Echo vélocimétrie par images de particules

Le but de cette expérience est d’acquérir des champs de vitesse instantanés bidimensionnels dans l’écoulement de Hagen Zoi, également connu sous le nom d’écoulement en tube laminaire. À l’aide d’une image de particules d’écho, d’une symétrie LOC ou d’un E-P-I-V-E-P-I-V, des mesures sont démontrées dans un écoulement de tuyau en recirculation d’un mélange 50-50 d’eau et de glycérine. Le système d’écoulement de tuyau utilisé ici utilise une charge de pression constante maintenue par une pompe d’aquarium pour entraîner le débit.

Une sonde à ultrasons multiéléments est montée sur la paroi du tuyau du système d’écoulement et des images ultrasonores en mode B sont diffusées. Le fluide est assis avec des sphères de verre creuses ou des particules traceurs qui suivent fidèlement les mouvements de l’écoulement. Les images échographiques sont ensuite acquises, transférées sur un PC et converties dans un format d’image compatible avec le logiciel commercial d’image de particules à symétrie véloc.

Des algorithmes de corrélation croisée sont appliqués à des images successives en mode B d’ultrasons pour calculer des champs de vitesse bidimensionnels. En fin de compte, les champs de vecteurs sont analysés pour calculer les quantités d’écoulement d’intérêt, telles que la moyenne d’ensemble, la contrainte pure et la vorticité. Bien que cette technique puisse donner un aperçu de la dynamique des fluides de base, elle peut être et est souvent utilisée dans des systèmes d’écoulement pratiques, y compris des applications biomédicales, par exemple, les écoulements artériels ou interventriculaires.

C’est ce qui nous a intéressés dans cette technique, c’est nos expériences en cours avec de la biomasse liquéfiée et du fluide. Pour configurer le système EP IV, commencez par allumer les pompes. Cela démarrera le flux du tuyau de recirculation à un débit constant.

Ensuite, appliquez un gel topique à base d’eau sur la sonde à ultrasons. Le gel minimise la perte de transmission du faisceau d’ultrasons entre la face de la sonde et le tuyau. Ensuite, à l’aide d’un support de sonde spécialement conçu avec des raccords de tuyauterie traversants, fixez la sonde à ultrasons à l’alimentation de la paroi extérieure du tuyau sur l’appareil à ultrasons.

Une fois tous les systèmes chargés, un flux d’images en direct apparaîtra sur l’écran de l’échographie. Le mode 2D est le réglage par défaut de la sonde linéaire pour acquérir des mesures EPIV. Tout d’abord, mesurez le poids sec approprié des sphères de verre creuses nominales de 10 micromètres de sorte que leur concentration finale, lorsqu’elles sont ajoutées au système d’écoulement, soit d’environ 17 parties en poids par million.

Ensuite, extrayez un volume de fluide du bassin et ajoutez les particules au fluide pour former une solution de particules concentrée. Les particules, lorsqu’elles sont ajoutées au système d’écoulement, serviront d’agents de contraste à ultrasons ou de particules traceuses. Ajoutez la solution de particules concentrée au système d’écoulement par recirculation en la remuant dans les bassins d’eau.

Les sphères de verre peuvent ensuite être visualisées sur l’échographe. Après quelques minutes, les sphères de verre seront uniformément réparties dans tout le système, donc l’une des parties les plus difficiles de cette procédure est d’obtenir des images échographiques claires à haute résolution. Afin de maximiser la qualité de ces images, nous ajustons les points focaux de gain et la plage dynamique en fonction d’estimations a priori de la vitesse d’écoulement.

Nous optimisons encore ces paramètres à la volée par l’analyse des images échographiques. Utilisez le bouton de contrôle de la profondeur sur le panneau de commande de l’échographie pour régler la profondeur de l’image à trois centimètres. Ensuite, à l’aide du bouton de gain 2D, ajustez le gain total de l’image pour augmenter la luminosité de l’image de sorte que les particules de départ soient clairement visibles sur le tableau de bord.

Ajustez les curseurs de compensation de gain temporel pour atténuer la diffusion des parois du tuyau et pour compenser l’atténuation du signal ultrasonore liée à la profondeur. Cela supprimera l’image en excès en haut et en bas des parois du tuyau en mode 2D. De gauche à droite, les boutons situés sur le dessus du panneau de commande correspondent à la largeur, à la fréquence de mise au point et à la fréquence d’images.

Utilisez ces boutons pour ajuster davantage l’image afin d’obtenir la résolution physique, la fréquence et la fréquence d’images les plus élevées possibles pour l’analyse. Ajustez ensuite la fréquence de fonctionnement de la sonde à 10 mégahertz et réglez la fréquence d’images sur 49,5 images par seconde. Notez que ces quatre paramètres sont intrinsèquement couplés.

Par conséquent, pour une échographie donnée, il y a un compromis entre la résolution spatiale et temporelle. En raison de la résolution latérale limitée, les sphères de verre seront étalées dans le sens latéral et apparaîtront comme des ellipsoïdes dans l’image. Une fois les paramètres optimisés, il est temps de collecter les données sur le panneau de commande à ultrasons de l’instrument.

Appuyez sur le bouton nouvel examen pour démarrer une nouvelle expérience. Sous patient. Entrez le débit de tuyau comme nom de famille et la date comme prénom.

Entrez le numéro de test dans le champ d’identification du patient. L’échographie commencera alors automatiquement lorsque le maximum prédéfini de 1000 à 1 500 images sera atteint. Une nouvelle boucle de balayage commence au fur et à mesure que le balayage se poursuit.

Ajustez les paramètres d’imagerie jusqu’à ce que la particule d’amorçage soit nette avec environ 10 particules par zone d’interrogation. Pour redémarrer la boucle d’enregistrement de numérisation, appuyez sur le bouton de gel du panneau de commande de l’échographie. Une fois qu’un nombre suffisant d’images idéales a été acquis, appuyez sur le bouton de gel.

Ensuite, appuyez sur le bouton de boucle C du panneau de commande à ultrasons. Sélectionnez toutes les images pour inclure toutes les images échographiques dans le kit d’analyse. Une fois les images à analyser sélectionnées, appuyez sur le bouton de stockage d’images pour enregistrer l’ensemble sélectionné d’images échographiques.

Une fois les images enregistrées, appuyez sur le bouton d’archivage du panneau de contrôle de l’échographie. Lorsque vous y êtes invité, sélectionnez la boucle syn qui vous intéresse dans la petite fenêtre à enregistrer sur le disque dur local. Utilisez ensuite le curseur de la souris pour sélectionner terminer l’examen.

Appuyez sur le bouton d’archivage et utilisez le curseur de la souris pour sélectionner d’abord plus, puis sélectionnez Gestion des disques. Cela transférera la ou les boucles cyl enregistrées vers le PC exécutant le logiciel de symétrie de vitesse de l’image de particules ou PIV. Une fois les images capturées et enregistrées, l’image échographique doit être convertie d’un fichier de communications d’imagerie numérique en médecine ou d’un fichier DICOM en un groupe d’experts photographiques conjoint ou un fichier d’image JPEG pour analyse.

Utilisez un script MATLAB exécutant DICOM to jpeg dot m pour convertir les fichiers DICOM en JPEG. Ce script a été réalisé en interne et peut être obtenu à des fins éducatives à partir de l’adresse Web indiquée ici. Une fois le fichier converti, ouvrez le logiciel Davi de Law Vision dans le logiciel.

Double-cliquez sur l’icône davi, sélectionnez nouveau projet, puis sélectionnez PIV. Dans la barre d’outils, sélectionnez importer des images, puis importer via des fichiers numérotés. Ensuite, dans le menu déroulant, localisez le dossier où sont stockées les images d’échographie JPEG et double-cliquez sur la première image de l’ensemble.

Cela importera toutes les images échographiques de cet ensemble numéroté pour définir une région d’intérêt pour l’analyse qui inclut uniquement le liquide. Appliquez un masque pour créer le masque, entrez les coordonnées, une zone rectangulaire à l’aide de deux points de coordonnées x et y en fonction des informations du fichier DICOM et de la connaissance des dimensions en pixels. Ensuite, dans le panneau de configuration principal de dvu, cliquez sur l’onglet situé sous le projet en cours contenant les images importées.

Sélectionnez la table intitulée Traitement par lots. Cela active la fenêtre de traitement vectoriel de Davi pour le traitement par lots à partir de la liste des opérations à l’aide de l’arborescence des séries chronologiques PIV plus PIV, sélectionnez les paramètres de calcul vectoriel et choisissez multipasse avec une taille d’interrogation décroissante de 64 pixels sur 64 pixels à 12 pixels sur 12 pixels avec un chevauchement de 50 %Définissez la restriction de plage vectorielle relative sur tous, puis la restriction absolue de plage vectorielle sur cinq pixels. Appliquez ensuite un filtre médian pour supprimer le bruit et lisser les champs vectoriels.

Ensuite, pour le traitement vectoriel, cochez la case plage de données égale à utiliser la zone masquée dans le menu des paramètres de calcul vectoriel. Notez que la sélection optimale des paramètres de calcul vectoriel dépend de la géométrie de l’écoulement, des propriétés de l’écoulement, de la résolution de l’image, de la densité des particules du traceur et de l’analyse quantitative de l’écoulement souhaitée. Une fois que tous les paramètres souhaités ont été définis à gauche de l’écran de traitement par lots, sélectionnez le nombre total d’images à traiter.

Cliquez sur démarrer le traitement. Cela permettra de calculer le champ de déplacement entre des images échographiques successives à l’aide d’algorithmes de corrélation croisée. Pour analyser les données traitées, exportez les champs vectoriels UCV de DAVO sous forme de fichiers txt.

Pour ce faire, sous la branche d’image JPEG dans l’écran du projet, sélectionnez la branche de déplacement vectoriel. Dans la barre d’outils, sélectionnez l’onglet Exporter. Sélectionnez le type de fichier.

Demandez e txt. Choisissez Créer un dossier d’exportation et sélectionnez Exporter. Ensuite, ouvrez le fichier dans MATLAB en exécutant le script MATLAB.

Les champs vectoriels exportés sont nommés B-X-X-X-X-X do TXT où X représente un nombre en augmentant de un à 99, 999. Chaque fichier contient quatre colonnes de données, qui peuvent être visualisées à l’aide du bloc-notes : un emplacement x du vecteur dans l’image, deux emplacement Y du vecteur dans l’image, trois composantes X du déplacement ou du déplacement par voie de flux, et quatre composantes Y du déplacement, qui décrivent le mur. Le déplacement normal permet de calculer le champ vectoriel de vitesse U en fonction de X et Y, où X et Y correspondent aux coordonnées spatiales de l’image échographique, cela se fait en convertissant d’abord le champ de déplacement D de X et Y mesuré en pixels en un champ de déplacement mesuré en mètres à l’aide du paramètre de mise à l’échelle de l’image M donné en unités de mètre sur pixel.

Ensuite, le champ de déplacement est divisé par la séparation temporelle corrigée par balayage entre les images delta T, où delta T est égal à un sur la fréquence d’images donnée en images par seconde, plus le champ de déplacement divisé par le temps nécessaire à l’image ultrasonore pour balayer la largeur de l’image. En résumé, U de X et Y est égal à M fois D de X et Y divisé par delta T.DICOM stocke intrinsèquement une structure de fichiers qui fournit les informations nécessaires au calcul du paramètre de mise à l’échelle de l’image M et à la séparation temporelle corrigée par balayage. Delta T dans la présente étude, M est égal à 77 microns par pixel, FPS équivaut à 49,5 et B équivaut à 25 047 pixels par seconde.

Enfin, calculez les champs de vecteurs de vitesse moyenne d’ensemble tout en établissant des profils normaux de vitesse moyenne et toute autre grandeur d’écoulement d’intérêt. Pour démontrer l’utilité de l’EPIV et pour évaluer l’incertitude de mesure, des champs instantanés bidimensionnels de vitesse et d’écoulement laminaire en tube ont été acquis comme décrit dans cette vidéo, ce tracé vectoriel instantané montre les vecteurs de vitesse toutes les quatre colonnes, et la carte de contour de couleur d’arrière-plan correspond à l’amplitude de la vitesse. La position spatiale bidimensionnelle du vecteur vitesse est notée D sur D et X sur D, où D est la position radiale mesurée à partir de la paroi supérieure.

D est le diamètre du tuyau et X est la position du cours d’eau mesurée à partir de l’entrée du tuyau. La forme parabolique apparente des vecteurs vitesse le long des colonnes indique que les mesures sont cohérentes avec le profil de vitesse attendu pour l’écoulement dans les tuyaux. Le tracé vectoriel moyenné d’ensemble calculé en faisant la moyenne de plus de 1000 tracés vectoriels instantanés fournit une représentation du champ de vitesse moyenne.

Il calculera également la moyenne des erreurs de bruit aléatoires dans les champs vectoriels instantanés. Les vecteurs vitesse sont principalement dans la direction du courant. Les vitesses les plus élevées se produisent au niveau de l’axe du tuyau.

Les vitesses ont diminué jusqu’à zéro au niveau des parois du tuyau et l’écoulement est à peu près symétrique : le profil de vitesse moyen du cours d’eau le long du rayon du tuyau obtenu en faisant la moyenne du tracé vectoriel moyenné d’ensemble le long des rangées dans la direction horizontale est illustré ici. Le profil de vitesse moyen attendu pour l’écoulement laminaire des tuyaux est également illustré. Compte tenu des conditions expérimentales.

L’accord entre les mesures EPIV et le profil higgin pozo attendu est le meilleur près de la ligne médiane du tuyau et le pire près des parois du tuyau. Les grandes différences près de la paroi sont probablement dues à une forte réflexion et à une forte réfraction des ondes ultrasonores à la surface incurvée de la paroi du tuyau qui produisent des intensités d’image élevées dans ces régions, les intensités élevées à la paroi obscurcissent les intensités de particules conduisant à une erreur de mesure. Avec le développement de cette technique, les chercheurs qui étudient la dynamique des fluides dans les systèmes d’écoulement artificiels ou biologiques peuvent désormais acquérir des variations temporelles spatiales du champ de vitesse dans des fluides optiquement opaques ou à travers des géométries optiquement opaques.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension du fonctionnement de l’EPIV, de ses limites et de la façon de construire et d’exploiter un système EPIV à l’aide d’un appareil à ultrasons commercial.