تقنية قياس درجات الحرارة القريبة من الأشعة تحت الحمراء للمياه المحيطة مجال مغناطيسي صغيرة ساخنة التعريفي
Summary
وتقدم تقنية استخدام أطوال موجية 1150 و 1412 نيوتن متر لقياس درجة حرارة المياه المحيطة مجال مغناطيسي صغيرة ساخنة التعريفي.
Abstract
وتقدم تقنية لقياس درجة حرارة المياه ووسائل الإعلام مائي غير عكر المحيطة مجال مغناطيسي صغيرة ساخنة التعريفي. ويستخدم هذا الأسلوب أطوال موجية نيوتن متر 1150 و 1412، الذي معامل امتصاص المياه اعتماداً على درجة الحرارة. المياه أو هلام مائي غير عكر التي تحتوي على مجال مغناطيسي قطرها 2.0 ملم أو 0.5 مم هو المشع مع 1150 nm أو ضوء الحادث 1412 شمال البحر الأبيض المتوسط، كمختارة باستخدام عامل تصفية ممر الموجه ضيقة؛ بالإضافة إلى ذلك، يتم الحصول على صور امتصاص ثنائي الأبعاد، وهي إسقاطات عرضية معامل الاستيعاب، عبر كاميرا القريبة من الأشعة تحت الحمراء. عند توزيع ثلاثي الأبعاد لدرجة الحرارة يمكن أن يفترض أن يكون متماثل كرويا، يقدر بتطبيق معكوس تحويلات أبيل لامتصاص التشكيلات الجانبية. ولوحظت درجات الحرارة باستمرار تغيير وفقا للوقت والتعريفي التدفئة السلطة.
Introduction
تقنية لقياس درجة الحرارة قرب مصدر حرارة صغيرة داخل متوسطة مطلوب في العديد من مجالات البحوث العلمية والتطبيقات. على سبيل المثال، في البحوث المتعلقة هايبرثيرميا المغناطيسي، وهو أسلوب علاج سرطان باستخدام الحث الكهرومغناطيسي للجسيمات المغناطيسية، أو قطع مغناطيسية صغيرة، من المهم للتنبؤ بدقة بتوزيعات درجات الحرارة التي تم إنشاؤها بواسطة المغناطيسي جسيمات1،2. ومع ذلك، على الرغم من أن الموجات الدقيقة3،4، والموجات فوق الصوتية5،6،،من78، أوبتواكوستيك9، رامان10، والرنين المغناطيسي11 ،12-تم بحث وتطوير تقنيات قياس درجة الحرارة على أساس، وهذا توزيع درجة حرارة داخلية لا يمكن قياسها بدقة في الوقت الحاضر. وحتى الآن، تم قياس درجات الحرارة موقف واحد أو درجات الحرارة في بضعة مواقع عبر أجهزة الاستشعار درجة الحرارة، وهي، في حالة الحث التدفئة، الألياف الضوئية غير مغناطيسية درجة الحرارة أجهزة الاستشعار13،14. وبدلاً من ذلك، قد تم قياس درجات الحرارة السطحية لوسائل الإعلام عن بعد عبر الأشعة تحت الحمراء الحرارة لتقدير درجات الحرارة الداخلية14. ومع ذلك، عندما يكون وسيلة تحتوي على مصدر حرارة صغيرة طبقة مياه أو وسيط مائي غير عكر، لقد أظهرنا أن أسلوب استيعاب (الجرد) القريبة من الأشعة تحت حمراء مفيد لقياس درجات الحرارة15،16، 17،،من1819. وتعرض هذه الورقة البروتوكول مفصلة من هذا الأسلوب والنتائج التمثيلية.
تقنية امتصاص نير يستند إلى مبدأ الاعتماد على درجة الحرارة من عصابات امتصاص المياه في منطقة الجرد. كما هو موضح في الشكل 1a، ν1 + ν2 +3 νامتصاص الفرقة من المياه لوحظ في 1100 نانومتر إلى 1250 nm الطول الموجي (λ) والتحولات إلى أطوال موجية أقصر كدرجة الحرارة يزيد من19. هنا، ν1 + ν2 + ν3 يعني أن يتوافق مع هذه الفرقة إلى مزيج الأوضاع الثلاثة الأساسية الاهتزاز ح س: تمتد متماثل (ν1)، الانحناء (ν 2)، واللامتماثل تمتد20،(ν3)21. هذا التغيير في الطيف، يشير إلى أن الطول الموجي الأكثر حرارة حساسة في الفرقة λ ≈ 1150 شمال البحر الأبيض المتوسط. كما يحمل أخرى عصابات امتصاص المياه سلوك مشابهة فيما يتعلق بدرجة الحرارة15،16،،من1718،،من2021. لاحظ ν1 + ν3 الفرقة من المياه داخل نطاق λ = 1350−1500 شمال البحر الأبيض المتوسط واعتمادها درجة الحرارة مبينة في الشكل 1 باء. في ν1 + ν3 الفرقة للمياه، هو 1412 nm الطول الموجي الأكثر حرارة حساسة. وبالتالي، فمن الممكن الحصول على صور ثنائية الأبعاد (2D) الحرارة باستخدام كاميرا الجرد لالتقاط صور امتصاص 2D في λ = 1150 أو 1412 شمال البحر الأبيض المتوسط. كما أن معامل امتصاص المياه في λ = 1150 شمال البحر الأبيض المتوسط أصغر من أن في λ = 1412 شمال البحر الأبيض المتوسط، والطول الموجي السابق مناسبة لحوالي 10 ملم-سميكة مائي وسائل الإعلام، في حين أن هذا الأخير مناسبة لحوالي 1 مم-سميكة منها. في الآونة الأخيرة، باستخدام λ = 1150 شمال البحر الأبيض المتوسط، ونحن الحصول على توزيعات درجات الحرارة في طبقة مياه 10-مم-سميكة تحتوي على يسخن التعريفي مجال 1-مم الصلب19. وعلاوة على ذلك، تم قياس توزيعات درجات الحرارة في طبقة سمكها 0.5 ملم الماء باستخدام λ = 1412 شمال البحر الأبيض المتوسط15،17.
ميزة لدرجة الحرارة على أساس الجرد تقنية التصوير أنها بسيطة لإعداد وتنفيذ لأنه أسلوب قياس انتقال-استيعاب ويحتاج لا فلوروفوري أو الفوسفور أو غيرها المسبار الحراري. وبالإضافة إلى ذلك، قرارها في درجة حرارة أقل من 0.2 ك15،،من1719. لا يمكن تحقيق مثل هذا قرار درجة حرارة جيدة بتقنيات نقل أخرى استناداً إلى قياس التداخل، التي غالباً ما تستخدم في الحرارة والنقل الجماعي للدراسات22،،من2324. ومع ذلك، نلاحظ أن درجة الحرارة على أساس الجرد تقنية التصوير غير مناسب في الحالات مع تغير درجات الحرارة المحلية كبيرة، لأن سبب انحراف الضوء التدرج درجة حرارة كبيرة يصبح المهيمن19. هذه المسألة هو المشار إليه في هذه الورقة من حيث الاستخدام العملي.
وتصف هذه الورقة بالإعداد التجريبية وإجراءات تقنية الحرارة التصوير على أساس قوائم الجرد الوطنية لمجال مغناطيسي صغيرة ساخنة عن طريق الاستقراء؛ بالإضافة إلى ذلك، فإنه يعرض نتائج الصورتين امتصاص 2D الممثل. صورة واحدة للمجال الصلب 2.0-مم في طبقة مياه 10.0 ملم-سميكة التي يتم التقاطها في λ = 1150 شمال البحر الأبيض المتوسط. الصورة الثانية لكرة قطرها 0.5 ملم الصلب في طبقة شراب مالتوس 2.0 مم-سميكة التي يتم التقاطها في λ = 1412 شمال البحر الأبيض المتوسط. وتعرض هذه الورقة أيضا بطريقة الحساب ونتائج التوزيع شعاعي (3D) ثلاثي الأبعاد لدرجة الحرارة عن طريق تطبيق معكوس التحويل أبيل (IAT) لامتصاص 2D الصور. معهد التكنولوجيا التطبيقية صالحاً عند توزيع درجة حرارة 3D يفترض أن يكون متماثل كرويا كما هو الحال في قضية ساخنة المجال (الشكل 2)19. لحساب معهد التكنولوجيا التطبيقية، دالة جاوس متعدد الأسلوب المناسب يعملون هنا، لأن IATs لمهام الضبابي يمكن الحصول عليها من الناحية التحليلية25،،من2627،28،29 وتناسب أيضا إلى إخفاق تقليل البيانات؛ وهذا يشمل تجارب استخدام التوصيل الحراري من مصدر حرارة واحدة.
Protocol
Representative Results
Discussion
التقنية المقدمة في هذه الورقة هي رواية واحدة باستخدام الاعتماد على درجة الحرارة من نير امتصاص المياه ويعرض أي صعوبة كبيرة في إعداد المعدات اللازمة وتنفيذ. يمكن أن تنتج ضوء الحادث بسهولة باستخدام مصباح هالوجين، ونببف. ومع ذلك، لا يمكن استخدام الليزر، نظراً لأن ظهور أنماط التدخل متماسكة عل…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يشكر المؤلفون السيد كينتا يامادا، والسيد Ryota فُجيوكا، والسيد ميزوكي كيداً لدعمهم على التجارب وتحليل البيانات. وأيد هذا العمل JSPS كاكينهي المنحة رقم 25630069، ومؤسسة سوزوكي، ودقة قياس تكنولوجيا تعزيز مؤسسة، اليابان.
Materials
| 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 |
References
- Moros, E. G. . Physics of Thermal Therapy. , (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Daniels, M. J., Varghese, T. Dynamic frame selection for in vivo ultrasound temperature estimation during radiofrequency ablation. Phys Med Biol. 55, 4735 (2010).
- Seo, C. H., Shi, Y., Huang, S. -. W., Kim, K., O’Donnell, M. Thermal strain imaging: A review. Interface Focus. 1, 649-664 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Rapoport, E., Pleshivtseva, Y. . Optimal Control of Induction Heating Processes. , (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Siesler, H. W., Ozaki, Y., Kawata, S., Heise, H. M. . Near-Infared Spectroscopy. , (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bracewell, R. N. . The Fourier Transform and Its Applications. , (2000).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bendinelli, O. Abel integral equation inversion and deconvolution by multi-Gaussian approximation. Astrophys J. 366, 599-604 (1991).
- Dorband, B., Muller, H., Gross, H., Gross, H. Vol. 5 Metrology of Optical Components and Systems. Handbook of Optical System. , (2012).
- 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).
- Häfeli, U., Schütt, W., Teller, J., Zborowski, M. . Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers. , (2013).
