Nær-infrarød temperatur måling teknik til vand omkring en induktion-opvarmet små magnetiske kugle

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

En teknik, udnytte bølgelængder af 1150 og 1412 nm til at måle temperaturen i vandet omkring en induktion-opvarmet små magnetiske kugle er præsenteret.

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

En teknik til at måle temperaturen i vandet og ikke-grumset vandige medier omkring en induktion-opvarmet små magnetiske kugle er præsenteret. Denne teknik anvender bølgelængder af 1150 og 1412 nm, hvormed absorptionskoefficient vand er afhængig af temperaturen. Vand eller en ikke-grumset vandig gel indeholder en 2,0 mm - eller 0,5 mm-diameter magnetisk kugle er bestrålet med 1150 nm eller 1412 nm indfaldende lys, som valgte ved hjælp af en smal bandpass filter; Derudover er to-dimensionelle absorbans billeder, som er de tværgående fremskrivninger af absorptionskoefficienten, erhvervet via en nær-infrarødt kamera. Når de tre-dimensionelle fordelinger af temperatur kan antages for at være sfærisk symmetriske, anslås de ved at anvende inverse Abel forvandler absorbans profiler. Temperaturerne blev observeret konsekvent ændre tid og induktion varme strøm.

Introduction

En teknik til at måle temperatur nær en lille varmekilde i et medium er påkrævet i mange videnskabelige forskningsområder og ansøgninger. Eksempelvis i forskning på magnetisk hypertermi, hvilket er en kræft behandling metode via elektromagnetisk induktion af magnetiske partikler eller små magnetiske spillebrikker, er det kritisk at præcist at forudsige de temperatur distributioner genereret af den magnetiske partikler1,2. Men selv om mikroovn3,4, ultralyd5,6,7,8, optoacoustic9, Raman10og magnetisk resonans11 ,12-baseret temperatur måling teknikker har været forsket og udviklet, sådan en indre temperaturfordelingen ikke kan måles præcist i øjeblikket. Hidtil, er single-position temperaturer eller temperaturer på et par positioner blevet målt via temperaturfølere, som for induktion varme, er ikke-magnetisk optisk fiber temperatur sensorer13,14. Alternativt, overfladetemperaturer medier er fjernt målt via infrarød stråling termometre til at anslå den indre temperaturer14. Men når et medium, der indeholder en lille varmekilde er et vand-lag eller en ikke-grumset vandigt medium, vi har vist, at en nær-infrarødt (NIR) absorption teknik er nyttig til at måle temperaturer15,16, 17,18,19. Dette paper præsenterer detaljerede protokollen af denne teknik og repræsentative resultater.

NIR absorption teknik er baseret på princippet om temperatur afhængighed af bands, absorption af vand i regionen NIR. Som er vist i figur 1a, ν1 + ν2 + ν3 absorption band af er vand observeret i 1100-nm til 1250-nm bølgelængde (λ) rækkevidde og Skift til kortere bølgelængder som temperaturen øger19. Her, ν1 + ν2 + ν3 betyder, at dette bånd svarer til kombinationen af de tre grundlæggende O-H vibrationer tilstande: symmetrisk stretching (ν1), bøjning (ν 2), og antisymmetriske stretching (ν3)20,21. Denne ændring i spektret angiver, at den mest temperatur-følsomme bølgelængde i bandet λ ≈ 1150 nm. Andre absorption bands af vand også udviser samme adfærd med hensyn til temperatur15,16,17,18,20,21. Ν1 + ν3 bånds vand observeret inden for rækkevidde λ = 1350−1500 nm og dens temperatur afhængighed er vist i figur 1b. Ν1 + ν3 bånds vand er 1412 nm mest temperatur-følsomme bølgelængde. Det er således muligt at opnå todimensionale (2D) temperatur billeder ved hjælp af en NIR kamera hen til fange 2D absorbans billeder ved λ = 1150 eller 1412 nm. Som absorptionskoefficienten vand ved λ = 1150 nm er mindre end at ved λ = 1412 nm, den tidligere bølgelængde er velegnet til ca 10 mm tyk vandige medier, mens sidstnævnte er velegnet for ca 1 mm tyk. For nylig, ved hjælp af λ = 1150 nm, vi opnåede temperatur-distributioner i en 10 mm tyk vandet lag indeholdende en induktion-opvarmet diameter på 1 mm stål kugle19. Derudover temperatur-distributioner i en 0,5 mm tyk vandet lag er blevet målt ved hjælp af λ = 1412 nm15,17.

En fordel at NIR-baserede temperaturen imaging teknik er, at det er nemt at opsætte og implementere da det er en metode til måling af transmission-absorption og brug ikke fluorophore, fosfor eller anden termisk sonde. Derudover er beslutningen temperatur mindre end 0,2 K15,17,19. Sådan en god temperatur beslutning kan ikke opfyldes af andre transmission teknikker baseret på interferometri, som ofte har været brugt i varme og masse overførsel undersøgelser22,23,24. Vi bemærker imidlertid, at NIR-baserede temperaturen imaging teknik er ikke egnet i tilfælde med betydelige lokale temperaturforandringer, fordi afbøjning af lys forårsaget af den store temperaturgradient bliver dominerende19. Denne sag er nævnt i dette papir med hensyn til praktisk brug.

Dette papir beskriver eksperimentel opsætning og procedure for NIR-baseret temperatur imaging teknik til en lille magnetisk kugle opvarmet via induktion; Derudover præsenterer resultaterne af to repræsentative 2D absorbans billeder. Et billede er af en diameter på 2,0 mm stål kugle i en 10,0 mm tyk vandet lag, der er fanget ved λ = 1150 nm. Det andet billede er af en diameter på 0,5 mm stål kugle i en 2,0 mm tyk maltose sirup lag, der er fanget ved λ = 1412 nm. Dette paper præsenterer også beregningsmetode og resultaterne af den tre-dimensionelle (3D) radial distribution af temperatur ved at anvende inverse Abel transformering (IAT) 2D absorbans billeder. IAT er gyldig, når et 3D temperaturfordelingen antages for at være sfærisk symmetriske som i tilfælde af en opvarmet sfære (figur 2)19. For beregningen IAT er en multi-Gaussisk funktion montering metode ansat her, fordi IATs af Gaussisk funktion kan opnås analytisk25,26,27,28,29 og passer godt til monoton faldende data; Dette omfatter eksperimenter beskæftiger termisk overledning fra en enkelt varmekilde.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. eksperimentel opsætning og procedurer

Forberede en optisk jernbane til at montere en prøve og optik for NIR imaging som følger.

  1. Forberedelse af prøver.
    Bemærk: Når du bruger vand eller vandige væske, gøre trin 1.1.1. Når du bruger en vandig gel med høj viskositet, gøre trin 1.1.2.
    1. Stål kugle indstilling i vand.
      1. Lave en 2.0-mm-diameter stål kugle til slutningen af en tynd plastik streng ved hjælp af en lille mængde lim.
      2. Hænge den stål kugle i midten af cellen rektangulære glas med en lysvej på 10,0 mm, bredde 10 mm og en højde af 45 mm (figur 3).
      3. Hæld filtreret vand ind i cellen forsigtigt for ikke at producere luftbobler.
        Bemærk: En stål kugle kan også fastgøres til spidsen af en tynd plastik stang med en lille mængde lim19.
    2. Stål kugle indstilling i vandig gel.
      1. Opvarme en vandig gel for at reducere sine viskositet, således at det er lav nok til at blive hældt glat.
      2. Ved hjælp af en sprøjte, hæld den vandige gel i en rektangulær glas celle med en lysvej på 2,0 mm, bredde 10 mm og en højde af 45 mm til halv-fuld og lad det køle.
      3. Placer en diameter på 0,5 mm stål kugle i midten af gel overflade.
      4. Udfylde cellen med den vandige gel.
        Bemærk: Større kugler (> ~ 1 mm dia.) bør ikke bruges med en gel, fordi de vil flytte af tyngdekraften og/eller magnetiske kræfter under induktion varme.
    3. Indstille cellen i en plastik holderen og montere den på den optiske jernbane (figur 3).
  2. Forberedelse af NIR imaging system.
    1. Forberede en halogenlampe med en fiber lys guide, og Fastgør enden af fiber lys guide med en holder på den optiske jernbane.
    2. Placer et smalt bandpass filter (NBPF) med en transmittans peak ved λ = 1150 nm eller λ = 1412 nm mellem fiber lys guide og celle (figur 3).
    3. Placere en anden båndpasfilter (BPF), hvis transmission bølgelængdeområdet er bredere end for NBPF, mellem halogenlampe og NBPF.
      Bemærk: BPF er nødvendig for at forhindre termisk skade til NBPF, fordi den modtager lys direkte.
    4. Placere en iris diaphragm(s) i lysbanen mellem NBPF og celle indehaveren til at reducere den omstrejfende lys (figur 3).
    5. Oprette en NIR kamera til at afsløre lyset overføres via celle (figur 3). Tilslut kameraet via en data transfer kabel til en grafisk bord installeret i en personlig computer (PC) med billede erhvervelse software.
    6. Angive en telecentrisk linse mellem celle og kamera (figur 3).
      Bemærk: En fælles kameralinse kan også bruges. Dog er en telecentrisk objektivet bedre med hensyn til den selektive påvisning af det lys parallelt med den øverste stråle nemlig IAT og reduktion af påvirkning af diffraktion.
      Bemærk: NBPF og BPF bør ikke placeres mellem celle og kamera fordi dermed vandets temperatur vil øge via direkte absorption af høj intensitet lys fra en halogenlampe.
    7. Tænd NIR kameraet og starte billede erhvervelse software.
    8. Lys halogenlampe og justere dens udgangseffekt, observere et billede vises på skærmen (figur 4).
    9. Justere akse, position og fokus for telecentrisk linsen at opnå et fint billede af en stål kugle.
      Bemærk: Hvis justeringen ikke er komplet, uregelmæssige intensitet mønstre vises, fører til forkert absorptioner.
  3. Forberedelse af induktion varmesystem.
    1. Forberede en induktion varme system bestående af en høj frekvens generator (maksimale udgangseffekt: 5.6 kW; hyppighed: 780 kHz), vandkølet coil og vand chiller.
      Bemærk: En induktion varmesystem til lodning, svejsning og lodning små metaldele er passende til dette formål; Se Tabel af materialer.
    2. Om muligt montere spolen på en XYZ bevægelige scene til at ændre sin holdning.
    3. Placer spolen nær cellen således, at afstanden mellem coil center og de stål kugle er ca 15 mm (figur 3). Sikre, at der er ingen andre metaldele i nærheden af spolen.
      Bemærk: Afstanden bør justeres afhængigt af induktion varme strøm og kugle størrelse.
    4. Cirkulere vand til køling.
  4. Billede erhvervelse og induktion varme.
    1. Klik på "start" på billede erhvervelse software til at gemme billederne sekventielt.
    2. Klik på "start" på induktion varme kontrol software for at påbegynde induktion varme.
    3. Efter adskillige sekunder (afhængigt af de vilkår og formål), skal du klikke på "stop" på billede erhvervelse software.
    4. Klik på "stop" på induktion varme kontrol software.
    5. Opspare den tidsligt gemt billeder som en TIFF sekvens (eller andre ikke-komprimeret format) på billede erhvervelse software.
      Bemærk: Hvis temperaturen er høj nok, vil effekten af lys afbøjning vises på billede7. Induktion varme magt skal være faldt passende selv eksperimenter, stigning i temperaturen nær området er mindre end ca 10 K, hvilket kan bekræftes i følgende protokol trin for temperatur skøn.

2. billede behandling og temperatur estimering

Bemærk: De gemte sekventielle billeder er repræsenteret som jegjeg(x, z), hvor jeg er sekventiel stelnummeret. Koordinater, x, y, z, rog r' er defineret som er angivet i figur 2. z er positivt i retningen modsat tyngdekraften. Omridset af følgende protokol trin illustreres også i tillæg 1.

  1. Absorbansen billede konstruktion.
    1. Åben jegjeg(x, z) med billedbehandling software.
    2. Nedbringe støj i jegjeg(x, z) ved gennemførelsen af 3 × 3 pixel gennemsnit.
    3. Oprette en gennemsnitlig billede af jegjeg(x, z) over jeg = 1 til 5 (eller flere) før opvarmning, og definere det som referenceafbildning, jegr(x, z).
      Bemærk: Dette gennemsnit reducerer støj for at opnå et mere pålideligt billede end et enkelt billede billede.
    4. Konstruere de sekventielle billeder af absorbans forskel, Δetjeg(x, z), via følgende ligning:
      Equation 1(1)
      Bemærk: Δ,A,jeg(x, z) er variationen i absorbans, enjeg(x, z), fra reference absorbans, enf(x, z), før opvarmning, og er afledt som følger15,16,17,18,19:
      Equation 2(2)
      hvor jeg0 er intensiteten af indfaldende lys til cellen.
    5. Farvelæg Δenjeg billederne ved hjælp af en passende farve kort såsom blå til rød.
      Bemærk: Kommandoscriptfilen for gennemkørsel 2.1.5 trin 2.1.2 for ImageJ er fremlagt i tillæg 2.
  2. Temperatur skøn.
    1. Vælg den tidsperiode, under hvilke Δ,A,jeg(x, z) er cirkulært symmetriske forhold til centrum af kuglen af visuelt observere billederne.
      Bemærk: Cirkulære symmetrien brydes hovedsagelig af gratis konvektion. En image-baseret analytisk dom af gratis konvektion forekommende er indført i den foregående arbejde19; men praktisk visuel bedømmelse er effektiv.
    2. Uddrag Δ,A,jeg(rʹ, θ) data langs 360 radiale linjer (Δθ = 1˚) på Δ,enjeg(x, z) billeder.
    3. Udelukke Δ,enjeg(rʹ, θ) data inden for sfæren og i dens nærhed (Δrʹ≈ 0,2 mm). Bemærk: Dataene er anomalously meget små eller store i nærheden hovedsagelig på grund af den lille bevægelse af kuglen.
    4. Gennemsnitlige Δetjeg(rʹ, θ) over θ til at bestemme profilen linje, Δ,enjeg(rʹ).
      Bemærk: Kommandoscriptfilen for gennemkørsel 2.2.4 trin 2.2.2 for ImageJ er fremlagt i tillæg 3.
    5. Tilnærme Δ,A,jeg(rʹ) dataene ved følgende multi-Gaussisk funktion:
      Equation 3(3)
      hvor enJørgensen er vægtningsfaktoren, σj er dispersion parameter, og R er maksimalt antal rʹ hvor Δ,A,jeg(R) = 0 kan antages.
    6. Beregne absorption koefficient forskel, Δµ,jeg(r), ved at erstatte den opnåede N, enJørgensenog σj i den følgende IAT Eq. (3):
      Equation 4(4)
      hvor erf er fejlfunktionen.
    7. Konvertere Δµ,jeg(r) til temperatur via følgende ligning:
      Equation 5(5)
      med de temperatur koefficienter af vand, αf, som er 4.0 × 10-3 K-1 mm-1 for λ = 1150 nm19 og 4.1 × 10-3 K-1 mm-1 λ = 1412 nm17.
      Bemærk: Kommandoscriptfilen for kører trin 2.2.5 gennem 2.2.7 er præsenteret i tillæg 4, hvor Levenberg-Marquardt ikke-lineær mindste kvadraters algoritme17,19 er ansat i trin 2.2.5.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Billeder af ΔAjeg(x, z) ved λ = 1150 nm for en 2.0-mm-diameter stål kugle i vand og ved λ = 1412 nm for en diameter på 0,5 mm stål kugle i maltose sirup er præsenteret i figur 5en og Figur 6en, henholdsvis. I begge tilfælde var området beliggende 12 mm under bunden af spolen langs den centrale akse. Figur 5 b og figur 6b viser ΔA(rʹ) data og deres monteret multi-Gaussisk funktioner i Eq. (3) med R = 3,0 mm og R = 1,5 mm, henholdsvis. Ikke mere end to eller tre Gaussisk funktioner (N = 2 eller 3) er nødvendige for at opnå en god pasform17,19. De indbyggede funktioner blev derefter omdannet til ΔT(r) profiler via miljøkvalitetskrav. (4) og (5), og er præsenteret i figur 5c og figur 6c.

Δet billeder i begge tilfælde tydeligt viser en stigning i temperaturen af vandet og gel omkring sfære på grund af termisk overledning. Den cirkulære symmetri af ΔA med hensyn til området er observeret i alle billeder. Parceller og kurver i figur 5c angiver at ΔA(rʹ) stiger med tiden på afstande der er tættest på området; på rʹ≥ 2,5 mm, ingen væsentlig ændring er observeret. Derudover kontrollere ΔT(r) profiler opnået via IAT forekomsten af termisk varmeledning i radial retning. Bemærk, at selvom ΔT(r) profiler vises svarende til ΔA(rʹ), ændringer i dΔT(r) dr gradient afviger fra ΔA(rʹ) profiler . I figur 6, omfanget af ΔA er fundet for at svare til den varme magt niveauer, dvs, varme generation satser af kuglen.

Resultaterne for 0,5 mm diameter kuglen viser, at gratis konvektion, som fordrejer cirkelmønster i ΔA, ikke blev observeret efter t = 1,2 s. omvendt, for 2,0 mm diameter kuglen i vand, gratis konvektion blev fundet for at forekomme efter t = 1,2 s (ikke vist). Det betyder, at en overgang fra en ren termisk overledning regime til et gratis konvektion regime kan være opstået i vand på omkring t = 1,2 s. Denne forskel i gratis konvektion var forårsaget af forskelle i de varme generation sats og viskositet. Den varme generation sats af 0,5 mm diameter kuglen var betydeligt mindre end 2,0 mm diameter sfære; viskositet maltose sirup (ca. 100 Pa·s) var desuden betydeligt højere end vand (cirka 0.001 Pa·s). Fordi gratis konvektion er et vigtigt emne i varme og masse overførsel forskning, den foreslåede imaging teknik, som giver gang af gratis konvektion og mønster af termisk plume og udbytte oplysninger om fysiske betingelser inducerende gratis konvektion, vil bidrage betydeligt til forskning på dette område.

Figure 1
Figur 1 : Temperatur afhængighed af NIR absorptionsspektrum vand. (a, b) Absorptionsspektra band af vand ved temperaturer fra 16,0 ° C (blå) til 44.0 ° C (rød) i 4,0 ° C trin i bølgelængde intervaller af 1100-1250 nm og 1350-1500 nm, henholdsvis. Pilene angiver retningen af temperaturstigningen. Mellemværker Vis absorbansen forskellen spectra; absorbans spectra på 16,0 ° C er henvisninger. Den optiske transmissionslængde længder er 10 mm og 1.0 mm i (a) og (b), henholdsvis. De lodrette stiplede linjer angiver de temperatur-følsomme bølgelængder af 1150 nm og 1412 nm til opnåelse af NIR billeder. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2 : Koordinatsystem og geometri for absorbans imaging. Gengivet fra Kakuta et al. 201719 med tilladelse fra AIP Publishing. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3 : Eksperimentel opsætning. a en skematisk af det optiske system og induktion varme setup. Se tekst for yderligere oplysninger. Dette tal er blevet ændret fra Kakuta et al. 201719 med tilladelse fra AIP Publishing. (b) fotografi af opsætningen af eksperimenterende. (c) fotografi viser en 2.0-mm-diameter stål kugle hang ved en streng, celle og spolen med en skala. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4 : Erhvervet raw billeder. (a, b) Indberetter intensitet billeder, jeg(x, z), ved λ = 1150 nm for en 2.0-mm-diameter stål kugle i vand og λ = 1412 nm til en diameter på 0,5 mm stål kugle i maltose sirup, henholdsvis. Venligst klik her for at se en større version af dette tal. 

Figure 5
Figur 5 : Absorbans billeder og temperatur profiler for en 2.0-mm-diameter stål kugle i vand. a ΔA(x, z) billeder ved λ = 1150 nm og t = 0,4, 0,8 og 1,2 s efter debut af induktion varme. (b) plots ΔA(rʹ) og deres multi-Gaussisk passer (solid kurver). (c) ΔT(r) profiler opnået ved at udføre IATs på ΔA(rʹ). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6 : Absorbans billeder og temperatur profiler til en diameter på 0,5 mm stål kugle i maltose sukkerlage. a ΔA(x, z) billeder ved λ = 1412 nm og t = 0,4, 0,8 og 1,2 s efter debut af induktion varme til opvarmning magt niveauer af 10%, 30% og 50%. (b) plots ΔA(rʹ) og deres multi-Gaussisk passer (solid kurver) til 50%. (c) ΔT(r) profiler opnået ved at udføre IATs på ΔA(rʹ) til 50%. Venligst klik her for at se en større version af dette tal. 

Supplemental Figure 1
Supplere 1: Skitse af billedbehandling. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Supplemental Figure 2
Supplere 2: Kommandoscriptfilen for absorbans billede konstruktion (makro for ImageJ). Venligst klik her for at downloade denne fil.

Supplemental Figure 3
Supplere 3: Kommandoscriptfilen for line profil udvinding (makro for ImageJ). Venligst klik her for at downloade denne fil.

Supplemental Figure 4
Supplere 4: MATLAB kode for multi-Gaussisk montering og inverse Abel transformering. Venligst klik her for at downloade denne fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Teknikken præsenteret i dette papir er en roman, en ved hjælp af temperatur afhængighed af NIR absorption af vand og præsenterer ingen betydelige problemer med at oprette de nødvendige udstyr og gennemførelse. Det indfaldende lys kan nemt fremstilles ved hjælp af en halogenlampe og en NBPF. Dog bruges ikke lasere, fordi sammenhængende indblanding mønstre ville blive vist på billederne. Almindelige optiske linser og glas celler til synligt lys brug kan bruges, som de sender et passende beløb af lys ved λ = 1150 nm og 1412 nm. Derudover kan InGaAs kameraer købes nu på en forholdsvis billig pris.

NBPFs ved λ = 1150 nm og 1412 nm er til rådighed ved semi-custom orden, men de er ikke alt for dyrt. Hvis der er en færdiglavet NBPF ved en anden bølgelængde, som skal være inden for temperatur-afhængige bølgelængdeområdet (figur 1), kan det bruges i stedet, selv om temperaturen følsomhed eller αf, kan falde. For eksempel, αf værdien ved λ = 1175 nm er halvdelen af det ved λ = 1150 nm. Derudover påvirker båndbredde eller skarphed af NBPF αf; båndbredden stiger, falder αf 15. Således, når den nøjagtige skøn over ΔT(r) er påkrævet, transmittans spektrum af NBPF bør måles ved et spektrofotometer.

Som nævnt i trin 1.4 i protokollen, fordi brydningsindekset for vand varierer med temperaturen, lys stråler der passerer gennem feltet temperatur omkring en kugle er afbøjet, forårsager ændringer i ΔA(x, z) billeder. Dette problem blev undersøgt i vores tidligere arbejde19. Ifølge resultaterne via denne undersøgelse, så længe den maksimale temperatur nær området er moderat lille (< 10 K, ca), bidrag af lys indbøjningen til ændringen i ΔA(x, z) kan være ubetydelige eller tilstrækkeligt mindre end lysabsorption, fordi lyset er usammenhængende og en bestemt afbøjning vinkel er accepteret af den blænde stop af telecentrisk linse; Det betyder at de udadbøjede stråler passerer selvom blænde og fokus på det samme punkt i billedet flyet som chief ray30. Dog overvejer dette, blænde stop bør nøje tilpasses således at ryglænets accept af telecentrisk objektivet er lidt større end den forudsagte afbøjning vinkel. Trial-and-error justeringer kan være påkrævet for den indledende forsøg.

Image processing i trin 2.1 i protokollen og beregning af IAT i trin 2.2 kræver ingen avancerede matematiske viden. Trin 2.1 kan udføres nemt med fælles billedbehandling software, der kan behandle TIFF sekvens filer. I trin 2.2.2, hvis linje profiler på flere vinkler automatisk ikke kan opnås ved hjælp af kommandoen scripts, en enkelt linje profil udtrukket manuelt på billedbehandlingsprogram kan i stedet blive brugt, selvom udsving, der skyldes støj ikke reduceres.

Når du bruger et vandigt medium, dens vandindhold, eller muldvarp brøkdel, bør være kendt eller målt, især for en nøjagtig vurdering af ΔT, fordi αf afhænger af vandindholdet. Med andre ord som absorption koefficienter af vandige opløste stoffer og gel substrater afhænger lidt på temperatur, er temperatur følsomhed næsten proportional vandindholdet. Hvis vandindholdet er kendt for at være meget høj, som med vandige væsker, kan αf -værdi af vand i dette papir bruges praktisk. Ellers, at multiplicere αf -værdi af vand af den anslåede eller målte vand indhold, dvs., at reducere αf, kan være effektiv for en tilstrækkelig nøjagtig vurdering.

I betragtning af den temperatur detektionsgrænsen (~0.2 K) og rumlige opløsning (~ 30 µm; dette afhænger pixelstørrelse og forstørrelse), det er umuligt for den præsenterede teknik til at opdage et minut temperaturstigning forårsaget af enkelt micro - og nano-magnetiske partikler opvarmet induktivt. Men hvis et stort antal partikler kan aggregeres, indeholdt i en kapsel eller flød i en tynd slange, temperaturen vil stige over detektionsgrænsen. I forskning om magnetisk hypertermi, faktisk, er sådan sammenlægning eller selektiv adsorption af magnetiske nanopartikler til kræftceller og de deraf følgende temperaturer vigtigt og undersøgte. Derfor forventes den præsenterede teknik skal anvendes til in vitro-eksperimenter i magnetiske hypertermi undersøgelser og andre programmer, der bruger magnetiske partikler. Sfærisk symmetri i temperaturfordelingen kan ikke fås i disse programmer, men 2D-billeder vil være tilstrækkeligt for at informere forskere om temperaturen, antallet og fordelingen af partikler og varme ydeevne.

Den præsenterede teknik kan bruges til at evaluere magnetiske felter, der bruges i forskellige magnetisk programmer31,32. Generelt, magnetiske felter produceret af bredbånd er meget kompliceret, og kan ikke netop måles eller teoretisk forudsiges. Men som vist i vores tidligere arbejde19, temperaturer og varme generation satser af en magnetisk kugle på forskellige positioner under forskellige coil strømme kan fås ved vores teknik. Den geografiske fordeling af varme generation sats skal svare til det magnetiske felt. Endelig kan præsenteres teknikken gennemføres, ikke kun for elektromagnetisk induktion, men også for ultralyd fokusering, kemiske reaktioner i dråber og andre lokale opvarmning metoder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Forfatterne takke Mr. Kenta Yamada, Mr. Ryota Fujioka og Mr. Mizuki Kyoda for deres støtte til eksperimenter og data analyser. Dette arbejde blev støttet af JSP'ER KAKENHI Grant nummer 25630069, Suzuki Foundation, og præcis måling teknologi Promotion Foundation, Japan.

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