイルは、補足 3で提示されます。</li>
		<li>ΔAは私(rʹ) データを次のマルチ ガウス関数による近似します。 <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq3.jpg">(3) 場所jは重み係数σjは分散パラメーター、 Rはrʹ 最大どこ ΔAは私(R) = 0 を仮定することができます。</li>
		<li>Δμは私(r)、 N j、およびσjの得られた次式 IAT (3) に代入することによって吸収係数の相違を計算します。 <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq4.jpg">(4) ここ erf は誤差関数であります。</li>
		<li>Δμは私(r) を次式で温度に変換します。 <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq5.jpg">(5) 4.0 × 10-3 K-1 mm-1 λであるαf水の温度係数を持つ = 1150 nm19と 4.1 × 10-3 K-1 mm-1λ = 1412 nm17。 注: 2.2.7 から 2.2.5 の手順を実行するためのコマンド スクリプト ファイルは、補足 4、ステップ 2.2.5 レーベンバーグ ・ マルカート非線形最小二乗アルゴリズム17,19を採用する場所で提示されます。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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</ol>

著者が明らかに何もありません。

本稿で紹介しているテクニックの水の近赤外吸収の温度依存性を使用して 1 つ新規であり、必要な機器と実装の設定で重大な困難を渡さない。入射光はハロゲン ランプと、NBPF を使用して簡単に製作することができます。ただし、レーザーを使用することはできません、コヒーレント干渉パターン画像に表示されますので。一般的な光学レンズおよび可視光用ガラス細胞使用できますが、 λの光の十分な量を transmit = 1150 nm と 1412 nm。さらに、カメラは、比較的安価な価格で今すぐ購入できます。
Λで NBPFs = 1150 nm と 1412 nm はセミカスタムの順に利用が過度に安価であります。(図 1) の温度依存性の波長範囲内である必要があります、別の波長に既製の NBPF がある場合は、温度感受性またはαfが小さくなるものの代わりに、それ使用できます。Λでαf値たとえば、= 1175...

An erratum was issued for: <a href="https://www.jove.com/video/57407/near-infrared-temperature-measurement-technique-for-water-surrounding">Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere</a>. The Protocol section was updated.
In 2.2.7, the temperature coefficient of water, &#945;f, for &#955; = 1150 nm has been corrected from:
4.0 x 10-3 K-1 mm-1
to:
2.8&#160;x 10-4&#160;K-1&#160;mm-1

An erratum was issued for: <a href="https://www.jove.com/video/57407/near-infrared-temperature-measurement-technique-for-water-surrounding">Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere</a>. The Protocol section was updated.

Erratum: Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere

媒体内の小さな熱源付近の温度を計測する技術は、多くの科学的な研究分野とアプリケーションに必要です。たとえば、磁気ハイパーサーミアの研究でがん治療法である磁性粒子の磁気小さな電磁誘導を使用して、それは磁気によって生成される温度分布を正確に予測する重要な粒子1,2。ただし、ただし、マイクロ波磁気共鳴11 、ラマン10、光音響9超音波5,6,7,83,4、12-ベース温度測定技術を研究、開発している、現時点では、このような内部の温度分布を正確に測定できません。これまで単一位置温度またはいくつかのポジションでの温度は誘導加熱の場合、非磁性光ファイバー温度センサー13,14である温度センサーで測定しました。また、メディアの表面温度は内部温度14を推定する赤外放射温度計によるリモートで観測されています。ただし、小さな熱源を含む培地が水層または非散乱体の水溶液中、私たちを示している温度15,16を測定する近赤外線 (NIR) 吸収法が役 17,18,19。本稿ではこの手法および代表的な結果の詳しいプロトコル。
近赤外吸収法は、近赤外領域での水の吸収帯の温度依存性の原理に基づいています。水は温度として 1250 nm 波長 (λ) 範囲に 1100 nm の短波長にシフト観測図 1 a、 ν1 + ν2 + のν3吸収帯にあるとおり19をが増加します。ここで、 ν1 + ν2 + このバンドは 3 つの基本的な O H 振動モードの組み合わせに対応するν3手段: 対称ストレッチ (ν1) 曲げ (ν 2)、および逆対称伸縮 (ν3)20,21。このスペクトルの変化は、バンドで最も温度敏感な波長がλ ≈ 1150 nm であることを示します。水の他の吸収バンドは、温度15,16,17,18,20,21に関して同様の動作も展示します。Ν1 + ν3バンド水の観察範囲λ以内 = 1350−1500 nm とその温度依存性を図 1 bに示します。Ν1 + 水のν3バンドで、1412 nm が最も温度に敏感な波長です。したがって、それはλで吸光度の 2 D 画像をキャプチャする近赤外カメラを用いた二次元 (2 D) 温度画像を取得する = 1150 または 1412 nm。水の吸収係数としてλ = 1150 nm は、 λ = 1412 nm よりも小さく、元の波長は約 10 mm 厚の水性メディアに適した、後者は約 1 mm 厚のものに適しています。最近では、 λを使用して = 1150 nm、直径 1 mm の鋼球を誘導加熱19を含む 10 mm 厚水層内の温度分布を得た。また、 λを使用して 0.5 mm 厚い水の層内の温度分布を測定した 1412 nm15,17を =。
イメージング法 NIR ベース温度の利点は簡単にセットアップおよび透過吸収測定法で、ない蛍光、蛍光体、または他のサーマル プローブを必要があるために、実装します。さらに、その温度分解能は 0.2 K15,17,19未満です。このような良い温度分解能は、干渉法による、熱と物質移動研究22,23,24でよく使用されている伝送方式は他では達成できません。我々 は、しかし、イメージング法 NIR ベースの温度は適していませんかなりローカル温度変化の場合、支配的な19光の偏向によって引き起こされるので大きな温度勾配になります注意してください。この問題は、この稿では実用面で呼ばれます。
この稿では実験装置と誘導; を介して加熱小さな磁性球の NIR ベース温度イメージング技術の手順また、それは 2 つの代表的な 2 D の吸光度の画像の結果を示します。Λでキャプチャ 10.0 mm 厚さの水層に直径 2.0 mm の鋼球の 1 つのイメージは 1150 nm を =。2 番目の画像はλでキャプチャ 2.0 mm 厚マルトース シロップ層に直径 0.5 mm の鋼球 = 1412 nm。また述べる計算法と温度の三次元 (3 D) の半径方向分布の結果逆アベル変換 (IAT) を吸光度 2 D 画像に適用することによって。IAT は、3次元温度分布が球対称加熱球 (図 2)19の場合のようにすると見なされますときに有効です。IAT 計算のためマルチ ガウス関数をフィッティング法を採用、ここで解析的25,26,27,28,29 ガウス関数の Iat を取得することができますのでとデータを単調減少にもフィットこれは、単一の熱源からの熱伝導を用いた実験が含まれています。

<table><tbody><tr><td>誘導加熱システム</td><td>CEIA、イタリア</td><td>SPW900/56</td><td>780 kHz、5.6 kW(最大)。</td></tr><tr><td>コイル</td><td>SA-Japan</td><td>特注</td><td>水冷銅管 2回転 外径28mm</td></tr><tr><td>ウォーターチラー</td><td>松本機械</td><td>MP-401CT</td><td></td></tr><tr><td>ハロゲンランプ</td><td>林時計工業</td><td>LA-150UE-A</td><td></td></tr><tr><td>&λ用ナローバンドパスフィルター = 1150nm</td><td>Andover</td><td>115FS10-25</td><td>半値全幅 (FWHM): 10nm</td></tr><tr><td>&lambda用のナローバンドパスフィルター= 1412 nm</td><td>Andover</td><td>semi-custom</td><td>半値全幅(FWHM):10 nm。</td></tr><tr><td>&lambdaのバンドパスフィルタ; = 850&minus;1300 nm</td><td>Spectrogon</td><td>SP-1300</td><td></td></tr><tr><td>バンドパスフィルター & ラムダ用; = 1100&minus;2000 nm</td><td>Spectrogon</td><td>SP-2000</td><td></td></tr><tr><td>NIRカメラ</td><td>FLIR Systems</td><td>Alpha NIR</td><td>InGaAs</td></tr><tr><td>画像取得ソフトウェア</td><td>FLIR Systems</td><td>IRvista</td><td></td></tr><tr><td>画像処理ソフトウェア</td><td>NIH</td><td>ImageJ</td><td>ver. 1.51r</td></tr><tr><td>画像処理ソフトウェア</td><td>MathWorks</td><td>Matlab</td><td>ver. 2016a</td></tr><tr><td>テレセントリックレンズ</td><td>Edmond Optics</td><td>55350-L</td><td>X1</td></tr><tr><td>鋼球 (φ0.5 mm)</td><td>神戸製鋼所</td><td></td><td>Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)</td></tr><tr><td>鋼球(φ2.0mm)</td><td>神戸製鋼所</td><td></td><td>Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)</td></tr><tr><td>マルトースシロップ</td><td>水性ゲル ソントン 日本</td><td>水飴</td><td>食品</td></tr></tbody></table>

誘導加熱の小さな磁気圏を取り巻く水の近赤外温度計測

Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere

水と周囲の電磁誘導加熱の小さな磁性球非濁った水溶液の温度を測定する手法である. します。この手法は、1150 と 1412 nm、水の吸収係数は温度に依存する波長を利用しています。水または 2.0 mm または 0.5 mm 径の磁気球を含む非混濁水系ゲル 1150 nm または選択した狭いバンドパス フィルターを使用した場合と、1412 の nm の入射光を照射します。さらに、吸収係数の横突起である吸光度の二次元画像は、近赤外カメラを介して取得されます。三次元温度分布は、球対称であると仮定することができるときに、吸光度プロファイルに逆アベルに変換を適用することによって推定します。温度は時間と誘導加熱電源によると一貫して変更する観察されました。

Δ の画像Aは私(x, z) でλ = 水で直径 2.0 mm の鋼球の 1150 nm、 λ = 1412 nm マルトース シロップで直径 0.5 mm の鋼球と図 5を示して、図 6をそれぞれ。両方のケースで、球はその中心軸に沿ってコイルの最下部より下に位置する 12 mm だった図 5r式 (3) での表示の ΔA(rʹ) データとその装備のマルチ ガウス機能bと図 6b = 3.0 mm、 R 1.5 mm をそ...

誘導加熱の小さな磁気圏を取り巻く水の温度を測定する 1150 と 1412 nm の波長を利用した手法である. します。

A technique to measure the temperature of water and non-turbid aqueous media surrounding an induction-heated small magnetic sphere is presented. This ...

この実験の全体的な目標は、加熱された小さな球体、または水または濁らない黙認媒体の内部にある点熱源の近くの温度分布を測定することです。この手法は、磁性粒子を用いた温熱療法の研究など、媒体内部の局所加熱の研究に非常に役立ちます。この手法の主な利点は、セットアップと実装が簡単なことです。この手順を実演するのは、私の研究室の大学院生である西島圭佑氏とVan Cuong Han氏です。水または水性液体のサンプルを準備するには、まず必要最小限の速乾性耐水性接着剤を使用して、直径2ミリメートルの鋼球を細い非金属の紐または棒の端に固定します。接着剤が球の形状と熱伝達率に最小限に影響することを確認してから、PTFEキュベットキャップの中央の穴に糸を通します。キャップの下に22mmの紐をぶら下げて、紐を所定の位置にテープで固定します。水入りシリンジに0.22マイクロメートルのシリンジフィルターとプラスチック製の分注針を装備します。光路長10ミリメートル、高さ45ミリメートルのガラスセルを、気泡の形成を避けながら、ろ過水で慎重に充填します。気泡や浮遊粒子は、正しい測定値を得て温度をうまく推定するために、可能な限り事前に除去する必要があります。球が長方形のセルの中央にぶら下がるように、セルにキャップを置きます。水性ゲルサンプルを調製するには、まず水性ゲルを、粘度が十分に低下してスムーズに注がれるまで加熱します。シリンジを使用して、光路長2mmの長方形のガラスセルを加熱したゲルで半分充填します。ゲルを冷まします。次に、ゲル表面の中央に直径0.5mmの鋼球を配置します。セルの残りの部分を同じように加熱した水性ゲルで満たし、冷まします。水性液体またはゲルサンプルを調製したら、細胞を近赤外イメージングシステムの光学レール上のプラスチックホルダーに入れます。近赤外イメージングシステムの準備を開始するには、ハロゲンランプにファイバーライトガイドを装備します。セル内のファイバー光ガイドとの間に透過率のピークが1,150ナノメートルまたは1,412ナノメートルのいずれかにある狭帯域通過フィルターを配置します。1,150ナノメートルから1,412ナノメートルでは、水温が上昇するにつれて水の吸光度が増加します。ハロゲンランプファイバーライトガイドとナローバンドパスフィルターの間の選択した波長の周りのより広い透過範囲を持つバンドパスフィルターを配置します。ナローバンドパスフィルターとセルホルダーの間にアイリスダイアフラムを取り付けます。次に、サンプルセルに合わせて近赤外カメラをセットアップします。オブジェクト空間テレセントリックレンズをセルとカメラの間に固定します。近赤外線カメラの電源を入れ、カメラがコンピューターに接続されていることを確認して、画像取得ソフトウェアを開きます。ハロゲンランプを点灯し、モ

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学ぶ近赤外温度計測法で水中の誘導加熱された小さな鋼球周辺の温度分布を測定する手法です。ハイパーサーミア研究や磁気粒子を用いた局所加熱の評価に応用でき、簡便なセットアップで正確な温度推定が可能です。

誘導加熱の小さな磁気圏を取り巻く水の近赤外温度計測

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