صدى الجسيمات Velocimetry صورة

الهدف من هذه التجربة هو الحصول على مجالات سرعة لحظية ثنائية الأبعاد في تدفق Hagen Zoi، والمعروف أيضاً بتدفق الأنابيب الصفائحى. وباستخدام تقنية echo particle image LOC symmetry أو E-P-I-V-E-P-I-V، يتم عرض قياسات التحقق في تدفق أنبوبي مُعاد تدويره لخليط بنسبة 50 50 من الماء والجلسرين. يعتمد نظام تدفق الأنابيب المستخدم هنا على رأس ضغط ثابت يتم الحفاظ عليه بواسطة مضخة حوض أسماك لدفع التدفق.

يتم تركيب مسبار موجات فوق صوتية ذو مصفوفة طورية على جدار أنبوب نظام التدفق، وتُبث صور الموجات فوق الصوتية بنمط B. يتم تزويد السائل بكرات زجاجية مجوفة أو جسيمات تتبع تتبع حركات التدفق بدقة. بعد ذلك، يتم التقاط صور الموجات فوق الصوتية ونقلها إلى جهاز كمبيوتر وتحويلها إلى تنسيق صور متوافق مع برنامج قياس سرعة تصوير الجسيمات التجاري.

تُطبَّق خوارزميات الارتباط المتبادل على صور الموجات فوق الصوتية المتتابعة بنمط B لحساب مجالات سرعة ثنائية الأبعاد. وفي النهاية، يتم تحليل المجالات المتجهية لحساب كميات التدفق ذات الأهمية، مثل متوسط إجهاد القص للمجموعة، والدوامية. ورغم أن هذه التقنية يمكن أن توفر رؤى حول ديناميكيات السوائل الأساسية، إلا أنه يمكن استخدامها وغالبًا ما تُستخدم في أنظمة التدفق العملية، بما في ذلك التطبيقات الطبية الحيوية، مثل التدفقات الشريانية أو التدفقات بين البطينين.

إن تجاربنا المستمرة باستخدام الكتلة الحيوية المسالة والسوائل هي ما أثار اهتمامنا بهذه التقنية. لإعداد نظام EP IV، ابدأ بتشغيل المضخات، حيث سيؤدي ذلك إلى بدء تدفق الأنابيب المعاد تدويرها بمعدل ثابت.

بعد ذلك، ضَع هلاماً موضعياً مائياً على مسبار الموجات فوق الصوتية؛ حيث يقلل هذا الهلام من فقدان انتقال شعاع الموجات فوق الصوتية بين وجه المسبار والأنبوب. ثم، وباستخدام حامل مسبار مُصمم خصيصاً مزود بوصلات أنابيب نافذة عبر الجدار، ثبِّت مسبار الموجات فوق الصوتية على الجدار الخارجي للأنبوب وقم بتشغيل جهاز الموجات فوق الصوتية.

بمجرد تحميل جميع الأنظمة، سيظهر تدفق حي للصور على شاشة الموجات فوق الصوتية. يُعد وضع 2D هو الإعداد الافتراضي للمسبار الخطي للحصول على قياسات EPIV. أولاً، قم بقياس الوزن الجاف المناسب من الكرات الزجاجية المجوفة ذات القطر الاسمي 10 micrometer بحيث يكون تركيزها النهائي عند إضافتها إلى نظام التدفق حوالي 17 weight parts per million.

بعد ذلك، استخرج حجماً من السائل من الحوض وأضف الجسيمات إلى السائل لتكوين محلول جسيمات مركز. ستعمل هذه الجسيمات عند إضافتها إلى نظام التدفق كعوامل تباين للموجات فوق الصوتية أو كجسيمات تتبع. أضف محلول الجسيمات المركز إلى نظام تدفق الأنابيب المعاد تدويره عن طريق تحريكه داخل أحواض المياه.

يمكن بعد ذلك عرض الكرات الزجاجية على شاشة الموجات فوق الصوتية. وبعد بضع دقائق، ستتوزع الكرات الزجاجية بشكل متساوٍ في جميع أنحاء النظام، لذا فإن أحد أصعب أجزاء هذا الإجراء هو الحصول على صور موجات فوق صوتية واضحة وعالية الدقة. ومن أجل رفع جودة هذه الصور إلى أقصى حد، نقوم بضبط نقاط التركيز والكسب والنطاق الديناميكي بناءً على تقديرات مسبقة لسرعة التدفق.

نعمل علاوة على ذلك على تحسين هذه المعاملات آنياً من خلال تحليل صور الموجات فوق الصوتية. استخدم مقبض التحكم في العمق الموجود في لوحة تحكم جهاز الموجات فوق الصوتية لضبط عمق الصورة على ثلاثة سنتيمترات. بعد ذلك، وباستخدام مقبض كسب الصورة ثنائية الأبعاد (2D gain)، اضبط الكسب الإجمالي للصورة لزيادة سطوعها بحيث تصبح جسيمات البذر مرئية بوضوح في لوحة الجهاز.

اضبط منزلقات تعويض كسب الوقت لتوهين التشتت الناتج عن جدران الأنبوب وللتعويض عن التوهين المرتبط بالعمق لإشارة الموجات فوق الصوتية. سيؤدي ذلك إلى إزالة الصور الزائدة عند أعلى وأسفل جدران الأنبوب في وضع 2D. وتتوافق 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 وتردد ومعدل إطارات ممكن للتحليل. ثم اضبط تردد تشغيل المسبار على 10 megahertz واضبط معدل الإطارات على 49.5 frames per second. لاحظ أن هذه المعلمات الأربع مرتبطة ببعضها جوهرياً.

وبناءً على ذلك، يوجد في أي مسح لصورة بالموجات فوق الصوتية مقايضة بين الدقة المكانية والدقة الزمنية. وبسبب الدقة الجانبية المحدودة، ستظهر الكرات الزجاجية ممتدة في الاتجاه الجانبي وتبدو كأشكال بيضاوية في الصورة. وبمجرد تحسين المعلمات، يحين وقت جمع البيانات من لوحة تحكم الموجات فوق الصوتية في الجهاز.

اضغط على زر "new exam" لبدء تجربة جديدة. في حقل المريض (patient)، أدخل "pipe flow" كاسم عائلة والتاريخ كاسم أول.

أدخل رقم الاختبار في حقل معرف المريض. سيبدأ فحص الموجات فوق الصوتية تلقائياً عند الوصول إلى الحد الأقصى المسبق الذي يتراوح من 1000 إلى 1, 500 صورة. تبدأ حلقة مسح جديدة مع استمرار عملية المسح.

قم بإجراء تعديلات على معاملات التصوير حتى تصبح جسيمات البذر في بؤرة تركيز حادة، مع وجود حوالي 10 جسيمات لكل منطقة استجواب. لإعادة تشغيل حلقة تسجيل المسح، اضغط على زر التجميد (freeze) في لوحة التحكم في الموجات فوق الصوتية. وبمجرد الحصول على عدد كافٍ من الصور المثالية، اضغط على زر التجميد.

بعد ذلك، اضغط على زر حلقة C في لوحة تحكم جهاز الموجات فوق الصوتية. اختر "كل الصور" لتضمين جميع صور الموجات فوق الصوتية في مجموعة التحليل. وبمجرد اختيار الصور المراد تحليلها، اضغط على زر تخزين الصور لحفظ مجموعة صور الموجات فوق الصوتية المختارة.

بمجرد حفظ الصور، اضغط على زر الأرشفة (archive) في لوحة تحكم جهاز الموجات فوق الصوتية. وعندما يطلب منك النظام ذلك، اختر حلقة التزامن (syn loop) المطلوبة من النافذة الصغيرة ليتم حفظها على القرص الصلب المحلي. بعد ذلك، استخدم مؤشر الماوس لاختيار إنهاء الفحص (end exam).

اضغط على زر الأرشيف واستخدم مؤشر الماوس لاختيار "المزيد" (more) أولاً، ثم اختر "إدارة الأقراص" (disc management). سيؤدي ذلك إلى نقل حلقة أو حلقات cyl المحفوظة إلى جهاز الكمبيوتر الذي يشغل برنامج قياس سرعة الصور الجزيئية (particle image velocity symmetry) أو برنامج PIV. وبمجرد التقاط الصور وحفظها، يجب تحويل صورة الموجات فوق الصوتية من ملف نظام اتصالات التصوير الرقمي في الطب (digital imaging communications in medicine) أو ملف DICOM إلى ملف صورة بمجموعة خبراء التصوير الفوتوغرافي المشترك (joint photographic experts group) أو ملف JPEG من أجل التحليل.

استخدم نصاً برمجياً في برنامج MATLAB يقوم بتشغيل الملف DICOM to jpeg.m لتحويل ملفات DICOM إلى صور بتنسيق JPEG. تم إعداد هذا النص برمجياً داخلياً، ويمكن الحصول عليه لأغراض تعليمية من عنوان الويب الموضح هنا. وبمجرد تحويل الملف، افتح برنامج Davi من شركة Law Vision في البرمجيات.

انقر نقرًا مزدوجًا على أيقونة davi، واختر مشروعًا جديدًا (new project)، ثم اختر PIV. من شريط الأدوات، اختر استيراد الصور (import images) ثم حدد الاستيراد عبر الملفات المرقمة (import via numbered files). بعد ذلك، ومن القائمة المنسدلة، حدد المجلد الذي تُخزن فيه صور الموجات فوق الصوتية بصيغة JPEG وانقر نقرًا مزدوجًا على الصورة الأولى من المجموعة.

سيؤدي ذلك إلى استيراد جميع صور الموجات فوق الصوتية في هذه المجموعة المرقمة لتحديد منطقة الاهتمام للتحليل والتي تشتمل على السائل فقط. لتطبيق القناع وإنشائه، أدخل الإحداثيات، وهي منطقة مستطيلة باستخدام نقطتين لإحداثيات x و y بناءً على المعلومات الواردة في ملف DICOM والمعرفة بأبعاد البكسل. بعد ذلك، في لوحة التحكم الرئيسية في dvu، انقر فوق التبويب الموجود أسفل المشروع الحالي والذي يحتوي على الصور المستوردة.

حدد الجدول المسمى "batch processing". يتيح ذلك نافذة معالجة المتجهات في برنامج Davi للمعالجة الدفعية من قائمة العمليات باستخدام شجرة "PIV plus PIV time series"؛ حدد معاملات حساب المتجهات واختر "multipass" مع حجم استجواب متناقص من 64 pixels by 64 pixels إلى 12 pixels by 12 pixels مع تداخل بنسبة 50%. اضبط تقييد نطاق المتجهات النسبي على "all" ثم تقييد نطاق المتجهات المطلق على 5 pixels. بعد ذلك، قم بتطبيق مرشح الوسيط (median filter) لكبح الضوضاء وتنعيم حقول المتجهات.

بعد ذلك، وفيما يتعلق بمعالجة المتجهات، حدد مربع "data range equals use masked area" في قائمة معلمات حساب المتجه (vector calculation parameter). يرجى ملاحظة أن الاختيار الأمثل لمعلمات حساب المتجه يعتمد على هندسة التدفق، وخصائص التدفق، ودقة الصورة، وكثافة الجسيمات المتتبعة، والتحليل الكمي المطلوب للتدفق. بمجرد ضبط جميع المعلمات المطلوبة على يسار شاشة المعالجة المجمعة (batch processing)، حدد العدد الإجمالي للصور المراد معالجتها.

انقر على بدء المعالجة. سيؤدي ذلك إلى حساب مجال الإزاحة بين صور الموجات فوق الصوتية المتتالية باستخدام خوارزميات الارتباط المتبادل. ولتحليل البيانات المعالجة، قم بتصدير مجالات متجهات UCV من برنامج DAVO كملفات بصيغة txt.

للقيام بذلك، حدد فرع إزاحة المتجه (vector displacement branch) ضمن فرع صورة JPEG في شاشة المشروع. من شريط الأدوات، اختر علامة تبويب التصدير (export tab)، ثم حدد نوع الملف.

اطلب ملف txt. اختر إنشاء مجلد للتصدير ثم حدد تصدير. بعد ذلك، افتح الملف في برنامج MATLAB عن طريق تشغيل نص MATLAB البرمجي.

تُسمى حقول المتجهات المُصدّرة B-X-X-X-X-X.txt، حيث يمثل X رقماً يتزايد من 1 إلى 99,999. يحتوي كل ملف على أربعة أعمدة من البيانات، والتي يمكن عرضها باستخدام مفكرة النصوص (notepad): الأول هو موقع X للمتجه في الصورة، والثاني هو موقع Y للمتجه في الصورة، والثالث هو مركبة X للإزاحة أو الإزاحة في اتجاه التدفق، والرابع هو مركبة y للإزاحة، والتي تصف الإزاحة العمودية على الجدار. يُستخدم ذلك لحساب حقل متجه السرعة U كدالة في X وY، حيث يتوافق X وY مع الإحداثيات المكانية في صورة الموجات فوق الصوتية؛ ويتم ذلك أولاً عن طريق تحويل حقل الإزاحة D لـ X وY المقاس بالبكسل إلى حقل إزاحة مقاس بالأمتار باستخدام معامل قياس الصورة M المعطى بوحدات متر لكل بكسل.

بعد ذلك، يتم قسمة مجال الإزاحة على الفاصل الزمني المصحح وفقاً للمسح بين الصور delta T، حيث تعادل delta T مقلوب معدل الإطارات المعطى بالإطارات في الثانية، مضافاً إليها مجال الإزاحة مقسوماً على الوقت الذي تستغرقه صورة الموجات فوق الصوتية للمسح عبر عرض الصورة. وباختصار، فإن U لـ X و Y تساوي M مضروبة في D لـ X و Y مقسومة على delta T. يقوم نظام DICOM بطبيعته بتخزين بنية ملف توفر المعلومات اللازمة لحساب معامل قياس الصورة M والفاصل الزمني المصحح وفقاً للمسح. delta T في الدراسة الحالية M تساوي 77 microns per pixel و FPS تساوي 49.5 و B تساوي 25, 047 pixels per second.

أخيراً، يتم حساب حقول ناقل السرعة لمتوسط المجموعة مع المرتسمات العمودية لمتوسط السرعة وأي كميات تدفق أخرى ذات أهمية. ولإثبات فائدية تقنية EPIV وتقييم عدم اليقين في القياس، تم الحصول على حقول ثنائية الأبعاد ولحظية للسرعة في تدفقات الأنابيب الصفائحية كما هو موضح في هذا الفيديو؛ حيث يظهر هذا المخطط المتجهي اللحظي نواقل السرعة في كل عمود رابع، وتتوافق خريطة الكفاف اللونية في الخلفية مع مقدار السرعة. ويُشار إلى الموقع المكاني ثنائي الأبعاد لناقل السرعة بواسطة D over D و X over D، حيث تمثل D الموضع الشعاعي المقاس من الجدار العلوي.

تمثل D قطر الأنبوب، وتمثل X الموضع الطولي المقاس من مدخل الأنبوب. يشير الشكل المكافئ الظاهري لمتجهات السرعة على طول الأعمدة إلى أن القياسات تتوافق مع ملف السرعة المتوقع لتدفق الأنابيب. يوفر مخطط المتجهات متوسط المجموعة، والذي تم حسابه عن طريق أخذ المتوسط لـ 1000 مخطط متجهات لحظي، تمثيلاً لمجال السرعة المتوسط.

كما سيعمل ذلك على موازنة أخطاء الضوضاء العشوائية في حقول المتجهات اللحظية. تتركز متجهات السرعة بشكل أساسي في اتجاه التدفق، وتحدث أعلى السرعات عند الخط المركزي للأنبوب.

تناقصت السرعات حتى وصلت إلى الصفر عند جدران الأنبوب، وكان التدفق متماثلاً تقريباً؛ ويظهر هنا ملف السرعة المتوسطة في اتجاه التدفق على طول نصف قطر الأنبوب، والذي تم الحصول عليه عن طريق حساب متوسط مخطط المتجهات المتوسط للمجموعة على طول الصفوف في الاتجاه الأفقي. كما يظهر أيضاً ملف السرعة المتوسط المتوقع لتدفق الأنابيب الصفائحي، وذلك وفقاً للظروف التجريبية.

يكون الاتفاق بين قياسات EPIV ومخطط higgin pozo المتوقع في أفضل حالاته بالقرب من الخط المركزي للأنبوب، وفي أسوأ حالاته بالقرب من جدران الأنبوب. ومن المرجح أن تعود الاختلافات الكبيرة بالقرب من الجدار إلى الانعكاس والانكسار القويين للموجات فوق الصوتية عند السطح المنحني لجدار الأنبوب، مما يؤدي إلى إنتاج شدات صورة عالية في هذه المناطق؛ حيث تحجب هذه الشدات العالية عند الجدار شدات الجسيمات، مما يؤدي إلى حدوث خطأ في القياس. ومع تطوير هذه التقنية، يمكن للباحثين الذين يدرسون ديناميكا السوائل في أنظمة التدفق الهندسية أو البيولوجية الآن الحصول على التغيرات المكانية والزمانية لمجال السرعة في السوائل المعتمة بصرياً أو من خلال أشكال هندسية معتمة بصرياً.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية عمل تقنية EPIV، ومحدداتها، وكيفية بناء وتشغيل نظام EPIV باستخدام جهاز موجات فوق صوتية تجاري.