Echo Particle Image Velocimetry

Das Ziel dieses Experiments ist es, zweidimensionale, momentane Geschwindigkeitsfelder in der Hagen-Zoi-Strömung, auch bekannt als laminare Rohrströmung, zu erfassen. Mit Hilfe von Echoteilchenbildern, LOC-Symmetrie oder E-P-I-V-E-P-I-V-Validierungsmessungen werden Messungen in einer rezirkulierenden Rohrströmung eines 50 50 Gemischs aus Wasser und Glycerin demonstriert. Das hier verwendete Rohrströmungssystem verwendet eine konstante Druckhöhe, die von einer Aquarienpumpe aufrechterhalten wird, um die Strömung anzutreiben.

Eine Phased-Array-Ultraschallsonde wird an der Rohrwand des Durchflusssystems montiert und Ultraschallbilder im B-Modus werden gestreamt. Die Flüssigkeit sitzt mit hohlen Glaskugeln oder Tracerpartikeln, die den Bewegungen der Strömung treu folgen. Die Ultraschallbilder werden dann aufgenommen, auf einen PC übertragen und in ein Bildformat konvertiert, das mit der kommerziellen Particle Image Veloc Symmetry Software kompatibel ist.

Kreuzkorrelationsalgorithmen werden auf aufeinanderfolgende Ultraschallbilder im B-Modus angewendet, um zweidimensionale Geschwindigkeitsfelder zu berechnen. Letztendlich werden die Vektorfelder analysiert, um interessierende Strömungsgrößen wie die durchschnittliche Ensemblespannung und die Vorticity zu berechnen. Obwohl diese Technik einen Einblick in die grundlegende Strömungsdynamik geben kann, kann sie in praktischen Strömungssystemen eingesetzt werden und wird auch häufig eingesetzt, einschließlich biomedizinischer Anwendungen, z. B. arterieller oder interventrikulärer Strömungen.

Unsere laufenden Experimente mit verflüssigter Biomasse und Flüssigkeit haben uns an dieser Technik interessiert. Um das EP IV-System einzurichten, schalten Sie zunächst die Pumpen ein. Dadurch wird der umlaufende Rohrfluss mit einer konstanten Geschwindigkeit gestartet.

Tragen Sie anschließend ein topisches Gel auf Wasserbasis auf die Ultraschallsonde auf. Das Gel minimiert den Verlust der Transmission des Ultraschallstrahls zwischen der Sondenfläche und dem Rohr. Befestigen Sie dann die Ultraschallsonde mit einer speziell konstruierten Sondenhalterung mit durchgehenden Rohrverschraubungen an der Außenrohrwand des Ultraschallgeräts.

Sobald alle Systeme geladen sind, wird ein Live-Stream von Bildern auf dem Ultraschallbildschirm angezeigt. Der 2D-Modus ist die Standardeinstellung für die lineare Sonde zur Erfassung von EPIV-Messungen. Messen Sie zunächst das entsprechende Trockengewicht von nominalen 10-Mikrometer-Hohlglaskugeln so, dass ihre endgültige Konzentration bei Zugabe zum Durchflusssystem etwa 17 Gewichtsteile pro Million beträgt.

Entnehmen Sie als Nächstes ein Volumen Flüssigkeit aus dem Becken und fügen Sie die Partikel der Flüssigkeit hinzu, um eine konzentrierte Partikellösung zu bilden. Die Partikel, die dem Durchflusssystem zugesetzt werden, dienen als Ultraschallkontrastmittel oder Tracerpartikel. Geben Sie die konzentrierte Partikellösung in das Umlaufstromsystem, indem Sie sie in die Wasserbecken einrühren.

Die Glaskugeln können dann auf dem Ultraschallmonitor betrachtet werden. Nach einigen Minuten sind die Glaskugeln gleichmäßig im System verteilt, so dass einer der schwierigsten Teile dieses Verfahrens darin besteht, klare, hochauflösende Ultraschallbilder zu erhalten. Um die Qualität dieser Bilder zu maximieren, passen wir die Verstärkungsschwerpunkte und den Dynamikbereich auf der Grundlage von Apriori-Schätzungen der Strömungsgeschwindigkeit an.

Diese Parameter optimieren wir on the fly durch die Analyse der Ultraschallbilder weiter. Stellen Sie mit dem Tiefenregler auf dem Bedienfeld des Ultraschalls die Bildtiefe auf drei Zentimeter ein. Stellen Sie anschließend mit dem 2D-Verstärkungsknopf die Gesamtbildverstärkung ein, um die Helligkeit des Bildes so zu erhöhen, dass die Ausgangspartikel auf der Instrumententafel deutlich sichtbar sind.

Passen Sie die Schieberegler für die Zeitgewinnkompensation an, um die Streuung von den Rohrwänden zu dämpfen und die tiefenbezogene Dämpfung des Ultraschallsignals zu kompensieren. Dadurch wird überschüssiges Bild am oberen und unteren Rand der Rohrwände im 2D-Modus entfernt. Die Drehregler oben auf dem Bedienfeld von links nach rechts entsprechen der Breite, der Fokusfrequenz und der Bildrate.

Verwenden Sie diese Knöpfe, um das Bild weiter anzupassen, um die höchstmögliche physikalische Auflösung, Frequenz und Bildrate für die Analyse zu erreichen. Stellen Sie dann die Betriebsfrequenz der Sonde auf 10 Megahertz ein und stellen Sie die Bildrate auf 49,5 Bilder pro Sekunde ein. Beachten Sie, dass diese vier Parameter inhärent gekoppelt sind.

Folglich gibt es für eine gegebene Ultraschallbildscan einen Kompromiss zwischen räumlicher und zeitlicher Auflösung. Aufgrund der begrenzten lateralen Auflösung werden die Glaskugeln in lateraler Richtung verschmiert und erscheinen als Ellipsoide im Bild. Sobald die Parameter optimiert sind, ist es an der Zeit, Daten auf dem Ultraschall-Bedienfeld des Instruments zu sammeln.

Drücken Sie die Schaltfläche Neue Prüfung, um ein neues Experiment zu starten. Unter Patient. Geben Sie Rohrfluss als Nachnamen und das Datum als Vornamen ein.

Geben Sie die Testnummer in das Feld Patienten-ID ein. Die Ultraschalluntersuchung beginnt dann automatisch, wenn das voreingestellte Maximum von 1000 bis 1.500 Bildern erreicht ist. Eine neue Scan-Schleife beginnt, während der Scanvorgang fortgesetzt wird.

Nehmen Sie Anpassungen an den Bildgebungsparametern vor, bis das Ausgangspartikel mit etwa 10 Partikeln pro Abfragebereich scharf ist. Um die Scan-Aufnahmeschleife neu zu starten, drücken Sie die Freeze-Taste auf dem Ultraschall-Bedienfeld. Sobald eine ausreichende Anzahl von Idealbildern aufgenommen wurde, drücken Sie die Freeze-Taste.

Drücken Sie anschließend die C-Schleifentaste auf dem Ultraschall-Bedienfeld. Wählen Sie Alle Bilder aus, um alle Ultraschallbilder in den Analysesatz aufzunehmen. Nachdem Sie die Bilder für die Analyse ausgewählt haben, drücken Sie die Schaltfläche zum Speichern von Bildern, um den ausgewählten Satz von Ultraschallbildern zu speichern.

Nachdem die Bilder gespeichert wurden, drücken Sie die Archiv-Taste auf dem Ultraschall-Bedienfeld. Wenn Sie dazu aufgefordert werden, wählen Sie die gewünschte syn-Schleife aus dem kleinen Fenster aus, die auf der lokalen Festplatte gespeichert werden soll. Wählen Sie dann mit dem Mauszeiger die Option Prüfung beenden aus.

Drücken Sie die Archiv-Taste und wählen Sie mit dem Mauszeiger zuerst Mehr und dann die Disc-Verwaltung aus. Dadurch wird die gespeicherte Zylinderschleife oder die gespeicherten Zylinderschleifen auf den PC übertragen, auf dem die Software für Partikelbild, Geschwindigkeitssymmetrie oder PIV ausgeführt wird. Sobald die Bilder aufgenommen und gespeichert sind, muss das Ultraschallbild von einer digitalen Bildgebungskommunikation in der Medizin oder einer DICOM-Datei in eine gemeinsame fotografische Expertengruppe oder eine JPEG-Bilddatei zur Analyse konvertiert werden.

Verwenden Sie ein MATLAB-Skript, das DICOM in jpeg dot m ausführt, um die DICOM-Dateien in JPEGs zu konvertieren. Dieses Skript wurde intern erstellt und kann zu Bildungszwecken über die hier gezeigte Webadresse bezogen werden. Nach der Konvertierung der Datei öffnen Sie die Software Davi von Law Vision in der Software.

Doppelklicken Sie auf das davi-Symbol, wählen Sie Neues Projekt und dann PIV. Wählen Sie in der Symbolleiste Bilder importieren und dann über nummerierte Dateien importieren aus. Suchen Sie dann im Pulldown-Menü den Ordner, in dem die JPEG-Ultraschallbilder gespeichert sind, und doppelklicken Sie auf das erste Bild des Sets.

Dadurch werden alle Ultraschallbilder in diesem nummerierten Satz importiert, um einen für die Analyse relevanten Bereich zu definieren, der nur die Flüssigkeit umfasst. Wenden Sie eine Maske an, um die Maske zu erstellen, geben Sie die Koordinaten ein, einen rechteckigen Bereich mit zwei x- und y-Koordinatenpunkten, der auf den Informationen aus der DICOM-Datei und der Kenntnis der Pixelabmessungen basiert. Klicken Sie anschließend in der Hauptsteuerung in dvu auf die Registerkarte unter Aktuelles Projekt, die die importierten Bilder enthält.

Wählen Sie die Tabelle mit der Bezeichnung Stapelverarbeitung aus. Dies ermöglicht das Vektorverarbeitungsfenster von Davi für die Stapelverarbeitung aus der Operationsliste unter Verwendung des PIV plus PIV-Zeitreihenbaums, wählen Sie die Vektorberechnungsparameter aus und wählen Sie Multipass mit einer abnehmenden Abfragegröße von 64 x 64 Pixeln auf 12 Pixel x 12 Pixel mit einer Überlappung von 50%Setzen Sie die relative Vektorbereichsbeschränkung auf alle und dann die absolute Vektorbereichsbeschränkung auf fünf Pixel. Wenden Sie dann einen Medianfilter an, um Rauschen zu unterdrücken und die Vektorfelder zu glätten.

Aktivieren Sie anschließend für die Vektorverarbeitung das Kontrollkästchen Datenbereich gleich maskiertem Bereich verwenden im Parametermenü der Vektorberechnung. Beachten Sie, dass die optimale Auswahl der Vektorberechnungsparameter von der Strömungsgeometrie, den Strömungseigenschaften, der Bildauflösung, der Tracerpartikeldichte und der gewünschten quantitativen Strömungsanalyse abhängt. Nachdem Sie alle gewünschten Parameter auf der linken Seite des Stapelverarbeitungsbildschirms eingestellt haben, wählen Sie die Gesamtzahl der zu verarbeitenden Bilder aus.

Klicken Sie auf Verarbeitung starten. Dabei wird das Verschiebungsfeld zwischen aufeinanderfolgenden Ultraschallbildern unter Verwendung von Kreuzkorrelationsalgorithmen berechnet. Um die verarbeiteten Daten zu analysieren, exportieren Sie die UCV-Vektorfelder aus DAVO als txt-Dateien.

Wählen Sie dazu unter dem Zweig JPEG-Bild im Projektbildschirm den Zweig Vektorverschiebung aus. Wählen Sie in der Symbolleiste die Registerkarte "Exportieren" aus. Wählen Sie den Dateityp aus.

Fragen Sie e txt. Wählen Sie Exportordner erstellen und dann Exportieren aus. Öffnen Sie als Nächstes die Datei in MATLAB, indem Sie das MATLAB-Skript ausführen.

Die exportierten Vektorfelder heißen B-X-X-X-X-X do TXT, wobei X eine Zahl darstellt, die von eins bis 99, 999 aufsteigt. Jede Datei enthält vier Datenspalten, die mit dem Editor angezeigt werden können: eine x Position des Vektors im Bild, zwei y Position des Vektors im Bild, drei x Komponenten der Verschiebung oder stromweise Verschiebung und vier y Komponenten der Verschiebung, die die Wand beschreiben. Die normale Verschiebung wird verwendet, um das Geschwindigkeitsvektorfeld U als Funktion von X und Y zu berechnen, wobei X und Y den räumlichen Koordinaten im Ultraschallbild entsprechen, dies geschieht, indem zuerst das Verschiebungsfeld D von X und Y, gemessen in Pixeln, in ein Verschiebungsfeld umgewandelt wird, das in Metern gemessen wird, wobei der Bildskalierungsparameter M in Einheiten von Meter über Pixel angegeben wird.

Als nächstes wird das Verschiebungsfeld dividiert durch den sweepkorrigierten zeitlichen Abstand zwischen den Bildern Delta T, wobei Delta T gleich eins über der in Bildern pro Sekunde angegebenen Bildrate ist, zuzüglich des Verschiebungsfeldes dividiert durch die Zeit, die das Ultraschallbild benötigt, um über die Bildbreite zu streifen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass U von X und Y gleich M mal D von X und Y geteilt durch Delta T ist.DICOM speichert inhärent eine Dateistruktur, die die Informationen liefert, die zur Berechnung des Bildskalierungsparameters M und zur sweep-korrigierten zeitlichen Trennung erforderlich sind. Delta T in der vorliegenden Studie ist M gleich 77 Mikrometer pro Pixel, FPS gleich 49,5 und B gleich 25.047 Pixel pro Sekunde.

Berechnen Sie abschließend die Vektorfelder der durchschnittlichen Geschwindigkeit des Ensembles, während die Normalprofile der mittleren Geschwindigkeit und alle anderen interessierenden Strömungsgrößen verwendet werden. Um die Nützlichkeit von EPIV zu demonstrieren und die Messunsicherheit zu bewerten, wurden zweidimensionale, momentane Felder der Geschwindigkeit und der laminaren Rohrströmung erfasst, wie in diesem Video beschrieben, dieses momentane Vektordiagramm zeigt Geschwindigkeitsvektoren in jeder vierten Spalte, und die Hintergrundfarbe der Konturkarte entspricht der Geschwindigkeitsgröße. Die zweidimensionale räumliche Position des Geschwindigkeitsvektors wird durch D über D und X über D bezeichnet, wobei D die radiale Position ist, die von der oberen Wand aus gemessen wird.

D ist der Rohrdurchmesser und X ist die stromweise Position, gemessen vom Rohreingang. Die scheinbare parabolische Form der Geschwindigkeitsvektoren entlang der Säulen deutet darauf hin, dass die Messungen mit dem erwarteten Geschwindigkeitsprofil für die Rohrströmung übereinstimmen. Das Ensemble-gemittelte Vektordiagramm, das durch Mittelung von über 1000 momentanen Vektordiagrammen berechnet wurde, stellt das mittlere Geschwindigkeitsfeld dar.

Außerdem werden zufällige Rauschfehler in den momentanen Vektorfeldern gemittelt. Die Geschwindigkeitsvektoren verlaufen hauptsächlich in strömungsweiser Richtung. Die größten Geschwindigkeiten treten an der Rohrmittellinie auf.

Die Geschwindigkeiten nahmen an den Rohrwänden auf Null ab und die Strömung ist ungefähr symmetrisch; das mittlere strömungsweise Geschwindigkeitsprofil entlang des Rohrradius, das durch Mittelung des ensemblegemittelten Vektordiagramms entlang der Reihen in horizontaler Richtung erhalten wurde, ist hier dargestellt. Ebenfalls dargestellt ist das erwartete mittlere Geschwindigkeitsprofil für laminare Rohrströmungen. Unter den experimentellen Bedingungen.

Die Übereinstimmung zwischen den EPIV-Messungen und dem erwarteten Higgin-Pozo-Profil ist am besten in der Nähe der Rohrmittellinie und am schlechtesten in der Nähe der Rohrwände. Die großen Unterschiede in der Nähe der Wand sind wahrscheinlich auf die starke Reflexion und Brechung der Ultraschallwellen an der gekrümmten Oberfläche der Rohrwand zurückzuführen, die in diesen Bereichen hohe Bildintensitäten erzeugen, während die hohen Intensitäten an der Wand die Partikelintensitäten verdecken, was zu Messfehlern führt. Mit der Entwicklung dieser Technik können Forscher, die die Fluiddynamik in technischen oder biologischen Strömungssystemen untersuchen, nun räumliche zeitliche Variationen des Geschwindigkeitsfeldes in optisch undurchsichtigen Flüssigkeiten oder durch optisch undurchsichtige Geometrien erfassen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie EPIV funktioniert, welche Grenzen es gibt und wie Sie ein EPIV-System mit einem kommerziellen Ultraschallgerät aufbauen und betreiben.