בטכניקת מדידת טמפרטורה אינפרא אדום המקיפים של אינדוקציה המחוממת קטן מגנטי כדור מים
Summary
טכניקה ניצול אורכי גל של nm 1150, 1412 כדי למדוד את הטמפרטורה של המים המקיפים של אינדוקציה המחוממת קטן מגנטי כדור מוצג.
Abstract
טכניקה כדי למדוד את הטמפרטורה של המים ומדיה מימית שאינה עכורים המקיפים של אינדוקציה המחוממת קטן מגנטי כדור מוצג. שיטה זו משתמשת אורכי גל של nm 1150, 1412, שבו מקדם ספיגה של מים היא תלויה בטמפרטורה. מים או שאינם עכורים ג’ל מימית המכילה כדור מגנטי 2.0 מ מ או 0.5-מ מקוטר הוא מוקרן 1150 nm או 1412 אור התקרית ננומטר, ככל שנבחר באמצעות מסנן bandpass צרים; בנוסף, תמונות ספיגת דו מימדי, אשר ההשתקפויות רוחבי של מקדם הספיגה, נרכשים באמצעות מצלמה אינפרא אדום. כאשר ניתן להניח, חלוקות תלת מימדי של הטמפרטורה להיות סימטרי כדורית, הם מוערך על-ידי החלת ההופכי שהבל הופכת הפרופילים ספיגת. הטמפרטורות נצפו באופן עקבי לשנות בהתאם את אינדוקציה חימום חשמל וזמן.
Introduction
טכניקה כדי למדוד את הטמפרטורה ליד מקור חום קטן בתוך מדיום נדרש שדות מחקר מדעי ויישומים רבים. לדוגמה, במחקר על מכת חום מגנטי, אשר היא שיטה טיפול בסרטן באמצעות השראה אלקטרומגנטית של חלקיקים מגנטיים או חתיכות קטנות מגנטי, זה קריטי לחזות במדויק את ההפצות בטמפרטורה שנוצרו על-ידי המגנטי חלקיקים1,2. עם זאת, למרות במיקרוגל3,4, אולטרסאונד5,6,7,8, optoacoustic9, ראמאן10ותהודה מגנטית11 ,12-טכניקות מדידה המבוססת על טמפרטורה יש כבר חקר ופיתח, חלוקה הטמפרטורה הפנימית מעין לא ניתן למדוד באופן מדויק בזמן הנוכחי. עד כה, טמפרטורות יחיד-מיקום או טמפרטורות-כמה תפקידים נמדדו באמצעות חיישני טמפרטורה, אשר, במקרה של חימום השראתי, הם סיבים אופטיים מגנטיים טמפרטורה חיישנים13,14. לחלופין, הטמפרטורות המשטח של מדיה נמדדו מרחוק באמצעות מדחום קרינה אינפרא אדום כדי להעריך את הטמפרטורה הפנימית14. אולם, כאשר למדיום המכיל מקור חום קטן שכבת מים או מדיום מימית שאינה עכורים, הראו כי-סגול (ניר) הקליטה טכניקה שימושית למדוד את טמפרטורת15,16, 17,18,19. מאמר זה מציג פרוטוקול מפורט של זו טכניקה ותוצאות נציג.
ניר הקליטה הטכניקה מבוססת על עקרון התלות בטמפרטורה של הלהקות ספיגה של מים באזור ניר. כפי שמוצג באיור 1a, ν1 + ν2 + ν3 הקליטה הלהקה של מים הוא ציין את 1100 ננומטר טווח אורך הגל 1250-nm (λ), משמרות על מנת באורכי גל קצרים יותר כמו הטמפרטורה מגביר19. כאן, ν1 + ν2 + ν3 אמצעי שמתאים הלהקה הזאת השילוב של מצבי רטט O-H היסוד שלוש: סימטרי מתיחה (ν1), כיפוף (ν 2), ו אנטי-סימטרי מתיחה (ν3)20,21. שינוי זה בספקטרום מציין אורך הגל הרגיש ביותר בלהקה λ ≈ 1150 ננומטר. להקות אחרות ספיגה של מים גם שהפגינו התנהגות דומה ביחס טמפרטורה15,16,17,18,20,21. Ν1 + νהלהקה3 המים נשמרים ב- טווח λ = 1350−1500 ננומטר ותלות הטמפרטורה שלו מוצגות באיור איור 1b. Ν1 + νהלהקה3 של מים, 1412 ננומטר הוא אורך הגל הרגיש ביותר. לכן ניתן לקבל תמונות דו-ממדיות טמפרטורה (2D) באמצעות מצלמה ניר כדי ללכוד תמונות ספיגת 2D- λ = nm 1150 או 1412. כמו מקדם ספיגה של מים- λ = 1150 ננומטר הוא קטן יותר- λ = 1412 ננומטר, אורך הגל לשעבר הוא מתאים כ 10-מ מעבה מדיה מימית, בזמן האחרון הוא מתאים כ 1-מ מעבה אלה. לאחרונה, באמצעות λ = 1150 nm, השגנו את הפצות הטמפרטורה בשכבת מים 10-מ מעבה המכיל של אינדוקציה המחוממת כדור פלדה בקוטר 1 מ”מ19. יתר על כן, ההפצות הטמפרטורה בשכבת מים 0.5-מ מעבה נמדדו באמצעות λ = 1412 nm15,17.
יש יתרון הטמפרטורה מבוסס-ניר הדמיה הטכניקה היא שזה פשוט להגדיר וליישם מפני זה היא טכניקה מדידה הקליטה-שידור וזקוק. אין fluorophore, זרחן או אחרים בדיקה תרמית. בנוסף, את הרזולוציה הטמפרטורה שלה נמצא פחות מ 0.2 K15,17,19. החלטה כזו טמפרטורה טוב אינה יכולה להיות מושגת על ידי שידור טכניקות אחרות מבוסס על אינטרפרומטריה, אשר לעיתים קרובות השתמשו מיוחמות ועל העברת המוני מחקרים22,23,24. נציין, עם זאת, כי הטמפרטורה מבוסס-ניר הדמיה טכניקה אינה מתאימה במקרים עם שינוי הטמפרטורה המקומית ניכר, כי הסטה של אור הנגרמת על ידי מעבר הצבע טמפרטורה גדול הופך להיות דומיננטי19. העניין הזה נקרא בעיתון הזה מבחינת שימוש מעשי.
מאמר זה מתאר את הגדרת הניסוי של נוהל מבוסס-ניר טמפרטורה טכניקת דימות עבור כדור מגנטי קטן מחוממים באמצעות אינדוקציה; בנוסף, הוא מציג את התוצאות של שתי תמונות נציג ספיגת 2D. תמונה אחת היא של כדור פלדה בקוטר-מ מ- 2.0 בשכבת מים 10.0-מ מעבה שנלכד- λ = 1150 ננומטר. התמונה השנייה היא של כדור פלדה בקוטר 0.5 מ מבשכבת סירופ מלטוז 2.0 מ מבעובי שנלכד- λ = 1412 ננומטר. מאמר זה מציג גם את שיטת החישוב ואת התוצאות של תלת מימד (3D) מוקדי חלוקת טמפרטורה על-ידי החלת ההופכי הבל שינוי צורה (IAT) לתמונות ספיגת 2D. IAT בתוקף כאשר התפלגות טמפרטורה 3D ההנחה תהיה סימטרית כדורית כמו במקרה של כדור מחוממת (איור 2)19. לחישוב IAT, פונקציה מולטי-Gaussian התאמת שיטת מועסק כאן, כי IATs של פונקציות לפי עקומת גאוס ניתן להשיג בצורה אנליטית25,26,27,28,29 ובכושר טוב להפחתת מונוטוני נתונים; זה כולל ניסויים העסקת הולכה תרמית ממקור החום יחיד.
Protocol
Representative Results
Discussion
הטכניקה שהוצגו במאמר זה הוא ספר אחד באמצעות התלות בטמפרטורה של ניר הספיגה של המים ומציגה ללא קושי משמעותי בהגדרת את הציוד הנדרש ויישום. התקרית אור יכול להיות מיוצר בקלות באמצעות מנורת הלוגן של NBPF. עם זאת, לייזרים לא ניתן להשתמש, בגלל הפרעות מגובשת דפוסי יופיע על התמונות. נפוצה בעדשות אופטי?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים מר יאמאדה קנטה, מר ריוטה אקדמיית אוראן, מר מיזוקי Kyoda על התמיכה שלהם על ניסויים, ניתוח נתונים. עבודה זו נתמכה על ידי JSPS KAKENHI גרנט מספר 25630069, קרן סוזוקי, ולא מדוייקת המדידה טכנולוגיה קידום קרן, יפן.
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).
