Name: エコー粒子画像流速測定法 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-12-27T12:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 31 s
Description: 学ぶエコー粒子画像流速測定法（EPIV）による不透明流体中の二次元速度場計測技術。超音波イメージングとトレーサー粒子を用いて、層流管流れにおける速度分布を可視化・解析する方法です。

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作者は感謝して国立科学財団、CBET0846359、助成モニターホルストヘニング冬でサポートを承諾。

1。測定可能なフローの作成<ol><li> EPIV検証測定はグリセリン水溶液（ - 50％水50％グリセリン）のパイプフローで実証されます。実験装置の概略を図1に示します。 </li><li> 10μmの呼び径を有する中空のガラス球は百万分の約17重量部の濃度で流体に追加されます。中空ガラス球は、超音波造影剤として機能し、その大きさと密度が、彼 ​​らは受動的に流体の流れをたどるように選択される。10 </li><li>固定電圧は、既知の流量を導入するポンプに供給されています。流量はUはパイプ内の平均速度であるU &lt;&lt;ΔX/ΔTは、Δxは EPIV測定体積の直線長さであり、ΔTは、画像間の時間ステップ、 すなわちであるように選択され、流れがある必要が超音波syのFPSに比べて&quot;遅い&quot;ステム。3 </li></ol> 2。超音波のキャリブレーションを<ol><li>外側パイプ壁に超音波探触子をマウントします。水ベースの局所ゲルは、プローブ面と管壁の間に超音波ビームの伝送損失を最小限にするために、超音波プローブに適用されます。 </li><li>超音波マシンをパワーオンします。超音波画像のライブストリームは、すべてのシステムの負荷と自動的に開始されます。 </li><li>超音波マシンのコントロールパネル上の奥行きコントロールノブを使って、イメージの深さを設定します。 </li><li>超音波マシンのコントロールパネルの2Dゲイン·ノブを使用して、画像全体のゲインを設定します。 </li><li>管壁からの散乱を減衰させるために、超音波信号の深関連の減衰を補償するために、 時間ゲイン補正（TGC）スライダを調整します。 </li><li> 画像の幅、フォーカス、プローブ動作周波数 、 フレームレートが割り当て可能なコントロールノブを使って調整されます。これらのコントロールパネルの左上に位置する4つのノブは、システムが実行されているモードに応じて異なります。 2Dモード（現在使用されているように）で、左から右のノブは、それぞれ幅、フォーカス、周波数、フレームレートに対応しています。超音波イメージング9の基本的な原理に起因しが、これら4つのパラメータは、本質的に結合されていることに注意してください。したがって、与えられた超音波画像スキャン（ すなわち 、EPIV実験）のための空間と時間分解能はトレードオフの関係にある。 </li><li> 10μmの中空ガラス球を播種したパイプ流の代表的な超音波像については図2を参照してください。限られた横方向の解像度が原因で、ガラス球が左右方向にまみれて、画像中の楕円のように表示されていることに注意してください。 </li></ol> 3。データ収集<ol><li>新しい実験を開始するために超音波のコントロールパネルの[ 新規試験ボタンを押します。 </li><li>作る姓と名と患者IDのテスト番号で今日の日付でパイプ流を入力して、新しい&quot;患者&quot;。 </li><li> &quot;患者&quot;の作成に続いて1000-1500の画像間の予め設定された最大に達するまで、超音波スキャンが開始され、新しいスキャンループが開始された後。超音波制御パネル上のフリーズボタンを 2回押すと、画像の最大プリセット数に到達する前にいつでもスキャンを再開します。 </li><li>超音波画像の良いセット（ すなわち 、シャープシード粒子画像と十分なシード粒子密度）を取得した後、画像の集録を停止するには、超音波のコントロールパネルのFREEZEボタンを押してください。 </li><li>超音波のコントロールパネルのシネループボタンを押します。セット内の最初の画像を選択するために超音波のコントロールパネル上の最初のサイクル·ノブを使用して分析される超音波画像のセット、および選択するための最終サイクルのノブを選択セット内の最後の画像。 </li><li>超音波画像の選択されたセットを保存するために超音波のコントロールパネルのイメージStoreボタンを押します。 </li><li>超音波のコントロールパネルの[アーカイブ]ボタンを押して、 終了試験を選択するには、マウスカーソルを使用します。これにより、ユーザーはローカルのハードドライブに保存する画像やcineloopsを選択するようにプロンプ​​トが表示されます。興味のあるシネ（複数可）を選択し、次に試験を終了します。 </li><li>超音波のコントロールパネルの[アーカイブ]ボタンを押して、最初の[詳細]を選択し 、[ ディスクの管理を選択するには、マウスカーソルを使用します。ディスク管理では、PIVソフトウェアを実行しているPCに保存されてシネ（s）を転送します。 </li></ol> 4。ファイルタイプを変換する<ol><li>超音波画像は、超音波マシン上薬（DICOM）のファイル·タイプのデジタル·イメージング·コミュニケーションとして格納されます。開かおよびPIVソフトウェアによって読み取られるようにするために、DICOMファイルを画像ファイルに変換する必要があります。現在、Matlabのスクリプト実行DICOM2JPG.mは DICOMファイルジェイペグ（JPEG）ファイルタイプに変換するために使用されています。 </li><li> JPEGの超音波画像は、その後LaVisionからDAVISソフトウェアを用いて分析する。 </li></ol> 5。 D（x、y）はデービスを使用して、変位場を計算する<ol><li>ダブルマウスは、PC上でデービスのアイコンをクリックしてください。 [新しいプロジェクト]を選択します。 PIVを選択します。 </li><li>ツールバーのイメージのインポートを選択し、 番号付きファイルを経由してインポート]を選択します。プルダウンメニューで、JPEGの超音波画像が保存されているフォルダを探して、ダブルセットの最初の画像をクリックします。これは、このセット内のすべての番号が付けられた超音波画像をインポートします。 </li><li>典型的には、画像マスクを処理する超音波画像における関心領域（ROI）を単離するために定義されます。パイプ流の場合、マスクはパイプ壁（ すなわち 、流体）の間のROIを定義するために使用されます。 </li><li>デイビスのメインコントロールパネルに移動し、インポートされた画像を含む現在のプロジェクトの下に配置]タブを選択し、タブのラベルの付いたバッチ処理を選択します 。これはインポートされた超音波画像のバッチ処理のためデイビスのベクトル処理ウィンドウを有効にします。 </li><li>操作リストから、PIV-時系列ツリーを使用して、 ベクトル計算のパラメータを選択して 、ベクトル処理に使用するパラメータを選択します。マスクを使用する場合は、ボックスのデータ範囲を確認する=ベクトル計算パラメータメニューでマスクされた領域を使用します 。 ベクトル演算パラメータの最適な選択が流動形状、流動特性、画像解像度、トレーサー粒子の密度、および所望の定量的なフロー分析に依存していることに注意してください。10 パイプ流測定では、通常、最良の結果が得られているパラメータは32×32ピクセルの2から8にxの減少尋問サイズでマルチアール50％のオーバーラップで8画素2、。相対ベクトルの範囲の制限はすべて±（ウィンドウサイズ/ 2）と絶対値ベクトル範囲の制限が±5ピクセルに設定されていたに設定されていました。最後に、3×3pixel 2メディアンフィルタは、ノイズを抑制し、ベクトル場を滑らかにするために使用されていました。 </li><li> バッチ処理の画面の左側に、処理すべき画像の合計金額を選択して、 起動処理を選択します 。これは、相互相関アルゴリズムを使用して連続した超音波画像との間で、A、D（x、y）を変位場を計算します。 </li></ol> 6。ベクトル場の分析<ol><li>後処理とデータ解析のために、EPIVベクトルフィールドがtxtファイルとしてデイビスからエクスポートされます。これは、プロジェクト画面でJPEG画像の分岐の下ベクトル変位の分岐を選択することによって達成される。ツールバーで、[エクスポート]タブを選択し、ファイルタイプがASCIIを選択します。txtを選択して、/ exportフォルダを作成し、dは、[エクスポート]を選択します 。 </li><li>エクスポートされたベクトル場はBxxxxx.txt、Bはバッファを表すと00001≤≤99999 xxxxxは、名前が付けられています。各ファイルには、4つのデータ列が含まれます。画像内のベクトルの（1）のx位置、画像内のベクトルの（2）のy位置を、（3）変位のx成分（ すなわち流れの変位）、（4）変位のy成分（ すなわち 、壁垂直変位）。 Bxxxxx.txtファイルは、最初の画像のペアの間の時間ステップを知ることは、ΔT[s]とし、画像の倍率は、M [メートル/ピクセル]、 すなわちU（X、yで、速度場を計算するために、MATLABで開かれ、処理され）= MDの（x、y）/ΔTは 、。画像間の時間ステップΔT= 1/fps + D（x、y）はA / B、Bは [ピクセル/ s]は、超音波探触子がイメージの幅を横切って掃引するのにかかる時間である。本研究では、M = 77〔μm/ pixel]で、FPS = 49.5 [1 / s]とし、B = 25047 [画素/秒]。次に、ensem関心のある他のフロー量のうちBLE平均速度ベクトル場は、平均速度の壁垂直プロファイルは、計算されます。 （セクション描写結果を参照してください。） </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>

著者らは、開示することは何もない。

光学的に不透明な流体中または光学的に不透明なジオメトリを通じ、速度の2次元フィールドを取得することが可能なエコー粒子画像流速（EPIV）システムの動作プロトコルが記述されていた。 EPIVの実用化は不透明な流体の流れは非常に多くのアプリケーションで発生した産業やバイオフローシステムの研究に適しています。ここに提示され、特定のシステムを意図的にリグノセルロース系エタノールの生産に使用される液化バイオマス流体の流動特性を研究するために建てられました。 EPIVの機能は、パイプ流の代表的な測定値を用いて実証された。具体的には、平均と実効速度プロファイルはEPIVベクトル場から計算した、ハーゲン·ポアズイユ（層）パイプ流は、測定、定量化することが示された。 EPIVの限界は、本質的に低いフレームレート（市販の超音波システムのイメージング機能によって制限される）と低空間分解能、whicアールhは速度、測定することができる一時的な流動挙動の範囲を制限します。我々は記事自己完結型を作るために努力してきたが最後に、商業超音波マシン7およびPIVソフトウェア8のユーザーマニュアルは、完全を期すために相談されるべ...

<table border="1"><tbody><tr><td>試薬の名称</td><td>会社</td><td>カタログ番号</td><td>コメント（オプション） </td></tr><tr><td>超音波装置</td><td> GE </td><td>鮮やかな7 Proの</td><td></td></tr><tr><td>リニア超音波アレイ</td><td> GE </td><td> 10リットル</td><td></td></tr><tr><td> DCの水ポンプ</td><td> KNF </td><td> NF 10 KPDC </td><td></td></tr><tr><td>ベクトル処理ソフトウェア</td><td> Lavision </td><td>デイビス7.2 </td><td></td></tr><tr><td>処理ソフトウェアを投稿</td><td> Mathworks社</td><td> MATLAB 7.12 </td><td></td></tr><tr><td>アクリルチューブ</td><td>マクマスター·カーR </td><td> 8486K531 </td><td></td></tr><tr><td>超音波ゲル</td><td>パーカー</td><td> Aquasonic 100 </td><td></td></tr></tbody></table>

エコー粒子画像流速測定法

Echo Particle Image Velocimetry

流体の流れの質量、運動量、エネルギーの輸送、最終的に流体速度場の時空間分布によって決定されます。1したがって、理解のための前提条件、予測、および流体の流れを制御することにより、十分な空間と速度場を測定するための機能であり、時間分解能2速度測定のために光学的に不透明な流体中または光学的に不透明なジオメトリを通じ、エコー粒子画像流速（EPIV）は速度の&quot;瞬間&quot;二次元のフィールドを生成するための魅力的な診断手法です。これで3,4,5,6紙、ハーゲン·ポアズイユのオペレーティングソフトウェア8が記載されている商業用粒子画像流速測定法（PIV）を実行しているPCと、商業、医療用超音波マシン7を統合することによって構築EPIVシステムのプロトコル、および検証の測定（ すなわち 、層流管）流れが報告されている。 EPIVメジャーのメンツ、医療用超音波マシンに接続されているフェーズドアレイプローブは、異なる時間に圧電プローブ要素にパルスを与えることにより、二次元超音波画像を生成するために使用されます。各プローブ要素には、流体中に超音波パルスを送信し、流体（天然またはシードのいずれか）のトレーサー粒子はバック彼らが記録されているプローブに超音波エコーを反映しています。伝送に対する反射超音波とその時間遅延の振幅は、Bモード（輝度モード）は、2次元超音波画像と呼ばれるものを作成するために使用されます。具体的には、時間遅延は、流体中の散乱体の位置を決定するために使用されており、振幅は散乱体に強度を割り当てるために使用されます。シングルBモード画像tを得るために必要な時間は、それはフェイズドアレイ探触子のすべての要素をパルス化するのに要する時間によって決定される。複数のBモード画像を取得するため、秒あたりのフレーム数でシステムのフレームレート（fps）= 1 /＆ドLTA;トン。 （超音波イメージングのレビューのために9を参照）。 典型的なEPIV実験では、フレームレートがフローの状態に応じて、20〜60 fpsの間にあり、フロー内のトレーサー粒子の空間分布の100から1000 Bモード画像が取得される。一旦獲得されると、Bモード超音波画像は、PIV商用ソフトウェアを実行しているPCへのイーサネット接続を介して転送されます。 PIVソフトウェア、トレーサ粒子の変位場は、D（x、y）を [ピクセル]を使用することで、（ここで、xとyはそれぞれ、超音波画像の水平方向と垂直方向の空間的な位置を示す）連続超音波に相互相関アルゴリズムを適用することによって取得され、B-モード画像10速度場は、u（x、y）は [m / s]と、画像のペアの間の時間ステップを知っているので、変位フィールドから決定され、ΔT[s]とし、画像の倍率は、M [メートル/ピクセル]、 すなわち、U（x、y）は = MDの（x、y）/ΔT。タイムステップbetween画像ΔT= 1/fps + D（x、y）はA / B、Bは [ピクセル/ s]は、超音波探触子がイメージの幅を横切って掃引するのにかかる時間である。本研究では、M = 77〔μm/ pixel]で、FPS = 49.5 [1 / s]とし、B = 25047 [画素/秒]。一旦獲得されると、速度場は、関心のある流れの数量を計算するために分析することができます。

瞬時エコー粒子画像流速（EPIV）ベクトル場を図3に示します。ベクトルプロットは、すべての4番目の列の速度ベクトルを示しており、背景色コンターマップは速度の大きさに対応しています。 1000年瞬時EPIVベクトルプロットにわたって平均アンサンブル平均ベクトルプロットを図4に示します。パイプ流と一致して、速度ベクトルは、流れ方向に主に、最大速度はパイプの中心線で発生し、速度は管壁でゼロに減少する。二乗平均平方根（rms）の速度の大きさの変動を図5に示します。ハーゲン·ポアズイユ流れの中で、実効速度は、ゼロでなければなりませんので、非ゼロの実効速度はEPIV測定におけるノイズを測定する方法を提供します高い画像を生成管壁からの超音波ビームの強い反射と屈折から上壁結果に近い高実効値iこの地域でntensitiesます（ 図2を参照）。測定誤差につながる壁の不明瞭な粒子強度の近くにこれらの高強度。行に沿っアンサンブル平均ベクトルプロット（水平方向）を平均化することによって計算された意地悪な流れ方向速度の壁垂直プロ...

光学的に不透明な流体中または光学的に不透明なジオメトリを通じ、速度の2次元フィールドを取得することが可能なエコー粒子画像流速（EPIV）システムが記載されており、パイプフローの検証測定が報告されています。

流体流れにおける質量、運動量、およびエネルギーの輸送は、最終的に流体速度場の時空間分布によって決定されます。1 ...

この実験の目的は、層流管路流として知られるハーゲン・ポアズイユ流れにおける、2次元の瞬時速度場を取得することです。水とグリセリンを50:50で混合した再循環管路流を用い、エコー粒子画像流速計（E-PIV）による検証測定を実演します。本実験で使用する管路流システムでは、水槽ポンプによって維持される一定の圧力水頭を利用して流れを駆動させています。フェーズドアレイ超音波プローブを流路システムの管壁に取り付け、Bモード超音波画像をストリーミングします。流体には、流れの動きに忠実に追従する中空ガラス球またはトレーサー粒子を混入させます。その後、超音波画像を取得してPCに転送し、市販の粒子画像流速計（PIV）ソフトウェアと互換性のある画像形式に変換します。連続する超音波Bモード画像に相互相関アルゴリズムを適用し、速度の2次元場を算出します。最終的に、これらのベクトル場を解析して、アンサンブル平均せん断応力や渦度などの関心のある流れの量を計算します。この手法は基礎的な流体力学への洞察を提供できるだけでなく、動脈流や心室内流などの生物医学的アプリケーションを含む、実際の流体システムにおいてもしばしば利用されています。液状バイオマスおよび流体を用いた現在進行中の実験において、私たちはこの手法に関心を抱きました。EP IV システムをセットアップするには、まずポンプの電源を入れます。これにより、再循環パイプ内の流れが一定速度で開始されます。次に、超音波プローブに水溶性の外用ジェルを塗布します。このジェルにより、プローブの表面とパイプの間での超音波ビームの伝達損失が最小限に抑えられます。その後、管壁貫通フィッティングを備えた専用のプローブマウントを使用して、超音波プローブをパイプの外壁に取り付け、超音波診断装置の電源を入れます。すべてのシステムがロードされると、超音波画面に画像のライブストリームが表示されます。EPIV測定を行うためのリニアプローブのデフォルト設定は2Dモードです。まず、フローシステムに添加した際の最終濃度が約17 weight parts per millionになるように、公称10 micrometerの中空ガラスビーズの適切な乾燥重量を量り取ります。次に、槽から一定量の液体を抽出し、そこに粒子を加えて高濃度粒子溶液を作成します。この粒子は、流路システムに導入されることで、超音波造影剤またはトレーサー粒子として機能します。高濃度粒子溶液を水槽内で撹拌し、再循環パイプ流路システムに添加してください。その後、ガラス球を超音波モニターで観察することができます。数分後には、ガラス球がシステム全体に均一に分散します。そのため、本手順において最も困難な点の一つは、鮮明で高解像度の超音波画像を得ることです。これらの画像の画質を最大限に高めるため、流速の事前推定に基づいて、ゲ

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