Методика измерения температуры ближней ИК-области спектра для воды вокруг индукции подогреваемый маленький магнитный шар

JoVE Journal
Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

ERRATUM NOTICE

Summary

Представлена методика использования волн 1150 и 1412 Нм для измерения температуры воды вокруг индукции подогреваемый маленький магнитный шар.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Kakuta, N., Nishijima, K., Han, V. C., Arakawa, Y., Kondo, K., Yamada, Y. Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere. J. Vis. Exp. (134), e57407, doi:10.3791/57407 (2018).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Представлен способ измерения температуры воды и не мутная водных сред, окружающих индукции подогреваемый маленький магнитный шар. Этот метод использует длин волн 1150 и 1412 Нм, при котором коэффициент поглощения воды зависит от температуры. Воду или не мутная водный гель, содержащий 2,0 мм или 0,5 мм магнитный шар облученного с 1150 Нм или 1412 Нм падающего света, как выбранные с помощью узкого полосовой фильтр; Кроме того двумерных поглощение изображений, которые являются поперечной проекции коэффициента поглощения, приобретаются через ближней инфракрасной камеры. Когда предполагается, что трехмерное распределение температуры может быть сферически симметричны, они оцениваются путем применения обратное, что превращает Абель поглощения профили. Температуры наблюдались с постоянно изменяются в зависимости от времени и индукции, мощность нагрева.

Introduction

Техника для измерения температуры вблизи источников тепла небольшой в среде требуется во многих областях научных исследований и приложений. Например, в исследовании по магнитной гипертермия, который является метод лечения рака с помощью электромагнитной индукции магнитных частиц, или магнитные небольшие, очень важно точно предсказать распределение температуры, порожденных магнитных частицы1,2. Однако хотя Микроволновая печь3,4, УЗИ5,6,7,8, Оптоакустическая9, Раман10и магнитного резонанса11 ,12-методы измерения температуры на основе были исследованы и разработаны, такое распределение температуры внутри невозможно точно измерить в настоящее время. До настоящего времени сингл позиция температуры или температуры на несколько позиций были измерены через датчики температуры, которые, в случае индукционного нагрева, магнитно-оптических волокон температуры датчики13,14. Кроме того температуры поверхности СМИ удаленно были измерены посредством инфракрасного излучения Термометры для оценки внутренней температуры14. Однако когда носитель, содержащий источник тепла небольшой слой воды или не мутная водной среде, мы продемонстрировали, что ближней ИК-области спектра (NIR) поглощения полезен для измерения температур15,16, 17,18,19. Этот документ представляет подробный протокол этой техники и представительных результатов.

NIR поглощения методика основана на принципе зависимость температуры полос поглощения воды в регионе НДК. Как показано на рисунке 1a, ν1 + ν2 + ν3 полосы поглощения воды наблюдается в 1100 Нм в диапазоне длин волн 1250 Нм (λ) и переход на более короткие длины волн температуры увеличивает19. Здесь, ν1 +2 νи ν3 означает, что эта группа соответствует сочетанию трех основных режимов вибрации O-H: симметричный растяжения (ν1), изгиб (ν 2) и антисимметричный растяжения (ν3)20,21. Это изменение в спектре указывает, что длина волны наиболее чувствительных к температуре в диапазоне λ ≈ 1150 Нм. Другие полосы поглощения воды также проявлять аналогичное поведение в отношении температуры15,16,17,18,,2021. Ν1 +3 полосами νводы наблюдается в пределах диапазона λ = 1350−1500 Нм и его зависимость от температуры показано на рисунке 1b. В ν1 +3 полосами νводы 1412 Нм-волны наиболее чувствительных к температуре. Таким образом, это позволяет получить изображения двухмерный (2D) температуры, с использованием NIR камеры для захвата изображения 2D поглощения при λ = 1150 или 1412 Нм. Как коэффициент поглощения воды при λ = 1150 Нм меньше, что при λ = 1412 Нм, бывший волны подходит для приблизительно 10-мм толщиной водных сред, в то время как последний подходит для приблизительно из них толщиной 1 мм. Недавно, используя λ = 1150 Нм, мы получили распределение температуры в слое воды толщиной 10 мм, содержащий индукционного подогрева диаметром 1 мм Стальная сфера19. Кроме того, распределение температуры в слое толщиной 0,5 мм воды были измерены с помощью λ = 1412 Нм15,17.

Преимуществом до температуры на основе NIR изображений техника является простой установки и осуществить, потому что это метод измерения передачи поглощения и потребности не Флюорофор, фосфора или других тепловой зонд. Кроме того его разрешение температуры меньше 0.2 K15,17,19. Такой хороший температуры резолюции нельзя достичь другими методами передачи на основе интерферометрии, часто используемые в тепло- и массообмена исследования22,23,24. Однако, мы отмечаем, что на основе NIR температура изображений техника не подходит в тех случаях, с изменением значительной местной температуры, потому что отклонение света вызвано большой градиент температуры становится доминирующим19. Этот вопрос упоминается в этом документе, с точки зрения практического использования.

Этот документ описывает экспериментальной установки и процедуры для изображений техники на основе NIR температуры для небольшой магнит-шар нагревается через индукции; Кроме того он представляет результаты два представителя поглощения 2D изображения. Одно изображение имеет стального шара диаметром 2,0 мм в слое воды толщиной 10.0 мм, возникающий при λ = 1150 Нм. Второе изображение — стальной сферы диаметром 0,5 мм в слое сироп мальтозный толщиной 2,0 мм, возникающий при λ = 1412 Нм. Этот документ также представляет метод расчета и результаты трехмерного (3D) радиального распределения температуры, применяя обратное преобразование Абеля (IAT) для изображений 2D поглощения. IAT является действительным, когда предполагается, что распределение 3D температуры является сферически симметричной, как и в случае с подогревом сфера (рис. 2)19. Для расчета IAT multi Гауссова функция фитинг метод работает здесь, потому что СМАП Гаусса функций могут быть получены аналитически25,26,27,28,29 и подходят также для монотонно уменьшается данных; Это включает в себя эксперименты, используя теплопроводности от источника одного тепла.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. экспериментальной установки и процедуры

Подготовьте оптических железнодорожные смонтировать образца и оптика для NIR изображений следующим образом.

  1. Подготовка образца.
    Примечание: При использовании воды или водного раствора жидкости, шаг 1.1.1. При использовании водный гель с высокой вязкостью, шаг 1.1.2.
    1. Стальная сфера в воде.
      1. Исправьте-диаметром 2,0 мм Стальная сфера в конце строки тонкий пластиковый, используя небольшое количество клея.
      2. Повесьте стального шарика в центре ячейки прямоугольные стекла с длиной оптического пути 10.0 мм, ширина 10 мм и высотой 45 мм (рис. 3).
      3. Налить отфильтрованной воды в ячейку осторожно чтобы не производить воздушные пузыри.
        Примечание: Стальная сфера также может быть фиксированной кончик тонкий пластиковый стержень с небольшим количеством клея19.
    2. Стальная сфера в водный гель.
      1. Нагрейте водный гель для снижения его вязкости, таким образом, что это достаточно низко, чтобы быть полито гладко.
      2. С помощью шприца, налить водный гель в ячейку прямоугольные стекла с длиной оптического пути 2,0 мм, шириной 10 мм и высотой 45 мм для наполовину и оставьте его для охлаждения.
      3. Место-диаметром 0,5 мм Стальная сфера в центре поверхности геля.
      4. Заполните ячейки с водный гель.
        Примечание: Больше сфер (> ~ 1 мм диаметром) не должны использоваться с гель, потому что они будут двигаться, гравитационные и магнитные силы во время индукционного нагрева.
    3. Ячейки в пластиковый держатель и смонтировать его на оптических шине (рис. 3).
  2. Подготовка изображений системы NIR.
    1. Подготовить галогенная лампа с волоконных световодов и исправить конца волоконных световодов с держателем на оптических железнодорожных.
    2. Место узкие bandpass фильтр (NBPF) с коэффициентом пропускания пик на λ = 1150 Нм или λ = 1412 Нм между волоконных световодов и клеток (рис. 3).
    3. Возражать другой полосовой фильтр (ПФ), чей диапазон волны передачи шире, чем у NBPF, между галогенные лампы и NBPF.
      Примечание: БНФ необходима для предотвращения теплового повреждения NBPF потому что он получает свет непосредственно.
    4. Возражать iris diaphragm(s) в легкий путь между NBPF и клеток держатель для уменьшения рассеянный свет (рис. 3).
    5. Настройка NIR камеры для обнаружения света передается через ячейку (рис. 3). Подключите камеру через кабель передачи данных к графический адаптер установлен в персональном компьютере (PC) с изображением приобретение программного обеспечения.
    6. Установите телецентрическим объективом между ячейкой и камеры (рис. 3).
      Примечание: Общие объектив камеры может также использоваться. Однако телецентрическим объективом лучше селективного выявления света параллельно главный луч для IAT и уменьшения влияния дифракции.
      Примечание: NBPF и БНФ не должны быть помещены между ячейкой и камеры потому, что, поступая таким образом, температура воды будет увеличить посредством прямого поглощения света высокой интенсивности от галогенная лампа.
    7. Включите камеру НИР и запустить программное обеспечение приобретения изображений.
    8. Свет галогенная лампа и отрегулировать его Выходная мощность наблюдения изображения на экране (Рисунок 4).
    9. Отрегулируйте ось, позиции и направленность телецентрическим объективом получить прекрасный образ стальной сферы.
      Примечание: Если корректировка не является полным, нерегулярные интенсивности Шаблоны появится, ведущих к неправильным absorbances.
  3. Подготовка индукционного нагрева системы.
    1. Подготовить индукционного нагрева системы, состоящей из генератора высокой частоты (максимальная выходная мощность: 5.6 кВт; частота: 780 кГц), Водоохлаждающие катушки и охладитель воды.
      Примечание: Индукционного нагрева системы для пайки, сварки и пайки небольших металлических частей подходит для этой цели; Смотрите Таблицу материалы.
    2. Если возможно смонтируйте катушку на передвижные подмости XYZ изменить свою позицию.
    3. Место катушки вблизи клетки, таким образом, что расстояние между центром катушки и стального шарика составляет примерно 15 мм (рис. 3). Убедитесь, что не существует никаких других металлических частей вблизи катушки.
      Примечание: Расстояние должна быть скорректирована в зависимости от индукционного нагрева мощности и размера области.
    4. Циркуляции воды для охлаждения.
  4. Получение изображения и индукционного нагрева.
    1. Нажмите кнопку «Пуск» на приобретение программного обеспечения изображения для хранения изображения последовательно.
    2. Нажмите кнопку «Пуск» на индукционного нагрева программное обеспечение управления начать индукционного нагрева.
    3. Через несколько секунд (в зависимости от условий и цель) нажмите кнопку «Стоп» на приобретение программного обеспечения изображения.
    4. Нажмите кнопку «Стоп» на индукционного нагрева программное обеспечение управления.
    5. Сохраните изображения временно хранятся как TIFF последовательности (или других не сжатый формат) на приобретение программного обеспечения изображения.
      Примечание: Если температура достаточно высока, эффект света прогиб появится на изображении7. Индукционная тепловая мощность должна быть соответствующим образом уменьшилась хотя эксперименты таким образом, что увеличение температуры вблизи области является менее около 10 K, которое может быть подтверждено в следующее протокол для оценки температуры.

2. обработка изображений и оценки температуры

Примечание: Сохраненные последовательные изображения представлены как яя(x, z), где количество последовательных кадров . Координаты x, y, z, rи r' определяются как указано на рисунке 2; z является положительным в направлении, противоположном гравитации. План действия протокола также иллюстрируется в дополнение 1.

  1. Изображение строительство поглощения.
    1. Открытые яя(x, z) с обработки изображений программное обеспечение.
    2. Уменьшить шум в яя(x, z) путем реализации 3 × 3 пикселя усреднения.
    3. Создайте образ Средний яя(x, z) над я = 1 до 5 (или более) до Отопление и определить его как исходный образ, яr(x, z).
      Примечание: Это в среднем уменьшает шум для получения изображения более надежных чем один кадр изображения.
    4. Построить последовательных изображений оптической плотности разница, Δ,я(x, z), через следующее уравнение:
      Equation 1(1)
      Примечание: ΔA,i(x, z) это различия в оптической плотности, я(x, z), от поглощения ссылка, r(x, z), перед Отопление и является производным следующим15,16,,1718,19:
      Equation 2(2)
      где я0 является интенсивность падающего света в ячейку.
    5. Раскрасить Δя изображения с помощью соответствующего цвета карты, например синий и красный.
      Примечание: Командный файл сценария для выполнения шагов 2.1.2 через 2.1.5 ImageJ также представлена в дополнении 2.
  2. Оценка температуры.
    1. Выберите период времени, в течение которого ΔA,i(x, z) циркулярно симметричный относительно центра сферы путем визуального наблюдения изображения.
      Примечание: Круговой симметрии нарушается главным образом свободной конвекции. На основе образа аналитического решения возникновения конвекцией вводится в предыдущей работе19; Однако практически, визуальные решения является эффективным.
    2. Извлечение данныхA,я(rʹ, θ) Δ вдоль 360 радиальными линиями (Δθ = 1˚) на Δ,я(x, z) изображения.
    3. Исключить Δ,я(rʹ, θ) данных в пределах сферы и в его окрестностях (Δrʹ≈ 0,2 мм). Примечание: Данные аномально очень малыми или большими в близости главным образом из-за небольшое движение сферы.
    4. Средняя Δ,я(rʹ, θ) над θ для определения линии профиля, Δ,я(rʹ).
      Примечание: Командный файл сценария для выполнения шагов 2.2.2 через 2.2.4 ImageJ также представлена в дополнении 3.
    5. Приблизительно ΔA,я(rʹ) данных, следующая функция multi Гаусса:
      Equation 3(3)
      где j весовой коэффициент, j σ -параметр дисперсии, и R -максимум rʹ где ΔA,я(R) = 0 можно предположить.
    6. Вычислите разницу коэффициент поглощения, Δµ,я(r), заменив полученные N, jи j σ в следующих IAT уравнение (3):
      Equation 4(4)
      где erf — функция ошибок.
    7. Преобразование Δµ,я(r) до температуры через следующее уравнение:
      Equation 5(5)
      с коэффициентами температуры воды, αf, которые являются 4.0 × 10-3 K-1 мм-1 для λ = 1150 Нм19 и 4,1 мм × 10-3 K-1 -1 для λ = 1412 Нм17.
      Примечание: Командный файл сценария для выполнения шагов 2.2.5 через 2.2.7 представлена в дополнении 4, где Левенберг Марквардт нелинейная наименьших квадратов алгоритм17,19 применяется для шага 2.2.5.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Изображения ΔA,i(x, z) при λ = 1150 Нм для стального шарика диаметром 2,0 мм в воде и на λ = 1412 Нм для стального шарика-диаметром 0,5 мм в мальтозный сироп представлены в рисунке 5 и Рисунок 6, соответственно. В обоих случаях сфере был расположен 12 мм ниже нижней части катушки вдоль центральной оси. Рисунок 5 b иb на рисунке 6показаны ΔA(rʹ) данных и их встроенные функции multi Гаусса в уравнение (3) с R = 3,0 мм и R = 1.5 мм, соответственно. Не более, чем два или три функции Гаусса (N = 2 или 3) необходимы для достижения хорошей форме17,19. Встроенные функции затем были преобразованы в Δ профилиT(r) через эквалайзерами. (4) и (5) и представлены вc Рисунок 5и Рисунок 6c.

ИзображенияA Δ в обоих случаях ясно показывают увеличение температуры воды и гель вокруг области за счет теплопроводности. Круговой симметрии ΔA что касается сферы наблюдается во всех изображениях. Земельные участки и кривых на рис. 5c указывают, что ΔA(rʹ) увеличивается с течением времени на расстояниях рядом с сфере; в rʹ≥ 2,5 мм, нет существенных изменений наблюдается. Кроме того ΔT(r) профили, полученные через IAT проверить появление теплопроводности в радиальном направлении. Обратите внимание, что, хотя ΔT(r) профили появляются аналогичны ΔA(rʹ), изменения в градиенте r/dT(r) dΔ отличаются от ΔA(rʹ) профили . На рисунке 6, величины ΔA находятся соответствовать мощности нагрева уровнях, т.е., тепловой генерации ставки сферы.

Результаты для сферы диаметром 0,5 мм, показывают, что свободной конвекции, которая искажает круговой узор в ΔA, не наблюдалось после t = 1.2 s. и наоборот, для сферы диаметром 2,0 мм в воде, конвекцией был найден после t = 1,2 s (не показан). Это означает, что переход от чисто термально кондукция режима к режиму свободной конвекции могли иметь место в воде приблизительно t = 1,2 s. Эта разница в свободной конвекции было вызвано различиями в поколение расхода тепла и вязкость. Скорость создания тепла сферы диаметром 0,5 мм был значительно меньше, чем в сфере диаметром 2,0 мм; Кроме того вязкость мальтозного сиропа (примерно 100 Па·с) был значительно выше, чем у воды (примерно 0,001 ПА·с). Потому что конвекцией является важной темой в тепло- и массообмена исследований, предлагаемых Тепловизионная техника, которая обеспечивает время начала свободной конвекции и шаблон тепловой шлейфа и дает информацию о физических условий, вызывающих бесплатно конвекция, будет существенно способствовать исследованиям в этой области.

Figure 1
Рисунок 1 : Температурная зависимость спектра поглощения NIR воды. (а, b) Группа спектров поглощения воды при температуре от 16,0 ° C (синий) 44.0 ° c (красный) 4.0 ° C с шагом в диапазоне длины волны 1100-1250 Нм и 1350-1500 Нм, соответственно. Стрелки указывают направление увеличения температуры. Вставки показывают поглощения разница спектров; спектры поглощения на 16,0 ° C являются ссылки. Длина оптического пути являются 10 мм и 1,0 мм в (a) и (b), соответственно. Вертикальные пунктирные линии указывают на длинах волн чувствительных к температуре 1150 Нм и 1412 Нм, используется для получения изображения НДК. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2 : Система координат и геометрии для поглощения воображения. Воспроизводится из Какюта et al. 201719 с разрешения издательства AIP. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3 : Экспериментальная установка. (a) схема оптической системы и индукционного нагрева установки. Увидеть текст для деталей. Эта цифра была изменена от Какюта et al. 201719 с разрешения издательства AIP. (b) фотография экспериментальной установки. (c) фотографию-диаметром 2,0 мм Стальная сфера висела на строки, ячейки и катушки с масштабом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4 : Приобрела изображений raw. (а, b) Передаваемых изображений интенсивности, я(x, z), при λ = 1150 Нм для стального шарика диаметром 2,0 мм в воде и λ = 1412 Нм для стального шарика диаметром 0,5 мм в мальтозный сироп, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. 

Figure 5
Рисунок 5 : Absorbance изображения и профили температуры для стального шарика диаметром 2,0 мм в воде. () изображения ΔA(x, z) на λ = 1150 Нм и t = 0,4, 0,8 и 1,2 s после начала индукционного нагрева. (b) Земельные участки ΔA(rʹ) и их multi Гаусса подходит (твердых кривых). (c) ΔT(r) профили, полученные в результате СМАП на ΔA(rʹ). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 6
Рисунок 6 : Absorbance изображения и профили температуры для стального шарика-диаметром 0,5 мм в мальтозный сироп. () изображения ΔA(x, z) на λ = 1412 Нм и t = 0,4, 0,8 и 1,2 s после начала индукционного нагрева для отопления мощность уровня 10%, 30% и 50%. (b) Земельные участки ΔA(rʹ) и их multi Гаусса подходит (твердых кривых) на 50%. (c) ΔT(r) профили, полученные в результате СМАП на ΔA(rʹ) на 50%. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. 

Supplemental Figure 1
Дополнение 1: План обработки изображений. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Supplemental Figure 2
Дополнение 2: Командный файл сценария для поглощения изображения строительства (макрос для ImageJ). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Supplemental Figure 3
Дополнение 3: Командный файл скрипта для извлечения профиля линия (макрос для ImageJ). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Supplemental Figure 4
Дополнение 4: MATLAB код для установки multi Гаусса и обратное преобразование Абеля. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Техника, представленных в настоящем документе роман, используя зависимость температуры NIR поглощения воды и не значительные трудности в создании необходимого оборудования и осуществления. Падающего света могут быть легко изготовлены с помощью галогенной лампой и NBPF. Однако нельзя использовать лазеры, потому что шаблонов последовательного вмешательства будет появляться на изображениях. Общие оптических линз и стеклянные кюветы для использования видимого света может использоваться, как они передают достаточное количество света на λ = 1150 Нм и 1412 Нм. Кроме того InGaAs камеры можно приобрести сейчас по относительно недорогой цене.

NBPFs на λ = 1150 Нм и 1412 Нм по полу заказ доступны, но они не являются чрезмерно дорогостоящими. Если есть готовые NBPF в другой волны, которая должна быть в диапазоне температур зависимая волны (рис. 1), он может использоваться вместо этого, хотя чувствительность температуры, или αf, может уменьшиться. Например, значение αf при λ = 1175 Нм составляет половину этого на λ = 1150 Нм. Кроме того пропускной способности или резкость NBPF влияет на αf; как пропускная способность увеличивается, f α уменьшается15. Таким образом когда требуется точная оценка ΔT(r), спектр пропускания NBPF должны быть измерено спектрофотометром.

Как указано в шаге 1.4 протокола, потому что индекс преломления воды зависит от температуры, света, которые отклоняются лучи, проходящие через температурного поля вокруг области, вызывая изменения в изображенияA(x, z) Δ. Эта проблема была расследована в нашей предыдущей работы19. Согласно результаты, полученные через это исследование, поскольку максимальная температура вблизи области умеренно мал (< 10 K, примерно), вклад света прогиб для изменения в ΔA(x, z) может быть незначительным или достаточно меньше, чем поглощения света, потому что свет является непоследовательным и определенный угол отклонения принимается диафрагмы остановка телецентрическим объективом; Это означает, что деформированного лучи хотя диафрагмы и сосредоточиться на той же точке в плоскости изображения как главный луч30. Однако учитывая это, диафрагма остановки должны быть тщательно скорректированы таким образом, чтобы угол принятии телецентрическим объективом немного больше, чем предсказано угол. Для первоначального эксперимента могут потребоваться корректировки проб и ошибок.

Обработки изображений в шаг 2.1 протокола и расчета IAT в шаге 2.2 не требует продвинутых математических знаний. Шаг 2.1 могут быть легко выполнены с общей обработки программного обеспечения, которое может относиться к TIFF файлы последовательности изображений. В шаге 2.2.2, если линия профили под несколькими углами не могут быть получены автоматически с помощью команды скриптов, однострочный профиль извлечены вручную на программное обеспечение для обработки изображений может вместо этого использоваться, хотя вариации из-за шумов не уменьшаются.

При использовании водной среде, его содержание воды, или Мольная доля, следует известны или измерить, особенно для точной оценки ΔT, потому что αf зависит содержание воды. Другими словами как коэффициенты поглощения водных растворов и гель субстратов зависят мало на температуру, чувствительность температуры пропорционален почти содержание воды. Если известно, что содержание воды очень высокой, как в водный жидкости, f α значение воды в этом документе может использоваться практически. В противном случае умножения значения αf воды предсказал или измеренные воды содержание, т.е. уменьшения αf, могут быть эффективными для достаточно точные оценки.

Учитывая температурный предел обнаружения (~0.2 K) и пространственным разрешением (~ 30 мкм; это зависит от размера пикселя и масштаб), это невозможно для представленной техники для обнаружения увеличение минуту температуры, вызвало в одной микро - и нано магнитные частицы с подогревом индуктивно. Однако если большое количество частиц можно агрегировать, содержащиеся в капсуле или текла в тонкую трубку, температура увеличилась бы на уровне обнаружению. В исследованиях на магнитных гипертермия на самом деле, такое агрегирование или селективного адсорбции магнитные наночастицы для раковых клеток и результирующей температуры являются важными и исследованы. Следовательно представленная техника, как ожидается, использоваться в пробирке эксперименты в исследования магнитных гипертермии и других приложений, использующих магнитные частицы. Сферичной симметрии в распределение температуры не могут быть получены в этих приложениях, но 2D изображения будет достаточно, чтобы информировать исследователей о температуре, количество и распределение частиц и мощность нагрева.

Представлена методика может использоваться для вычисления магнитного поля, используемые в различных магнитной приложений31,32. Как правило магнитные поля, производимые катушки являются очень сложными и нельзя точно измерить или теоретически предсказал. Однако как показано в нашей предыдущей работы19, температуры и тепловой поколения темпы магнитного шара на различных должностях под разные катушки токов можно получить по нашей методике. Пространственное распределение тепла скорость создания должны соответствовать магнитного поля. Наконец может осуществляться представлена техника, не только для электромагнитной индукции, но и для УЗИ упором, химических реакций в капельки и другие методы местного нагрева.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Авторы благодарят г-н Kenta Ямада, г-н Ryota Фудзиока и г-н Мидзуки Кьёда за их поддержку на эксперименты и анализа данных. Эта работа была поддержана JSP-страницы KAKENHI Грант номер 25630069, Suzuki Foundation и Фонд поощрения технологии точного измерения, Япония.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Induction heating system CEIA, Italy SPW900/56 780 kHz, 5.6 kW (max).
Coil SA-Japan custom Water-cooled copper tube; two-turn; outer dia. 28 mm.
Water chiller Matsumoto Kikai, Japan MP-401CT
Halogen lamp Hayashi Watch-Works, Japan LA-150UE-A
Narrow bandpass filter for λ = 1150 nm Andover 115FS10-25 Full width at half-maximum (FWHM): 10 nm.
Narrow bandpass filter for λ = 1412 nm Andover semi-custom Full width at half-maximum (FWHM): 10 nm.
Bandpass filter for λ = 850−1300 nm Spectrogon SP-1300
Bandpass filter for λ = 1100−2000 nm Spectrogon SP-2000
NIR camera FLIR Systems Alpha NIR InGaAs
Image acquisition software FLIR Systems IRvista
Image processing software NIH ImageJ ver. 1.51r
Image processing software MathWorks Matlab ver. 2016a
Telecentric lens Edmond Optics 55350-L X1
Steel sphere (0.5 mm dia.) Kobe Steel, Japan Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)
Steel sphere (2.0 mm dia.) Kobe Steel, Japan Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)
Maltose syrup as aqueous gel Sonton, Japan Mizuame Food product

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Erratum

Formal Correction: Erratum: Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere
Posted by JoVE Editors on 12/06/2018. Citeable Link.

An erratum was issued for: Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere. The Protocol section was updated.

In 2.2.7, the temperature coefficient of water, αf, for λ = 1150 nm has been corrected from:

4.0 x 10-3 K-1 mm-1

to:

2.8 x 10-4 K-1 mm-1

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please sign in or create an account.

    Usage Statistics