Name: הד Velocimetry תמונת חלקיקים (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-12-27T12:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 31 s
Description: למד את שיטת EPIV למדידת שדות מהירות דו-ממדיים בזרימת צינור למינרית. השיטה משתמשת בדימות אולטרסאונד ובחלקיקי זכוכית חלולים כסמנים לניתוח הדינמיקה הנוזלית.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

החוקרים מכירים תודה תמיכה על ידי הקרן הלאומי למדע, CBET0846359, מענק צג הורסט הנינג החורף.

1. יצירת תזרים מדידה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדידות אימות EPIV תהיינה הפגינה בזרימה של צינור מי פתרון גליצרין (גליצרין 50% - 50% מים). סכמטי של מערך הניסוי מוצג באיור 1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כדורי זכוכית חלולים עם קוטר נומינלי של 10 מיקרומטר מתווספים לנוזל בריכוז של כ 17 חלקים למיליון במשקל. כדורי הזכוכית החלולים לשמש כסוכנים בניגוד אולטרסאונד, והגודל והצפיפות שלהם הם בחרו כזה שהם פסיביים לעקוב זרימת הנוזל. 10 </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מתח קבוע מסופק למשאבה להציג את קצב זרימה ידועה. קצב הזרימה נבחר כך שU &lt;&lt; ΔX / δt, שם U הוא המהירות הממוצעת בצינור, ΔX הוא אורך ינארית של נפח מדידת EPIV, וδt הוא צעד הזמן בין תמונות, כלומר, הזרימה תהיה בכך צורך &quot;איטי&quot; בהשוואה לfps של אולטרסאונד הסאיםגזע. 3 </li></ol> 2. כייל אולטראסאונד <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הר בדיקת אולטרסאונד לצינור החיצוני הקיר. על בסיס מי ג&#39;ל אקטואלי מוחלים על בדיקת אולטרסאונד כדי למזער את האובדן של העברת קורה אולטרסאונד בין פן החללית ודפנות הצינור. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צריכת חשמל במכשיר אולטרסאונד. זרם חי של תמונות אולטרסאונד מתחיל באופן אוטומטי ברגע שכל מערכות העומס. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את עומק התמונה באמצעות כפתור בקרת העומק בלוח הבקרה של מכשיר אולטרסאונד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את התמונה הכוללת רווח באמצעות ידית רווח 2D בלוח הבקרה של מכשיר אולטרסאונד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להתאמת פיצוי המחוונים להרוויח זמן (TGC), כדי לרכך את הפיזור מקירות הצינור ולפצות על הנחתה קשורה עומק של אות אולטרסאונד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> רוחב התמונה, הפוקוס, הפעלת תדירות בדיקה, ומסגרת השיעור מותאם תוך שימוש בכפתורי בקרת assignable. אלה4 ידיות, הממוקמות בפינה השמאלית העליונה של לוח הבקרה, משתנות בהתאם למצב שבו המערכת פועלת. במצב 2D (משמש כיום), משמאל לימין הכפתורים מתאימים לרוחב, מיקוד, תדירות, ואת מסגרת דולר, בהתאמה. שים לב שבשל עקרונות היסוד של אולטרסאונד 9 הדמיה, ארבעה הפרמטרים האלה הם מצמידים מיסודו. כתוצאה מכך, לסריקת תמונת אולטרסאונד נתון (כלומר, ניסוי EPIV) יש תחלופה בין רזולוצית מרחב ובזמן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ראה איור 2 לתמונת אולטרסאונד נציג זרימת צינור זרע עם 10 מיקרומטר בכדורי זכוכית חלולים. שים לב כי בשל רזולוצית רוחב מוגבלת, ספירות זכוכית מרוחה בכיוון לרוחב ומופיע כellipsoids בתמונה. </li></ol> 3. איסוף נתונים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ על לחצן החדש הבחינה בלוח בקרת אולטרסאונד כדי להתחיל ניסוי חדש. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צור&quot;מטופל&quot; חדש על ידי הזנת תזרים צנרת בשם משפחה והתאריך של היום בשם המשפחה ומספר תעודת זהות בבדיקת חולה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בעקבות הקמתה של &quot;המטופל&quot;, סריקת אולטרסאונד מתחילה עד למקסימום הקבוע מראש של בין 1000-1500 תמונות הוא הגיע, לאחר שלולאת סריקה חדשה מתחילה. לחיצה על כפתור ההקפאה בלוח בקרת אולטרסאונד פעמים תהיה להפעיל מחדש את הסריקה בכל זמן לפני שהגיע למספר המרבי הקבוע מראש של תמונות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ברגע שקבוצה טובה של תמונות אולטרסאונד כבר נרכשה (כלומר, תמונות חדות זרעי חלקיקים וצפיפות חלקיקי זרע מספיק), לחץ על הלחצן ההקפאה בלוח בקרת אולטרסאונד כדי לעצור תמונת רכישה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ על כפתור Cineloop בלוח הבקרה של אולטרסאונד. בחר בקבוצת תמונות אולטרסאונד כדי להיות מנותח באמצעות ידית המחזור הראשונה בלוח בקרת אולטרסאונד כדי לבחור את התמונה הראשונה בקבוצה, ואת כפתור המחזור האחרון כדי לבחורהתמונה אחרונה בקבוצה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ על כפתור חנות התמונה בלוח בקרת אולטרסאונד כדי להציל את הקבוצה הנבחרת של תמונות אולטרסאונד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ על הלחצן הארכיון בלוח בקרת אולטרסאונד ומשתמש בסמן העכבר כדי לבחור בחינת סיום. זו תנחה את המשתמש לבחור תמונות או cineloops להציל את הכונן הקשיח המקומי. בחר cineloop (הים) של עניין אז יוצא הבחינה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ על הלחצן הארכיון בלוח בקרת אולטרסאונד ומשתמש בסמן העכבר כדי לבחור תחילה יותר ולאחר מכן בחר ניהול דיסק. ניהול דיסק יעביר cineloop נשמר (הים) למחשב עם מערכת הפעלת תוכנת PIV. </li></ol> 4. המרת סוג הקובץ <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תמונת אולטרסאונד מאוחסנת כקובץ תקשורת הדמיה דיגיטלית בסוג קובץ במכשיר אולטרסאונד רפואה (DICOM). כדי לפתוח ולקרוא את תוכנת PIV, קבצי DICOM חייבים להיות מומרים לקבצי תמונה. נכון להיום,DICOM2JPG.m פועל תסריט Matlab משמש כדי להמיר את קבצי DICOM למומחי סוג משותף צילום קבוצתי (JPEG) קובץ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> את תמונות אולטרסאונד JPEG נותחו לאחר מכן באמצעות תוכנת דייוויס מLaVision. </li></ol> 5. חישוב שדות תזוזה, D (x, y), שימוש בדייויס <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ לחיצה כפול על עכבר דייוויס הסמל במחשב. בחר פרויקט חדש. בחר PIV. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר תמונות יבוא בסרגל הכלים, ובחר לייבא באמצעות קבצים ממוספרים. בתפריט הנפתח, האתר את התיקייה שבה תמונות אולטרסאונד JPEG מאוחסנות, ולחץ לחיצה כפולה על התמונה הראשונה של הסט. זה יהיה לייבא את כל תמונות אולטרסאונד בסט ממוספר זה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בדרך כלל מסכת תמונה תוגדר לבודד את האזור של עניין (ROI) בתמונת אולטרסאונד כדי להיות מעובד. לספיקת צינור, המסכה משמשת להגדרת ROI בין קירות הצינור (כלומר, הנוזל). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עבור ללוח הבקרה הראשית בדייויס, בחר בכרטיסייה הנמצאת תחת פרויקט נוכחי המכיל את התמונות המיובאות, ובחר את העיבוד יצוו כרטיסייה שהכותרת. הדבר מאפשר חלון עיבוד הווקטור של דייוויס לעיבוד יצווה של תמונות אולטרסאונד המיובאות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מרשימת הפעולות, שימוש בעץ PIV-Time-Series, בחר פרמטרי חישוב וקטור, ולבחור את הפרמטרים שיש המשמש לעיבוד וקטור. אם מסיכה משמשת, בדוק את טווח נתוני התיבה = להשתמש באזור רעול פנים בתפריט פרמטר חישוב הווקטור. שימו לב כי בבחירה נכונה של פרמטרים לחישוב וקטור תלויה בגיאומטרית זרימה, תכונות זרימה, תמונה ברזולוציה, צפיפות חלקיקים נותבו, וניתוח זרימת כמותית רצויה. 10 למדידות זרימת הצינור, את הפרמטרים שבדרך כלל הניבו את התוצאות הטובות ביותר הם multipass עם גודל חקירת הפחתה של 32 פיקסל 32 x 2-8 x8 פיקסל 2, עם חפיפה של 50%. הגבלת טווח וקטור יחסית נקבעה לכל ± (גודל חלון / 2) והגבלת טווח וקטור מוחלטת נקבעה ל± 5 פיקסלים. לבסוף, מסנן 3 X 2 3pixel חציון משמש לדיכוי רעש ולהחליק את השדות וקטורית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בצד השמאל של מסך עיבוד יצווה, בחר את הכמות הכוללת של תמונות להיות מעובד ובחר עיבוד התחלה. זה יהיה לחשב את שדה העקירה, D (x, y), בין תמונות אולטרסאונד הרצופות באמצעות אלגוריתמים-מתאם צלב. </li></ol> 6. ניתוח שדות וקטור <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לניתוח שלאחר העיבוד ונתונים, שדות וקטור EPIV מיוצאים מדייוויס. קבצי txt. זו מושגת על ידי בחירת סניף עקירת הווקטור תחת ענף תמונת JPEG במסך פרויקט. בסרגל הכלים, בחר בכרטיסיית היצוא, בחר סוג קובץ ASCII. Txt, בחר / ליצור תיקיית יצוא,יצוא ד בחר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שדות הווקטור יוצאו נקראים Bxxxxx.txt, בי ≤ ≤ xxxxx 00001 99999, עם חיץ המציין B. כל קובץ מכיל ארבע עמודות נתונים: (1) x-מיקום של הווקטור בתמונה, (2) y-מיקום של הווקטור בתמונה, (3) x-המרכיב של עקירה (עקירת streamwise כלומר), (4) y-המרכיב של עקירה (כלומר, עקירה מהקיר רגילה). את קבצי Bxxxxx.txt נפתחים ומעובד בMATLAB כדי לחשב את שדה המהירות, על ידי לדעת את צעד הזמן בין זוגות תמונה, ΔT [s], והגדלת התמונה, ז [מטר / פיקסל], כלומר u (x, y ) = MD (x, y) / ΔT,. צעד הזמן בין תמונות ΔT = 1/fps + D (x, y) / B, שבו ב &#39;[פיקסלים / s] הוא הזמן שלוקח לבדיקת אולטרסאונד כדי לטאטא לרוחב התמונה. במחקר הנוכחי, M = 77 [מיקרומטר / פיקסל], fps = 49.5 [1 / s], ו-B = 25047 פיקסלים [/ s]. בשלב הבא, ensemשדות ble ממוצע מהירות וקטור, פרופילים מקיר רגיל של מהירות ממוצעת, בין כמויות זרימה נוספות של ריבית מחושבים. (ראה סעיף נציג תוצאות.) </li></ol>

<ol><li>White, F. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWhite%2C+FM+%22Fluid+Mechanics%22">Fluid Mechanics</a>. , McGraw Hill. New York, New York. (1994).</li>
<li>Hak, M. G. ad-el <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHak%2C+MGad-el+%22Flow+Control%3A+Passive%2C+Active%2C+and+Reactive+Flow+Management%22">Flow Control: Passive, Active, and Reactive Flow Management</a>. , University Press. Oxford. (2000).</li>
<li>Kim, B. H., Hertzberg, J. R., Shandas, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+and+validation+of+echo+PIV%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Development and validation of echo PIV.</a> Exp. Fluids. 36, 455-462 (2004).</li>
<li>Zheng, H., Liu, L., Williams, L., Hertzberg, J. R., Lanning, C., Shandas, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real+time+multicomponent+echo+particle+image+velocimetry+technique+for+opaque+flow+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Real time multicomponent echo particle image velocimetry technique for opaque flow imaging.</a> Appl. Phys. Lett. 88, 261915(2006).</li>
<li>Beulen, B., Bijnens, N., Rutten, M., Brands, P., van de Vosse, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Perpendicular+ultrasound+velocity+measurement+by+2D+cross+correlation+of+RF+data.+Part+A%3A+validation+in+a+straight+tube%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Perpendicular ultrasound velocity measurement by 2D cross correlation of RF data. Part A: validation in a straight tube.</a> Exp. Fluids. 49, 1177-1186 (2010).</li>
<li>Poelma, C., Mari, J. M., Foin, N., Tang, M. -X., Krams, R., Caro, C. G., Weinberg, P. D., Westerweel, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+Flow+reconstruction+using+ultrasound+PIV%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Fluids%22%5BJournal%5D)">3D Flow reconstruction using ultrasound PIV.</a> Exp. Fluids. 50, 777-785 (2011).</li>
<li>GE VINGMED ULTRASOUND A/A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Vivid+7%2FVivid+7+PRO+User%C3%A2%E2%82%AC%E2%84%A2s+Manual%22">Vivid 7/Vivid 7 PRO Userâ€™s Manual</a>. , FC092326 edition, GE VINGMED. Horten, Norway. (1988).</li>
<li>DaVis Software for Intelligent Imaging [Internet]. , LaVision. Michigan. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.lavision.de/en/download.php?id=3">http://www.lavision.de/en/download.php?id=3</a> (2013).</li>
<li>Szabo, T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSzabo%2C+T+%22Diagnostic+Ultrasound+Imaging%3A+Inside+Out%22">Diagnostic Ultrasound Imaging: Inside Out</a>. , Elsevier Academic Press. Burlington, MA. (2004).</li>
<li>Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhans, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRaffel%2C+M+%22Particle+Image+Velocimetry%3A+A+Practical+Guide%22">Particle Image Velocimetry: A Practical Guide</a>. , Springer-Verlag. Berlin Heidelberg New York. (2007).</li>
</ol>

סופרים אין לי מה לחשוף.

הפרוטוקול פועל velocimetry מערכת הד חלקיק תמונה (EPIV) מסוגלת לרכוש שדות דו ממדים של מהירות בנוזלים אופטיים אטומים או באמצעות גיאומטריות אופטיות אטומות תואר. יישום מעשי של EPIV מותאם היטב לחקר מערכות זרימה תעשייתיות וביולוגיות, שבו זרימת נוזלים אטומים מתרחשת ביישום רב מאוד. המערכת המסוימת שהוצגה כאן נבנתה בכוונה כדי ללמוד את תכונות הזרימה של נוזלים ביומסה נוזליים המשמשים בייצור של אתנול lignocellulosic. את היכולות של EPIV הודגמו באמצעות מדידות מייצגות בזרימת צינור. בפרט, מתכוון ופ...

<table border="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td> שם המגיב </td><td> חברה </td><td> מספר קטלוגים </td><td> תגובות (אופציונלי) </td></tr><tr><td> מכונת אולטראסאונד </td><td> GE </td><td> Pro 7 Vivid </td><td></td></tr><tr><td> מערך אולטראסאונד ינארי </td><td> GE </td><td> 10 ליטר </td><td></td></tr><tr><td> משאבת מי DC </td><td> KNF </td><td> NF 10 KPDC </td><td></td></tr><tr><td> וקטור עיבוד תוכנה </td><td> Lavision </td><td> דייויס 7.2 </td><td></td></tr><tr><td> הודעת תוכנת עיבוד </td><td> Mathworks </td><td> MATLAB 7.12 </td><td></td></tr><tr><td> אבובי אקריליק </td><td> מקמאסטר-רכבr </td><td> 8486K531 </td><td></td></tr><tr><td> ג&#39;ל אולטראסאונד </td><td> פרקר </td><td> Aquasonic 100 </td><td></td></tr></tbody></table>

הד velocimetry תמונת חלקיקים

Echo Particle Image Velocimetry

ההובלה של מסה, תנע ואנרגיה בזורמת נוזל נקבעה סופו של דבר על ידי חלוקת חלל ובזמן של שדה מהירות הנוזל. 1 כתוצאה מכך, תנאים הכרחי להבנה, ניבוי, ובקרה על זרימת נוזל הוא היכולת למדוד את שדה המהירות עם מספיק מרחב ו החלטה זמנית. 2 למדידות מהירות בנוזלים אופטיים אטומים או באמצעות גיאומטריות אופטיות אטומות, הד velocimetry תמונת החלקיקים (EPIV) היא טכניקת אבחון אטרקטיבית ליצירת שדות &quot;מיידיים&quot; דו ממדים של מהירות. 3,4,5,6 בזה נייר, פרוטוקול הפעלה למערכת EPIV נבנתה על ידי שילוב של מכשיר אולטרסאונד רפואי עסקי 7 עם מחשב פועל velocimetry המסחרי חלקיק תמונה (PIV) תוכנה 8 מתוארת, ומדידות אימות באגן-Poiseuille (כלומר, עלעלי צינור) הזרימה מדווח . למידת EPIVמפעלים, בדיקת מערך מדורג מחוברת למכשיר אולטרסאונד הרפואי משמשת ליצירת תמונת אולטרסאונד דו ממדית על ידי פועם אלמנטי הבדיקה פיזואלקטריים בזמנים שונים. כל רכיב חללית משדר דופק אולטרסאונד לנוזל, וחלקיקים נותבים בנוזל (או באופן טבעי או seeded) משקפים אולטרסאונד הדים חזרה לחללית שבו הם נרשמו. המשרעת של הגלים המוחזרים אולטרסאונד ולעכב את זמנם ביחס להעברה המשמשת ליצירה מה שמכונה B-mode (מצב בהירות) תמונות אולטרסאונד דו ממדים. באופן ספציפי, עיכוב הזמן משמש כדי לקבוע את המיקום של scatterer בנוזל ומשרעת משמש להקצאת עצמה לscatterer. הזמן הנדרש לקבלת תמונה אחת ב-מצב, לא, נקבע על ידי הזמן שלוקח לדופק כל האלמנטים של בדיקת המערך המדורג. לרכישת מספר רבים של תמונות ב-mode =, קצב פריימים של המערכת במסגרות לשנייה (fps) 1 / &amp; דהLTA; לא. (ראה 9 לביקורת של הדמית אולטרה סאונד). לניסוי EPIV טיפוסי, במסגרת השיעור שבין 20-60 FPS, תלוי בתנאי זרימה, ו100-1000 תמונות ב-mode של ההתפלגות המרחבית של החלקיקים נותבים בזרימה נרכשת. רכש פעם אחת, את תמונות אולטרסאונד B-mode משודרות באמצעות חיבור Ethernet למחשב פועל תוכנה המסחרית PIV. שימוש PIV התוכנה, שדות עקירת חלקיקים נותבים, D (x, y) [פיקסלים], (שבו x ו-y מציינים מיקום במרחב אופקי ואנכי בתמונת אולטרסאונד, בהתאמה) נרכשים על ידי יישום אלגוריתמי מתאם צולבות לאולטרסאונד ברציפות ב- תמונות מצב. 10 בשדות המהירים, u (x, y) [מ / ש], נקבעים משדות העקירות, בידיעת צעד הזמן בין זוגות תמונה, ΔT [s], והגדלת תמונה, ז [המטר / פיקסל ], כלומר, u (x, y) = MD (x, y) / ΔT. ב צעד הזמןetween התמונות ΔT = 1/fps + D (x, y) / B, שבו ב &#39;[פיקסלים / s] הוא הזמן שלוקח לבדיקת אולטרסאונד כדי לטאטא לרוחב התמונה. במחקר הנוכחי, M = 77 [מיקרומטר / פיקסל], fps = 49.5 [1 / s], ו-B = 25047 פיקסלים [/ s]. רכש פעם, שדות המהירות ניתן לנתח לחשב כמויות זרימה של ריבית.

תחום מיידי הד חלקיק תמונת velocimetry (EPIV) וקטור מוצג באיור 3. העלילה מציגה וקטור וקטורי מהירות כל עמודה רביעית, והמפה הטופוגרפית צבע הרקע מתאימה לגודל מהירות. עלילת וקטור ממוצעת אנסמבל ממוצע מעל 1000 חלקות וקטור EPIV מיידיות מוצג באיור 4. עולים בקנה אחד עם זרימת צינור, וקטורי המהירות הם בעיקר בכיוון streamwise, המהירויות הגדולות להתרחש באמצע הצינור, ואת המהירויות להקטין לאפס את קירות הצינור. תנודות הגודל-ממוצע מרובעת שורש (RMS) המהירות מוצגות <...

Velocimetry מערכת הד חלקיק תמונה (EPIV) מסוגלת לרכוש שדות דו ממדים של מהירות בנוזלים אופטיים אטומים או באמצעות גיאומטריות אופטיות אטומות מתוארת, ומדידות אימות בזרימת צינור מדווחות.

הד Velocimetry תמונת חלקיקים

ההובלה של מסה, תנע ואנרגיה בזרימות של נוזלים וגזים נקבעת בסופו של דבר על ידי התפלגויות מרחביות-זמניות של שדה המהירות של הפלואיד.1 ...

מטרת ניסוי זה היא להשיג שדות מהירות רגעיים דו-ממדיים בזרימת Hagen-Poiseuille, הידועה גם כזרימה למינרית בצינור. באמצעות מדידות תיקוף של echo particle image velocimetry (EPIV) בסימטריה LOC, מודגמת זרימה בצינור עם סירקולציה של תערובת 50:50 של מים וגליצרין. מערכת הזרימה בצינור המשמשת כאן עושה שימוש בראש לחץ קבוע המתוחזק על ידי משאבת אקווריום להנעת הזרימה.מתמר אולטרסאונד מסוג מערך פאזי (phased array) מותקן על דופן הצינור של מערכת הזרימה, ותמונות אולטרסאונד במצב B (B mode) מוזרמות בזמן אמת. הנוזל מכיל כדוריות זכוכית חלולות או חלקיקי סמן העוקבים בדיוק אחר תנועות הזרימה. לאחר מכן נרכשות תמונות אולטרסאונד, המועברות למחשב ומומרות לפורמט תמונה התואם לתוכנה המסחרית למיפוי מהירות על פי תמונות חלקיקים (particle image velocimetry).אלגוריתמים של מתאם צולב (Cross correlation) מיושמים על תמונות אולטרסאונד רצופות במצב B (B mode) כדי לחשב שדות מהירות דו-ממדיים. בסופו של דבר, שדות הווקטורים מנותחים כדי לחשב כמויות זרימה רלוונטיות, כגון מאמץ גזירה ממוצע (ensemble average sheer stress) ומסחרור (vorticity). למרות שטכניקה זו יכולה לספק תובנה לגבי דינמיקה בסיסית של נוזלים, היא יכולה לשמש, ואכן משמשת לעיתים קרובות, במערכות זרימה מעשיות, כולל יישומים ביו-רפואיים, למשל, זרימות עורקיות או זרימות בין-חדריות.הניסויים השוטפים שלנו המשתמשים בביומסה מנוזלת ובנוזלים הם שמעוררו את ענייננו בטכניקה זו. כדי להקים את מערכת ה-EP IV, התחילו בהפעלת המשאבות. פעולה זו תתחיל את זרימת הצינור במעגל סגור בקצב קבוע.בשלב הבא, מרחו ג'ל טופקלי על בסיס מים על מתמר האולטרסאונד. הג'ל ממזער את אובדן התמסורת של קרן האולטרסאונד בין פני המתמר לבין הצינור. לאחר מכן, באמצעות תושבת מתמר שנבנתה במיוחד עם מחברי צינור העוברים דרך הדופן, חברו את מתמר האולטרסאונד לדופן החיצונית של הצינור והפעילו את מכשיר האולטרסאונד.לאחר טעינת כל המערכות, יופיע זרם תמונות חי על מסך האולטרסאונד. מצב 2D הוא הגדרת ברירת המחדל עבור המתמר הליניארי לצורך ביצוע מדידות EPIV. ראשית, שקלו את המשקל היבש המתאים של כדורי זכוכית חלולים בעובי נומינלי של 10 micrometer, כך שריכוזם הסופי בעת הוספתם למערכת הזרימה יהיה כ-17 חלקי מיליון ממשקל.בשלב הבא, הוצאו נפח של נוזל מהאגן והוסיפו את החלקיקים לנוזל כדי ליצור תמיסת חלקיקים מרוכזת. החלקיקים, כאשר יתווספו למערכת הזרימה, ישמשו כחומרי ניגוד לאולטרסאונד או כחלקיקי מעקב. הוסיפו את תמיסת החלקיקים המרוכזת למערכת זרימת הצינור במעגל סגור על ידי ערבובם בתוך מאגרי המים.ניתן להצפים בכדורי הזכוכית במסך האולטרסאונד. לאחר מספר דקות, כדורי הזכוכית יתפזרו באופן שווה בכל המערכת, כך שאחד החלקים הקשים ביותר בפרוצדורה זו הוא השגת תמונות אולטרסאונד ברורות וברזולוציה גבוהה. כדי למקסם את איכות התמונות הללו, אנו מכוונים את ההגבר (gain), נקודות המיקוד והטווח הדינמי בהתבסס על הערכות מוקדמות של מהירות הזרימה.אנו מבצעים אופטימיזציה נוספת של פרמטרים אלו בזמן אמת באמצעות ניתוח תמונות האולטרסאונד. השתמש בכפתור בקרת העומק בלוח הבקרה של מכשיר האולטרסאונד כדי להגדיר את עומק התמונה ל-three centimeters. לאחר מכן, באמצעות כפתור ה-2D gain, כוונן את הגבר הכללי של התמונה כדי להגביר את בהירותה, כך שחלקיקי הגרעין יהיו גלויים בבירור בלוח הבקרה של המכשיר.כוון את מפסקי פיצוי הגבר הזמן (TGC) כדי להחליש את הפיזור מדפנות הצינור ולפצות על ניחות של אות האולטרסאונד התלוי בעומק. פעולה זו תסיר תמונות עודפות בחלקים העליונים והתחתונים של דפנות הצינור במצב דו-ממדי (2D). הכפתורים בחלקו העליון של לוח הבקרה, משמאל לימין, מקבילים לרוחב, לתדר המיקוד ולקצב הפריימים.השתמשו במפתחים אלו כדי לכוונן את התמונה עוד יותר, במטרה להשיג את הרזולוציה הפיזית, התדר וקצב הפריימים הגבוהים ביותר האפשריים לצורך הניתוח. לאחר מכן, כווננו את תדר הפעולה של הגשש ל-10 megahertz והגדירו את קצב הפריימים ל-49.5 frames per second. שימו לב שארבעת הפרמטרים הללו קשורי זה לזה באופן מהותי.כתוצאה מכך, עבור סריקת תמונה אולטרסאונד נתונה, קיימת פשרה בין הרזולוציה המרחבית לרזולוציה הזמנית. בשל רזולוציה לטרלית מוגבלת, כדורי הזכוכית ייראו מטושטשים בכיוון הלטרלי ויופיעו כאלליפסואידים בתמונה. לאחר אופטימיזציה של הפרמטרים, הגיע הזמן לאסוף נתונים באמצעות לוח הבקרה של האולטרסאונד במכשיר.לחצו על כפתור הבדיקה החדשה (new exam) כדי להתחיל ניסוי חדש. תחת פרטי המטופל, הזינו pipe flow כשם המשפחה ואת התאריך כשם הפרטי.הזינו את מספר הבדיקה בשדה מזהה המטופל (patient ID). סריקת האולטרסאונד תתחיל באופן אוטומטי כאשר יושג המקסימום המוגדר מראש של 1,000 עד 1,500 תמונות. מחזור סריקה חדש יתחיל עם המשך הסריקה.בצעו התאמות בפרמטרי הדמיה עד שחלקיקי הזריעה יהיו בפוקוס חד, עם כ-10 חלקיקים לכל אזור דגימה. כדי להתחיל מחדש את לולאת הקלטת הסריקה, לחצו על כפתור ההקפאה (freeze) בלוח הבקרה של מכשיר האולטרסאונד. לאחר שנקלט מספר מספיק של תמונות אידיאליות, לחצו על כפתור ההקפאה.בשלב הבא, לחץ על כפתור ה-C loop בלוח הבקרה של מכשיר האולטרסאונד. בחר ב-"Select all images" כדי לכלול את כל תמונות האולטרסאונד במערך הניתוח. לאחר שבחרת את התמונות לניתוח, לחץ על כפתור שמירת התמונות (image store) כדי לשמור את מערך תמונות האולטרסאונד שנבחר.לאחר שמירת התמונות, לחצו על כפתור הארכיון (archive) בלוח הבקרה של מכשיר האולטרסאונד. כאשר תופיע הבקשה, בחרו מהחלון הקטן את ה-syn loop הרלוונטי לשמירה בכונן הקשיח המקומי. לאחר מכן, השתמשו בסמן העכבר כדי לבחור בסיום הבדיקה (end exam).לחצו על כפתור הארכיון והשתמשו בסמן העכבר כדי לבחור תחילה ב-more ולאחר מכן ב-disc management. פעולה זו תעביר את לולאת ה-cyl או לולאות ה-cyl השמורות למחשב המריץ את תוכנת ה-particle image velocity symmetry או ה-PIV. לאחר לכידה ושמירה של התמונות, יש להמיר את תמונת האולטרסאונד מקובץ digital imaging communications in medicine או DICOM לקובץ תמונה מסוג joint photographic experts group או JPEG לצורך ניתוח.השתמשו בסקריפט MATLAB המריץ את הקובץ DICOM to jpeg.m כדי להמיר את קבצי ה-DICOM לתמונות JPEG. סקריפט זה פותח במעבדה וניתן להשיגו למטרות לימודיות בכתובת האינטרנט המוצגת כאן. לאחר המרת הקובץ, פתחו את תוכנת Davi של Law Vision בתוכנה.לחץ פעמיים על סמל ה-davi, בחר ב-new project, ולאחר מכן בחר ב-PIV. בסרגל הכלים, בחר ב-import images ובחר ב-import via numbered files. לאחר מכן, בתפריט הנפתח, אתר את התיקייה שבה מאוחסנות תמונות האולטרסאונד בפורמט JPEG ולחץ פעמיים על התמונה הראשונה בסדרה.פעולה זו תייבא את כל תמונות האולטרסאונד בסט ממוספר זה כדי להגדיר אזור עניין (region of interest) לניתוח שיכלול רק את הנוזל. כדי ליצור את המסכה, יש להחיל מסכה, להזין את הקואורדינטות, ואזור מלבני באמצעות שתי נקודות קואורדינטות x ו-y בהתבסס על המידע מקובץ ה-DICOM והידע על ממדי הפיקסלים. לאחר מכן, בלוח הבקרה הראשי ב-dvu, לחץ על הלשונית שנמצאת תחת הפרויקט הנוכחי (current project) המכילה את התמונות המיובאות.בחרו בטבלה המסומנת כעיבוד באצוות (batch processing). פעולה זו תפעיל את חלון עיבוד הווקטורים של Davi עבור עיבוד באצוות מרשימת הפעולות; באמצעות עץ PIV plus PIV time series, בחרו בחישוב וקטורים והגדירו פרמטרים של multipass עם גודל חלון שאילתה (interrogation size) פוחת מ-64 pixels על 64 pixels ל-12 pixels על 12 pixels עם חפיפה (overlap) של 50%. הגדירו את הגבלת טווח הווקטורים היחסי (relative vector range restriction) ל-all ואת הגבלת טווח הווקטורים המוחלט (absolute vector range restriction) ל-5 pixels. לאחר מכן, החילו מסנן חציוני (median filter) כדי לדכא רעשים ולהחליק את שדות הווקטורים.בשלב הבא לעיבוד וקטורים, סמנו את תיבת הסימון data range equals use masked area בתפריט הפרמטרים של חישוב הווקטורים (vector calculation parameter). שימו לב כי בחירה אופטימלית של פרמטרי חישוב הווקטורים תלויה בגיאומטריה של הזרימה, תכונות הזרימה, רזולוציית התמונה, צפיפות חלקיקי הסימון (tracer particles) וניתוח הזרימה הכמותי הרצוי. לאחר הגדרת כל הפרמטרים הרצויים בחלק השמאלי של מסך עיבוד האצוות (batch processing), בחרו את המספר הכולל של התמונות לעיבוד.לחצו על התחל עיבוד. פעולה זו תחשב את שדה ההעתקה בין תמונות אולטרסאונד עוקבות באמצעות אלגוריתמים של מתאם צולב (cross correlation). כדי לנתח את הנתונים המעובדים, ייצאו את שדות הווקטורים של ה-UCV מתוכנת DAVO כקבצי txt.כדי לבצע זאת, תחת ענף תמונת ה-JPEG במסך הפרויקט, בחרו בענף ה-vector displacement. בסרגל הכלים, בחרו בלשונית ה-export. בחרו את סוג הקובץ.בקש קובץ txt. בחר ביצירת תיקיית ייצוא ובצע ייצוא. לאחר מכן, פתח את הקובץ ב-MATLAB על ידי הרצת סקריפט ה-MATLAB.שדות הווקטורים המיוצאים נקראים B-X-X-X-X-X.txt, כאשר X מייצג מספר העולה מאחד עד 99,999. כל קובץ מכיל ארבע עמודות נתונים, אותן ניתן לצפות באמצעות פנקס רשימות (notepad): ראשית, מיקום X של הווקטור בתמונה; שנית, מיקום Y של הווקטור בתמונה; שלישית, רכיב X של ההעתקה או העתקה לאורך הזרימה; ורביעית, רכיב y של ההעתקה, המתאר את ההעתקה הניצבת לקיר. כדי לחשב את שדה וקטור המהירות U כפונקציה של X ו-Y, כאשר X ו-Y מתאימים לקואורדינטות מרחביות בתמונת האולטרסאונד, יש להמיר תחילה את שדה ההעתקה D של X ו-Y הנמדד בפיקסלים לשדה העתקה הנמדד במטרים, באמצעות פרמטר קנה המידה של התמונה M הניתן ביחידות של מטר לפיקסל.בשלב הבא, שדה ההעתקה מחולק בהפרדה הזמנית בין התמונות המתוקנת לסריקה delta T, כאשר delta T שווה לواحد חלקי קצב הפריימים שניתן בפריימים לשנייה, בתוספת שדה ההעתקה חלקי הזמן שלוקח לתמונת האולטרסאונד לסרוק את רוחב התמונה. לסיכום, U של X ו-Y שווה ל-M כפול D של X ו-Y חלקי delta T. קובץ DICOM מאחסן מטבעו מבנה קבצים המספק את המידע הדרוש לחישוב פרמטר קנה המידה של התמונה M וההפרדה הזמנית המתוקנת לסריקה Delta T במחקר הנוכחי M שווה ל-77 microns per pixel, FPS שווה ל-49.5 ו-B שווה ל-25, 047 pixels per second.לבסוף, חשבו שדות וקטורי מהירות ממוצעים של המערך (ensemble average velocity vector fields) לצד פרופילים נורמליים של מהירות ממוצעת וכל כמות זרימה אחרת שמעניינת את החוקר. כדי להדגים את התועלת של EPIV ולהעריך את אי-הוודאות במדידה, נרכשו שדות מהירות רגעיים דו-ממדיים של זרימה למינרית בצינור כפי שמתואר בסרטון זה; תרשים וקטורים רגעי זה מציג וקטורי מהירות בכל עמודה רביעית, ומפת קווי המתאר של צבע הרקע תואמת את גודל המהירות. המיקום המרחבי הדו-ממדי של וקטור המהירות מסומן על ידי D over D ו-X over D, כאשר D הוא המיקום הרדיאלי שנמדד מהדופן העליונה.D הוא קוטר הצינור, ו-X הוא המיקום לאורך הזרימה הנמדד מכניסה לצינור. הצורה הפרבולית הנראית של וקטורי המהירות לאורך העמודות מעידה על כך שהמדידות עקביות עם פרופיל המהירות הצפוי לזרימה בצינור. תרשים הווקטורים הממוצע (ensemble averaged), שחושב על ידי ביצוע ממוצע של 1000 תרשימי וקטורים רגעיים, מספק ייצוג של שדה המהירות הממוצע.פעולה זו תביא גם למיתון של שגיאות רעש אקראיות בשדות הווקטורים הרגעיים. וקטורי המהירות פונים בעיקר בכיוון הזרימה. המהירויות הגבוהות ביותר מופיעות בקו המרכז של הצינור.המהירויות פחתו לאפס בדפנות הצינור והזרימה היא סימטרית בקירוב; פרופיל מהירות הממוצע לאורך ציר הזרימה ברדיוס הצינור, שהתקבל על ידי מיצע של תרשים הווקטורים הממוצע של המדגם לאורך השורות בכיוון האופקי, מוצג כאן. כמו כן מוצג פרופיל המהירות הממוצע הצפוי לזרימה למינרית בצינור, בהתחשב בתנאי הניסוי.ההתאמה בין מדידות ה-EPIV לבין פרופיל ה-higgin pozo הצפוי היא הטובה ביותר בקרבת קו המרכז של הצינור והגרועה ביותר בקרבת דפנות הצינור. ההבדלים הגדולים בקרבת הדופן נובעים ככל הנראה מהחזרה ושבירה חזקות של גלי האולטרסאונד במשטח המעוקל של דופן הצינור, היוצרות עצימויות תמונה גבוהות באזורים אלו; העצימויות הגבוהות בדופן ממסכות את עצימויות החלקיקים, מה שמוביל לשגיאת מדידה. עם פיתוח טכניקה זו, חוקרים הבוחנים דינמיקה של נוזלים במערכות זרימה הנדסיות או ביולוגיות יכולים כעת לרכוש וריאציות מרחביות-זמניות של שדה המהירות בנוזלים אטומים מבחינה אופטית או דרך גיאומטריות אטומות מבחינה אופטית.לאחר צפייה בסרטון זה, תבואו להבנה טובה של אופן הפעולה של EPIV, מגבלותיה, וכיצד לבנות ולהפעיל מערכת EPIV באמצעות מכשיר אולטרסאונד מסחרי.

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

velocimetry תמונת מיקרו חלקיקים (μPIV) משמש כדי לחזות תמונות לזווג של חלקיקי מיקרו נזרעו בזורם דם אשר חוצה קורלציה לתת פרופיל מהירות מדויקת. שיעור גזירה, מהירות המרבית, צורת פרופיל מהירות, וקצב זרימה, כל אחד מהם יש יישומים קליניים, ניתן לגזור ממדידות אלה.

Velocimetry תמונת מיקרו חלקיקים למדידות בפרופיל מהירות של מיקרו זורם דם

הליך ללימוד תזרים חולף ליד הגבולות באמצעות velocimetry ברזולוציה גבוהה, במהירות גבוהה חלקיק תמונה (PIV) מתואר כאן. PIV הוא טכניקת מדידה לא פולשנית ישימה לכל זרימה אופטית נגישה על ידי אופטימיזציה של כמה אילוצי פרמטרים כגון מאפייני התמונה והקלטה, את מאפייני גיליון לייזר, וניתוח אלגוריתמים.

Velocimetry תמונת חלקיקים במהירות גבוהה ליד משטחים

Velocimetry מעקב חלקיקים תלת ממדי (3D-PTV) מערכת המבוססת על מצלמה במהירות גבוהה עם מפצל ארבעה-נוף מתוארת כאן. הטכניקה מוחלת על זרימת סילון מצינור עגול בקרבת עשר בקטרים ​​במורד בבית מספר ריינולדס Re 7,000 ≈.

תלת ממד חלקיקי מעקב velocimetry עבור יישומי Turbulence: מקרה של Jet Flow

שיטה אנלוגי השפעול נגיש עבור לימוד תהליכי hydrodynamic מולקולרית צפופה נוזלים מוצג. הטכניקה משתמשת חלקיקים velocimetry תמונה של ערימות התבואה זז, גבוהה-פיצוי ומאפשר תצפית ישירה, מאקרוסקופית של תהליכים דינמיות ידוע והוא ניבא קיימת אינטראקציה חזקה, גבוהה צפיפות גזים ונוזלים.

טכניקת מאקרוסקופית אנלוגי לימוד תהליכי Hydrodynamic מולקולרית צפופה גזים ונוזלים

בטכניקה המתוארת במסמך זה מציע שיטה זולה ופשוטה יחסית למדוד בו זמנית קינמטיקה של חלקיקים, מערבולת, זורם עם ריכוז נמוך של חלקיקים. המערבולות נמדד באמצעות חלקיקים תמונה velocimetry (PIV), קינמטיקה של חלקיקים מחושבים מתוך תמונות שהושג עם מצלמה במהירות גבוהה ב- חופפים שדה-של-view.

מדידה סימולטני של מערבולת, קינמטיקה של חלקיקים באמצעות זרימת טכניקות הדמיה

כאן אנו מציגים שיטות מפושטת בדיית שקוף נוירו-וסקולריים פאנטום ואפיון הזרימה בו. עלינו להדגיש מספר פרמטרים חשובים, להדגים את הקשר שדה דיוק.

Meso-גודל החלקיקים תמונה Velocimetry מחקרים של נוירו-וסקולריים זורם במבחנה

הפרוטוקול הנוכחי מתאר מדידות velocimetry תמונת חלקיקים (PIV) שבוצעו כדי לחקור את זרימת הסינוסים באמצעות ההתקנה במבחנה של שסתום אבי העורקים transcatheter (TAV). הפרמטרים המודינמיים המבוססים על מהירות נקבעים גם הם.

תמונת חלקיקים Velocimetry חקירה של המודינמיקה באמצעות פנטום אבי העורקים

זיכרון הד השיפוע הוא פרוטוקול לאחסון מצבים קוונטיים אופטיים של אור בהרכבים אטומיים. זיכרון קוונטים הוא מרכיב מפתח של מהדר קוונטים, אשר יכול להאריך את הטווח של הפצת מפתח קוונטים. אנו מתארים את הפעולה של התכנית כאשר מיושמים בהרכב אטומי 3 ברמה.

Gradient Echo קוונטית זיכרון בחם אטומי החמקן

הושגה התקדמות בשימוש ספין הד נפתרה פיזור שכיחות מרעה (SERGIS) כטכניקת פיזור נויטרונים כדי לחקור את קשקשי אורך בדגימות לא סדירות. גבישים של [6,6]-פניל-C61-חומצה בוטירית מתיל אסתר נבדקו בטכניקת SERGIS והתוצאות אושרו על ידי מיקרוסקופיה של כוח אופטי ואטומי.

באמצעות נויטרונים ספין הד נפתרה שכיחות מרעה פיזור לחקור חומרים אורגניים תאים סולאריים

מקדם שבת הוא פרמטר המתאר את אובדן האנרגיה הקינטית במהלך התנגשות. הנה, התקנת נפילה חופשית בתנאי ואקום מפותח כדי להיות מסוגל לקבוע את מקדם פרמטר שבת עבור חלקיקים בטווח מיקרומטר עם מהירויות מרשימות.

פיתוח של התקנה ניסיונית עבור המדידה של מקדם התקומה בתנאי אבק

למד את שיטת EPIV למדידת שדות מהירות דו-ממדיים בזרימת צינור למינרית. השיטה משתמשת בדימות אולטרסאונד ובחלקיקי זכוכית חלולים כסמנים לניתוח הדינמיקה הנוזלית.

הד Velocimetry תמונת חלקיקים

גלה סרטונים נוספים