Echo vélocimétrie par images de particules

L'objectif de cette expérience est d'acquérir des champs bidimensionnels instantanés de vitesse dans un écoulement de Hagen Zoi, également appelé écoulement laminaire en conduite. À l'aide de la technique d'imagerie de particules par écho avec symétrie LOC ou E-P-I-V, des mesures de validation E-P-I-V sont démontrées dans un écoulement en conduite en circuit fermé d'une mixture 50 50 d'eau et de glycérine. Le système d'écoulement en conduite utilisé ici emploie une charge de pression constante maintenue par une pompe aquarium pour entraîner l'écoulement.

Une sonde d'ultrasons à réseau phasé est fixée sur la paroi du tuyau du système d'écoulement et des images ultrasonores en mode B sont transmises en continu. Le fluide est chargé de microsphères creuses en verre ou de particules traceuses qui suivent fidèlement le mouvement de l'écoulement. Des images ultrasonores sont ensuite acquises, transférées vers un ordinateur et converties dans un format d'image compatible avec le logiciel commercial de vélocimétrie par images de particules.

Des algorithmes de corrélation croisée sont appliqués à des images successives en mode B ultrasonores afin de calculer des champs bidimensionnels de vitesse. En fin de compte, les champs vectoriels sont analysés pour déterminer des grandeurs d'écoulement d'intérêt, telles que la contrainte de cisaillement moyenne ou la vorticité. Bien que cette technique puisse fournir des informations sur les bases de la dynamique des fluides, elle peut être, et est souvent, utilisée dans des systèmes d'écoulement pratiques, notamment dans des applications biomédicales, par exemple pour les écoulements artériels ou intraventriculaires.

Nos expériences en cours utilisant de la biomasse liquéfiée et un fluide sont à l'origine de notre intérêt pour cette technique. Pour configurer le système EP IV, commencez par allumer les pompes. Cela lancera l'écoulement dans le circuit de recyclage 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 ultrasonore entre la face de la sonde et la paroi du tuyau. Puis, à l'aide d'un support de sonde spécialement conçu équipé de raccords traversant la paroi du tuyau, fixez la sonde à ultrasons sur la paroi externe du tuyau et mettez l'appareil à ultrasons sous tension.

Une fois que tous les systèmes sont chargés, un flux en direct d'images apparaît sur l'écran de l'échographe. Le mode 2D est le réglage par défaut de la sonde linéaire pour acquérir des mesures EPIV. Commencez par mesurer le poids sec approprié de microsphères creuses en verre de 10 micromètres nominaux afin que leur concentration finale, lorsqu'elles sont ajoutées au système d'écoulement, soit d'environ 17 parties par million en poids.

Ensuite, prélevez un volume de liquide du bassin et ajoutez les particules au liquide afin d'obtenir une solution concentrée de particules. Ces particules, une fois introduites dans le système d'écoulement, serviront d'agents de contraste ultrasonores ou de particules traceuses. Ajoutez la solution concentrée de particules au système d'écoulement en circuit fermé en l'incorporant par agitation dans les bassins d'eau.

Les sphères de verre peuvent ensuite être observées sur le moniteur échographique. Après quelques minutes, les sphères de verre seront uniformément réparties dans tout le système. Ainsi, l'une des parties les plus difficiles de cette procédure consiste à obtenir des images échographiques claires et de 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 davantage ces paramètres en temps réel par l'analyse des images échographiques. Utilisez le bouton de réglage de la profondeur sur le panneau de commande de l'échographe pour fixer la profondeur d'image à trois centimètres. Ensuite, à l'aide du bouton de gain 2D, ajustez le gain global de l'image afin d'augmenter la luminosité de sorte que les particules tracées soient clairement visibles sur le panneau de l'instrument.

Réglez les curseurs de compensation du gain en fonction du temps pour atténuer les échos parasites provenant des parois du tuyau et compenser l'atténuation du signal ultrasonore liée à la profondeur. Ceci permettra d'éliminer l'excès d'image aux parties supérieure et inférieure des parois du tuyau en mode 2D. Les boutons situés en haut du panneau de commande, de gauche à droite, correspondent respectivement à la largeur, à la fréquence de focalisation et au taux de rafraîchissement d'image.

Utilisez ces boutons pour ajuster davantage l'image afin d'obtenir la résolution physique, la fréquence et la fréquence d'images maximales possibles pour l'analyse. Réglez ensuite la fréquence de fonctionnement de la sonde à 10 mégahertz et fixez la fréquence d'images à 49,5 images par seconde. Notez que ces quatre paramètres sont intrinsèquement couplés.

Par conséquent, pour une numérisation d'image échographique donnée, il existe un compromis entre la résolution spatiale et la résolution temporelle. En raison d'une résolution latérale limitée, les sphères de verre seront étalées dans la direction latérale et apparaîtront sous forme d'ellipsoïdes sur l'image. Une fois les paramètres optimisés, il est temps de recueillir les données sur le panneau de commande échographique de l'appareil.

Appuyez sur le bouton nouvel examen pour démarrer une nouvelle expérience. Sous patient, saisissez « flux de tuyau » comme nom de famille et la date comme prénom.

Saisissez le numéro du 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 séquence de balayage commence au fur et à mesure que le balayage se poursuit.

Effectuez des ajustements des paramètres d'imagerie jusqu'à ce que la particule-seuil soit nettement au point, avec environ 10 particules par zone d'interrogation. Pour redémarrer la boucle d'enregistrement de balayage, appuyez sur le bouton de figeage du panneau de commande de l'échographe. Une fois qu'un nombre suffisant d'images idéales a été acquis, appuyez sur le bouton de figeage.

Ensuite, appuyez sur le bouton de boucle C du panneau de commande de l'échographe. Sélectionnez toutes les images pour inclure l'ensemble des images échographiques dans le jeu d'analyse. Une fois les images destinées à l'analyse sélectionnées, appuyez sur le bouton de stockage d'image pour enregistrer le jeu d'images échographiques sélectionné.

Une fois les images enregistrées, appuyez sur le bouton d'archivage du panneau de commande de l'échographe. Lorsque vous y êtes invité, sélectionnez dans la petite fenêtre la séquence synchrone d'intérêt à enregistrer sur le disque dur local. Ensuite, utilisez 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 « gestion du disque ». Cette manipulation transférera la ou les boucles cyl enregistrées vers l'ordinateur exécutant le logiciel de vélocimétrie par images de particules ou PIV. Une fois les images capturées et sauvegardées, l'image échographique doit être convertie d'un fichier au format Digital Imaging Communications in Medicine ou DICOM en une image au format Joint Photographic Experts Group ou JPEG pour l'analyse.

Utilisez un script MATLAB exécutant DICOM_to_jpeg.m pour convertir les fichiers DICOM en JPEG. Ce script a été développé 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 un nouveau projet, puis choisissez PIV. Dans la barre d'outils, sélectionnez l'importation d'images et choisissez d'importer via des fichiers numérotés. Ensuite, dans le menu déroulant, localisez le dossier où sont stockées les images ultrasonores au format JPEG et double-cliquez sur la première image du jeu.

Cela permettra d'importer toutes les images ultrasonores de cet ensemble numéroté afin de définir une région d'intérêt pour l'analyse, ne comprenant que le liquide. Appliquez un masque pour créer le masque, saisissez les coordonnées, une zone rectangulaire définie par deux points de coordonnées x et y, en vous appuyant sur les informations du fichier DICOM et sur la connaissance des dimensions des pixels. Ensuite, dans le panneau de contrôle principal de dvu, cliquez sur l'onglet situé sous le projet en cours contenant les images importées.

Sélectionnez le tableau intitulé « traitement par lots ». Cela permet d'activer la fenêtre de traitement vectoriel de Davi pour le traitement par lots à partir de la liste des opérations, en utilisant l'arborescence PIV plus série temporelle PIV. Sélectionnez les paramètres de calcul vectoriel et choisissez un traitement multipasse avec une taille d'interrogation décroissante de 64 pixels sur 64 pixels à 12 pixels sur 12 pixels, avec un recouvrement de 50 %. Réglez la restriction de plage vectorielle relative sur « tout », puis la restriction de plage vectorielle absolue sur cinq pixels. Appliquez ensuite un filtre médian pour supprimer le bruit et lisser les champs de vecteurs.

Ensuite, pour le traitement du vecteur, cochez la case « la plage de données est égale à la zone masquée » dans le menu des paramètres de calcul des vecteurs. Notez que le choix optimal des paramètres de calcul des vecteurs dépend de la géométrie de l'écoulement, des propriétés de l'écoulement, de la résolution de l'image, de la densité des particules traceuses et de l'analyse quantitative souhaitée de l'écoulement. Une fois tous les paramètres souhaités définis à gauche de l'écran de traitement par lots, sélectionnez le nombre total d'images à traiter.

Cliquez sur Démarrer le traitement. Cela permet de calculer le champ de déplacement entre les images ultrasonores successives à l’aide d’algorithmes de corrélation croisée. Pour analyser les données traitées, exportez les champs vectoriels UCV depuis DAVO sous forme de fichiers texte.

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 d'exportation. Sélectionnez le type de fichier.

Demander e txt. Choisir de créer un dossier d'exportation et sélectionner exporter. Ensuite, ouvrir le fichier dans MATLAB en exécutant le script MATLAB.

Les champs vectoriels exportés portent le nom B-X-X-X-X-X en TXT, où X représente un nombre croissant allant de un à 99 ou 999. Chaque fichier contient quatre colonnes de données, qui peuvent être visualisées à l’aide du Bloc-notes : un, la position x du vecteur dans l’image ; deux, la position y du vecteur dans l’image ; trois, la composante x du déplacement ou déplacement dans le sens de l’écoulement ; et quatre, la composante y du déplacement, qui décrit le déplacement normal à la paroi. Ce dernier est utilisé pour calculer le champ vectoriel de vitesse U en fonction de X et Y, où X et Y correspondent aux coordonnées spatiales dans l’image échographique. Pour ce faire, on convertit d’abord le champ de déplacement D(X,Y), mesuré en pixels, en un champ de déplacement exprimé en mètres, à l’aide du paramètre d’échelle de l’image M, donné en mètres par pixel.

Ensuite, le champ de déplacement est divisé par l'intervalle temporel corrigé de balayage entre les images delta T, où delta T est égal à un divisé par la fréquence d'images exprimée en images par seconde, plus le champ de déplacement divisé par le temps nécessaire pour que l'image ultrasonore balaye 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 fichier qui fournit les informations nécessaires pour calculer le paramètre d'échelle d'image M et l'intervalle temporel corrigé de balayage. Dans la présente étude, delta T, M est égal à 77 micromètres par pixel, FPS est égal à 49,5 et B est égal à 25 047 pixels par seconde.

Enfin, calculez les champs vectoriels de vitesse moyenne d'ensemble ainsi que les profils normaux de la vitesse moyenne et de toute autre grandeur d'écoulement d'intérêt. Afin de démontrer l'utilité de la EPIV et d'évaluer l'incertitude de mesure, des champs instantanés bidimensionnels de vitesse en écoulement laminaire dans une conduite ont été acquis comme décrit dans cette vidéo ; cette représentation vectorielle instantanée montre les vecteurs de vitesse toutes les quatre colonnes, et la carte de contours en couleur de fond correspond au module de la vitesse. La position spatiale bidimensionnelle du vecteur de 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 tube, et X est la position dans le sens de l'écoulement mesurée à partir de l'entrée du tube. La forme parabolique apparente des vecteurs de vitesse le long des colonnes indique que les mesures sont conformes au profil de vitesse attendu pour un écoulement en tube. Le tracé vectoriel moyenné, calculé en effectuant la moyenne de 1000 tracés vectoriels instantanés, fournit une représentation du champ de vitesse moyen.

Il permettra également de lisser les erreurs aléatoires dues au bruit dans les champs vectoriels instantanés. Les vecteurs de vitesse sont principalement orientés dans la direction de l'écoulement. Les vitesses maximales se produisent sur la ligne médiane du tuyau.

Les vitesses diminuent jusqu'à zéro au niveau des parois du tuyau et l'écoulement est approximativement symétrique. Le profil moyen de vitesse dans la direction de l'écoulement, obtenu en faisant la moyenne du tracé vectoriel moyenné sur l'ensemble des lignes dans la direction horizontale, est représenté ici. Est également représenté le profil de vitesse moyenne attendu pour un écoulement laminaire dans un tuyau. Compte tenu des conditions expérimentales.

L'accord entre les mesures EPIV et le profil de Higgin Pozo attendu est meilleur près de l'axe du tuyau et moins bon près des parois du tuyau. Les grandes différences observées près de la paroi sont probablement dues à une forte réflexion et réfraction des ondes ultrasonores à la surface courbe de la paroi du tuyau, ce qui produit des intensités d'image élevées dans ces régions ; les intensités élevées au niveau de la paroi masquent les intensités des particules, entraînant des erreurs de mesure. Grâce au développement de cette technique, les chercheurs qui étudient la dynamique des fluides dans des systèmes d'écoulement artificiels ou biologiques peuvent désormais obtenir les variations spatio-temporelles du champ de vitesse dans des fluides opaques à la lumière ou à travers des géométries opaques à la lumière.

Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension du fonctionnement de l’EPIV, de ses limites et de la manière de concevoir et d’utiliser un système EPIV à l’aide d’un appareil d’échographie commerciale.