قياس الكمي في الموقع التدفقات باستخدام جهاز قائم بذاته Velocimetry تحت الماء (SCUVA)
October 31st, 2011
هذا البروتوكول ينص على تعليمات حول كيفية استخدام جهاز قائم بذاته velocimetry تحت الماء (SCUVA) ، الذي صمم لتقدير حجم تدفقات الحيوانية التي تم إنشاؤها في الموقع. بالإضافة إلى ذلك ، يعالج هذا البروتوكول التحديات التي تفرضها الظروف الميدانية ، ويتضمن الاقتراح المشغل ، والموقف من الحيوانات التنبؤ ، واتجاه SCUVA.
الهدف العام من التجربة التالية هو قياس حركة السائل الناجم عن الحركة أو الأجسام الثابتة في بيئة مجال طبيعي. يتم تحقيق ذلك باستخدام الغوص ، الذي يتم نشره بواسطة غواص داخل حدود الغوص الآمنة. أولا ، يحدد الغواص الهدف ويسبح إليه.
بعد محاذاة الجهاز بالنسبة للهدف ووضع ورقة الليزر ، يضيء الغواص ويبدأ تسجيل الفيديو لالتقاط حقول جسيمات متتالية بمرور الوقت بعد الانتهاء من الغوص ، من أجل إنتاج حقول سرعة تحيط بالهدف ، يتم تنزيل مقاطع الفيديو ومعالجتها. يتم الحصول على نتائج التحليل. أن يظهر يتدفق في بيئة المجال طبيعية بعد نقل السوائل بواسطة السباحة.
الميزة الرئيسية لاستخدام الغوص على تقنيات القياس المختبرية مثل صورة الجسيمات الرقمية أو تناظر FLOS أو DPIV ، هي أنه يمكنك الآن قياس حركات السوائل في بيئة مجال طبيعي. وما يفعله هذا هو الإجابة على الأسئلة الرئيسية في مجالات علم المحيطات وعلم الأحياء المتعلقة بأداء السباحة الحيوانية ، والمفترس ، وتفاعلات الفرائس ، والبيئة. يمكن استخدام هذه الطريقة لقياس التدفق حول السباحة أو لب المرجان أو التفاعلات القاعية.
يمكن استخدامه أيضا لقياس التدفقات حول الهياكل التي من صنع الإنسان. يعد العرض المرئي لهذه الطريقة أمرا بالغ الأهمية حيث يصعب تعلم القياسات الميدانية ، مما يتطلب معرفة تقنيات القياس والراحة مع الغوص الليلي. لبدء هذا الإجراء ، احصل على شريط تسجيل عالي الوضوح أو عالي الدقة.
تأكد من أن جميع مكونات الغوص S لديها طاقة بطارية كافية وتعمل بشكل صحيح. قم بإعداد علب الليزر والكاميرا للاستخدام عن طريق تنظيف الأخاديد والحلقات O باستخدام المنشفة النظيفة أو الشركة المصنعة للمسح المزخرفة التي يتم توفيرها بالشحوم الدائرية O بالتساوي على الحلقات O واستبدالها في أخاديد السكن. بالإضافة إلى ذلك ، قم بتنظيف فتحات الليزر ومبيت الكاميرا لمنع تشوه ورقة الليزر والعلامات على عدسة مبيت الكاميرا.
بعد ذلك ، استعد لاختبار الضغط عن طريق وضع شرائط رطوبة ورقية يمكن التخلص منها في العبوات. تحقق من الأختام الدائرية O عن طريق وضع العلب الفارغة في حوض مليء بالماء. يجب وضع الأشياء الموزونة فوق العلب لغمرها.
نظرا لأن العلب تطفو عندما تكون فارغة بعد خمس إلى 10 دقائق ، فقم بإزالة العلب من الحوض والمنشفة. جفف الخارج. تحقق مما إذا كان هناك أي رطوبة داخل العلب عن طريق فحص شرائط الرطوبة.
بمجرد اجتياز العلب اختبار الضغط ، ضع مكونات الغوص داخل العلب قم بتوصيل كبسولات ضوء التفريغ عالية الكثافة بغلاف الكاميرا. تأكد من توجيه الأضواء بطريقة تضيء المنطقة أمام الكاميرا والمشغل مباشرة ، ولكنها لا تتداخل مع الحفاظ على قبضة المقابض وتشغيل عناصر التحكم في الكاميرا.
في بيئة الإضاءة المنخفضة ، يمكن استخدام ورقة حساسة لدرجة الحرارة لتحديد اتجاه ورقة الليزر. عندما تتم محاذاة شعاع الليزر بشكل صحيح بالنسبة للعدسة البصرية المثبتة في غلاف الليزر ، فإن تركيبة عدسة الليزر ستنشئ ورقة عمودية من الضوء موجهة بشكل عمودي على مبيت الكاميرا ، باستخدام مرفقات الغوص والذراع الصلب أو القابل للتمديد ، قم بتوصيل غلاف الليزر ومبيت الكاميرا ببعضهما البعض. تأكد من أن العلب متصلة بإحكام وأن العلب لا يمكن أن تدور فيما يتعلق ببعضها البعض.
من الأهمية بمكان أن تظل ورقة الليزر موجهة بشكل عمودي على مجال رؤية الكاميرا. نظرا للقدرات الحالية لقياس الغوص ، لا يمكن إجراء الغطس إلا في مواقع الإضاءة المنخفضة أو في الليل لمنع تداخل الضوء الطبيعي مع ضوء الليزر. لذلك ، يوصى بالغسق أو بعد ذلك قبل دخول الماء.
قم بتشغيل غلاف الكاميرا قبل دخول الماء. يحتوي غلاف الكاميرا على مستشعر رطوبة إلكتروني مدمج يوفر تحذيرات مرئية في حالة وجود رطوبة في غلاف الكاميرا. يعمل المستشعر فقط عندما يكون غلاف الكاميرا قيد التشغيل.
الخطوة التالية هي دخول الماء والبدء في إعداد المعدات والتجربة كما هو موضح في البروتوكول المكتوب. بمجرد إعداد الجهاز ، قم بمعايرة الغوص عن طريق تسجيل كائن بأبعاد معروفة في لوح الليزر. بعد الغوص ، يمكن استخراج ثابت معايرة لتحويل حجم مجال الرؤية من وحدات البكسل إلى السنتيمترات عند العثور على هدف.
يجب تحديد خصائص التدفق البيئي السائب. إذا كان هناك ، فإن الاتجاه الحالي سيحدد الجهاز ووضع الغواص بالنسبة للهدف. أثناء القياسات ، يمكن استنتاج اتجاه التدفق السائب المحيط بالهدف من خلال مراقبة الفقاعات التي تزفر من الغواص وملاحظة حركتها الجانبية.
يمكن أيضا إطلاق كمية صغيرة من صبغة الفلورسنت لتحديد الاتجاه الحالي. نظرا لأن التدفق الناتج عن الغواص يمكن أن يكون مصدرا لخطأ قياس DPIV ، فلا ينبغي أن يكون الغواص موجودا في أعلى المنبع من الموضع المستهدف. صفيحة الليزر موازية لاتجاه التيار وذلك لزيادة وقت بقاء الجسيمات داخل لوح الليزر ، وبالتالي تقليل أخطاء DPIV.
ثم ضع الغوص S لإضاءة وتسجيل حركات السوائل المحيطة بالهدف. ابدأ التسجيل أثناء تحرك الهدف عبر مجال رؤية الكاميرا ، وامتنع عن الحركات الدورانية والخارجة عن المستوى أثناء تسجيل الفيديو. بعد إيقاف تشغيل جميع مكونات الغوص واستعادة ذراع الليزر إلى موضعه المتراجع ، قم بإزالة الغوص من الماء ، وافصل الكاميرا وأغطية الليزر عن الذراع.
اشطف الجهاز أو نقعه في الماء العذب قبل التجفيف لمنع صدأ الجهاز. بعد تجفيف العلب ، قم بإزالة المكونات من العلب ، وأعد شحن البطاريات واستبدلها إذا لزم الأمر. للغوص مرة أخرى ، قم بتوصيل كاميرا الفيديو بجهاز كمبيوتر واستخرج الفيديو من الشريط عالي الدقة باستخدام حزمة برامج فيديو عالية الدقة.
بعد استخراج الفيديو ، حدد نطاق الفيديو المراد تحويله إلى سلسلة من الصور لتحليل DPIV. تأكد من أن نسب العرض إلى الارتفاع للبكسل وأحجام الصور المستخرجة تتطابق مع إعدادات الفيديو عالي الدقة. قم باستيراد هذه الصور إلى برنامج معالجة A-D-P-I-V من معايرة الغوص قبل الغوص.
أدخل معلمات التقاط الصور المحددة لثابت المعايرة، والتي تتم مطالبتها من حزمة برامج DPIV. ثم قم بإنشاء حقول السرعة من صور الجسيمات المتتالية. يمكن أيضا تطبيق خطوات إضافية بعد المعالجة ، اعتمادا على جودة القياسات وأنواعها ، عند إجراء التصوير بشكل صحيح.
يجب أن تكون صور الجسيمات المحيطة بالهدف حادة وسهلة التمييز كما هو موضح في حقل الجسيمات في الموقع المحيط بأوريليا بالاشتراك مع حزمة برامج معالجة A-D-P-I-V ، يتم الكشف هنا عن مجالات سرعة التدفق المحيطة بالهدف تشير المتجهات الصفراء في مجال السرعة إلى حجم واتجاه سرعة التدفق المحلية. إذا تم جمع فيديو كاف لتوفير سلسلة زمنية من الصور ، فيمكن أيضا تحديد سلسلة زمنية من مجالات السرعة.
يمكن أن يؤدي التصوير غير الصحيح إلى عدم وضوح حقول جسيمات cju. يظهر هنا حقل جسيمات يحيط ب missi. يشير السهم الأحمر إلى منطقة ذات انعكاسية عالية ، مما يؤدي إلى تشبع الصورة ، مما يجعل من الصعب التمييز بين الجسيمات والهدف.
مثال آخر على التصوير غير الصحيح واضح في حقل الجسيمات هذا المحيط ، لذا فهو مفقود هنا ، يشير السهم الأحمر إلى منطقة من الخطوط تنتج عندما لا يتم أخذ عينات من معدل التدفق بتردد عال بما فيه الكفاية. عند إتقان هذا الإجراء ، يمكن إكمال القياسات بين ساعة إلى ساعتين ، اعتمادا على مدة الغوص أثناء القيام بتقنية القياس هذه ، ومع ذلك ، من المهم حقا الحفاظ على الطفو المحايد المناسب وأيضا الحصول على معرفة كافية بظروف الغوص المحلية قبل دخول الماء. لا تنس أن العمل بالليزر أمر خطير للغاية ، لذلك يجب دائما اتباع الاحتياطات المناسبة ، مثل محاذاة الليزر عند العمل مع هذا الإجراء.
باتباع هذا الإجراء ، يمكن استخدام المعالجة اللاحقة ل MATLAB للإجابة على أسئلة إضافية مثل أداء الطاقة ومعدلات التدفق.
النظرة العامة
يوفر هذا البروتوكول إرشادات حول استخدام جهاز قياس السرعة تحت الماء المستقل (SCUVA) لتحديد تدفقات توليد الحيوانات في الموقع. يتناول التحديات التي تفرضها ظروف العمل في الموقع ويشمل حركة المشغل، والتنبؤ بمواقع الحيوانات، وتوجيه SCUVA.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلوم
- علم المحيطات
- علم الأحياء
- ديناميكا الموائع
الخلفية
- يقيس التجربة حركة الموائع التي يسببها الأجسام المتحركة أو الثابتة في البيئات الطبيعية.
- يقوم غواصو السكوبا بنشر SCUVA لالتقاط ديناميكا الموائع حول الحيوانات المائية.
- تتيح هذه الطريقة التحليل في الوقت الحقيقي لتفاعلات المفترسات والفرائس والديناميات البيئية.
- تكون القياسات الميدانية صعبة وتتطلب تقنيات محددة والراحة مع الغوص الليلي.
غرض الدراسة
- لقياس تدفق الموائع حول الحيوانات السباحة ومرجان البوليب.
- لتقييم التفاعلات البيئية في الإعدادات الطبيعية.
- لتحسين فهم أداء سباحة الحيوانات.
الطرق المستخدمة
- تحضير مكونات SCUVA واختبار الضغط.
- معايرة الجهاز في ظروف الإضاءة المنخفضة.
- تسجيل حركات الموائع باستخدام الفيديو عالي الدقة.
- تحليل الفيديوهات المسجلة بعد الغوص لاستخراج مجال السرعة.
النتائج الرئيسية
- التقاط ناجح لدينامو الموائع في بيئة ميدانية طبيعية.
- يكشف التحليل عن التفاعلات بين الحيوانات السباحة ومحيطها.
- تبين مزايا SCUVA على تقنيات المختبر التقليدية.
الاستنتاجات
- يوفر SCUVA طريقة موثوقة لدراسة ديناميكا الموائع في الموقع.
- تعزز القياسات الميدانية فهم العمليات البيئية والبيولوجية.
- قد تشمل التطبيقات المستقبلية الدراسات حول الهياكل البشرية.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Quantitative in situ flow measurement addresses a critical gap in preclinical model validation by enabling direct observation of biomechanical interactions in native environments. This capability supports mechanistic de-risking of therapeutic hypotheses involving fluid dynamics, such as drug delivery in vascular or mucosal systems. The method enhances predictive confidence by bridging reductionist assays with physiologically relevant context.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses involving fluid-mediated target engagement in physiologically relevant contexts.
- Operational Value: Provides empirical data to clarify pathway mechanics under natural flow conditions, reducing reliance on surrogate endpoints.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, spatially resolved velocity fields for benchmarking in vitro flow-based assays.
- Operational Value: Supports assay standardization by defining physiologically relevant shear stress ranges for compound screening.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Links in vitro findings to in vivo-like fluid dynamics, improving translational continuity for targets in luminal or vascular compartments.
- Operational Value: Informs preclinical model selection by identifying systems that recapitulate key biomechanical features of human physiology.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum by providing biomechanical context early in target validation, informing assay design for screening, and supporting preclinical model selection through physiologically relevant flow characterization.
- Discovery Biology: Clarifies how fluid forces influence target accessibility and binding kinetics under native conditions.
- Screening: Defines biomechanical parameters for designing flow-based assays that mimic in vivo shear environments.
- Analytics: Delivers quantitative vector fields enabling statistical comparison of flow perturbations across experimental conditions.
- Translational Research: Supports continuity by aligning preclinical models with human-relevant fluid dynamics in target tissues.
- Enterprise Reuse: Represents a portable, diver-operated capability applicable across aquatic and fluidic model systems for repeated use in discovery campaigns.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in fluid-dependent biological processes through direct, quantitative flow visualization.
- Operational Value: Enables reproducible, field-deployable measurements with standardized calibration and post-processing workflows.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by validating target engagement hypotheses under physiologically relevant mechanical conditions.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of therapeutics targeting mechanosensitive pathways or fluid-dependent delivery systems.
Implementation Considerations
- Requires expertise in underwater videography, laser sheet alignment, and particle image velocimetry principles.
- Dependent on high-definition recording systems, laser optics, and synchronized imaging hardware for field deployment.
- Necessitates standardized protocols for diver positioning, environmental flow assessment, and apparatus orientation to minimize measurement artifacts.
- Adaptation to turbid or low-particulate environments may require supplemental seeding for reliable velocimetry.
- Limited to optically accessible, neutrally buoyant targets in aquatic or fluidic environments with sufficient suspended particles for tracking.
