Echo velocimetría por imágenes de partículas

El objetivo de este experimento es adquirir campos bidimensionales e instantáneos de velocidad en el flujo de Hagen Zoi, también conocido como flujo laminar de tubería. Utilizando la simetría de LOC de la imagen de partícula de eco o E-P-I-V-E-P-I-V, las mediciones de validación se demuestran en un flujo de tubería de recirculación de una mezcla 50-50 de agua y glicerina. El sistema de flujo de tubería utilizado aquí emplea una altura de presión constante mantenida por una bomba de acuario para impulsar el flujo.

Se monta una sonda de ultrasonido de ultrasonido multielemento en fase en la pared de la tubería del sistema de flujo y se transmiten imágenes de ultrasonido en modo B. El fluido está asentado con esferas de vidrio huecas o partículas trazadoras que siguen fielmente los movimientos del flujo. A continuación, se adquieren imágenes de ultrasonido, se transfieren a un PC y se convierten a un formato de imagen compatible con el software comercial de simetría de velocidad de imagen de partículas.

Los algoritmos de correlación cruzada se aplican a imágenes sucesivas de ultrasonido en modo B para calcular campos bidimensionales de velocidad. En última instancia, los campos vectoriales se analizan para calcular las cantidades de flujo de interés, como la tensión pura promedio del conjunto y la vorticidad. Aunque esta técnica puede proporcionar información sobre la dinámica de fluidos básica, se puede utilizar y se utiliza a menudo en sistemas de flujo prácticos, incluidas las aplicaciones biomédicas, por ejemplo, flujos arteriales o interventriculares.

Lo que nos interesaba de esta técnica eran nuestros experimentos en curso con biomasa licuada y fluidos. Para configurar el sistema EP IV, comience por encender las bombas. Esto iniciará el flujo de la tubería de recirculación a una velocidad constante.

A continuación, aplique un gel tópico a base de agua a la sonda de ultrasonido. El gel minimiza la pérdida de transmisión del haz de ultrasonidos entre la cara de la sonda y la tubería. Luego, usando un soporte de sonda especialmente construido con accesorios de tubería a través de la pared, conecte la sonda de ultrasonido a la alimentación de la pared de la tubería exterior en la máquina de ultrasonido.

Una vez que se carguen todos los sistemas, aparecerá una transmisión en vivo de imágenes en la pantalla de ultrasonido. El modo 2D es la configuración predeterminada para que la sonda lineal adquiera mediciones EPIV. Primero, mida el peso seco apropiado de esferas de vidrio huecas nominales de 10 micrómetros para que su concentración final cuando se agregue al sistema de flujo sea de aproximadamente 17 partes de peso por millón.

A continuación, extraiga un volumen de líquido de la cuenca y agregue las partículas al fluido para formar una solución de partículas concentrada. Las partículas, cuando se agregan al sistema de flujo, servirán como agentes de contraste de ultrasonido o partículas trazadoras. Agregue la solución de partículas concentradas al sistema de flujo de tubería de recirculación agitándola en los recipientes de agua.

A continuación, las esferas de vidrio se pueden ver en el monitor de ultrasonido. Después de unos minutos, las esferas de vidrio se distribuirán uniformemente por todo el sistema, por lo que una de las partes más difíciles de este procedimiento es obtener imágenes de ultrasonido claras y de alta resolución. Con el fin de maximizar la calidad de estas imágenes, ajustamos los puntos focales de ganancia y el rango dinámico en función de estimaciones a priori de la velocidad del flujo.

Optimizamos aún más estos parámetros sobre la marcha mediante el análisis de las imágenes de ultrasonido. Utilice la perilla de control de profundidad en el panel de control del ultrasonido para establecer la profundidad de la imagen a tres centímetros. A continuación, con la perilla de ganancia 2D, ajuste la ganancia total de la imagen para aumentar el brillo de la imagen de modo que las partículas semilla sean claramente visibles en el panel de instrumentos.

Ajuste los controles deslizantes de compensación de ganancia de tiempo para atenuar la dispersión de las paredes de la tubería y para compensar la atenuación relacionada con la profundidad de la señal de ultrasonido. Esto eliminará el exceso de imagen en la parte superior e inferior de las paredes de la tubería en el modo 2D. Los mandos situados en la parte superior del panel de control, de izquierda a derecha, corresponden a la anchura, la frecuencia de enfoque y la velocidad de fotogramas.

Utilice estos mandos para ajustar aún más la imagen y lograr la resolución física, la frecuencia y la velocidad de fotogramas más altas posibles para el análisis. A continuación, ajuste la frecuencia de funcionamiento de la sonda a 10 megahercios y establezca la velocidad de fotogramas en 49,5 fotogramas por segundo. Tenga en cuenta que estos cuatro parámetros están acoplados inherentemente.

En consecuencia, para una imagen de ultrasonido dada, existe un equilibrio entre la resolución espacial y temporal. Debido a la resolución lateral limitada, las esferas de vidrio se mancharán en la dirección lateral y aparecerán como elipsoides en la imagen. Una vez optimizados los parámetros, es el momento de recopilar datos en el panel de control de ultrasonidos del instrumento.

Presione el botón nuevo examen para iniciar un nuevo experimento. Poco paciente. Introduzca el caudal de la tubería como apellido y la fecha como nombre.

Introduzca el número de prueba en el campo ID del paciente. La ecografía comenzará automáticamente cuando se alcance el máximo preestablecido de 1000 a 1.500 imágenes. A medida que continúa el escaneo, se inicia un nuevo bucle de escaneo.

Realice ajustes en los parámetros de imagen hasta que la partícula semilla esté nítidamente enfocada con aproximadamente 10 partículas por área de interrogación. Para reiniciar el bucle de grabación de escaneo, presione el botón de congelación en el panel de control de ultrasonido. Una vez que se haya adquirido un número suficiente de imágenes ideales, presione el botón de congelación.

A continuación, presione el botón de bucle C en el panel de control de ultrasonido. Seleccione todas las imágenes para incluir todas las imágenes de ultrasonido en el conjunto de análisis. Una vez seleccionadas las imágenes para el análisis, pulse el botón de almacenamiento de imágenes para guardar el conjunto seleccionado de imágenes de ultrasonido.

Una vez guardadas las imágenes, pulse el botón de archivo en el panel de control de ultrasonidos. Cuando se le solicite, seleccione el bucle syn de interés en la pequeña ventana para guardarlo en el disco duro local. A continuación, utilice el cursor del ratón para seleccionar finalizar el examen.

Presione el botón de archivo y use el cursor del mouse para seleccionar primero más y luego seleccionar administración de discos. Esto transferirá el bucle cyl o los bucles cil guardados a la PC que ejecuta el software de simetría de velocidad de imagen de partícula o PIV. Una vez que las imágenes se capturan y se guardan, la imagen de ultrasonido debe convertirse de un archivo de comunicaciones de imágenes digitales en medicina o DICOM a un grupo conjunto de expertos en fotografía o un archivo de imagen JPEG para su análisis.

Utilice un script de MATLAB que ejecute DICOM en jpeg punto m para convertir los archivos DICOM a JPEG. Este script fue hecho internamente y se puede obtener con fines educativos de la dirección web que se muestra aquí. Una vez que el archivo se haya convertido, abra el software Davi de Law Vision en el software.

Haga doble clic en el icono de davi, seleccione nuevo proyecto y, a continuación, seleccione PIV. En la barra de herramientas, seleccione importar imágenes y elija importar a través de archivos numerados. A continuación, en el menú desplegable, localice la carpeta donde se almacenan las imágenes de ultrasonido JPEG y haga doble clic en la primera imagen del conjunto.

Esto importará todas las imágenes de ultrasonido en este conjunto numerado para definir una región de interés para el análisis que incluya solo el fluido. Aplique una máscara para crear la máscara, ingrese las coordenadas, un área rectangular usando dos puntos de coordenadas x e y en función de la información del archivo DICOM y el conocimiento de las dimensiones de los píxeles. A continuación, en el panel de control principal de dvu, haga clic en la pestaña ubicada debajo del proyecto actual que contiene las imágenes importadas.

Seleccione la tabla etiquetada como procesamiento por lotes. Esto habilita la ventana de procesamiento vectorial de Davi para el procesamiento por lotes de la lista de operaciones utilizando el árbol de series temporales PIV más PIV, seleccione los parámetros de cálculo vectorial y elija multipaso con un tamaño de interrogación decreciente de 64 píxeles por 64 píxeles a 12 píxeles por 12 píxeles con una superposición del 50%Establezca la restricción del rango vectorial relativo en todos y, a continuación, la restricción del rango vectorial absoluto en cinco píxeles. A continuación, aplique un filtro de mediana para suprimir el ruido y suavizar los campos vectoriales.

A continuación, para el procesamiento vectorial, marque la casilla rango de datos igual a usar área enmascarada en el menú de parámetros de cálculo vectorial. Tenga en cuenta que la selección óptima de los parámetros de cálculo vectorial depende de la geometría del flujo, las propiedades del flujo, la resolución de la imagen, la densidad de partículas trazadoras y el análisis de flujo cuantitativo deseado. Una vez que se hayan establecido todos los parámetros deseados a la izquierda de la pantalla de procesamiento por lotes, seleccione el número total de imágenes a procesar.

Haga clic en iniciar procesamiento. Esto calculará el campo de desplazamiento entre imágenes de ultrasonido sucesivas utilizando algoritmos de correlación cruzada. Para analizar los datos procesados, exporte los campos vectoriales UCV de DAVO como archivos txt.

Para ello, en la rama de imagen JPEG de la pantalla del proyecto, seleccione la rama de desplazamiento vectorial. En la barra de herramientas, seleccione la pestaña Exportar. Seleccione el tipo de archivo.

Pregunte e txt. Elija create an export folder (Crear una carpeta de exportación) y seleccione export (Exportar). A continuación, abra el archivo en MATLAB ejecutando el script de MATLAB.

Los campos vectoriales exportados se denominan B-X-X-X-X-X do TXT donde X representa un número que aumenta de uno a 99, 999. Cada archivo contiene cuatro columnas de datos, que se pueden ver con el bloc de notas: una ubicación x del vector en la imagen, dos ubicaciones Y del vector en la imagen, tres componentes X de desplazamiento o desplazamiento de flujo y cuatro componentes y de desplazamiento, que describe la pared. Desplazamiento normal se utiliza para calcular el campo vectorial de velocidad U en función de X e Y, donde X e Y corresponden a coordenadas espaciales en la imagen de ultrasonido, esto se hace convirtiendo primero el campo de desplazamiento D de X e Y medido en píxeles en un campo de desplazamiento medido en metros utilizando el parámetro de escala de imagen M dado en unidades de metro sobre píxel.

A continuación, el campo de desplazamiento se divide por la separación temporal corregida por barrido entre las imágenes delta T, donde delta T es igual a uno sobre la velocidad de fotogramas dada en fotogramas por segundo, más el campo de desplazamiento dividido por el tiempo que tarda la imagen de ultrasonido en barrer el ancho de la imagen. En resumen, U de X e Y es igual a M por D de X e Y dividido por delta T.DICOM almacena inherentemente una estructura de archivos que proporciona la información necesaria para calcular el parámetro de escalado de imagen M y la separación temporal corregida por barrido. Delta T en el presente estudio, M es igual a 77 micras por píxel, FPS es igual a 49.5 y B es igual a 25, 047 píxeles por segundo.

Por último, calcule los campos vectoriales de velocidad media del conjunto mientras los perfiles normales de la velocidad media y cualquier otra cantidad de flujo de interés. Para demostrar la utilidad de EPIV y evaluar la incertidumbre de la medición, se adquirieron campos bidimensionales e instantáneos de velocidad y flujo laminar de tubería como se describe en este video, este gráfico vectorial instantáneo muestra vectores de velocidad cada cuarta columna, y el mapa de contorno de color de fondo corresponde a la magnitud de la velocidad. La ubicación espacial bidimensional del vector de velocidad se denota por D sobre D y X sobre D, donde D es la posición radial medida desde la pared superior.

D es el diámetro de la tubería y X es la posición de la corriente medida desde la entrada de la tubería. La forma parabólica aparente de los vectores de velocidad a lo largo de las columnas indica que las mediciones son consistentes con el perfil de velocidad esperado para el flujo de tuberías. El diagrama vectorial promediado por conjunto, calculado promediando más de 1000 diagramas vectoriales instantáneos, proporciona una representación del campo de velocidad media.

También promediará los errores de ruido aleatorios en los campos vectoriales instantáneos. Los vectores de velocidad se encuentran principalmente en la dirección de la corriente. Las velocidades más grandes ocurren en la línea central de la tubería.

Las velocidades disminuyeron a cero en las paredes de la tubería y el flujo es aproximadamente simétrico, aquí se muestra el perfil de velocidad media de la corriente a lo largo del radio de la tubería obtenido al promediar el gráfico vectorial promediado por conjunto a lo largo de las filas en la dirección horizontal. También se muestra el perfil de velocidad media esperada para el flujo de tubería laminar. Dadas las condiciones experimentales.

La concordancia entre las mediciones de EPIV y el perfil esperado del pozo de higgin es mejor cerca de la línea central de la tubería y peor cerca de las paredes de la tubería. Las grandes diferencias cerca de la pared se deben probablemente a la fuerte reflexión y refracción de las ondas ultrasónicas en la superficie curva de la pared de la tubería que producen altas intensidades de imagen en estas regiones, las altas intensidades en la pared oscurecen las intensidades de las partículas que conducen a errores de medición. Con el desarrollo de esta técnica, los investigadores que estudian la dinámica de fluidos en sistemas de flujo biológicos o de ingeniería ahora pueden adquirir variaciones espacio-temporales del campo de velocidad en fluidos ópticamente opacos o a través de geometrías ópticamente opacas.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo funciona EPIV, sus limitaciones y cómo construir y operar un sistema EPIV utilizando una máquina de ultrasonido comercial.