Name: Technika pomiaru temperatury w bliskiej podczerwieni dla wody otaczającej małą kulę magnetyczną ogrzewaną indukcyjnie (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-30T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 52 s
Description: Poznaj technikę pomiaru temperatury w bliskiej podczerwieni dla wody otaczającej indukcyjnie ogrzewaną kulę magnetyczną. Metoda wykorzystuje fale 1150 i 1412 nm do badania lokalnego ogrzewania w badaniach hipertermii.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy dziękują Panu/Pani Kenta Yamada, Panu Ryota Fujioka i Panu Mizuki Kyoda za wsparcie w eksperymentach i analizach danych. Prace te były wspierane przez JSPS KAKENHI Grant Number 25630069, Fundację Suzuki oraz Fundację Promocji Technologii Precyzyjnego Pomiaru (Precise Measurement Technology Promotion Foundation) z Japonii.

1. Konfiguracja eksperymentalna i procedury
Przygotuj szynę optyczną do zamontowania próbki i optyki do obrazowania NIR w następujący sposób.
<ol>
	<li>Przygotowanie próbki. 
	Uwaga: W przypadku stosowania wody lub cieczy wodnej należy wykonać krok 1.1.1. W przypadku stosowania żelu wodnego o wysokiej lepkości należy wykonać krok 1.1.2.
	<ol>
		<li>Ustawienie kuli stalowej w wodzie.
		<ol>
			<li>Przymocować kulę stalową o średnicy 2,0 mm do końca cienkiej plastikowej nici za pomocą niewielkiej ilości kleju.</li>
			<li>Zawiesić kulę stalową w centrum prostokątnej kuwety szklanej o długości drogi optycznej 10,0 mm, szerokości 10 mm i wysokości 45 mm (Rycina 3).</li>
			<li>Ostrożnie wlać do kuwety przefiltrowaną wodę, aby nie doprowadzić do powstania pęcherzyków powietrza. 
			UWAGA: Kulę stalową można również przymocować do końcówki cienkiego plastikowego pręta za pomocą niewielkiej ilości kleju19.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Ustawienie kuli stalowej w żelu wodnym.
		<ol>
			<li>Podgrzać żel wodny w celu obniżenia jego lepkości do poziomu umożliwiającego gładkie wlewanie.</li>
			<li>Za pomocą strzykawki wlać żel wodny do prostokątnej kuwety szklanej o długości drogi optycznej 2,0 mm, szerokości 10 mm i wysokości 45 mm do połowy jej objętości i pozostawić do ostygnięcia.</li>
			<li>Umieścić kulę stalową o średnicy 0,5 mm w centrum powierzchni żelu.</li>
			<li>Wypełnić kuwetę żelem wodnym. 
			UWAGA: W przypadku żelu nie należy stosować większych kul (średnica &gt;~1 mm), ponieważ będą one przemieszczać się pod wpływem sił grawitacji i/lub magnetycznych podczas grzania indukcyjnego.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Umieścić kuwetę w plastikowym uchwycie i zamontować ją na szynie optycznej (Rycina 3).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie systemu obrazowania NIR.
	<ol>
		<li>Przygotować lampę halogenową ze światłowodem i zamocować koniec światłowodu za pomocą uchwytu na szynie optycznej.</li>
		<li>Umieścić wąskopasmowy filtr interferencyjny (NBPF) z pikiem przenikalności przy λ = 1150 nm lub λ = 1412 nm pomiędzy światłowodem a kuwetą (Rycina 3).</li>
		<li>Wstawić kolejny filtr interferencyjny (BPF), którego zakres długości fal transmisyjnych jest szerszy niż w przypadku NBPF, pomiędzy lampą halogenową a NBPF. 
		UWAGA: Filtr BPF jest niezbędny, aby zapobiec uszkodzeniom termicznym filtra NBPF, który otrzymuje światło bezpośrednio.</li>
		<li>Wstawić przysłonę irysową na drodze światła pomiędzy NBPF a uchwytem kuwety, aby zredukować światło rozproszone (Rycina 3).</li>
		<li>Ustawić kamerę NIR do detekcji światła przechodzącego przez kuwetę (Rycina 3). Połączyć kamerę kablem przesyłowym z kartą graficzną zainstalowaną w komputerze osobistym (PC) z oprogramowaniem do akwizycji obrazu.</li>
		<li>Umieścić obiektyw telecentryczny pomiędzy kuwetą a kamerą (Rycina 3). 
		UWAGA: Można również zastosować zwykły obiektyw kamerowy. Jednak obiektyw telecentryczny jest lepszy pod kątem selektywnej detekcji światła równoległego do głównego promienia dla IAT oraz redukcji wpływu dyfrakcji. 
		UWAGA: Filtry NBPF i BPF nie powinny być umieszczane pomiędzy kuwetą a kamerą, ponieważ spowodowałoby to wzrost temperatury wody poprzez bezpośrednią absorpcję intensywnego światła z lampy halogenowej.</li>
		<li>Włączyć kamerę NIR i uruchomić oprogramowanie do akwizycji obrazu.</li>
		<li>Zapalić lampę halogenową i dostosować jej moc wyjściową, obserwując obraz wyświetlany na monitorze (Rycina 4).</li>
		<li>Wyregulować oś, pozycję i ostrość obiektywu telecentrycznego, aby uzyskać wyraźny obraz kuli stalowej. 
		UWAGA: Jeśli regulacja nie zostanie zakończona, pojawią się nieregularne wzory intensywności, co doprowadzi do błędnych wartości absorbancji.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie systemu grzania indukcyjnego.
	<ol>
		<li>Przygotować system grzania indukcyjnego składający się z generatora wysokiej częstotliwości (maksymalna moc wyjściowa: 5,6 kW; częstotliwość: 780 kHz), cewki chłodzonej wodą i chłodziarki wodnej. 
		UWAGA: Do tego celu odpowiedni jest system grzania indukcyjnego do lutowania twardego, spawania i lutowania małych części metalowych; patrz Tabela Materiałów.</li>
		<li>Jeśli to możliwe, zamontować cewkę na ruchomym stole XYZ, aby móc zmieniać jej położenie.</li>
		<li>Umieścić cewkę w pobliżu kuwety tak, aby odległość między środkiem cewki a kulą stalową wynosiła około 15 mm (Rycina 3). Upewnić się, że w pobliżu cewki nie znajdują się inne elementy metalowe. 
		UWAGA: Odległość należy dostosować w zależności od mocy grzania indukcyjnego i rozmiaru kuli.</li>
		<li>Uruchomić obieg wody chłodzącej.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Akwizycja obrazu i grzanie indukcyjne.
	<ol>
		<li>Kliknąć „start” w oprogramowaniu do akwizycji obrazu, aby sekwencyjnie zapisywać obrazy.</li>
		<li>Kliknąć „start” w oprogramowaniu sterującym grzaniem indukcyjnym, aby rozpocząć proces grzania.</li>
		<li>Po kilku sekundach (w zależności od warunków i celu) kliknąć „stop” w oprogramowaniu do akwizycji obrazu.</li>
		<li>Kliknąć „stop” w oprogramowaniu sterującym grzaniem indukcyjnym.</li>
		<li>Zapisać tymczasowo zgromadzone obrazy jako sekwencję TIFF (lub w innym niekompresowanym formacie) w oprogramowaniu do akwizycji obrazu. 
		UWAGA: Jeśli temperatura będzie wystarczająco wysoka, na obrazie pojawi się efekt ugięcia światła7. Moc grzania indukcyjnego musi zostać odpowiednio zmniejszona drogą eksperymentalną tak, aby wzrost temperatury w pobliżu kuli był mniejszy niż około 10 K, co można potwierdzić w kolejnych krokach protokołu dotyczących szacowania temperatury.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Przetwarzanie obrazów i szacowanie temperatury
Uwaga: zapisane obrazy sekwencyjne są reprezentowane jako Ii(x, z), gdzie i oznacza kolejny numer klatki. Współrzędne x, y, z, r oraz r' są zdefiniowane zgodnie ze wskazaniami na Rysunku 2; wartość z jest dodatnia w kierunku przeciwnym do siły grawitacji. Zarys następujących kroków protokołu został przedstawiony również w Suplemencie 1.
<ol>
	<li>Konstrukcja obrazu absorbancji.
	<ol>
		<li>Otwórz Ii(x, z) w oprogramowaniu do przetwarzania obrazów.</li>
		<li>Zredukuj szum w Ii(x, z), stosując uśrednianie pikseli 3 × 3.</li>
		<li>Utwórz obraz uśredniony z Ii(x, z) dla i od 1 do 5 (lub więcej) przed ogrzewaniem i zdefiniuj go jako obraz referencyjny, Ir(x, z). 
		UWAGA: Uśrednianie to redukuje szum, aby uzyskać obraz bardziej wiarygodny niż pojedyncza klatka.</li>
		<li>Skonstruuj sekwencyjne obrazy różnicy absorbancji, ΔAi(x, z), zgodnie z poniższym równaniem: 
		<img alt="Wzór na absorpcję przejściową, ΔA(x, τ)=-log10[I₁(x, τ)/I₀(x, τ)]; stosowany w analizie spektroskopowej." src="/files/ftp_upload/57407/57407eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1">   (1) 
		UWAGA: ΔAi(x, z) to zmiana absorbancji, Ai(x, z), względem absorbancji referencyjnej, Ar(x, z), przed ogrzewaniem, i jest wyprowadzana w następujący sposób15,16,17,18,19: 
		<img alt="Równanie równowagi statycznej ΣFx=0, schemat obliczania absorpcji ΔA dla analizy spektroskopowej." src="/files/ftp_upload/57407/57407eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 2">   (2) 
		gdzie I0 jest natężeniem światła padającego na ogniwo.</li>
		<li>Pokoloruj obrazy ΔAi, używając odpowiedniej mapy kolorów, np. od niebieskiego do czerwonego. 
		UWAGA: Plik skryptu poleceń do wykonania kroków 2.1.2 do 2.1.5 w programie ImageJ znajduje się w Suplemencie 2.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Szacowanie temperatury.
	<ol>
		<li>Wybierz przedział czasowy, w którym ΔAi(x, z) jest symetrycznie kołowo względem środka sfery, obserwując wizualnie obrazy. 
		UWAGA: Symetria kołowa jest zaburzana głównie przez konwekcję swobodną. Analiza obrazu w celu oceny wystąpienia konwekcji swobodnej została przedstawiona w poprzedniej pracy19; jednak w praktyce ocena wizualna jest skuteczna.</li>
		<li>Wyodrębnij dane ΔAi(rʹ, θ) wzdłuż 360 linii radialnych (Δθ = 1˚) na obrazach ΔAi(x, z).</li>
		<li>Wyklucz dane ΔAi(rʹ, θ) wewnątrz sfery i w jej bezpośrednim sąsiedztwie (Δrʹ≈ 0.2 mm). Uwaga: Dane w sąsiedztwie są anomalnie bardzo małe lub duże, głównie z powodu niewielkiego ruchu sfery.</li>
		<li>Uśrednij ΔAi(rʹ, θ) względem θ, aby wyznaczyć profil liniowy, ΔAi(rʹ). 
		UWAGA: Plik skryptu poleceń do wykonania kroków 2.2.2 do 2.2.4 w programie ImageJ znajduje się w Suplemencie 3.</li>
		<li>Przybliż dane ΔAi(rʹ) za pomocą następującej funkcji multi-gaussowskiej: 
		<img alt="Wzór na równowagę statyczną, Σaj[exp(-r²/σ²)-exp(-R²/σ²)], analiza równania fizycznego." src="/files/ftp_upload/57407/57407eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3">   (3) 
		gdzie aj jest współczynnikiem wagowym, σj jest parametrem dyspersji, a R to wartość maksymalna rʹ, dla której można przyjąć, że ΔAi(R) = 0.</li>
		<li>Oblicz różnicę współczynnika absorpcji, Δµi(r), podstawiając uzyskane N, aj i σj do poniższego IAT z równania (3): 
		<img alt="Wzór na rozkład statyczny, Δμl(r), obejmujący sumowanie oraz funkcje wykładniczą i błędu." src="/files/ftp_upload/57407/57407eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 4">   (4) 
		gdzie erf to funkcja błędu.</li>
		<li>Przelicz Δµi(r) na temperaturę za pomocą następującego równania: 
		<img alt="Równanie termodynamiczne ΔTi(r)=Δμi(r)/αf, symboliczny wzór dla analizy równowagi." src="/files/ftp_upload/57407/57407eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 5">   (5)  
		przy współczynnikach temperaturowych wody, αf, które wynoszą 2.8 x 10-4 K-1 mm-1 dla λ = 1150 nm19 oraz 4.1 × 10-3 K-1 mm-1 dla λ = 1412 nm17. 
		Uwaga: Plik skryptu poleceń do wykonania kroków 2.2.5 do 2.2.7 znajduje się w Suplemencie 4, w którym w kroku 2.2.5 zastosowano nieliniowy algorytm najmniejszych kwadratów Levenberga-Marquardta17,19.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Physics+of+Thermal+Therapy%22">Physics of Thermal Therapy</a>. Moros, E. G. , CRC Press. (2012).</li>
<li>Périgo, E. G., Hemery, G., Sandre, O., Ortega, D., Garaio, E., Plazaola, F., Teran, F. J. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4935688?journalCode=are">Fundamentals and advances in magnetic hyperthermia.</a> Appl Phys Rev. 2, 041302(2015).</li>
<li>Bardati, F., Marrocco, G., Tognolatti, P. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/1318787/">Time-dependent microwave radiometry for the measurement of temperature in medical applications.</a> IEEE Trans Microwave Theo Tech. 52, 1917-1924 (2004).</li>
<li>Levick, A., Land, D., Hand, J. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/22/6/065801">Validation of microwave radiometry for measuring the internal temperature profile of human tissue.</a> Meas Sci Technol. 22, 065801(2011).</li>
<li>Daniels, M. J., Varghese, T., Madsen, E. L., Zagzebski, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-invasive+ultrasound-based+temperature+imaging+for+monitoring+radiofrequency+heating-phantom+results%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Med+Biol%22%5BJournal%5D)">Non-invasive ultrasound-based temperature imaging for monitoring radiofrequency heating-phantom results.</a> Phys Med Biol. 52, 4827(2007).</li>
<li>Daniels, M. J., Varghese, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+frame+selection+for+in+vivo+ultrasound+temperature+estimation+during+radiofrequency+ablation%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Med+Biol%22%5BJournal%5D)">Dynamic frame selection for in vivo ultrasound temperature estimation during radiofrequency ablation.</a> Phys Med Biol. 55, 4735(2010).</li>
<li>Seo, C. H., Shi, Y., Huang, S. -W., Kim, K., O'Donnell, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+strain+imaging%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Interface+Focus%22%5BJournal%5D)">Thermal strain imaging: A review.</a> Interface Focus. 1, 649-664 (2011).</li>
<li>Bayat, M., Ballard, J. R., Ebbini, E. S. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4977628">Ultrasound thermography: A new temperature reconstruction model and in vivo results.</a> AIP Conf Proc. 1821, 060004(2017).</li>
<li>Petrova, E., Liopo, A., Nadvoretskiy, V., Ermilov, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+technique+for+real-time+temperature+monitoring+during+cryotherapy+of+lesions%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Imaging technique for real-time temperature monitoring during cryotherapy of lesions.</a> J Biomed Opt. 21, 116007(2016).</li>
<li>Gardner, B., Matousek, P., Stone, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Temperature+spatially+offset+Raman+spectroscopy+%28T-SORS%29%3A+Subsurface+chemically+specific+measurement+of+temperature+in+turbid+media+using+anti-Stokes+spatially+offset+Raman+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Anal+Chem%22%5BJournal%5D)">Temperature spatially offset Raman spectroscopy (T-SORS): Subsurface chemically specific measurement of temperature in turbid media using anti-Stokes spatially offset Raman spectroscopy.</a> Anal Chem. 88, 832-837 (2016).</li>
<li>Yoshioka, Y., Oikawa, H., Ehara, S., Inoue, T., Ogawa, A., Kanbara, Y., Kubokawa, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Noninvasive+measurement+of+temperature+and+fractional+dissociation+of+imidazole+in+human+lower+leg+muscles+using+1H-nuclear+magnetic+resonance+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22J+Appl+Physiol%22%5BJournal%5D)">Noninvasive measurement of temperature and fractional dissociation of imidazole in human lower leg muscles using 1H-nuclear magnetic resonance spectroscopy.</a> J Appl Physiol. 98, 282-287 (2004).</li>
<li>Galiana, G., Branca, R. T., Jenista, E. R., Warren, W. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accurate+temperature+imaging+based+on+intermolecular+coherences+in+magnetic+resonance%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Accurate temperature imaging based on intermolecular coherences in magnetic resonance.</a> Science. 322, 421-424 (2008).</li>
<li>Rapoport, E., Pleshivtseva, Y. <a target="_blank" href="https://www.crcpress.com/Optimal-Control-of-Induction-Heating-Processes/Rapoport-Pleshivtseva/p/book/9780849337543">Optimal Control of Induction Heating Processes</a>. , CRC Press. Boca Raton, FL. (2006).</li>
<li>Lucía, O., Maussion, P., Dede, E. J., Burdío, J. M. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6595059/">Induction heating technology and its applications: Past developments, current technology, and future challenges.</a> IEEE Trans Ind Electron. 61, 2509-2520 (2014).</li>
<li>Kakuta, N., Kondo, K., Ozaki, A., Arimoto, H., Yamada, Y. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0017931009002968">Temperature imaging of sub-millimeter-thick water using a near-infrared camera.</a> Int J Heat Mass Trans. 52, 4221-4228 (2009).</li>
<li>Kakuta, N., Fukuhara, Y., Kondo, K., Arimoto, H., Yamada, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Temperature+imaging+of+water+in+a+microchannel+using+thermal+sensitivity+of+near-infrared+absorption%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Temperature imaging of water in a microchannel using thermal sensitivity of near-infrared absorption.</a> Lab Chip. 11, 3479-3486 (2011).</li>
<li>Kakuta, N., Kondo, K., Arimoto, H., Yamada, Y. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0017931014004463">Reconstruction of cross-sectional temperature distributions of water around a thin heating wire by inverse Abel transform of near-infrared absorption images.</a> Int J Heat Mass Trans. 77, 852-859 (2014).</li>
<li>Kakuta, N., Yamashita, H., Kawashima, D., Kondo, K., Arimoto, H., Yamada, Y. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/27/11/115401/meta">Simultaneous imaging of temperature and concentration of ethanol-water mixtures in microchannel using near-infrared dual-wavelength absorption technique.</a> Meas Sci Technol. 27, 115401(2016).</li>
<li>Kakuta, N., Nishijima, K., Kondo, K., Yamada, Y. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4995284">Near-infrared measurement of water temperature near a 1-mm-diameter magnetic sphere and its heat generation rate under induction heating.</a> J Appl Phys. 122, 044901(2017).</li>
<li>Libnau, F. O., Kvalheim, O. M., Christy, A. A., Toft, J. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0924203194850143">Spectra of water in the near- and mid-infrared region.</a> Vib Spectrosc. 7, 243-254 (1994).</li>
<li>Siesler, H. W., Ozaki, Y., Kawata, S., Heise, H. M. <a target="_blank" href="NULL">Near-Infared Spectroscopy</a>. , Wiley-VCH. (2002).</li>
<li>Shakher, C., Nirala, A. K. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143816699000378">A review on refractive index and temperature profile measurements using laser-based interferometric techniques.</a> Opt Laser Eng. 31, 455-491 (1999).</li>
<li>Assebana, A., Lallemanda, M., Saulniera, J. -B., Fominb, N., Lavinskaja, E., Merzkirchc, W., Vitkinc, D. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030399200000955">Digital speckle photography and speckle tomography in heat transfer studies.</a> Opt Laser Technol. 32, 583-592 (2000).</li>
<li>Ambrosini, D., Paoletti, D., Spagnolo, S. G. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0017931003002667">Study of free-convective onset on a horizontal wire using speckle pattern interferometry.</a> Int J Heat Mass Trans. 46, 4145-4155 (2003).</li>
<li>Bracewell, R. N. <a target="_blank" href="https://www.amazon.com/Fourier-Transform-Its-Applications/dp/0073039381">The Fourier Transform and Its Applications</a>. , McGraw-Hill. (2000).</li>
<li>Yoder, L. M., Barker, J. R., Lorenz, K. T., Chandler, D. W. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009261499001761">Ion imaging the recoil energy distribution following vibrational predissociation of triplet state pyrazine-Ar van der Waals clusters.</a> Chem Phys Lett. 302, 602-608 (1999).</li>
<li>De Colle, F., de Burgo, C., Raga, A. C. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/0805.0559">Diagnostics of inhomogeneous stellar jets: convolution effects and data reconstruction.</a> Astron Astrophys. 485, 765-772 (2008).</li>
<li>Green, K. M., Borrás, M. C., Woskov, P. P., Flores, G. J., Hadidi, K., Thomas, P. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/922753/">Electronic excitation temperature profiles in an air microwave plasma torch.</a> IEEE Trans Plasma Sci. 29, 399-406 (2001).</li>
<li>Bendinelli, O. <a target="_blank" href="http://adsabs.harvard.edu/abs/1991ApJ...366..599B">Abel integral equation inversion and deconvolution by multi-Gaussian approximation.</a> Astrophys J. 366, 599-604 (1991).</li>
<li>Dorband, B., Muller, H., Gross, H. Vol. 5 Metrology of Optical Components and Systems. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/book/10.1002/9783527699223">Handbook of Optical System</a>. Gross, H. , Wiley-VCH. (2012).</li>
<li>Sheikholeslami, M., Rokni, H. B. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0017931017330004">Simulation of nanofluid heat transfer in presence of magnetic field: A review.</a> Int J Heat Mass Trans. 115, 1203-1233 (2017).</li>
<li>Häfeli, U., Schütt, W., Teller, J., Zborowski, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aH%C3%A4feli%2C+U+%22Scientific+and+Clinical+Applications+of+Magnetic+Carriers%22">Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers</a>. , Springer Science and Business Media. (2013).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Technika przedstawiona w tym artykule jest nowatorską techniką wykorzystującą zależność od temperatury absorpcji NIR wody i nie przedstawia istotnych trudności w ustawieniu niezbędnego sprzętu i wdrożeniu. Światło padające można łatwo wytworzyć za pomocą lampy halogenowej i NBPF. Nie można jednak stosować laserów, ponieważ na obrazach pojawiłyby się spójne wzorce interferencyjne. Można stosować zwykłe soczewki optyczne i szklane ogniwa do użytku w świetle widzialnym, ponieważ przepuszczają one odpowiednią ilość światła p...

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

Technika pomiaru temperatury w pobliżu małego źródła ciepła w medium jest wymagana w wielu dziedzinach badań naukowych i zastosowaniach. Na przykład w badaniach nad hipertermią magnetyczną, która jest metodą terapii nowotworów wykorzystującą indukcję elektromagnetyczną cząstek magnetycznych lub małych elementów magnetycznych, kluczowe znaczenie ma dokładne przewidywanie rozkładów temperatur generowanych przez cząstki magnetyczne1,2. Jednakże, chociaż microwave3,4, ultrasound5,6,7,8, optoacoustic9, Raman10 i rezonans magnetyczny11,12Techniki pomiaru temperatury oparte na badaniach i opracowaniu, taki rozkład temperatury wewnętrznej nie może być obecnie dokładnie zmierzony. Do tej pory temperatury jednopozycyjne lub temperatury w kilku pozycjach były mierzone za pomocą czujników temperatury, które w przypadku nagrzewania indukcyjnego są niemagnetycznymi światłowodowymi czujnikami temperatury13,14. Alternatywnie, temperatury powierzchni mediów zostały zdalnie zmierzone za pomocą termometrów promieniowania podczerwonego w celu oszacowania temperatur wewnętrznych14. Jednakże, gdy medium zawierające małe źródło ciepła jest warstwą wody lub niemętnym medium wodnym, wykazaliśmy, że technika absorpcji bliskiej podczerwieni (NIR) jest przydatna do pomiaru temperatur15,16,17,18,19. W artykule przedstawiono szczegółowy protokół stosowania tej techniki oraz reprezentatywne wyniki.
Technika absorpcji NIR opiera się na zasadzie zależności od temperatury pasm absorpcji wody w obszarze NIR. Jak pokazano na rysunku 1a, pasmo absorpcyjne wody ν1 + ν2 + ν3 obserwuje się w zakresie długości fali od 1100 nm do 1250 nm (λ) i zmienia się na krótsze wraz ze wzrostem temperatury19. W tym przypadku ν1 + ν2 + ν3 oznacza, że pasmo to odpowiada kombinacji trzech podstawowych trybów drgań O-H: rozciąganie symetryczne (ν1), zginanie (ν2) i rozciąganie antysymetryczne (ν3)<klasa sup="xref">20,21. Ta zmiana widma wskazuje, że najbardziej wrażliwa na temperaturę długość fali w paśmie wynosi λ ≈ 1150 nm. Inne pasma absorpcyjne wody również wykazują podobne zachowanie w odniesieniu do temperatury15,16,17,18,20,21. Pasmo ν1 + ν3 wody obserwowane w zakresie λ = 1350−1500 nm i jego zależność od temperatury przedstawiono na rysunku 1b. W paśmie ν1 + ν3 wody długość fali 1412 nm jest najbardziej wrażliwa na temperaturę. W ten sposób możliwe jest uzyskanie dwuwymiarowych (2D) obrazów temperatury za pomocą kamery NIR do przechwytywania obrazów absorbancji 2D przy λ = 1150 lub 1412 nm. Ponieważ współczynnik absorpcji wody przy λ = 1150 nm jest mniejszy niż przy λ = 1412 nm, pierwsza długość fali jest odpowiednia dla mediów wodnych o grubości około 10 mm, podczas gdy druga jest odpowiednia dla mediów o grubości około 1 mm. Niedawno, używając λ = 1150 nm, uzyskaliśmy rozkłady temperatur w warstwie wody o grubości 10 mm zawierającej podgrzewaną indukcyjnie stalową kulę o średnicy 1 mm19. Co więcej, rozkłady temperatur w warstwie wody o grubości 0,5 mm zostały zmierzone za pomocą λ = 1412 nm15,17.
Zaletą techniki obrazowania temperatury opartej na NIR jest to, że jest prosta w konfiguracji i implementacji, ponieważ jest to technika pomiaru absorpcji transmisyjnej i nie wymaga fluoroforu, luminoforu ani innej sondy termicznej. Ponadto jego rozdzielczość temperaturowa jest mniejsza niż 0,2 K15,17,19. Tak dobra rozdzielczość temperaturowa nie może być osiągnięta przez inne techniki transmisji oparte na interferometrii, które często były używane w badaniach wymiany ciepła i masy22,23,24. Zwracamy jednak uwagę, że technika obrazowania temperatury oparta na NIR nie jest odpowiednia w przypadkach ze znacznymi lokalnymi zmianami temperatury, ponieważ dominujące staje się ugięcie światła spowodowane dużym gradientem temperatury19. Zagadnienie to zostało poruszone w niniejszym artykule w aspekcie praktycznego zastosowania.
Ten artykuł opisuje eksperymentalną konfigurację i procedurę techniki obrazowania temperatury opartej na NIR dla małej kuli magnetycznej ogrzewanej przez indukcję; dodatkowo prezentuje wyniki dwóch reprezentatywnych obrazów absorbancji 2D. Jedno ze zdjęć przedstawia stalową kulę o średnicy 2,0 mm w warstwie wody o grubości 10,0 mm, która jest uchwycona przy λ = 1150 nm. Drugi obraz przedstawia stalową kulę o średnicy 0,5 mm w warstwie syropu maltozowego o grubości 2,0 mm, która jest uchwycona przy λ = 1412 nm. W artykule przedstawiono również metodę obliczeniową i wyniki trójwymiarowego (3D) radialnego rozkładu temperatury poprzez zastosowanie odwrotnej transformaty Abla (IAT) do obrazów absorbancji 2D. IAT jest prawidłowy, gdy zakłada się, że rozkład temperatury 3D jest sferycznie symetryczny, jak w przypadku ogrzewanej kuli (rysunek 2)19. Do obliczeń IAT stosowana jest tutaj metoda dopasowania funkcji wielogaussowskich, ponieważ IAT funkcji Gaussa można uzyskać analitycznie25,26,27,28,29 i dobrze pasują do monotonicznie malejących danych; Obejmuje to eksperymenty wykorzystujące przewodnictwo cieplne z jednego źródła ciepła.

<table><tbody><tr><td>Nagrzewnica indukcyjna</td><td>CEIA, Włochy</td><td>SPW900/56</td><td>780 kHz, 5,6 kW (max).</td></tr><tr><td>Cewka</td><td>SA-Japan</td><td>customowa</td><td>Rura miedziana chłodzona wodą; dwuobrotowa; średnica zewnętrzna 28 mm.</td></tr><tr><td>Agregat wody lodowej</td><td>Matsumoto Kikai, Japonia</td><td>MP-401CT</td><td></td></tr><tr><td>Lampa halogenowa</td><td>Hayashi Watch-Works, Japonia</td><td>LA-150UE-A</td> Filtr wąskopasmowoprzepustowy <td></td></tr><tr><td>dla &lambda; = 1150 nm</td><td>Andover</td><td>115FS10-25</td><td>Pełna szerokość przy połowie maksimum (FWHM): 10 nm.</td></tr><tr><td>Filtr wąskoprzepustowy dla &lambda; = 1412 nm</td><td>Andover</td><td>semi-custom</td><td>Pełna szerokość przy połowie maksimum (FWHM): 10 nm.</td></tr><tr><td>Filtr pasmowoprzepustowy dla &lambda; = 850&minus; 1300 nm</td><td>Spectrogon</td><td>SP-1300</td><td></td></tr><tr><td>Filtr pasmowo-przepustowy dla &lambda; = 1100&minus; 2000 nm</td><td>Spectrogon</td><td>SP-2000</td><td></td></tr><tr><td>Kamera NIR</td><td>FLIR Systems</td><td>Alpha NIR</td><td>InGaAs</td></tr><tr><td>Oprogramowanie do akwizycji obrazów</td><td>FLIR Systems</td><td>IRvista</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie do przetwarzania obrazu</td><td>NIH</td><td>ImageJ</td><td>wersja 1.51r</td></tr><tr><td>Oprogramowanie do przetwarzania obrazu</td><td>MathWorks</td><td>Matlab</td><td>ver. 2016a</td></tr><tr><td>Obiektyw telecentryczny</td><td>Edmond Optics</td><td>55350-L</td><td>X1</td></tr><tr><td>Kula stalowa (średnica 0,5 mm)</td><td>Kobe Steel, Japonia</td><td></td><td>Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)</td></tr><tr><td>Kula stalowa (średnica 2.0 mm)</td><td>Kobe Steel, Japonia</td><td></td><td>Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (% wag.)</td></tr><tr><td>Syrop maltozowy w postaci żelu wodnego</td><td>Sonton, Japonia</td><td>Mizuame</td><td>Produkt spożywczy</td></tr></tbody></table>

technika pomiaru temperatury w bliskiej podczerwieni dla wody otaczającej małą kulę magnetyczną ogrzewaną indukcyjnie

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

Przedstawiono technikę pomiaru temperatury wody i niemętnych mediów wodnych otaczających małą kulę magnetyczną ogrzewaną indukcyjnie. Technika ta wykorzystuje długości fal 1150 i 1412 nm, przy których współczynnik absorpcji wody zależy od temperatury. Woda lub niemętny wodny żel zawierający kulę magnetyczną o średnicy 2,0 mm lub 0,5 mm jest naświetlana światłem padającym o długości fali 1150 nm lub 1412 nm, zgodnie z wyborem przy użyciu filtra wąskoprzepustowego; Dodatkowo dwuwymiarowe obrazy absorbancji, które są poprzecznymi rzutami współczynnika absorpcji, są rejestrowane za pomocą kamery bliskiej podczerwieni. Gdy można założyć, że trójwymiarowe rozkłady temperatury są sferycznie symetryczne, szacuje się je poprzez zastosowanie odwrotnych transformacji Abla do profili absorbancji. Zaobserwowano, że temperatury zmieniają się konsekwentnie w zależności od czasu i mocy nagrzewania indukcyjnego.

Obrazy ΔAi(x, z) dla λ = 1150 nm dla stalowej kuli o średnicy 2,0 mm w wodzie oraz dla λ = 1412 nm dla stalowej kuli o średnicy 0,5 mm w syropie maltozowym przedstawiono odpowiednio na Rysunku 5a i Rysunku 6a. W obu przypadkach kula znajdowała się 12 mm poniżej dna cewki wzdłuż jej osi centralnej. Rysunek 5<stro...

Przedstawiono technikę wykorzystującą długości fal 1150 i 1412 nm do pomiaru temperatury wody otaczającej małą kulę magnetyczną ogrzewaną indukcyjnie.

Technika pomiaru temperatury w bliskiej podczerwieni dla wody otaczającej małą kulę magnetyczną ogrzewaną indukcyjnie

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

Ogólnym celem tego eksperymentu jest zmierzenie rozkładu temperatur w pobliżu rozgrzanej małej kuli lub punktowego źródła ciepła znajdującego się wewnątrz wody lub niemętnych ośrodków przyzwalających. Metoda ta będzie bardzo pomocna w badaniach nad miejscowym ogrzewaniem wewnątrz ośrodków, takich jak badania nad hipertermią z wykorzystaniem cząstek magnetycznych. Główną zaletą tej techniki jest to, że jest łatwa w konfiguracji i wdrożeniu.Procedurę zademonstrują Keisuke Nishijima i Van Cuong Han, którzy są absolwentami mojego laboratorium. Aby przygotować próbkę wody lub cieczy wodnej, najpierw użyj minimalnej niezbędnej ilości szybkoschnącego, wodoodpornego kleju, aby przymocować stalową kulę o średnicy dwóch milimetrów do końca cienkiego, niemetalowego sznurka lub pręta. Upewnij się, że klej w minimalnym stopniu wpływa na kształt kuli i szybkość wymiany ciepła, a następnie przeciągnij sznurek przez środkowy otwór nasadki kuwety z PTFE.Przyklej sznurek taśmą do 22 milimetrów sznurka zwisającego poniżej nasadki. Wyposażyć strzykawkę wypełnioną wodą w filtr strzykawkowy o średnicy 0,22 mikrometra i plastikową igłę dozującą. Ostrożnie napełnij szklaną komórkę o długości ścieżki optyc

near-infrared-temperature-measurement-technique-for-water-surrounding

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Ten film opisuje test reotaksji u danio pręgowanego. Metoda polega na pomiarze zachowania orientacyjnego danio pręgowanego w odpowiedzi na różne natężenia przepływu wody pod wpływem różnych pól magnetycznych.

Test reotaksji danio pręgowanego: metoda pomiaru zachowania orientacji w odpowiedzi na różne natężenia przepływu wody

Tutaj prezentujemy trzy protokoły pomiarów termicznych w urządzeniach mikroprzepływowych.

Techniki pomiaru termicznego w analitycznych urządzeniach mikroprzepływowych

Tenadrifluoroacetonian europu (EuTFC) ma linię luminescencji optycznej o długości fali 612 nm, której skuteczność aktywacji znacznie spada wraz z temperaturą. Jeśli próbka pokryta cienką warstwą tego materiału zostanie zmikroobrazowana, intensywność odpowiedzi luminescencyjnej 612 nm może zostać przekształcona w bezpośrednią mapę temperatury powierzchni próbki.

Mikroobrazowanie termiczne o wysokiej rozdzielczości z wykorzystaniem powłok luminescencyjnych z chelatem europu

Ten artykuł omawia procedury przygotowania próbek i czujników oraz protokoły korzystania z platformy testowej, szczególnie do dynamicznego obrazowania domeny z pomiarami BH in situ w celu osiągnięcia optymalnej jakości wzorca domeny i dokładnych pomiarów BH.

Zoptymalizowana konfiguracja i protokół obrazowania w domenie magnetycznej z pomiarem histerezy in situ

Ten manuskrypt opisuje metody mające na celu pomiar lokalnych współczynników chwilowej konwekcyjnej wymiany ciepła w jednofazowym lub dwufazowym przepływie rurowym. Przedstawiono również prostą metodę optyczną służącą do wyznaczania długości i prędkości rozchodzenia się wydłużonego (Taylora) pęcherzyka powietrza poruszającego się ze stałą prędkością.

Pomiary lokalnej chwilowej konwekcyjnej wymiany ciepła w rurze - przepływ jednofazowy i dwufazowy

Tutaj prezentujemy protokół do wykonywania czułej, przestrzennie rozdzielczej spektroskopii gazów w obszarze średniej podczerwieni, wykorzystując zdegenerowane mieszanie czterofalowe w połączeniu z detekcją konwersji w górę.

Czterofalowe mieszanie zdegenerowane w podczerwieni z detekcją konwersji w górę do ilościowego wykrywania gazów

Ten artykuł przedstawia protokół, który umożliwia oprzyrządowanie losowo uzwojonych cewek elektrycznych z czujnikami termicznymi światłowodowej siatki Bragga (FBG) w celu rozproszonego monitorowania stanu wewnętrznych termicznych gorących punktów.

Projektowanie, oprzyrządowanie i protokoły użytkowania do rozproszonego monitorowania gorących punktów termicznych in situ w cewkach elektrycznych za pomocą multipleksowania czujników FBG

Ten protokół opisuje, jak zainstalować kamerę na podczerwień w piecu przenośnika taśmowego, przeprowadzić korektę klienta fabrycznie skalibrowanej kamery na podczerwień i ocenić przestrzenny rozkład temperatury powierzchni obiektu będącego przedmiotem zainteresowania. Przykładowe obiekty to przemysłowe krzemowe ogniwa słoneczne.

Pomiar temperatury powierzchni in situ w piecu przenośnika taśmowego za pomocą termografii w podczerwieni inline

Prezentowany tutaj jest protokół wytwarzania mikropęcherzyków z nanocząsteczkami tlenku żelaza (NSM) poprzez samoorganizację, synergię reakcji magnetycznej, akustycznej i optycznej w jednej nanoterapeutycznej platformie do hipertermii magnetycznej i fototermicznej terapii przeciwnowotworowej.

Mikropęcherzyki reagujące na magnesy, akustycznie i optycznie do hipertermii magnetycznej i potototermicznej skojarzonej terapii nowotworów

Przedstawiono protokół badania tkanki biologicznej w wysokiej rozdzielczości przestrzennej za pomocą mikroskopii rezonansu magnetycznego o ultrawysokim polu (MRM) przy użyciu mikrocewek. Znajdują się instrukcje krok po kroku dotyczące charakteryzowania mikrocewek. Na koniec zademonstrowano optymalizację obrazowania na korzeniach roślin.

Kalibracja i użycie mikrocewki MRM zademonstrowane na korzeniach pałki Medicago przy 22 tach

W tym artykule przedstawiono technikę termorefleksji w dziedzinie częstotliwości (FDTR) do lokalnej niedestrukcyjnej charakterystyki termicznej i obrazowania.

Technika termorefleksji w dziedzinie częstotliwości do pomiarów właściwości termicznych

Poznaj technikę pomiaru temperatury w bliskiej podczerwieni dla wody otaczającej indukcyjnie ogrzewaną kulę magnetyczną. Metoda wykorzystuje fale 1150 i 1412 nm do badania lokalnego ogrzewania w badaniach hipertermii.

Technika pomiaru temperatury w bliskiej podczerwieni dla wody otaczającej małą kulę magnetyczną ogrzewaną indukcyjnie

Przeglądaj więcej filmów