Echo Particle Image Velocimetry

Summary

Een echo particle image velocimetry (EPIV) systeem dat in staat de overname van twee-dimensionale velden van snelheid in optisch ondoorzichtige vloeistoffen of via optisch ondoorzichtige geometrieën wordt beschreven, en validatie metingen in pijpstroming worden gerapporteerd.

Abstract

Het transport van massa, impuls en energie in fluïdumstromen wordt uiteindelijk bepaald door spatiotemporele verdelingen van de vloeistofsnelheid veld. ¹ Dientengevolge, een voorwaarde voor het begrijpen, voorspellen en beheersen vloeistofstromingen is de mogelijkheid om de snelheid te meten veld met voldoende ruimtelijke en temporele resolutie. ² Voor snelheidsmetingen in optisch ondoorzichtige vloeistoffen of via optisch ondoorzichtige geometrieën, echo particle image velocimetry (EPIV) is een aantrekkelijke diagnostische techniek om "momentele" twee-dimensionale velden van snelheid te genereren. ^3,4,5,6 In deze papier, de operationele protocol voor een EPIV systeem gebouwd door de integratie van een commerciële medische echografie-machine ⁷ met een pc met commerciële particle image velocimetry (PIV) software ⁸ wordt beschreven, en validatie metingen in Hagen-Poiseuille (dat wil zeggen, laminaire pijp) stroming zijn gerapporteerd .

Voor de maatregel EPIVgen wordt een phased array probe aangesloten op het medisch ultrageluid machine gebruikt om een ​​tweedimensionaal beeld te genereren ultrasone pulsen door de piëzo-elektrische elementen probe op verschillende tijdstippen. Elke probe element zendt een ultrasone golven in de vloeistof en tracer in het medium (hetzij van nature voorkomende of gezaaid) tijdens ultrasone echo's naar de sonde waar deze zijn opgenomen. De amplitude van de teruggekaatste ultrasone golven en de vertraging ten opzichte van transmissie zijn er om zogenaamde B-mode (helderheidsmodus) tweedimensionale echo's. Specifiek wordt de tijdvertraging gebruikt om de positie van de verstrooier bepalen de vloeistof en de amplitude wordt gebruikt om de intensiteit toewijzen aan de verstrooier. De tijd nodig om een B-modebeeld, t, verkregen wordt bepaald door de tijd te nemen om alle elementen van het phased array proefpuls. Voor het verwerven van meerdere B-modus beelden, de frame rate van het systeem in frames per seconde (fps) = 1 / & deLTA; t. (Zie 9 voor een herziening van echografie.)

Voor een typisch experiment EPIV, de framesnelheid 20-60 fps, afhankelijk stromingscondities en 1-100 B-modus beelden van de ruimtelijke verdeling van de tracer deeltjes in de stroom worden verkregen. Eenmaal verworven, worden de B-mode echografie beelden die via een Ethernet-verbinding met de PC waarop de PIV commerciële software. Met de PIV software, tracer deeltje verplaatsingsvelden, D (x, y) [pixels] (waarbij x en y de horizontale en verticale ruimtelijke positie in het ultrasone beeld respectievelijk) worden verkregen door toepassing kruiscorrelatiewaarde algoritmen opeenvolgende echo B- weergavebeelden. snelheidsvelden ^10, u (x, y) [m / s], bepaald uit de verplaatsingen velden, te weten de tijd tussen stap beeldparen, AT [s] en de vergroting, M [meter / pixel ], dus u (x, y) = MD (x, y) / AT. De tijd stap between beelden AT = 1/fps + D (x, y) / B, waarbij B [pixels / s] de tijd die de ultrasone sonde te vegen over de beeldbreedte. In de huidige studie, M = 77 [micrometer / pixel], fps = 49,5 [1 / s] en B = 25.047 [pixels / s]. Eenmaal verkregen, kan de snelheid velden worden geanalyseerd flowhoeveelheden plaats berekenen.

Protocol

1. Maak een Meetbaar Flow

1. EPIV validatie metingen zullen worden gedemonstreerd in pijpstroming van een glycerine oplossing in water (50% glycerine - 50% water). Een schematische weergave van de experimentele opstelling wordt getoond in figuur 1.
2. Holle glasbolletjes met een nominale diameter van 10 urn wordt toegevoegd aan de vloeistof in een concentratie van ongeveer 17 gewichtsdelen per miljoen. De holle glasbolletjes als ultrageluid contrastmiddelen, en hun grootte en dichtheid worden zodanig gekozen dat ze passief de fluïdumstroom volgen ^10.
3. Een vaste spanning wordt toegevoerd aan de pomp een bekende stroomsnelheid introduceren. De stroomsnelheid wordt zo gekozen dat U << AX / At, waarin U de gemiddelde snelheid in de pijp, AX is de lineaire lengte van de EPIV meetruimte en AT is de tijdstap tussen afbeeldingen, dat wil zeggen de stroom nodig is "langzaam" in vergelijking met de fps van de echo systengel ^3.

2. Kalibreer de Ultrasound

1. Monteer de ultrasone sonde naar de buitenkant buiswand. Een waterbasis topische gel wordt aangebracht op de ultrageluidsonde om verlies van overdracht van de ultrageluidbundel tussen de meetsensor en de buiswand te minimaliseren.
2. Schakel de echo machine. Een live stream van ultrasone beelden begint automatisch zodra alle systemen belasting.
3. Stel de afbeelding diepte met behulp van de diepte regelknop op het bedieningspaneel van de ultrasone machine.
4. Stel het totale beeld krijgen met behulp van de 2D-Gain-knop op het bedieningspaneel van de ultrasone machine.
5. Stel de tijd Gain Compensation (TGC) schuifregelaars te verstrooien verzwakken van de buis wanden en ter compensatie van diepte gerelateerde demping van het ultrasone signaal.
6. Het beeld breedte, focus, sonde frequentie, en frame rate worden aangepast met behulp van de toewijsbare regelaars. Dezevier knoppen, gelegen op de linker bovenhoek van het bedieningspaneel, afhankelijk van de modus waarin het systeem actief is. In de 2D-modus (zoals momenteel in gebruik), van links naar rechts de knoppen komen overeen met de breedte, focus, frequentie en frame rate, respectievelijk. Merk op dat vanwege de grondbeginselen van echografie ^9, deze vier parameters inherent zijn gekoppeld. Dus, voor een bepaalde echo fotoscan (dat wil zeggen, een EPIV experiment) is er een trade-off tussen ruimtelijke en temporele resolutie.
7. Zie figuur 2 voor een representatief beeld van de echo pijpstroming gezaaid met 10 micrometer holle glazen, bollen. Merk op dat vanwege de beperkte laterale resolutie, de glazen bollen uitgesmeerd in de dwarsrichting en weergegeven als ellipsoïden in het beeld.

3. Data Collection

1. Druk op de Nieuwe Examen knop op de echo bedieningspaneel om een nieuw experiment te starten.
2. Maak eennieuwe "patiënt" door het invoeren van Pipe Flow laatste Naam en datum van vandaag in de voornaam en het testnummer in patiënt-ID.
3. Na invoering van de "patiënt" een ultrasone scan totdat het ingestelde maximum tussen 1000-1500 beelden bereikt, waarna een nieuwe scan lus begint. Als u op de Stilstaand beeld-toets op de echo bedieningspaneel twee keer herstart de scan op elk moment voorafgaand aan het bereiken van de maximale ingestelde aantal beelden.
4. Zodra een goede set van ultrasone beelden is verworven (dat wil zeggen, scherpe zaad deeltje beelden en voldoende zaad deeltjesdichtheid), drukt u op de Stilstaand beeld-toets op de echo bedieningspaneel om beeldacquisitie stoppen.
5. Druk op de knop Cineloop op de echo bedieningspaneel. Selecteer de set van ultrageluid beelden worden geanalyseerd met behulp van de eerste cyclus knop op de echo bedieningspaneel om de eerste afbeelding in de set te selecteren, en de laatste cyclus knop om delaatste beeld in de set.
6. Druk op de Image Store-knop op de echo bedieningspaneel om de geselecteerde set van ultrageluid beelden op te slaan.
7. Druk op de knop Archief op de echo bedieningspaneel en gebruik de muis cursor naar Einde examen te selecteren. Dit vraagt ​​de gebruiker om afbeeldingen of cineloops selecteren en opslaan op de lokale harde schijf. Dan is de Cineloop (s) van belang Kies Verlaten het examen.
8. Druk op de knop Archief op de echo bedieningspaneel en gebruik de muis cursor naar de eerste optie Meer en selecteer vervolgens Schijfbeheer. Disk management zal de overdracht van de opgeslagen Cineloop (s) op de pc met de PIV-software.

4. Het omzetten van Bestandstype

1. Een echografie beeld wordt opgeslagen als een digitaal imaging communicatie in de geneeskunde (DICOM) bestandstype op de echo machine. Om te worden geopend en gelezen door de PIV software moet de DICOM bestanden worden geconverteerd naar beeldbestanden. Momenteeleen Matlab script dat DICOM2JPG.m wordt gebruikt om de DICOM-bestanden te Joint Photographic Experts Group (JPEG) bestandstype om te zetten.
2. De JPEG-echo beelden worden vervolgens geanalyseerd met behulp van Davis software van LaVision.

5. Berekenen verplaatsingsvelden,, D (x, y) gebruiken Davis

1. Een dubbele muisklik op de Davis-pictogram op de PC. Selecteer Nieuw project. Selecteren PIV.
2. Selecteer Import Images 'in de knoppenbalk, en kies Importeren via genummerde bestanden. In het pull-down menu, zoek de map waar de JPEG-echo beelden worden opgeslagen, en dubbelklik op het eerste beeld van de reeks. Deze functie importeert alle echo's in deze genummerde reeks.
3. Typisch een beeldmasker wordt gedefinieerd het gebied van belang (ROI) te isoleren in het ultrasone beeld te verwerken. Voor pijpstroming, wordt het masker gebruikt om de ROI tussen de buiswanden (dat wil zeggen, de vloeistof) te definiëren.
4. Ga naar het control panel in Davis, selecteert u het tabblad onder Current Project met de geïmporteerde afbeeldingen en selecteer het tabblad Batch Processing. Hierdoor kan de vector verwerking venster van Davis voor batch-verwerking van de ingevoerde echo beelden.
5. Uit de activiteiten lijst met behulp van de PIV-Time-Series boom, selecteer vector berekeningsparameters, en kies de parameters worden gebruikt voor vector verwerking. Als er een masker wordt gebruikt, schakelt u het selectievakje Gegevens Range = gebruiken gemaskeerd gebied in de vector berekening parameter menu. Merk op dat een optimale selectie van vector berekening parameters is afhankelijk van de stroom geometrie, vloei-eigenschappen, beeldresolutie, tracer deeltjesdichtheid, en de gewenste kwantitatieve flow-analyse ^10.
   Voor de pijpstroming metingen de parameters die typisch leverden de beste resultaten multipass met afnemende ondervraging van 32 x 32 pixel ^2-8 x8 pixel ^2, met een overlapping van 50%. Relatieve vector reeks beperking werd ingesteld op ± alle (venstergrootte / 2) en absolute vector reeks beperking werd ingesteld op ± 5 pixels. Tenslotte werd een 3 x ² 3pixel mediaanfilter gebruikt om ruis te onderdrukken en vectorvelden glad.
6. Aan de linkerkant van de batch-verwerking scherm selecteert u het totale bedrag van de beelden te verwerken en selecteer start de verwerking. Dit berekent de verplaatsing veld D (x, y) tussen opeenvolgende ultrasone beelden met kruiscorrelatie algoritmen.

6. Het analyseren van Vector Fields

1. Voor post-processing en data-analyse, worden de EPIV vectorvelden die uit Davis als. Txt-bestanden. Dit wordt bereikt door het selecteren van de vector verplaatsing tak onder het JPEG-beeld vestiging in het project scherm. In de werkbalk op het tabblad Export selecteren, selecteert u het bestandstype ASCII. Txt, kies / maak een uitvoer map, eend selecteer Exporteren.
2. De geëxporteerde vectorvelden zijn vernoemd Bxxxxx.txt, waar 00.001 ≤ xxxxx ≤ 99999, met B aanduiding buffer. Elk bestand bevat vier kolommen gegevens: (1) x-plaats van de vector in het beeld (2) y-locatie van de vector in het beeld (3) x-component van verplaatsing (bijv. streamwise verplaatsing), (4) y-component van verplaatsing (bijv. wanden normale verplaatsing). De Bxxxxx.txt bestanden worden geopend en verwerkt in MATLAB om eerst berekenen het snelheidsveld, door te weten de tijd die stap tussen beeldparen, AT [s] en de vergroting, M [meter / pixel], dat wil zeggen u (x, y ) = MD (x, y) / AT,. De tijdstap van beelden AT = 1/fps + D (x, y) / B, waarbij B [pixels / s] de tijd die de ultrasone sonde te vegen over de beeldbreedte. In de huidige studie, M = 77 [micrometer / pixel], fps = 49,5 [1 / s] en B = 25.047 [pixels / s]. Vervolgens ensemlijk gemiddelde snelheid vectorvelden, wand-normale profielen van gemiddelde snelheid, onder andere doorstroming hoeveelheden van belang worden berekend. (Zie sectie Representatieve resultaten.)

Representative Results

Een momentele echo particle image velocimetry (EPIV) vectorveld is weergegeven in figuur 3. De vector grafiek toont snelheidsvectoren iedere vierde kolom, en de achtergrondkleur contour kaart komt overeen met de snelheid magnitude. Een ensemble gemiddelde vector plot gemiddeld meer dan 1000 onmiddellijke EPIV vector percelen is weergegeven in figuur 4. In overeenstemming met pijpstroming, de snelheid vectoren in de eerste plaats zijn in de streamwise richting, de grootste snelheden optreden op de pijp middellijn, en de snelheden afnemen tot nul op de buis muren. Het root-mean-square (rms) velocity magnitude fluctuatie is weergegeven in figuur 5. Aangezien in Hagen-Poiseuille stroming, de effectieve snelheden moet identiek nul, de niet-nul rms snelheden een maatstaf van de ruis in de metingen EPIV. De hoge effectieve waarden in de buurt van de bovenwand resultaten van sterke reflectie en breking van het ultrasone geluid van de buiswand die hoge beeld te produceren intensities in deze regio (zie figuur 2). Deze hoge intensiteiten in de buurt van de muren obscure deeltje intensiteiten leidt tot meetfouten. De wand normale profiel van gemiddelde streamwise snelheid berekend door het gemiddelde ensemble-gemiddelde vector plot langs de rijen (horizontale richting) ingetekend in figuur 6. De stevige zwarte lijn is de verwachte gemiddelde streamwise snelheidsprofiel voor Hagen-Poiseuille (laminaire pijp) stroom voor de gegeven experimentele omstandigheden. De overeenkomst tussen de EPIV metingen en de verwachte Hagen-Poiseuille profiel is het beste in de buurt van de pijp middellijn en slechtste buurt van de pijp muren, met de grootste afwijkingen die zich in de buurt van de bovenwand. We zijn momenteel bezig met methoden om de echo reflectie en breking te verminderen op de buiswand en de bijna-muur EPIV metingen te verbeteren.

Figure 1. Schematische weergave van de experimentele opstelling. Een aquariumpomp drijft de vloeistof (geënt met 10 urn glazen microbolletjes) in een gesloten lus leidingsysteem. De lineaire ultrasone sonde bevestigd aan de buitenkant buiswand zendt ultrasone golven door de pijp en ontvangt echo's gereflecteerd door de 10 urn glazen microbolletjes en de buiswanden. De ultrasone machine verwerkt de teruggekaatste ultrasone golven te vormen een echo B-mode beeld. De ultrasone B-modus beelden worden geëxporteerd naar een pc met commerciële PIV-software.

Figuur 2. Raw echografie B-mode beeld van pijpstroming. De hoge intensiteit band lijnen boven en onderkant van het beeld overeen met de buiswand en de ellipsoïden interieur de wand overeenkomen met de 10 m holle glazen microbolletjes.

Figuur 3. Een momentele vector grafiek die vector pijlen om de vierde kolom. De achtergrondkleur contour map overeenkomt met velocity magnitude. D is de diameter, x is de positie streamwise gemeten vanaf de buisinlaat en d is de radiale positie gemeten vanaf de bovenwand.

Figuur 4. Ensemble gemiddelde vector plot gemiddeld meer dan 1000 onmiddellijke EPIV vector percelen. De vector grafiek toont snelheidsvectoren iedere vierde kolom, en de achtergrondkleur contour kaart komt overeen met de snelheid magnitude. In overeenstemming met pijpstroming, de snelheid vectoren punt in de streamwise direction, de grootste snelheden optreden op de buis middellijn, en de snelheden af ​​tot nul op de buiswanden.

Figuur 5. Contour plot van de root-mean-square (rms) snelheid schommeling berekend meer dan 1000 onmiddellijke EPIV vector percelen. In Hagen-Poiseuille stroming, de effectieve snelheid fluctuaties zorgen voor een zekere mate van ruis in de EPIV metingen.

Figuur 6. Experimentele gemeten gemiddelde streamwise snelheidsprofiel berekend uit het ensemble gemiddelde EPIV-vectorveld getoond in figuur 4. De stevige zwarte lijn is de theoretically verwacht profiel voor een Hagen-Poiseuille stroming met dezelfde volumestroom als experimenteel gemeten. De radiale positie van de buis gemeten middellijn wordt aangeduid met R, waarbij de bovenwand overeenkomt met r / D = -0,5. Verschillen tussen de experimentele profiel en de verwachte profiel illustreren hoe moeilijk het bijna-muur EPIV metingen.

Discussion

De operationele protocol voor een echo particle image velocimetry (EPIV) systeem dat in staat de overname van twee-dimensionale velden van snelheid in optisch ondoorzichtige vloeistoffen of via optisch ondoorzichtige geometrieën werd beschreven. Praktische toepassing van EPIV is zeer geschikt voor de studie van industriële en biologische stroomsystemen, waar de stroom van vloeistoffen ondoorzichtige komt in vele toepassing. Het specifieke systeem hier gepresenteerde werd doelbewust gebouwd om de vloei-eigenschappen van vloeibare biomassa fluïda bij de productie van bio-ethanol bestuderen. De mogelijkheden van EPIV werden aangetoond met behulp van representatieve metingen in pijpstroming. In het bijzonder, gemiddelde en effectieve snelheid profielen werden berekend op basis van EPIV vectorvelden, werd Hagen-Poiseuille (laminaire) pijpstroming aangetoond dat het meetbaar en kwantificeerbaar zijn. De beperkingen van EPIV zijn de van nature lage frame rates (beperkt door de beeldvorming mogelijkheden van de commerciële ultrasound systeem) en een lage ruimtelijke resolutie, which beperkt het bereik van snelheden en voorbijgaande vloeigedrag die gemeten kunnen worden. Ten slotte, hoewel we er naar gestreefd om het artikel self-contained te maken, moet de gebruikershandleidingen voor de commerciële echoapparaat ⁷ en de PIV software ⁸ worden geraadpleegd op volledigheid. De lezer wordt ook verwezen naar ⁹ en ¹⁰ voor een uitgebreid overzicht van echografie fundamentals en particle image velocimetry, respectievelijk.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ultrasound Machine	GE	Vivid 7 Pro
Linear Ultrasound Array	GE	10 L
DC Water Pump	KNF	NF 10 KPDC
Vector Processing Software	Lavision	DaVis 7.2
Post Processing Software	Mathworks	MATLAB 7.12
Acrylic Tubing	McMaster-Carr	8486K531
Ultrasound Gel	Parker	Aquasonic 100