Echo Particle Image Velocimetry

L'obiettivo di questo esperimento è quello di acquisire campi di velocità istantanei bidimensionali nel flusso di Hagen Zoi, noto anche come flusso laminare del tubo. Utilizzando l'immagine delle particelle eco, la simmetria LOC o la convalida E-P-I-V-E-P-I-V, le misurazioni sono dimostrate in un flusso di tubo di ricircolo di una miscela 50 50 di acqua e glicerina. Il sistema di flusso del tubo utilizzato qui impiega una prevalenza di pressione costante mantenuta da una pompa dell'acquario per azionare il flusso.

Una sonda ecografica phased array è montata sulla parete del tubo del sistema di flusso e le immagini ecografiche in modalità B vengono trasmesse in streaming. Il fluido è alloggiato con sfere cave di vetro o particelle traccianti che seguono fedelmente i movimenti del flusso. Le immagini ecografiche vengono quindi acquisite, trasferite su un PC e convertite in un formato di immagine compatibile con il software di simmetria VELOC per immagini di particelle commerciali.

Gli algoritmi di correlazione incrociata vengono applicati alle immagini successive in modalità B degli ultrasuoni per calcolare i campi di velocità bidimensionali. In definitiva, i campi vettoriali vengono analizzati per calcolare le quantità di flusso di interesse, come la sollecitazione media dell'insieme e la vorticità. Sebbene questa tecnica possa fornire informazioni sulla fluidodinamica di base, può essere ed è spesso utilizzata in sistemi di flusso pratici, comprese le applicazioni biomediche, ad esempio i flussi arteriosi o interventricolari.

I nostri continui esperimenti con biomassa liquefatta e fluidi sono ciò che ci ha interessato a questa tecnica. Per configurare il sistema EP IV, iniziare accendendo le pompe. In questo modo il flusso del tubo di ricircolo avvierà a una velocità costante.

Quindi, applicare un gel topico a base d'acqua sulla sonda a ultrasuoni. Il gel riduce al minimo la perdita di trasmissione del fascio di ultrasuoni tra la faccia della sonda e il tubo. Quindi, utilizzando un supporto per sonda appositamente costruito con raccordi per tubi a parete passante, collegare la sonda a ultrasuoni all'alimentazione della parete esterna del tubo della macchina a ultrasuoni.

Una volta caricati tutti i sistemi, sullo schermo dell'ecografia verrà visualizzato un flusso live di immagini. La modalità 2D è l'impostazione predefinita per la sonda lineare per acquisire le misurazioni EPIV. Innanzitutto, misurare il peso secco appropriato di sfere di vetro cave nominali da 10 micrometri in modo che la loro concentrazione finale, quando vengono aggiunte al sistema di flusso, sia di circa 17 parti di peso per milione.

Quindi, estrarre un volume di fluido dalla bacinella e aggiungere le particelle al fluido per formare una soluzione di particelle concentrata. Le particelle, una volta aggiunte al sistema di flusso, fungeranno da agenti di contrasto a ultrasuoni o particelle traccianti. Aggiungere la soluzione di particelle concentrate al sistema di flusso del tubo di ricircolo mescolandola nelle vasche dell'acqua.

Le sfere di vetro possono quindi essere visualizzate sul monitor a ultrasuoni. Dopo alcuni minuti, le sfere di vetro saranno distribuite uniformemente in tutto il sistema, quindi una delle parti più difficili di questa procedura è ottenere immagini ecografiche chiare ad alta risoluzione. Al fine di massimizzare la qualità di queste immagini, regoliamo i punti focali di guadagno e la gamma dinamica in base a stime a priori della velocità del flusso.

Ottimizziamo ulteriormente questi parametri al volo analizzando le immagini ecografiche. Utilizzare la manopola di controllo della profondità sul pannello di controllo dell'ecografo per impostare la profondità dell'immagine a tre centimetri. Quindi, utilizzando la manopola del guadagno 2D, regolare il guadagno totale dell'immagine per aumentare la luminosità dell'immagine in modo che le particelle di semi siano chiaramente visibili nel quadro strumenti.

Regolare i cursori di compensazione del guadagno di tempo per attenuare la dispersione dalle pareti del tubo e per compensare l'attenuazione del segnale ultrasonico correlata alla profondità. In questo modo verrà rimossa l'immagine in eccesso nella parte superiore e inferiore delle pareti del tubo in modalità 2D. Le manopole sulla parte superiore del pannello di controllo da sinistra a destra corrispondono alla larghezza, alla frequenza di messa a fuoco e alla frequenza dei fotogrammi.

Utilizzare queste manopole per regolare ulteriormente l'immagine e ottenere la massima risoluzione fisica, frequenza e frequenza dei fotogrammi possibili per l'analisi. Quindi regolare la frequenza operativa della sonda a 10 megahertz e impostare la frequenza dei fotogrammi a 49,5 fotogrammi al secondo. Si noti che questi quattro parametri sono intrinsecamente accoppiati.

Di conseguenza, per una data ecografia, esiste un compromesso tra risoluzione spaziale e temporale. A causa della limitata risoluzione laterale, le sfere di vetro saranno spalmate in direzione laterale e appariranno come ellissoidi nell'immagine. Una volta ottimizzati i parametri, è il momento di raccogliere i dati sul pannello di controllo ad ultrasuoni sullo strumento.

Premi il pulsante del nuovo esame per iniziare un nuovo esperimento. Sotto paziente. Immettere il flusso di tubazioni come cognome e la data come nome.

Inserire il numero del test nel campo ID paziente. L'ecografia inizierà quindi automaticamente quando viene raggiunto il massimo preimpostato da 1000 a 1.500 immagini. Un nuovo ciclo di scansione inizia mentre la scansione continua.

Apportare modifiche ai parametri di imaging fino a quando la particella seme non è nitidamente a fuoco con circa 10 particelle per area di interrogazione. Per riavviare il ciclo di registrazione della scansione, premere il pulsante di blocco sul pannello di controllo degli ultrasuoni. Una volta acquisito un numero sufficiente di immagini ideali, premere il pulsante di congelamento.

Quindi, premere il pulsante C loop sul pannello di controllo degli ultrasuoni. Selezionare tutte le immagini per includere tutte le immagini ecografiche nel set di analisi. Una volta selezionate le immagini per l'analisi, premere il pulsante Memorizza immagini per salvare il set selezionato di immagini ecografiche.

Una volta salvate le immagini, premere il pulsante di archiviazione sul pannello di controllo degli ultrasuoni. Quando richiesto, selezionare il ciclo syn di interesse dalla piccola finestra da salvare sul disco rigido locale. Quindi utilizzare il cursore del mouse per selezionare Termina esame.

Premere il pulsante di archiviazione e utilizzare il cursore del mouse per selezionare prima altro e quindi selezionare Gestione disco. Questo trasferirà il ciclo o i cicli cilindrici salvati al PC che esegue il software di simmetria della velocità dell'immagine della particella o PIV. Una volta acquisite e salvate le immagini, l'immagine ecografica deve essere convertita da un file di comunicazione di imaging digitale in medicina o DICOM a un gruppo di esperti fotografici congiunto o a un file di immagini JPEG per l'analisi.

Utilizza uno script MATLAB che esegue DICOM in jpeg dot m per convertire i file DICOM in JPEG. Questo script è stato realizzato internamente e può essere ottenuto per scopi didattici dall'indirizzo web mostrato qui. Una volta convertito il file, apri il software Davi da Law Vision nel software.

Fare doppio clic sull'icona del davi, selezionare nuovo progetto, quindi selezionare PIV. Nella barra degli strumenti, seleziona Importa immagini e scegli Importa tramite file numerati. Quindi, nel menu a discesa, individuare la cartella in cui sono memorizzate le immagini dell'ecografia JPEG e fare doppio clic sulla prima immagine del set.

In questo modo verranno importate tutte le immagini ecografiche in questo set numerato per definire una regione di interesse per l'analisi che include solo il fluido. Applicare una maschera per creare la maschera, inserire le coordinate, un'area rettangolare utilizzando due punti di coordinate x e y in base alle informazioni del file DICOM e alla conoscenza delle dimensioni dei pixel. Successivamente, nel pannello di controllo principale di dvu, fare clic sulla scheda situata sotto il progetto corrente contenente le immagini importate.

Selezionare la tabella con l'etichetta elaborazione batch. Ciò abilita la finestra di elaborazione vettoriale di Davi per l'elaborazione batch dall'elenco delle operazioni utilizzando l'albero delle serie temporali PIV più PIV, selezionare i parametri di calcolo vettoriale e scegliere il multipass con una dimensione di interrogazione decrescente di 64 pixel per 64 pixel a 12 pixel per 12 pixel con una sovrapposizione del 50%Impostare la restrizione dell'intervallo vettoriale relativo su tutti e quindi la restrizione assoluta dell'intervallo vettoriale su cinque pixel. Quindi applica un filtro mediano per sopprimere il rumore e attenuare i campi vettoriali.

Successivamente, per l'elaborazione vettoriale, selezionare la casella intervallo di dati uguale a usa area mascherata nel menu dei parametri di calcolo vettoriale. Si noti che la selezione ottimale dei parametri di calcolo vettoriale dipende dalla geometria del flusso, dalle proprietà del flusso, dalla risoluzione dell'immagine, dalla densità delle particelle traccianti e dall'analisi quantitativa del flusso desiderata. Una volta impostati tutti i parametri desiderati a sinistra della schermata di elaborazione batch, selezionare il numero totale di immagini da elaborare.

Fare clic su avvia elaborazione. Questo calcolerà il campo di spostamento tra immagini ecografiche successive utilizzando algoritmi di correlazione incrociata. Per analizzare i dati elaborati, esportare i campi vettoriali UCV da DAVO come file txt.

Per fare ciò nel ramo dell'immagine JPEG nella schermata del progetto, selezionare il ramo di spostamento vettoriale. Nella barra degli strumenti, seleziona la scheda Esporta. Seleziona il tipo di file.

Chiedi e txt. Scegli Crea una cartella di esportazione e seleziona Esporta. Quindi, apri il file in MATLAB eseguendo lo script MATLAB.

I campi vettoriali esportati sono denominati B-X-X-X-X-X do TXT dove X rappresenta un numero crescente da uno a 99, 999. Ogni file contiene quattro colonne di dati, che possono essere visualizzate utilizzando il blocco note: una posizione x del vettore nell'immagine, due posizioni Y del vettore nell'immagine, tre componenti X dello spostamento o spostamento del flusso e quattro componenti y dello spostamento, che descrive il muro. Spostamento normale utilizzato per calcolare il campo vettoriale di velocità U in funzione di X e Y, dove X e Y corrispondono alle coordinate spaziali nell'immagine ecografica, questo viene fatto convertendo prima il campo di spostamento D di X e Y misurato in pixel in un campo di spostamento misurato in metri utilizzando il parametro di scala dell'immagine M dato in unità di metro su pixel.

Successivamente, il campo di spostamento viene diviso per la separazione temporale corretta per lo sweep tra le immagini delta T, dove il delta T è uguale a uno sulla frequenza dei fotogrammi espressa in fotogrammi al secondo, più il campo di spostamento diviso per il tempo impiegato dall'immagine a ultrasuoni per scorrere la larghezza dell'immagine. In sintesi, U di X e Y è uguale a M per D di X e Y diviso per delta T.DICOM memorizza intrinsecamente una struttura di file che fornisce le informazioni necessarie per calcolare il parametro di ridimensionamento dell'immagine M e la separazione temporale corretta per lo sweep. Delta T nel presente studio, M equivale a 77 micron per pixel, FPS equivale a 49,5 e B equivale a 25.047 pixel al secondo.

Infine, calcola i campi vettoriali di velocità media dell'ensemble mentre i profili normali della velocità media e qualsiasi altra quantità di flusso di interesse. Per dimostrare l'utilità dell'EPIV e per valutare l'incertezza della misura, sono stati acquisiti campi bidimensionali istantanei di velocità e flusso laminare del tubo come descritto in questo video, questo grafico vettoriale istantaneo mostra i vettori di velocità ogni quarta colonna e la mappa del contorno del colore di sfondo corrisponde all'ampiezza della velocità. La posizione spaziale bidimensionale del vettore di velocità è indicata da D su D e X su D, dove D è la posizione radiale misurata dalla parete superiore.

D è il diametro del tubo e X è la posizione del flusso misurata dall'ingresso del tubo. La forma parabolica apparente dei vettori di velocità lungo le colonne indica che le misurazioni sono coerenti con il profilo di velocità previsto per il flusso del tubo. Il grafico vettoriale medio d'insieme calcolato calcolando la media di oltre 1000 grafici vettoriali istantanei fornisce una rappresentazione del campo di velocità media.

Farà anche la media degli errori di rumore casuali nei campi vettoriali istantanei. I vettori di velocità sono principalmente nella direzione del flusso. Le velocità maggiori si verificano in corrispondenza della linea centrale del tubo.

Le velocità sono diminuite a zero alle pareti del tubo e il flusso è approssimativamente simmetrico, il profilo di velocità media del flusso lungo il raggio del tubo ottenuto facendo la media del grafico vettoriale medio dell'ensemble lungo le file in direzione orizzontale è mostrato qui. Viene inoltre mostrato il profilo di velocità media previsto per il flusso di tubi laminari. Date le condizioni sperimentali.

L'accordo tra le misurazioni EPIV e il profilo higgin pozo previsto è migliore vicino alla linea centrale del tubo e peggiore vicino alle pareti del tubo. Le grandi differenze vicino alla parete sono probabilmente dovute alla forte riflessione e rifrazione delle onde ultrasoniche sulla superficie curva della parete del tubo che producono elevate intensità dell'immagine in queste regioni, le alte intensità sulla parete oscurano le intensità delle particelle che portano all'errore di misurazione. Con lo sviluppo di questa tecnica, i ricercatori che studiano la fluidodinamica in sistemi di flusso ingegnerizzati o biologici possono ora acquisire variazioni temporali spaziali del campo di velocità in fluidi otticamente opachi o attraverso geometrie otticamente opache.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come funziona l'EPIV, dei suoi limiti e di come costruire e far funzionare un sistema EPIV utilizzando un ecografo commerciale.