Serie LabVIEW in der Praxis

Optische Bestimmung der mittleren Wassertemperatur

04.08.2009 | Autor / Redakteur: Michael Licht, B. Mütterlein, M. S. Grieb und M. Richter* / Hendrik Härter

In LabVIEW wurde eine Automatenstruktur nach Mealy entworfen, um Befehle und Messdaten zu übertragen
In LabVIEW wurde eine Automatenstruktur nach Mealy entworfen, um Befehle und Messdaten zu übertragen

Im lebenden Organismus hilft die nichtinvasive Temperaturmessung durch Kernspin- und Positronenemissionstomographen. Einfacher soll es mit einem Mikrospektrometer gehen, indem die temperaturabhängige Verschiebung der Wasserabsorbtion bestimmt wird.

Eine zerstörungsfreie Temperaturmessung im Inneren von wasserhaltigen Produkten kann bei der Qualitätsverbesserung hilfreich sein. Zum Beispiel bei der Qualitätskontrolle von Lebensmitteln oder bei der Hyperthermie, dem therapeutischen Erwärmen einer Körperregion oder des ganzen Körpers. Die Temperaturerhöhung kann durch verschiedene Techniken wie elektromagnetische Phänomene, Perfusion von heißen Flüssigkeiten oder durch Ultraschall erfolgen. Zur nicht-invasiven Temperaturmessung im Körper sind Kernspin- und Positronenemissionstomographen im Einsatz. Durch die temperaturgeregelte Mikrozirkulation der Haut sind normale Temperatursensoren auf der Hautoberfläche als Ersatz nicht brauchbar.

Mikrospetrometer nimmt Wasserspektrum auf

Mit steigender Temperatur schwächt sich die Wasserbrückenbindung ab. Die spektrale Wasserabsorption bei 970 nm verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen. Diese Wellenlänge besitzt eine gute Eindringtiefe ins Gewebe. Das Wasserspektrum wurde mit dem Mikrospektrometer „spec-i“ und LabVIEW aufgenommen und die temperaturabhängige Verschiebung der Wasserabsorption bestimmt.

Das Gewebespektrum im nahen Infrarot wird in erster Linie durch Streuung und Absorption des Wassers bestimmt. Durch die unterschiedlich große Eindringtiefe der Strahlung können mit Hilfe dieses Effektes die durchschnittlichen Temperaturen in verschieden Gewebetiefen über Reflexionsspektren bestimmt werden.

Für die Wasserbande bei 1430 nm beträgt die mittlere Eindringtiefe bereits <3 mm. Die Absorptionsbande des Wassers bei 1430 nm und 2000 nm ist gegenüber der bei 970 nm von der Anpresskraft der verwendeten Fasersonde abhängig. Die in dieser Gewebetiefe zu erfassenden Temperaturen lassen sich leichter mit einem konventionellen Temperaturfühler abgreifen.

Entwickeltes Softwaretool flexibel einsetzbar

Die mehrere Zentimeter große Eindringtiefe der Strahlung bei 970 nm ist reziprok zur geringen Absorption des Gewebes. So ist es in diesem Wellenlängenbereich auch möglich, Transmissionsmessungen durchzuführen. Als Detektormaterial ist Silizium noch geeignet, da dieses erst ab 1100 nm durchsichtig wird. Damit lassen sich günstige Mikrospektrometer mit gutem Signal/Rauschverhältnis verwenden, welche die mittlere Wassertemperatur im Gewebe bestimmen.

Um diese zerstörungsfreie Temperaturmessung auch für andere Anwendungsbereiche, wie in der Qualitätskontrolle von Lebensmitteln, zu nutzen, sollte das zur Ansteuerung und Auswertung genutzte Softwaretool möglichst gut mit bestehenden Systemen kombinierbar sein.

Angesteuert wird das Spektrometer speci-i, wie auch das weiterentwickelte spegg, über USB. Mit einer integrierten Xenon-Hochdrucklampe und einer UV-/Weißlicht-LED lassen sich Proben in Transmission oder im Winkel von 90° vermessen. Es können Makro- und Halbmikroküvetten in beiden Strahlrichtungen eingesetzt werden oder Proben durch einen transparenten Schlauch im Durchfluss durch den Strahlengang geführt werden. Des Weiteren kann über den SMA-Anschluss extern einfallendes Licht gemessen werden, um zum Beispiel die Bestrahlungsstärke externer Strahlungsquellen oder reflektierte Strahlung aus dem Gewebe zu messen.

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