صدى الجسيمات Velocimetry صورة
December 27th, 2012
يوصف صورة الجسيمات صدى velocimetry (EPIV) نظام قادر على الحصول على ثنائي الأبعاد في مجالات سرعة السوائل مبهمة بصريا أو من خلال هندستها مبهمة بصريا، ويتم التحقق من صحة القياسات ذكرت في تدفق الأنابيب.
الهدف من هذه التجربة هو الحصول على حقلين لحظيين من السرعة في تدفق Hagen Zoi ، المعروف أيضا باسم تدفق الأنابيب الصفيحية. باستخدام صورة جسيمات الصدى ، يتم توضيح قياسات التحقق من صحة LOC أو E-P-I-V-E-P-I-V في تدفق أنبوب معاد تدويره لخليط 50 50 من الماء والجلسرين. يستخدم نظام تدفق الأنابيب المستخدم هنا رأس ضغط ثابت يتم الحفاظ عليه بواسطة مضخة حوض السمك لدفع التدفق.
يتم تركيب مسبار الموجات فوق الصوتية المصفوفة المرحلية على جدار الأنبوب لنظام التدفق ويتم بث صور الموجات فوق الصوتية للوضع B. يجلس السائل بكرات زجاجية مجوفة أو جزيئات تتبع تتبع حركات التدفق بأمانة. ثم يتم الحصول على صور الموجات فوق الصوتية ونقلها إلى جهاز كمبيوتر وتحويلها إلى تنسيق صورة متوافق مع برنامج تناظر صورة الجسيمات التجارية.
يتم تطبيق خوارزميات الارتباط المتقاطع على صور الموجات فوق الصوتية المتتالية B لحساب مجالات السرعة ثنائية الأبعاد. في النهاية ، يتم تحليل حقول المتجهات لحساب كميات التدفق ذات الأهمية ، مثل متوسط الإجهاد الهائل للمجموعة ، والدوامة. على الرغم من أن هذه التقنية يمكن أن توفر نظرة ثاقبة لديناميكيات السوائل الأساسية ، إلا أنها يمكن أن تستخدم وغالبا ما تستخدم في أنظمة التدفق العملية ، بما في ذلك التطبيقات الطبية الحيوية ، على سبيل المثال ، التدفقات الشريانية أو بين البطينين.
تجاربنا المستمرة باستخدام الكتلة الحيوية السائلة والسوائل هي ما يثير اهتمامنا في هذه التقنية. لإعداد نظام EP IV ، ابدأ بتشغيل المضخات. سيبدأ هذا تدفق الأنابيب المعاد تدويرها بمعدل ثابت.
بعد ذلك ، ضع جل موضعيا مائي على مسبار الموجات فوق الصوتية. يقلل الجل من فقدان انتقال شعاع الموجات فوق الصوتية بين وجه المسبار والأنبوب. ثم باستخدام حامل مسبار مصمم خصيصا مع تركيبات أنابيب الحائط ، قم بتوصيل مسبار الموجات فوق الصوتية بقوة جدار الأنبوب الخارجي على جهاز الموجات فوق الصوتية.
بمجرد تحميل جميع الأنظمة ، سيظهر بث مباشر للصور على شاشة الموجات فوق الصوتية. الوضع ثنائي الأبعاد هو الإعداد الافتراضي للمسبار الخطي للحصول على قياسات EPIV. أولا ، قم بقياس الوزن الجاف المناسب للكرات الزجاجية المجوفة الاسمية 10 ميكرومتر بحيث يكون تركيزها النهائي عند إضافتها إلى نظام التدفق حوالي 17 جزءا من الوزن في المليون.
بعد ذلك ، استخرج حجما من السائل من الحوض وأضف الجسيمات إلى السائل لتشكيل محلول جزيئات مركز. ستعمل الجسيمات عند إضافتها إلى نظام التدفق كعوامل تباين بالموجات فوق الصوتية أو جزيئات التتبع. أضف محلول الجسيمات المركز إلى نظام تدفق الأنابيب المعاد تدويره عن طريق تحريكه في أحواض المياه.
يمكن بعد ذلك مشاهدة الكرات الزجاجية على شاشة الموجات فوق الصوتية. بعد بضع دقائق ، سيتم توزيع الكرات الزجاجية بالتساوي في جميع أنحاء النظام ، لذا فإن أحد أصعب أجزاء هذا الإجراء هو الحصول على صور واضحة بالموجات فوق الصوتية عالية الدقة. من أجل زيادة جودة هذه الصور إلى أقصى حد ، نقوم بضبط نقاط محورية الكسب والنطاق الديناميكي بناء على تقديرات مسبقة لسرعة التدفق.
نقوم بتحسين هذه المعلمات أثناء التنقل من خلال تحليل صور الموجات فوق الصوتية. استخدم مقبض التحكم في العمق الموجود على لوحة التحكم في الموجات فوق الصوتية لضبط عمق الصورة على ثلاثة سنتيمترات. بعد ذلك ، باستخدام مقبض الكسب ثنائي الأبعاد ، اضبط إجمالي كسب الصورة لزيادة سطوع الصورة بحيث تكون جزيئات البذور مرئية بوضوح في لوحة العدادات.
اضبط منزلقات تعويض كسب الوقت لتخفيف التشتت من جدران الأنابيب وللتعويض عن التوهين المرتبط بالعمق لإشارة الموجات فوق الصوتية. سيؤدي ذلك إلى إزالة الصورة الزائدة في الجزء العلوي والسفلي من جدران الأنابيب في وضع 2D. تتوافق المقابض الموجودة أعلى لوحة التحكم من اليسار إلى اليمين مع العرض وتردد التركيز ومعدل الإطارات.
استخدم هذه المقابض لضبط الصورة بشكل أكبر لتحقيق أعلى دقة مادية ممكنة وتردد ومعدل إطارات للتحليل. ثم اضبط تردد تشغيل المسبار على 10 ميغاهرتز واضبط معدل الإطارات على 49.5 إطارا في الثانية. لاحظ أن هذه المعلمات الأربعة مقترنة بطبيعتها.
وبالتالي ، بالنسبة لمسح صورة بالموجات فوق الصوتية ، هناك مقايضة بين الدقة المكانية والزمانية. نظرا للدقة الجانبية المحدودة ، سيتم تلطيخ الكرات الزجاجية في الاتجاه الجانبي وتظهر على شكل أشكال بيضاوية في الصورة. بمجرد تحسين المعلمات ، فقد حان الوقت لجمع البيانات على لوحة التحكم بالموجات فوق الصوتية على الجهاز.
اضغط على زر الاختبار الجديد لبدء تجربة جديدة. تحت المريض. أدخل تدفق الأنبوب كاسم العائلة والتاريخ كاسم أول.
أدخل رقم الاختبار في حقل معرف المريض. سيبدأ الفحص بالموجات فوق الصوتية تلقائيا عند الوصول إلى الحد الأقصى المحدد مسبقا من 1000 إلى 1,500 صورة. تبدأ حلقة فحص جديدة مع استمرار المسح.
قم بإجراء تعديلات على معلمات التصوير حتى يصبح جسيم البذرة في بؤرة التركيز بشكل حاد مع حوالي 10 جسيمات لكل منطقة استجواب. لإعادة تشغيل حلقة تسجيل المسح الضوئي ، اضغط على زر التجميد في لوحة التحكم بالموجات فوق الصوتية. بمجرد الحصول على عدد كاف من الصور المثالية، اضغط على زر التجميد.
بعد ذلك ، اضغط على زر الحلقة C على لوحة التحكم بالموجات فوق الصوتية. حدد جميع الصور لتضمين جميع صور الموجات فوق الصوتية في مجموعة التحليل. بمجرد تحديد الصور للتحليل ، اضغط على زر تخزين الصور لحفظ المجموعة المحددة من صور الموجات فوق الصوتية.
بمجرد حفظ الصور ، اضغط على زر الأرشيف في لوحة التحكم بالموجات فوق الصوتية. عند المطالبة، حدد حلقة المزامنة ذات الاهتمام من النافذة الصغيرة المراد حفظها على محرك الأقراص الثابتة المحلي. ثم استخدم مؤشر الماوس لتحديد نهاية الاختبار.
اضغط على زر الأرشيف واستخدم مؤشر الماوس لتحديد المزيد أولا ثم تحديد إدارة الأقراص. سيؤدي هذا إلى نقل الحلقة المحفوظة أو حلقات الأسطوانة إلى جهاز الكمبيوتر الذي يقوم بتشغيل تماثل سرعة صورة الجسيمات أو برنامج PIV. بمجرد التقاط الصور وحفظها ، يجب تحويل صورة الموجات فوق الصوتية من اتصالات التصوير الرقمي في الطب أو ملف DICOM إلى مجموعة خبراء التصوير الفوتوغرافي المشتركة أو ملف صورة JPEG للتحليل.
استخدم برنامج نصي MATLAB يعمل بنظام DICOM إلى jpeg dot m لتحويل ملفات DICOM إلى ملفات JPEG. تم إنشاء هذا البرنامج النصي داخليا ويمكن الحصول عليه لأغراض تعليمية من عنوان الويب الموضح هنا. بمجرد تحويل الملف ، افتح برنامج Davi من Law Vision في البرنامج.
انقر نقرا مزدوجا فوق أيقونة davi ، وحدد مشروعا جديدا ، ثم حدد PIV. في شريط الأدوات، حدد استيراد الصور واختر import عبر الملفات المرقمة. ثم في القائمة المنسدلة ، حدد موقع المجلد حيث يتم تخزين صور الموجات فوق الصوتية JPEG وانقر نقرا مزدوجا على الصورة الأولى للمجموعة.
سيؤدي هذا إلى استيراد جميع صور الموجات فوق الصوتية في هذه المجموعة المرقمة لتحديد منطقة الاهتمام للتحليل التي تتضمن السائل فقط. قم بتطبيق قناع لإنشاء القناع ، وأدخل الإحداثيات ، ومنطقة مستطيلة باستخدام نقطتي إحداثيات x و y بناء على المعلومات من ملف DICOM ومعرفة أبعاد البكسل. بعد ذلك في لوحة التحكم الرئيسية في dvu ، انقر فوق علامة التبويب الموجودة أسفل المشروع الحالي الذي يحتوي على الصور المستوردة.
حدد الجدول المسمى معالجة الدفعات. يتيح ذلك نافذة معالجة المتجهات في Davi لمعالجة الدفعات من قائمة العمليات باستخدام شجرة السلاسل الزمنية PIV بالإضافة إلى PIV ، وتحديد معلمات حساب المتجه واختيار التمريرات المتعددة بحجم استجواب متناقص من 64 بكسل × 64 بكسل إلى 12 بكسل × 12 بكسل مع تداخل 50٪ تعيين تقييد نطاق المتجه النسبي على الكل ثم تقييد نطاق المتجه المطلق إلى خمسة بكسل. ثم قم بتطبيق مرشح متوسط لقمع الضوضاء وتنعيم حقول المتجه.
بعد ذلك بالنسبة لمعالجة المتجهات ، حدد المربع نطاق البيانات يساوي استخدام منطقة مقنعة في قائمة معلمات حساب المتجه. لاحظ أن الاختيار الأمثل لمعلمات حساب المتجه يعتمد على هندسة التدفق وخصائص التدفق ودقة الصورة وكثافة جسيمات التتبع وتحليل التدفق الكمي المطلوب. بمجرد تعيين جميع المعلمات المطلوبة على يسار شاشة معالجة الدفعات، حدد العدد الإجمالي للصور المراد معالجتها.
انقر فوق بدء المعالجة. سيؤدي ذلك إلى حساب مجال الإزاحة بين صور الموجات فوق الصوتية المتتالية باستخدام خوارزميات الارتباط المتبادل. لتحليل البيانات المعالجة، قم بتصدير حقول متجه UCV من DAVO كملفات txt.
للقيام بذلك ضمن فرع صورة JPEG في شاشة المشروع ، حدد فرع إزاحة المتجه. في شريط الأدوات، حدد علامة التبويب تصدير. حدد نوع الملف.
اسأل e txt. اختر إنشاء مجلد تصدير وحدد تصدير. بعد ذلك ، افتح الملف في MATLAB عن طريق تشغيل البرنامج النصي MATLAB.
تسمى حقول المتجهات المصدرة B-X-X-X-X do TXT حيث يمثل X رقما في الزيادة من واحد إلى 99 ، 999. يحتوي كل ملف على أربعة أعمدة بيانات ، والتي يمكن عرضها باستخدام المفكرة موقع واحد x للمتجه في الصورة ، وموقع Y للمتجه في الصورة ، وثلاثة مكونات X للإزاحة أو الإزاحة الحكيمة للتيار ، وأربعة مكونات y من الإزاحة ، والتي تصف الجدار. تستخدم الإزاحة العادية لحساب حقل متجه السرعة U كدالة ل X و Y ، حيث يتوافق X و Y مع الإحداثيات المكانية في صورة الموجات فوق الصوتية ، ويتم ذلك عن طريق تحويل مجال الإزاحة D من X و Y المقاس بالبكسل إلى مجال إزاحة يقاس بالأمتار باستخدام معلمة قياس الصورة M المعطاة بوحدات المتر فوق البكسل.
بعد ذلك ، يتم تقسيم مجال الإزاحة على الفصل الزمني المصحح بالمسح بين الصور دلتا T ، حيث دلتا T يساوي واحدا على معدل الإطارات المعطى بالإطارات في الثانية ، بالإضافة إلى حقل الإزاحة مقسوما على الوقت الذي تستغرقه صورة الموجات فوق الصوتية للمرور عبر عرض الصورة. باختصار ، U ل X و Y يساوي M في D ل X و Y مقسوما على delta T.DICOM يخزن بطبيعته بنية ملف توفر المعلومات اللازمة لحساب معلمة قياس الصورة M والفصل الزمني المصحح للكمس. دلتا تي في هذه الدراسة M يساوي 77 ميكرون لكل بكسل ، FPS يساوي 49.5 و B يساوي 25 ، 047 بكسل في الثانية.
أخيرا ، احسب حقول متجه متوسط السرعة في حين أن الملامح العادية لمتوسط السرعة وأي كميات تدفق أخرى ذات أهمية. لإثبات فائدة EPIV ولتقييم عدم اليقين في القياس ، تم الحصول على حقلين لحظيين من السرعة وتدفق الأنبوب الرقائقي كما هو موضح في هذا الفيديو ، ويظهر مخطط المتجه اللحظي هذا متجهات السرعة كل عمود رابع ، وتتوافق خريطة كفاف لون الخلفية مع حجم السرعة. يشار إلى الموقع المكاني ثنائي الأبعاد لمتجه السرعة ب D على D و X على D ، حيث D هو الموضع الشعاعي المقاس من الجدار العلوي.
D هو قطر الأنبوب ، و X هو موضع التيار الحكيم المقاس من مدخل الأنبوب. يشير الشكل المكافئ الظاهر لنواقل السرعة على طول الأعمدة إلى أن القياسات متوافقة مع ملف تعريف السرعة المتوقع لتدفق الأنابيب. يوفر متوسط مخطط المتجه المتوسط المحسوب بمتوسط أكثر من 1000 مخطط متجه لحظي تمثيلا لحقل متوسط السرعة.
سيؤدي أيضا إلى حساب متوسط أخطاء الضوضاء العشوائية في حقول المتجهات اللحظية. متجهات السرعة في المقام الأول في اتجاه التيار الحكيم. تحدث أكبر السرعات عند خط مركز الأنبوب.
انخفضت السرعات إلى الصفر عند جدران الأنابيب والتدفق متماثل تقريبا ، كما يظهر هنا متوسط متوسط سرعة التيار الحكيم على طول نصف قطر الأنبوب الذي تم الحصول عليه عن طريق حساب متوسط مخطط المتجه المتوسط على طول الصفوف في الاتجاه الأفقي. يظهر أيضا متوسط السرعة المتوقع لتدفق الأنابيب الرقائقية. بالنظر إلى الظروف التجريبية.
الاتفاق بين قياسات EPIV وملف تعريف higgin pozo المتوقع هو الأفضل بالقرب من خط مركز الأنبوب والأسوأ بالقرب من جدران الأنابيب. من المحتمل أن تكون الاختلافات الكبيرة بالقرب من الجدار ناتجة عن الانعكاس القوي وانكسار الموجات فوق الصوتية على السطح المنحني لجدار الأنبوب الذي ينتج عنه كثافة عالية للصورة في هذه المناطق ، والشدة العالية في الجدار تحجب شدة الجسيمات مما يؤدي إلى خطأ في القياس. مع تطوير هذه التقنية ، يمكن للباحثين الذين يدرسون ديناميكيات السوائل في أنظمة التدفق الهندسية أو البيولوجية الآن اكتساب التغيرات الزمنية المكانية لمجال السرعة في السوائل المعتمة بصريا أو من خلال الأشكال الهندسية غير الشفافة بصريا.
بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية عمل EPIV وحدوده وكيفية بناء وتشغيل نظام EPIV باستخدام جهاز الموجات فوق الصوتية التجاري.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
نظرة عامة
تصف هذه المقالة نظام قياس سرعة صور جسيمات الصدى (EPIV) المصمم لالتقاط مجالات السرعة ثنائية الأبعاد في السوائل غير الشفافة ضوئيًا. يتم عرض قياسات التحقق في تدفق الأنبوب الصفحي، مما يدل على قدرات النظام.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلوم
- ديناميكا الموائع
- تصوير بالموجات فوق الصوتية
- قياس سرعة صور الجسيمات
الخلفية
- تُستخدم أنظمة EPIV لقياس سرعة السائل في الظروف الصعبة.
- يُعتبر تدفق الأنبوب الصفحي سيناريو شائعًا للتحقق من تقنيات قياس السائل.
- تعتبر جسيمات التتبع ضرورية لتتبع السرعة بدقة في ديناميكا الموائع.
- يوفر التصوير بالموجات فوق الصوتية طريقة غير غزويّة لتصور ديناميكا التدفق.
غرض الدراسة
- لتطوير نظام EPIV للاستخدام في السوائل غير الشفافة ضوئيًا.
- للتحقق من أداء النظام في بيئة تدفق أنبوبية خاضعة للرقابة.
- لإظهار فعالية استخدام الموجات فوق الصوتية لقياس سرعة السائل.
الطرق المستخدمة
- استخدام مسبار الموجات فوق الصوتية المصفوفية المثبت على جدار الأنبوب.
- بث صور الموجات فوق الصوتية من الوضع B للتحليل.
- استخدام الكرات الزجاجية المجوفة كجسيمات تتبع في السائل.
- تحويل صور الموجات فوق الصوتية إلى صيغة متوافقة لبرنامج قياس سرعة صور الجسيمات.
النتائج الرئيسية
- اكتساب ناجح لحقول السرعة ثنائية الأبعاد في التدفق الصفحي.
- تحقق من نظام EPIV من خلال القياسات التجريبية.
- إظهار قدرة النظام على العمل في ظروف غير شفافة ضوئيًا.
- تتبع فعال لديناmiks التدفق باستخدام جسيمات التتبع والتصوير بالموجات فوق الصوتية.
الاستنتاجات
- يعتبر نظام EPIV أداة قيمة لدراسة ديناميكا الموائع في البيئات الصعبة.
- يعزز التصوير بالموجات فوق الصوتية القدرة على قياس سرعة التدفق في السوائل غير الشفافة.
- قد تتوسع التطبيقات المستقبلية لتشمل مجالات مختلفة تتطلب تحليل سرعة السائل.
الأسئلة المتداولة
Executive Industry Relevance
Echo Particle Image Velocimetry (EPIV) enables non-invasive, high-resolution measurement of fluid velocity fields in optically opaque systems, supporting mechanistic understanding of transport phenomena in complex biological and engineered flows. This capability aids in de-risking fluid dynamics assumptions during early-stage target validation and preclinical model development by providing quantitative, spatially resolved data on mass, momentum, and energy transport. EPIV-derived velocity fields enhance predictive confidence in preclinical systems where direct optical access is limited, such as in viscous biomaterials or tissue-mimicking phantoms.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of fluid-mediated transport mechanisms in drug delivery systems, supporting hypothesis testing on how formulation properties influence particle dispersion and bioavailability.
- Operational Value: Provides reproducible, quantitative velocity field data to functionally validate fluidic components in preclinical devices or biomaterial scaffolds.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates standardized, two-dimensional velocity maps that serve as functional readouts for assessing fluid behavior in complex matrices, enabling assay readiness for particulate or viscous formulations.
- Operational Value: Supports high-fidelity, scalable imaging of tracer particle dynamics under controlled flow conditions, improving reproducibility across screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Bridges discovery and preclinical validation by quantifying flow-induced shear and vorticity in biomimetic systems, informing risk-adjusted decisions on device performance and biocompatibility.
- Operational Value: Facilitates continuity from bench-top fluid characterization to preclinical testing through standardized, ultrasound-based velocimetry compatible with opaque biological simulants.
Pipeline & Workflow Integration
EPIV integrates into the discovery workflow as a tool for hypothesis-driven fluid dynamics assessment, positioned between early formulation screening and preclinical functional validation, particularly when optical opacity limits conventional imaging approaches.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by enabling visualization and quantification of fluid transport in systems where particle-laden flows influence target engagement or drug release kinetics.
- Screening: Delivers assay-ready, cross-correlation-derived displacement and velocity fields with quantified uncertainty, enabling comparison across formulation or device iterations.
- Analytics: Provides scalable, magnification-corrected velocity fields (u(x,y)) from displacement data, allowing teams to compute derived quantities like shear stress and vorticity for comparative analysis.
- Translational Research: Connects in vitro fluid behavior to preclinical relevance by measuring flow profiles in geometrically and rheologically representative simulants, supporting continuity in device or biomaterial evaluation.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable, platform-capable method for fluid dynamics characterization across multiple projects, leveraging commercial ultrasound and PIV software infrastructure.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in fluid-mediated biological interactions by reducing uncertainty in velocity field estimation within opaque environments.
- Operational Value: Enhances standardization and reproducibility through synchronized image acquisition, cross-correlation analysis, and sweep-corrected temporal scaling.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making in fluid-dependent programs by providing objective, quantitative benchmarks for flow performance.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of formulations or devices based on empirically validated hydrodynamic behavior in realistic simulants.
Implementation Considerations
- Requires expertise in ultrasound imaging principles, particle image velocimetry, and fluid dynamics to optimize gain, focus, frame rate, and particle concentration.
- Depends on access to a phased array ultrasound probe, medical ultrasound system, and PC-based PIV software capable of processing B-mode image sequences.
- Necessitates cross-team standardization of imaging parameters (e.g., frame rate, magnification, interrogation window size) to ensure velocity field comparability across studies.
- Involves adaptation considerations for varying tracer particle properties, fluid viscosity, and flow geometry to maintain image fidelity and measurement accuracy.
- Involves practical limitations including reduced lateral resolution causing particle smearing and ultrasound reflection artifacts at curved boundaries, which may obscure near-wall velocity measurements.
