Echo velocimetría por imágenes de partículas

El objetivo de este experimento es obtener campos bidimensionales e instantáneos de velocidad en el flujo de Hagen Zoi, también conocido como flujo laminar en tubería. Mediante el uso de eco de partículas por imagen con simetría LOC o validación E-P-I-V-E-P-I-V, se demuestran mediciones en un flujo de tubería recirculante de una mezcla al 50 50 de agua y glicerina. El sistema de flujo en tubería utilizado aquí emplea una carga de presión constante mantenida por una bomba de acuario para impulsar el flujo.

Se monta una sonda de ultrasonidos con matriz phased array en la pared del tubo del sistema de flujo y se transmiten imágenes de ultrasonidos en modo B. El fluido contiene esferas de vidrio huecas o partículas trazadoras que siguen fielmente el movimiento del flujo. Luego se adquieren imágenes de ultrasonidos, se transfieren a una computadora y se convierten a un formato de imagen compatible con el software comercial de velocimetría por imágenes de partículas.

Se aplican algoritmos de correlación cruzada a imágenes sucesivas de modo B de ultrasonido para calcular campos bidimensionales de velocidad. En última instancia, los campos vectoriales se analizan para calcular magnitudes de flujo de interés, como el esfuerzo cortante promedio de conjunto y la vorticidad. Aunque esta técnica puede proporcionar información sobre la dinámica básica de fluidos, también puede utilizarse, y de hecho se utiliza a menudo, en sistemas de flujo prácticos, incluyendo aplicaciones biomédicas, por ejemplo, flujos arteriales o interventriculares.

Nuestros experimentos continuos utilizando biomasa licuada y fluido son lo que nos interesó en esta técnica. Para configurar el sistema EP IV, comience por encender las bombas. Esto iniciará el flujo del tubo de recirculación a una velocidad constante.

A continuación, aplique un gel tópico a base de agua en la sonda de ultrasonido. El gel minimiza la pérdida de transmisión del haz de ultrasonido entre la superficie de la sonda y la tubería. Luego, utilizando un soporte de sonda especialmente diseñado con accesorios para tuberías con perforación, fije la sonda de ultrasonido a la pared exterior de la tubería y encienda el equipo de ultrasonido.

Una vez que todos los sistemas se carguen, aparecerá una transmisión en vivo de imágenes en la pantalla del ultrasonido. El modo 2D es la configuración predeterminada para la sonda lineal con el fin de obtener mediciones EPIV. En primer lugar, mida el peso seco adecuado de esferas de vidrio huecas de aproximadamente 10 micrómetros de diámetro nominal, de modo que su concentración final al agregarse al sistema de flujo sea de alrededor de 17 partes por millón en peso.

A continuación, extraiga un volumen de fluido del depósito y agregue las partículas al fluido para formar una solución concentrada de partículas. Las partículas, cuando se añaden al sistema de flujo, actuarán como agentes de contraste por ultrasonido o como partículas trazadoras. Añada la solución concentrada de partículas al sistema de flujo en tubería con recirculación mezclándola en los depósitos de agua.

Las esferas de vidrio pueden entonces visualizarse en el monitor de ultrasonido. Después de unos minutos, las esferas de vidrio se distribuirán uniformemente a lo largo del sistema, por lo que una de las partes más difíciles de este procedimiento consiste en obtener imágenes de ultrasonido claras y de alta resolución. Para maximizar la calidad de estas imágenes, ajustamos los puntos focales de ganancia y el rango dinámico según estimaciones a priori de la velocidad del flujo.

Optimizamos aún más estos parámetros en tiempo real mediante el análisis de las imágenes de ultrasonido. Utilice el botón de control de profundidad en el panel de control del ultrasonido para ajustar la profundidad de la imagen a tres centímetros. A continuación, utilizando el botón de ganancia 2D, ajuste la ganancia total de la imagen para aumentar el brillo de modo que las partículas marcadoras sean claramente visibles en el panel del instrumento.

Ajuste los controles deslizantes de compensación de ganancia por tiempo para atenuar la dispersión proveniente de las paredes del tubo y 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 del tubo en modo 2D. Los controles ubicados en la parte superior del panel de control, de izquierda a derecha, corresponden al ancho, la frecuencia de enfoque y la velocidad de cuadros.

Utilice estos mandos para ajustar aún más la imagen y lograr la resolución física, frecuencia y velocidad de cuadros más alta posible para el análisis. Luego, ajuste la frecuencia de operación de la sonda a 10 megahercios y establezca la velocidad de cuadros en 49,5 cuadros por segundo. Tenga en cuenta que estos cuatro parámetros están inherentemente acoplados.

Por consiguiente, para una exploración determinada de imagen por ultrasonido, existe un compromiso entre la resolución espacial y la resolución temporal. Debido a la resolución lateral limitada, las esferas de vidrio se difuminarán en la dirección lateral y aparecerán como elipsoides en la imagen. Una vez que los parámetros se hayan optimizado, es momento de recopilar los datos en el panel de control de ultrasonido del instrumento.

Pulse el botón de nuevo examen para iniciar un nuevo experimento. En paciente, ingrese flujo de tubería como apellido y la fecha como nombre.

Introduzca el número de prueba en el campo de identificación del paciente. La ecografía comenzará automáticamente cuando se alcance el máximo preestablecido de 1000 a 1.500 imágenes. Un nuevo ciclo de escaneo comienza mientras continúa el 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 ciclo de grabación de escaneo, presione el botón de congelación en el panel de control del ultrasonido. Una vez que se hayan adquirido un número suficiente de imágenes ideales, presione el botón de congelación.

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

Una vez que las imágenes se hayan guardado, presione el botón de archivo en el panel de control del ultrasonido. Cuando se le solicite, seleccione el bucle sin de interés en la ventana pequeña para guardarlo en el disco duro local. Luego, use el cursor del ratón para seleccionar finalizar examen.

Pulse el botón de archivo y utilice el cursor del ratón para seleccionar primero más y luego administración de disco. Esto transferirá el bucle o bucles de cilindros guardados al ordenador que ejecuta el software de velocidad de imagen de partículas o PIV. Una vez que las imágenes se han capturado y guardado, la imagen de ultrasonido debe convertirse de un archivo de comunicaciones de imágenes digitales en medicina o DICOM a un archivo de imagen del grupo conjunto de expertos en fotografía o JPEG para su análisis.

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

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

Esto importará todas las imágenes de ultrasonido de este conjunto numerado para definir una región de interés para el análisis que incluya únicamente el líquido. Aplique una máscara para crear la máscara, introduzca las coordenadas, un área rectangular utilizando dos puntos de coordenadas x e y basados en 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 bajo el 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 a partir de la lista de operaciones utilizando el árbol PIV más serie temporal PIV; seleccione los parámetros de cálculo vectorial y elija multipaso con un tamaño de interrogación decreciente de 64 píxeles por 64 píxeles hasta 12 píxeles por 12 píxeles con un solapamiento del 50 %. Establezca la restricción relativa del rango vectorial en todos y luego la restricción absoluta del rango vectorial en cinco píxeles. A continuación, aplique un filtro mediano para suprimir el ruido y suavizar los campos vectoriales.

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

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

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

Solicite e txt. Elija crear una carpeta de exportación y seleccione 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 a TXT, donde X representa un número creciente desde uno hasta 99, 999. Cada archivo contiene cuatro columnas de datos, que pueden visualizarse utilizando el bloc de notas: uno, la ubicación x del vector en la imagen; dos, la ubicación y del vector en la imagen; tres, la componente x del desplazamiento o desplazamiento en la dirección del flujo; y cuatro, la componente y del desplazamiento, que describe el desplazamiento normal a la pared. Se utiliza para calcular el campo vectorial de velocidad U como una función de X e Y, donde X e Y corresponden a coordenadas espaciales en la imagen de ultrasonido. Esto se realiza primero convirtiendo el campo de desplazamiento D de X e Y, medido en píxeles, a un campo de desplazamiento medido en metros, utilizando el parámetro de escala de la imagen M, dado en unidades de metros por píxel.

A continuación, el campo de desplazamiento se divide entre la separación temporal corregida por barrido entre imágenes delta T, donde delta T es igual a uno dividido entre la frecuencia de cuadros dada en cuadros por segundo, más el campo de desplazamiento dividido entre 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 multiplicado por D de X e Y, dividido entre delta T. DICOM almacena inherentemente una estructura de archivo que proporciona la información necesaria para calcular el parámetro de escala de la imagen M y la separación temporal corregida por barrido. En el presente estudio, delta T, M es igual a 77 micrómetros por píxel, FPS es igual a 49,5 y B es igual a 25 047 píxeles por segundo.

Finalmente, calcule los campos vectoriales de velocidad promedio del conjunto junto con los perfiles normales de velocidad media y cualquier otra magnitud de flujo de interés. Para demostrar la utilidad de la EPIV y evaluar la incertidumbre de la medición, se adquirieron campos bidimensionales e instantáneos de velocidad en flujo laminar en tubería tal como se describe en este video; este gráfico vectorial instantáneo muestra los vectores de velocidad en 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 mediante D sobre D y X sobre D, donde D es la posición radial medida desde la pared superior.

D es el diámetro del tubo, y X es la posición en dirección axial medida desde la entrada del tubo. La forma parabólica aparente de los vectores de velocidad a lo largo de las columnas indica que las mediciones son coherentes con el perfil de velocidad esperado para flujo en tuberías. La representación de vectores promediada, calculada mediante el promedio de 1000 representaciones instantáneas de vectores, proporciona una imagen del campo de velocidad media.

Además, promediará los errores aleatorios de ruido en los campos vectoriales instantáneos. Los vectores de velocidad son principalmente en la dirección del flujo. Las velocidades máximas ocurren en la línea central del tubo.

Las velocidades disminuyeron hasta cero en las paredes del tubo y el flujo es aproximadamente simétr combustible; el perfil medio de velocidad en la dirección del flujo a lo largo del radio del tubo, obtenido mediante el promedio del gráfico vectorial conjunto a lo largo de las filas en la dirección horizontal, se muestra aquí. También se muestra el perfil de velocidad media esperado para un flujo laminar en tuberías. Dadas las condiciones experimentales.

La concordancia entre las mediciones de EPIV y el perfil esperado de higgin pozo es mejor cerca de la línea central del tubo y peor cerca de las paredes del tubo. 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 del tubo, lo que produce altas intensidades de imagen en estas regiones; las altas intensidades en la pared enmascaran las intensidades de las partículas, lo que lleva a errores de medición. Con el desarrollo de esta técnica, los investigadores que estudian la dinámica de fluidos en sistemas de flujo diseñados o biológicos ahora pueden obtener variaciones espaciotemporales del campo de velocidad en fluidos opacos a la luz o a través de geometrías ópticamente opacas.

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