Yakın kızılötesi sıcaklık ölçüm tekniği bir indüksiyon ısıtmalı manyetik küre küçük çevreleyen su için

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

Bir indüksiyon ısıtmalı manyetik küre küçük çevreleyen su sıcaklığı ölçmek için 1150 Ve 1412 nm dalga boyu kullanan bir yöntem sunulur.

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

Su ve bir indüksiyon ısıtmalı manyetik küre küçük çevreleyen bulanık Sulu ortam sıcaklığını ölçmek için bir yöntem sunulur. Bu tekniği su emme katsayısı sıcaklık üzerinde bağımlı olduğu 1150 Ve 1412 nm dalga boyu kullanır. Su ya da 2.0-mm - veya 0.5-mm-çap manyetik küre içeren bulanık sulu jel 1150 nm veya seçili bir dar bant filtre kullanarak olarak 1412 nm olay ışık ile ışınlanmış; Ayrıca, emme katsayısı enine projeksiyonları vardır, iki boyutlu Absorbans görüntüleri yakın kızılötesi fotoğraf makinesi yolu ile elde edilir. Sıcaklık üç boyutlu dağılımları küresel simetrik olarak kabul zaman, onlar Absorbans profillere Abel dönüşümleri tersini uygulayarak tahmin edilir. Sıcaklıklar sürekli olarak zaman ve indüksiyon ısıtma gücü göre değiştirmek için tespit edildi.

Introduction

Bir ortam içinde bir küçük ısı kaynağının sıcaklığı ölçmek için bir teknik birçok bilimsel araştırma alanları ve uygulamalar için gereklidir. Örneğin, araştırmaya manyetik Hipertermi olduğu bir kanser tedavisi yöntemi elektromanyetik indüksiyon manyetik parçacıklar, ya da küçük manyetik parçalar kullanarak, bu doğru manyetik tarafından oluşturulan sıcaklık dağılımları tahmin etmek için önemlidir parçacıklar1,2. Ancak, her ne kadar mikrodalga3,4, ultrason5,6,7,8, optoacoustic9, Raman10ve manyetik rezonans11 ,12-tabanlı Sıcaklık Ölçüm teknikleri araştırılmış ve geliştirilen, böyle bir iç sıcaklık dağılımı doğru şu anda ölçülen olamaz. Şimdiye kadar tek pozisyonlu sıcaklıklarda veya sıcaklık birkaç pozisyonlarda olan, indüksiyon Isıtma söz konusu olduğunda, Manyetik Optik fiber sıcaklık sensörleri13,14sıcaklık sensörleri ile ölçülen. Alternatif olarak, medya yüzey sıcaklıkları uzaktan iç sıcaklıkları14tahmin etmek için kızılötesi radyasyon Termometreler ile ölçülen var. Bir küçük ısı kaynağı içeren bir orta su katmanı veya bulanık olmayan bir sulu orta olduğunda, ancak, yakın kızılötesi (Nur) emme tekniği sıcaklıklar15,16ölçmek yararlı olduğunu göstermiştir, 17,18,19. Bu kağıt bu tekniği ve temsilcisi sonuçları ayrıntılı Protokolü sunar.

NIR emme tekniği sıcaklık bağımlılığı NIR bölgedeki su emme gruplarından prensibi temel alır. Görüldüğü gibi Şekil 1a, ν1 + ν2 + ν3 emme grup içinde su 1250-nm dalga boyu (λ) aralığı için 1100 nm ve vardiya daha kısa dalga boyları için sıcaklık görülmektedir 19artırır. Burada, ν1 + ν2 + bu grubun üç temel O-H titreşim modu birleşimi için karşılık gelen ν3 anlamına gelir: simetrik (ν1), (ν bükme germe 2) ve antisymmetric (ν3)20,21germe. Bu değişiklik spektrumda en sıcaklığa duyarlı dalgaboyu bandında λ ≈ 1150 nm olduğunu gösterir. Diğer su emme grupları da sıcaklık15,16,17,18,20,21ile ilgili olarak benzer davranışlar. ν1 + ν3 bant su gözlenen içinde aralığı λ 1350−1500 = nm ve onun sıcaklık bağımlılık Şekil 1badımında gösterilir. ν1 + ν3 bant su 1412 nm en sıcaklığa duyarlı dalga boyu var. Böylece, λ , 2D Absorbans çekim bir nur kamera kullanarak iki boyutlu (2D) sıcaklık görüntü elde etmek mümkündür 1150 veya 1412 nm =. Olarak su emme katsayısı λ 1150 = nm λ 1412 nm = daha küçük, eski dalga boyu yaklaşık 10 mm kalınlığında sulu ortamlar için uygun ise ikinci yaklaşık 1 mm kalınlığında olanlar için uygundur. Son zamanlarda, λ kullanarak 1150 = nm, biz elde bir indüksiyon ısıtmalı 1 mm çapında çelik küre19içeren bir 10 mm kalınlığında su katmanda sıcaklık dağılımları. Ayrıca, bir 0,5 mm kalınlığında su katmanda sıcaklık dağıtımları λ kullanarak ölçülen var 1412 nm15,17=.

Teknik görüntüleme NIR tabanlı Sıcaklık için bir avantaj kurulum ve iletim-emme ölçüm tekniği olduğundan ve hiçbir fluorophore, fosfor veya diğer termal prob ihtiyacı uygulamak kolay olmasıdır. Buna ek olarak, sıcaklık çözünürlüğü 0.2 K15,17,19azdır. Böyle bir iyi sıcaklık kararı diğer iletim teknikleri ısı ve kütle transferi çalışmaları22,23,24kez kullanılmış Interferometry üzerinde dayalı elde edilemez. Biz, ancak, Not tekniği Imaging NIR tabanlı Sıcaklık önemli yerel ortam sıcaklığı ile durumda uygun değildir, çünkü ışık saptırma neden büyük sıcaklık değişimi baskın19olur. Bu konuda pratik kullanım açısından bu gazetede denir.

Bu kağıt deneysel kurulumunu ve NIR tabanlı Sıcaklık görüntüleme tekniği için indüksiyon yolu ile ısıtılan bir küçük manyetik küre için yordamı açıklar; Ayrıca, iki temsilcisi 2D Absorbans resim sonuçlarını sunar. Bir görüntüdür λ yakalanan 10.0 mm kalınlığında su katmanındaki bir 2.0 mm çaplı çelik kürenin 1150 nm =. λ yakalanan bir 2.0 mm kalınlığında maltoz şurubu katmanda bir 0.5 mm çapında çelik kürenin ikinci yansımadır 1412 nm =. 2D Absorbans resimlere Abel dönüşüm (IAT) tersini uygulayarak bu kağıt da hesaplama yöntemi ve sıcaklık üç boyutlu (3D) Radyal dağılımı sonuçlarını sunar. IAT geçerli olduğu bir 3D sıcaklık dağılımı bir ısıtmalı küre (Şekil 2)19durumunda olduğu gibi küresel simetrik olduğu varsayılır. Çünkü IATs Gauss fonksiyonların analitik25,26,27,28,29 elde edilebilir bir multi-Gauss işlev yöntemi uygun burada, IAT hesaplama için istihdam edilmektedir ve tekdüze verileri azalan de Sığdır Bu bir tek ısı kaynağından termal iletken istihdam deneyler içerir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. deneysel kurulum ve yordamlar

Bir örnek ve NIR aşağıdaki gibi görüntüleme için optik bağlamaya optik bir demiryolu hazırlayın.

  1. Numune hazırlama.
    Not: su ya da sulu sıvı kullanırken, 1.1.1 adım. Sulu bir jel yüksek viskozite ile kullanırken, 1.1.2 adım.
    1. Su küre ayarında çelik.
      1. 2.0 mm çaplı çelik küre tutkal küçük bir miktar kullanarak ince bir plastik dize sonu için düzelt.
      2. Bir optik yol uzunluğu 10.0 mm, 10 mm genişliği ve yüksekliği 45 mm (şekil 3) ile dikdörtgen cam hücre Merkezi çelik küre asmak.
      3. Filtrelenmiş su hücre içine dikkatle dökün hava kabarcıkları üretmek için.
        Not: Bir çelik küre de ince bir plastik çubuk ucu tutkal19küçük bir miktar ile düzeltilebilir.
    2. Sulu jel ayarında küre çelik.
      1. Öyle ki sorunsuz dökülür gerekir düşük viskozite azaltmak için sulu bir jel ısı.
      2. Bir Ģırınga kullanarak, sulu jel bir optik yol uzunluğu 2.0 mm, 10 mm genişliğinde ve yarı dolu için 45 mm yüksekliğe sahip bir dikdörtgen cam hücre içine dökün ve soğumaya bırakın.
      3. 0.5 mm çapında çelik küre jel yüzeyi ortasına yerleştirin.
      4. Hücre sulu jel ile doldurun.
        Not: Daha büyük küre (> ~ 1 mm çaplı) çünkü onlar indüksiyon Isıtma sırasında yerçekimi ve/veya manyetik güçler tarafından hareket edecek bir jel ile kullanılmamalıdır.
    3. Hücre bir plastik tutucu içinde ayarla ve optik Ray (şekil 3) monte edin.
  2. Görüntüleme sistemi NIR hazırlanması.
    1. Halojen lamba fiber ışık Kılavuzu ile hazırlamak ve lif ışık Kılavuzu sonuna bir sahibi ile optik Parmaklığa düzeltin.
    2. Geçirgenliği tepe ile dar bant filtre (NBPF) λ yer 1150 nm veya λ = 1412 nm arasında fiber ışık Kılavuzu ve hücre (şekil 3) =.
    3. Başka bir bant filtre, iletim dalga boyu aralığı halojen lamba ve NBPF arasında NBPF daha geniştir (BPF), interpose.
      Not: BPF doğrudan ışık aldığı çünkü termal hasar NBPF için önlemek için gereklidir.
    4. Kaçak ışık (şekil 3) azaltmak için NBPF ve hücre sahibi arasında ışık yolundaki bir iris diaphragm(s) interpose.
    5. Hücre (şekil 3) iletilen ışık algılamak için bir NIR kamera ayarla. Fotoğraf makinesini bir kişisel bilgisayar (PC) görüntü alma yazılımı ile yüklü bir grafik kartına veri aktarım kablosu ile bağlayın.
    6. Bir telemerkeze lens kamera (şekil 3) ve hücre arasında ayarlayın.
      Not: Ortak bir kamera objektifi de kullanılabilir. Ancak, bir telemerkeze lens ışık paralel olarak Şef ışın IAT için seçici algılama ve kırınım etkisinin azaltılması açısından daha iyidir.
      Not: Bunu yaparken, su sıcaklığı üzerinden doğrudan yoğun ışık halojen lamba emilimini artırır çünkü NBPF ve BPF hücre ve kamera arasında yer.
    7. NIR kamerayı açın ve görüntü alma yazılımı başlatmak.
    8. Halojen lamba ışık ve çıkış gücünü (şekil 4) monitörde görüntülenen görüntü gözlemleyerek ayarlayın.
    9. Eksen, pozisyon ve çelik kürenin iyi bir görüntü elde etmek için telemerkeze objektif odak noktası ayarlayın.
      Not: ayarlamanın tam değilse, düzensiz yoğunluğu desenleri, yanlış absorbances için önde gelen görünür.
  3. İndüksiyon Isıtma sistemi hazırlanması.
    1. Bir indüksiyon Isıtma oluşan bir yüksek frekanslı jeneratör sistemi hazırlamak (maksimum çıkış gücü: 5.6 kW; frekans: 780 kHz), su soğutmalı bobin ve su soğutucu.
      Not: kaynak ve lehim küçük metal parçalar bir indüksiyon Isıtma sistemi sert lehimleme için bu amaç için uygun değildir; Tablo malzemelerigörmek.
    2. Mümkünse, bobin konumunu değiştirmek için bir XYZ hareketli Sahne Alanı'nda bağlayın.
    3. Bobin Merkezi ve çelik küre arasındaki mesafe yaklaşık 15 mm (şekil 3) öyle ki bobin yerleştirin. Bobin yakınındaki metal diğer bölümü yok olduğundan emin olun.
      Not: Mesafe indüksiyon ısıtma gücü ve küre boyutu bağlı olarak ayarlanmalıdır.
    4. Su soğutma için dolaşımda.
  4. Resim alma ve indüksiyon Isıtma.
    1. "Sırayla görüntüleri depolamak için görüntü alma yazılımı Başlat".
    2. İndüksiyon Isıtma başlamak üzere kontrol yazılımı Isıtma indüksiyon tıkırtı "başlamak".
    3. (Koşullar ve amaç) bağlı olarak birkaç saniye sonra "dur" görüntü alma yazılımı üzerinde tıklatın.
    4. "Dur" kontrol yazılımı Isıtma indüksiyon'ı tıklatın.
    5. Geçici depolanan görüntüleri görüntü alma yazılımı üzerinde bir TIFF sıra (veya diğer sigara sıkıştırılmış biçimi) olarak kaydedin.
      Not: sıcaklık yeterince yüksek ise, ışık saptırma etkisi görüntü7üzerinde görünür. İndüksiyon ısıtma gücü olmalıdır kürenin sıcaklığı artışı az yaklaşık 10 sıcaklık tahmini için aşağıdaki iletişim kuralı adımlarda teyit K, öyle ki deneyler uygun şekilde yine de azalmıştır.

2. görüntü işleme ve sıcaklık tahmini

Not: Kaydedilmiş sıralı görüntüleri olarak gösterilir benben(x, z), sıralı çerçeve numarası nerede . Koordinatları, x, y, z, rve r' Şekil 2' de; belirtildiği şekilde tanımlanır z yerçekimi yönün pozitiftir. Protokolü aşağıdakileri çerçevesinde ek 1' de gösterilmiştir.

  1. Absorbans görüntü inşaat.
    1. Açık benben(x, z) görüntü işleme yazılımı ile.
    2. Gürültü azaltmak benben(x, z) 3 × 3 piksel ortalama uygulayarak.
    3. Ortalama görüntüsünü oluşturmak benben(x, z) ben = 1-5 (veya daha fazla) önce Isıtma ve referans görüntü olarak tanımlamak benr(x, z).
      Not: Bu ortalama bir tek kare görüntü daha daha güvenilir bir görüntü elde etmek için paraziti azaltır.
    4. Absorbans fark, Δ sıralı görüntülerini oluşturmakbirben(x, z) yolu ile aşağıdaki denklemi:
      Equation 1(1)
      Not: ΔAben(x, z) Absorbans, birben(x, z), başvuru Absorbans, r(x, z), daha önce içinde çeşididir Isıtma ve olduğunu aşağıdaki gibi elde15,16,17,18,19:
      Equation 2(2)
      Ben0 hücreye olay ışığın şiddetini nerede.
    5. Mavi kırmızı gibi uygun renk eşlemesi kullanarak Δbirben görüntüleri renklendirme.
      Not: adımları 2.1.2 2.1.5 ImageJ için çalıştırmak için komut dosyasını ek 2' de sunulmuştur.
  2. Sıcaklık tahmini.
    1. Hangi Δ sırasındaAben(x, z) görsel görüntüleri gözlemleyerek dairesel yayın küre merkezi ile ilgili olarak simetrik olduğu dönemi seçin.
      Not: Dairesel simetrisi esas olarak ücretsiz konveksiyon tarafından bozuldu. Ücretsiz konveksiyon meydana gelen bir yansıma tabanlı analitik kıyamet içinde önceki iş19giriliyor; Ancak, pratikte, görsel yargı etkilidir.
    2. Aben(rʹ, θ) Δ veri 360 radyal çizgiler boyunca ayıklamak (Δθ = 1˚)birben(x, z) Δ görüntüleri.
    3. Δbirben(rʹ, θ) verileri küre içinde ve çevresi hariç (Δrʹ≈ 0.2 mm). Not: Verileri esas olarak küre hafif hareket nedeniyle anormal derecede çok küçük veya büyük yakınlardadır.
    4. Ortalama Δ satır profil, Δ belirlemek içinbirben(rʹ, θ) θ üzerindebirben(rʹ).
      Not: adımları 2.2.2 2.2.4 ImageJ için çalıştırmak için komut dosyasını ek 3' te sunulmuştur.
    5. Aben(rʹ) Δ veri aşağıdaki multi-Gauss işlev tarafından yaklaşık:
      Equation 3(3)
      nerede birj ağırlığı faktörü, σj dağılım parametresi parametresidir ve R rʹ maksimum nerede ΔAben(R) = 0 kabul.
    6. Elde edilen N, jve σj aşağıdaki IAT, EQ (3) yerine tarafından Δµben(r), emme katsayısı farkı hesaplama:
      Equation 4(4)
      Burada erf hata fonksiyonudur.
    7. Δbenμ(r) sıcaklık ile aşağıdaki denklemi dönüştürmek:
      Equation 5(5)
      4.0 × 10-3 K-1 mm-1 için λ olan su, αf, sıcaklık katsayıları ile 1150 nm19 ve 4,1 × 10-3 K-1 mm-1 = λ için 1412 nm17=.
      Not: ek 4nerede Levenberg-Marquardt doğrusal olmayan en küçük kareler algoritması17,19 adım 2.2.5 için istihdam edilmektedir, adımları 2.2.5 2.2.7 çalıştırmak için komut komut dosyası gösterilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Δ görüntüleriniAben(x, z), λ = 1150 nm 2.0 mm çaplı çelik küre su için ve maltoz şurubu 0.5 mm çapında çelik alanında sunulmaktadır için şekil 5bir içinde ve λ 1412 nm = Şekil 6bir, anılan sıraya göre. Her iki durumda da, alt Merkez eksende bobin aşağıda yer alan 12 mm küre yapıldı. Şekil 5 b ve şekil 6b ΔA(rʹ) data ve monte multi-Gauss işlevleri EQ (3) R ile içinde göstermek 3,0 mm ve R = = 1,5 mm, anılan sıraya göre. Hayır daha--dan iki ya da üç Gauss görev (N = 2 veya 3) bir iyi uygun17,19elde etmek için ihtiyaç vardır. Monte işlevleri sonra Eqs ile ΔT(r) profillerin dönüştürülmüştür. (4) ve (5) ve şekil 5c ve şekil 6csunulmaktadır.

ΔA görüntüleri her iki durumda da açıkça su sıcaklığı bir artış gösteriyor ve termal iletken nedeniyle küre çevresindeki jel. Dairesel simetrisi ΔA küre ile ilgili tüm resimler görülmektedir. Araziler ve eğrileri şekil 5c olarak ΔA(rʹ) Küre'ye en yakın mesafelerde zamanla artar olduğunu gösterir; rʹ≥ 2.5 mm, Hayır önemli, değişiklik gözlenen. Ayrıca, IAT yolu ile elde edilen ΔT(r) profilleri Radyal yönde termal iletken oluşumunu doğrulayın. ΔT(r) profilleri ΔA(rʹ) benzer görünse de, dΔT(r) / dr degrade değişimler bu ΔA(rʹ) profilleri, Not farklılık . Şekil 6' da, ΔA büyüklükleri Isıtma gücüne karşılık gelecek şekilde bulunan seviyeleri, Yani, ısı üretimi oranları kürenin.

0,5 mm çaplı küre için sonuçlar göstermek ΔAdairesel desende bozan, ücretsiz konveksiyon t sonra gözlenen değil = 1.2 s. suda 2.0 mm çaplı küre için sonra gerçekleşmesi için ücretsiz konveksiyon tersine, bulundu t = 1.2 s (gösterilmez). Bu saf termal iletken rejimi bir ücretsiz konveksiyon rejim için bir geçiş yaklaşık t suda oluştu anlamına gelir = 1.2 s. Bu farklılığı ücretsiz konveksiyon ısı oluşturma hızı ve viskozite farklılıkları neden oldu. Isı oluşturma hızı 0.5 mm çaplı kürenin bu 2.0 mm çaplı küre daha önemli ölçüde daha küçük; Ayrıca, maltoz şurubu (yaklaşık 100 Pa·s) viskozite önemli ölçüde su (yaklaşık 0,001 Pa·s) daha yüksek. Ücretsiz konveksiyon ısı ve kütle transferi araştırma önemli bir konu olduğu için başlangıç saati sağlar önerilen görüntüleme tekniği ücretsiz konveksiyon ve termal tüy ve verimleri bilgi ücretsiz inducing fiziksel koşullara desen Konveksiyon, katkıda önemli ölçüde bu alanda araştırma için.

Figure 1
Resim 1 : NIR soğurma spektrumu su sıcaklığı bağımlılığı. (a, b) 16.0 ° c sıcaklıklarda su emme grup spectra (1100-1250 nm ve 1350-1500 nm dalga boyu aralığı 4.0 ° C artışlarla 44,0 ° c (kırmızı) sırasıyla mavi). Oklar sıcaklık artış yönünü gösterir. İnsets Absorbans fark spectra gösterisi; 16.0 ° C'de Absorbans spectra başvurulardır. Optik yol uzunlukları 10 mm ve 1.0 mm (a) ve (b), sırasıyla vardır. Sıcaklığa duyarlı dalga boylarında 1150 nm Ve 1412 nm NIR görüntüleri elde etmek için kullanılan dikey kesik çizgilerle gösterilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Resim 2 : Koordinat sistemini ve geometri Absorbans görüntüleme için. Kakuta ve ark. 201719 AIP yayımlama izni ile yayınlanmıştır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3 : Deneysel Kur. (a) optik sistem ve indüksiyon Isıtma kurulum şeması. Ayrıntılar için bkz. Bu rakam Kakuta ve ark. 201719 AIP yayımlama izni ile değiştirildi. (b) deneysel Kur fotoğrafı. (c) dizesi, hücre ve bobin bir ölçek ile asılı bir 2.0 mm çaplı çelik küre gösterilen fotoğrafı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4 : Ham görüntüleri elde. (a, b) Aktarılan yoğunluk görüntüler, ben(x, z), λ 1150 nm için 2.0 mm çaplı çelik küre su ve λ = 1412 nm maltoz şurubu, 0.5 mm çapında çelik alanında için sırasıyla =. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. 

Figure 5
Şekil 5 : Absorbans görüntüleri ve sıcaklık profilleri su 2.0 mm çaplı çelik alanında için. (a) ΔA(x, z) imge vasıl λ 1150 nm ve t = = 0,4, 0.8 ve 1.2 s sonra indüksiyon Isıtma başlangıcı. (b) ΔA(rʹ) ve onların multi-Gauss araziler (katı eğrileri) uyuyor. (IATs ΔAüzerinde (rʹ) gerçekleştirerek elde edilen c) ΔT(r) profilleri. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 6
Şekil 6 : Absorbans görüntüleri ve sıcaklık profilleri maltoz şurubu 0.5 mm çapında çelik alanında için. (a) ΔA(x, z) imge vasıl λ 1412 nm ve t = = 0,4, 0.8 ve 1.2 s sonra indüksiyon Isıtma için Isıtma başlangıcı güç düzeyi % 10, % 30 ve % 50. (b) ΔA(rʹ) ve onların multi-Gauss araziler için % 50 (katı eğrileri) uyuyor. (için % 50 IATs üzerinde ΔA(rʹ) gerçekleştirerek elde edilen c) ΔT(r) profilleri. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. 

Supplemental Figure 1
Özel sayı 1: Görüntü işleme anahat. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Supplemental Figure 2
Ek 2: Komut dosyasını Absorbans görüntü inşaat (ImageJ için makro) için. Bu dosyayı indirmek için buraya tıklayınız.

Supplemental Figure 3
Ek 3: Komut dosyasını satır profil çıkarma (makro ImageJ için). Bu dosyayı indirmek için buraya tıklayınız.

Supplemental Figure 4
Ek 4: Multi-Gauss montaj ve ters Abel dönüşüm için MATLAB kodu. Bu dosyayı indirmek için buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu raporda sunulan teknik bir roman bir su emilimini NIR sıcaklık bağımlılığının kullanarak ve gerekli ekipman ve uygulama ayarlama önemli hiçbir zorluk sunar. Olay ışık bir halojen lamba ve bir NBPF kullanarak kolayca üretilmektedir. Tutarlı girişim desenleri görüntülerde görünür çünkü ancak, lazerler kullanılamaz. Ortak Optik mercekler ve cam hücreleri görünür ışık kullanımı için kullanılabilir, λ ışık yeterli miktarda iletimi gibi 1150 nm Ve 1412 nm =. Ayrıca, InGaAs kameralar şimdi nispeten ucuz bir fiyata satın alınabilir.

NBPFs λ , 1150 = nm Ve 1412 nm yarı özel emriyle mevcuttur, ancak aşırı pahalı değiller. (Şekil 1) sıcaklık bağımlı dalga boyu aralığı içinde olmalıdır, farklı bir dalgaboyu kullanıma hazır bir NBPF ise sıcaklık hassasiyeti veya αf, düşürebilir, ancak bunun yerine kullanılabilir. Örneğin, λ αf değerinde 1175 = nm olduğunu λ şuna yarım saniyeden 1150 nm =. Ayrıca, bant genişliği veya NBPF keskinliğini αfetkiler; bant genişliği arttıkça, αf 15azalır. Böylece, doğru tahmin (r) ΔT, gerekli olduğunda, NBPF geçirgenliği spektrum Spektrofotometre ile ölçülmelidir.

Suyun Kırılma indisi ile sıcaklık, ışık ışınları bir küre etrafında sıcaklık alanı geçerek bükülmesi, ΔA(x, z) Albümdeki değişiklikler neden değiştiğinden protokolünün içinde adım 1.4 belirtildiği gibi. Bu sorun bizim önceki iş19' araştırılmıştır. Küre'ye maksimum sıcaklığı orta küçük olduğu sürece bu çalışma ile elde edilen sonuçlar göre (< 10 K, yaklaşık), ΔA(x, z) değiştirmek için ışık saptırma katkısını ihmal edilebilir olabilir veya yeterince küçük ışık emilimi daha ışık tutarsız ve belirli bir sapma açısı telemerkeze objektif diyafram stop tarafından kabul edilir çünkü; Bu deflected ışınları gerçi diyafram geçmek ve Şef ışın30olarak görüntü düzlemde nokta aynı odaklanmak anlamına gelir. Öyle ki telemerkeze objektif kabul açısını biraz tahmin edilen sapma açısı büyüktür Ancak, bu göz önüne alındığında, diyafram dur dikkatle ayarlanmalıdır. Deneme ve hata düzeltmeleri ilk deneme için gerekli olabilir.

Adım 2.1 iletişim kuralı işleme ve adım 2.2 IAT hesaplama görüntü hiçbir gelişmiş matematiksel bilgi gerektirir. Adım 2.1 ortak görüntü işleme TIFF sırası dosyalarını davranabilirsiniz yazılımı kolayca gerçekleştirilebilir. Birçok açıdan, satır profilleri otomatik olarak komut dosyaları kullanarak alınamıyor varyasyonları sesler nedeniyle değil azaltılır rağmen 2.2.2 adımda el ile görüntü işleme yazılımı çıkarılan bir tek satır profil yerine, kullanılabilir.

Sulu bir orta kullanırken, onun su içeriği veya mol fraksiyonu, bilinen olabileceği ifade, özellikle ΔT, bir doğru tahmin için αf su içeriğine bağlıdır, çünkü. Sulu solutes ve jel yüzeylerde emme katsayıları küçük üzerinde sıcaklık bağlı olarak, diğer bir deyişle, sıcaklık hassasiyeti neredeyse su içeriği orantılıdır. Su içeriği ile sulu sıvı çok yüksek, olarak bilinen, bu gazetede verilen su αf değeri pratik olarak kullanılabilir. Aksi takdirde, su içeriği, tahmin edilen veya ölçülen su αf değerini Yani, αf, azaltılması çarparak yeterince doğru bir tahmin için etkili olabilir.

Sıcaklık algılama sınırı (~0.2 K) ve Uzaysal çözünürlük göz önüne alındığında (~ 30 µm; bu piksel boyut ve büyütme bağlıdır), sunulan teknik tek mikro ve nano-manyetik tarafından neden olduğu bir dakika sıcaklık artışı tespit etmek mümkün değildir parçacıklar İndüktif ısıtmalı. Ancak, çok sayıda parçacıklar toplanan, bir kapsül içinde bulunan veya ince bir tüp içinde akan, sıcaklık algılama düzeyi üzerinde artış olacaktır. Araştırmaya manyetik hipertermi, aslında, bu tür toplama ya da kanser hücreleri için manyetik nano tanecikleri seçici adsorpsiyon ve ortaya çıkan sıcaklık önemli ve incelenen. Bu nedenle, sunulan teknik manyetik Hipertermi çalışmalarda tüp bebek deneyleri ve manyetik parçacıklar kullanan diğer uygulamalar için kullanılacak bekleniyor. Sıcaklık dağılımı küresel simetri bu uygulamalarda elde değil, ama 2D görüntüleri araştırmacılar sıcaklık, numarası ve dağıtım parçacıkların ve Isıtma performansı hakkında bilgilendirmek için yeterli olacaktır.

Sunulan teknik manyetik alanlar çeşitli manyetik uygulamaları31,32yılında kullanılan değerlendirmek için kullanılabilir. Genel olarak, manyetik bobin tarafından üretilen alanları çok karmaşıktır ve tam olarak ölçülen veya teorik olarak öngördü. Ancak, bizim önceki iş19' gibi sıcaklık ve ısı üretimi oranları farklı bobin akımlar altında farklı pozisyonlarda manyetik bir kürenin bizim tekniği ile elde edilebilir. Isı oluşturma hızı kayma dağılımını manyetik alana karşılık gelmesi gerekir. Son olarak, sadece elektromanyetik indüksiyon için aynı zamanda ultrason odaklanarak, damlacıkları vücudunda kimyasal reaksiyonlar ve diğer yerel Isıtma yöntemleri için sunulan tekniği uygulanabilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgments

Yazarlar Bay Kenta Yamada, Bay Ryota Fujioka ve Bay Mizuki Kyoda deneyler ve veri analizleri desteklerinden dolayı teşekkür ederiz. Bu eser JSP'ler KAKENHI Grant numarası 25630069, Suzuki Vakfı ve hassas ölçüm teknolojisi tanıtım Vakfı, Japonya tarafından desteklenmiştir.

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