Kwantitatief meten In situ Stromen met behulp van een self-contained Underwater Velocimetry Apparatus (SCUVA)
31 oktober 2011
Dit protocol bevat instructies over hoe je een self-contained onder water velocimetry apparaten (SCUVA), die is ontworpen voor de kwantificering van de in situ dieren gegenereerde stroom te gebruiken. Daarnaast, dit protocol adressen uitdagingen van de veldomstandigheden, en omvat operator beweging, voorspellen positie van het dier, en oriëntatie van SCUVA.
Het algemene doel van het volgende experiment is het meten van de vloeistofbeweging die wordt veroorzaakt door bewegende of stationaire lichamen in een natuurlijke veldomgeving. Dit wordt bereikt door gebruik te maken van scuba, die door een scuba-duiker binnen veilige duiklimieten wordt ingezet. Eerst identificeert de duiker een doelwit en zwemt er naartoe.
Nadat de apparatuur ten opzichte van het doelwit is uitgelijnd en het laser-sheet is gepositioneerd, schakelt de duiker de verlichting in en start de video-opname om opeenvolgende partikelvelden in de tijd vast te leggen na voltooiing van de duik. Om versnellingsvelden rond een doelwit te verkrijgen, worden de video's gedownload en verwerkt. De resultaten van de analyse worden verkregen, welke de stromingen in de natuurlijke veldomgeving tonen na vloeistofstransport door zwemmende dieren.
Het belangrijkste voordeel van het gebruik van scuba ten opzichte van laboratoriummeettechnieken zoals digitale particle image, FLOS-symmetrie of DPIV, is dat u nu vloeistofbewegingen in een natuurlijke veldomgeving kunt meten. Dit stelt ons in staat om cruciale vragen te beantwoorden in de oceanografie en biologie met betrekking tot de zwemprestaties van dieren, roofdier-prooiinteracties en ecologie. Deze methode kan worden gebruikt om de stroming rond zwemmende dieren, koraalpoliepen of benthische interacties te meten.
Het kan ook worden gebruikt om stromingen rondom door mensen gemaakte structuren te meten. Een visuele demonstratie van deze methode is essentieel, aangezien veldmetingen moeilijk aan te leren zijn en kennis van meettechnieken en ervaring met nachtelijk scubaduiken vereisen. Om met deze procedure te beginnen, dient u een high-definition of HD-opnameband te verkrijgen.
Zorg ervoor dat alle S-scuba-componenten voldoende batterijcapaciteit hebben en correct functioneren. Bereid de behuizingen van de laser en camera voor gebruik door de O-ringgroeven en O-ringen te reinigen met de schone doek of een wisje; breng het door de fabrikant geleverde O-ringvet gelijkmatig aan op de O-ringen en plaats deze terug in de groeven van de behuizing. Reinig daarnaast de openingen van de laser- en camerabehuizing om vervorming van het laserblad en vlekken op de lens van de camerabehuizing te voorkomen.
Bereid vervolgens een druktest voor door wegwerppapierstrips voor vocht in de behuizingen te plaatsen. Controleer de O-ringafdichtingen door de lege behuizingen in een bak met water te plaatsen. Er moeten verzwaarde objecten bovenop de behuizingen worden geplaatst om ze onder te dompelen.
Aangezien de behuizingen na vijf tot 10 minuten gaan drijven wanneer ze leeg zijn, worden de behuizingen uit de bak gehaald en afgedroogd met een handdoek. Droog de buitenkant af. Controleer aan de hand van de vochtigheidsstrips of er vocht in de behuizingen aanwezig is.
Zodra de behuizingen de druktest hebben doorstaan, plaatst u de duikcomponenten in de behuizingen. Bevestig de high-intensity discharge-lampen aan de camerabehuizing. Zorg ervoor dat de lampen zo zijn georiënteerd dat ze het gebied direct voor de camera en de operator verlichten, maar niet hinderen bij het vasthouden van de handvatten en het bedienen van de camerabedieningselementen.
In een omgeving met weinig licht kan een temperatuurgevoelig vel papier worden gebruikt om de oriëntatie van het laserlakenzicht te bepalen. Wanneer de laserstraal correct is uitgelijnd ten opzichte van de optische lens die in de laserbehuizing is geïnstalleerd, creëert de combinatie van laser en lens een verticaal lichtlaken dat loodrecht op de camerabehuizing is georiënteerd. Verbind de laserbehuizing en de camerabehuizing met elkaar met behulp van duikaccessoires en de starre of uitschuifbare arm. Zorg ervoor dat de behuizingen stevig zijn bevestigd en dat de behuizingen niet ten opzichte van elkaar kunnen roteren.
Het is van essentieel belang dat het laserblad loodrecht op het gezichtsveld van de camera blijft georiënteerd. Vanwege de huidige mogelijkheden van scuba-metingen kunnen duiken alleen worden uitgevoerd op locaties met weinig licht of 's nachts om interferentie van natuurlijk licht met het laserlicht te voorkomen. Daarom wordt aanbevolen om te wachten tot de schemering of later voordat men het water betreedt.
Zet de camerabehuizing aan voordat u het water betreedt. De camerabehuizing is voorzien van een ingebouwde elektronische vochtigheidssensor die visuele waarschuwingen geeft bij vocht in de behuizing. De sensor werkt alleen wanneer de camerabehuizing is ingeschakeld.
De volgende stap is het betreden van het water en het starten van de opstelling van de apparatuur en het experiment, zoals beschreven in het schriftelijke protocol. Zodra de apparatuur is geïnstalleerd, wordt scuba gekalibreerd door een object met bekende afmetingen in het laserlaken vast te leggen. Na de duik kan een kalibratieconstante worden afgeleid om de grootte van het gezichtsveld om te rekenen van pixels naar centimeters zodra er een doelwit is gevonden.
De bulkstroomeigenschappen van het milieu moeten worden bepaald. Indien aanwezig, zal de stroomrichting de positie van de apparatuur en de duiker ten opzichte van het doel bepalen. Tijdens de metingen kan de richting van de bulkstroom rondom het doel worden afgeleid door de door de duiker uitgeademde bellen te observeren en hun zijdelingse beweging te noteren.
Een kleine hoeveelheid fluorescerende kleurstof kan ook worden vrijgelaten om de huidige stroomrichting te bepalen. Aangezien door de duiker gegenereerde stroming een bron van DPIV-meetfouten kan zijn, mag de duiker zich niet stroomopwaarts van de doelpositie bevinden. Het laserlakenvlak wordt parallel aan de stroomrichting geplaatst om de verblijftijd van de deeltjes binnen het laserlakenvlak te maximaliseren en zo DPIV-fouten te minimaliseren.
Positioneer S scuba vervolgens om de vloeistofbewegingen rond een doelwit te verlichten en vast te leggen. Start de opname zodra het doelwit door het gezichtsveld van de camera beweegt; vermijd rotationele bewegingen en bewegingen buiten het vlak tijdens de video-opname. Nadat alle componenten van scuba zijn uitgeschakeld en de laserarm terug is gebracht naar de ingetrokken positie, wordt scuba uit het water gehaald en worden de camera- en laserbehuizingen van de arm losgekoppeld.
Spoel of week het apparaat in schoon water voordat u het droogt om roestvorming te voorkomen. Nadat de behuizingen zijn gedroogd, verwijdert u de componenten uit de behuizingen en laadt u de batterijen op of vervangt u deze indien nodig. Voor een volgende duik verbindt u de videocamera met een computer en extraheert u de video van de HD-band met behulp van een HD-videosoftwarepakket.
Bepaal na de video-extractie welk gedeelte van de video moet worden omgezet in een reeks beelden voor DPIV-analyse. Zorg ervoor dat de pixelbeeldverhoudingen en de afmetingen van de geëxtraheerde beelden overeenkomen met de HD-video-instellingen. Importeer deze beelden vanuit de scuba-kalibratie vóór de duik in het A-D-P-I-V-verwerkingsprogramma.
Voer de kalibratieconstante in en selecteer de parameters voor beeldvastlegging, zoals gevraagd door het DPIV-softwarepakket. Genereer vervolgens de snelheidsvelden op basis van opeenvolgende partikelbeelden. Afhankelijk van de kwaliteit en de typen metingen kunnen aanvullende post-processingstappen worden toegepast wanneer de beeldvorming correct is uitgevoerd.
De partikelbeelden rondom het doelobject moeten scherp en gemakkelijk te onderscheiden zijn, zoals getoond in dit in situ partikelveld rondom aurelia; in combinatie met het softwarepakket A-D-P-I-V worden hier de snelheidsvelden van de stroming rondom het doelobject onthuld. Gele vectoren in het snelheidsveld geven de grootte en richting van de lokale stroomsnelheid aan. Als er voldoende videomateriaal is verzameld om een tijdreeks van beelden te verkrijgen, kan er ook een tijdreeks van snelheidsvelden worden bepaald.
Onjuiste beeldvorming kan leiden tot onduidelijke cju-deeltjesvelden. Hier wordt een deeltjesveld getoond rondom missi. De rode pijl geeft een gebied van hoge reflectiviteit aan, wat resulteert in verzadiging van het beeld, waardoor het moeilijk is om onderscheid te maken tussen de deeltjes en het doelwit.
Een ander voorbeeld van onjuiste beeldvorming is duidelijk in dit partikelveld; de rode pijl geeft een regio van strepen aan die ontstaat wanneer de stroomsnelheid niet met een voldoende hoge frequentie wordt bemonsterd. Zodra men deze procedure beheerst, kunnen de metingen in één tot twee uur worden voltooid, afhankelijk van de duikduur tijdens het toepassen van deze meettechniek. Het is echter essentieel om een juiste neutrale drijfkracht te handhaven en over voldoende kennis van de lokale duikcondities te beschikken voordat men het water betreedt. Vergeet niet dat werken met lasers uiterst gevaarlijk is, dus de juiste voorzorgsmaatregelen, zoals de uitlijning van de laser, moeten altijd worden nageleefd bij het uitvoeren van deze procedure.
Na deze procedure kan MATLAB-nabewerking worden gebruikt om aanvullende vragen te beantwoorden, zoals energetische prestaties en stroomsnelheden.
Overzicht
Dit protocol biedt instructies voor het gebruik van een zelfvoorzienend onderwater-velocimetrie-apparaat (SCUVA) voor het kwantificeren van in situ door dieren gegenereerde stromingen. Het behandelt uitdagingen die ontstaan door veldomstandigheden, waaronder de beweging van de operator, het voorspellen van dierposities en de oriëntatie van de SCUVA.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Oceanografie
- Biologie
- Stromingsleer
Achtergrond
- Het experiment meet vloeistofbewegingen die worden veroorzaakt door bewegende of stationaire lichamen in natuurlijke omgevingen.
- Duikers zetten de SCUVA in om vloeistofdynamica rondom aquatische dieren vast te leggen.
- Deze methode maakt real-time analyse van roofdier-prooi-interacties en ecologische dynamiek mogelijk.
- Veldmetingen zijn uitdagend en vereisen specifieke technieken en ervaring met nachtduiken.
Doel van de studie
- Om de vloeistofstroom rondom zwemmende dieren en koraalpoliepen te meten.
- Om ecologische interacties in natuurlijke omgevingen te beoordelen.
- Om het begrip van de zwemprestaties van dieren te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Voorbereiding van de SCUVA-componenten en druktesten.
- Kalibratie van de apparatus onder omstandigheden met weinig licht.
- Registratie van vloeistofbewegingen met behulp van high-definition video.
- Post-dive analyse van de opgenomen video's voor extractie van het snelheidsveld.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle vastlegging van vloeistofdynamica in een natuurlijke veldomgeving.
- Analyse onthult interacties tussen zwemmende dieren en hun omgeving.
- Aantoonde voordelen van SCUVA ten opzichte van traditionele laboratoriumtechnieken.
Conclusies
- SCUVA biedt een betrouwbare methode voor het bestuderen van fluïdumdynamica in situ.
- Veldmetingen verbeteren het begrip van ecologische en biologische processen.
- Toekomstige toepassingen kunnen studies rondom door mensen gemaakte structuren omvatten.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie
Kwantitatieve in situ flowmeting vult een kritiek gat in de validatie van preklinische modellen door directe observatie van biomechanische interacties in natuurlijke omgevingen mogelijk te maken. Deze capaciteit ondersteunt het mechanistische risico-beheer van therapeutische hypothesen waarbij fluïdumdynamica een rol speelt, zoals bij geneesmiddelentoediening in vasculaire of mucosale systemen. De methode vergroot de voorspellende betrouwbaarheid door reductionistische assays te verbinden met een fysiologisch relevante context.
Strategische toepassingen in biopharma R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om therapeutische hypothesen te onderzoeken met betrekking tot vloeistof-gemedieerde target-interactie in fysiologisch relevante contexten.
- Operationele waarde: Levert empirische gegevens om de mechanica van signaalpaden onder natuurlijke stroomcondities te verduidelijken, waardoor de afhankelijkheid van surrogaat-eindpunten wordt verminderd.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kwantitatieve, ruimtelijk opgeloste snelheidsvelden voor benchmarking van in vitro flow-gebaseerde assays.
- Operationele waarde: Ondersteunt assay-standaardisatie door fysiologisch relevante shear stress-bereiken te definiëren voor compound-screening.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Koppelt in vitro-bevindingen aan in vivo-achtige vloeistofdynamica, waardoor de translationele continuïteit voor targets in luminale of vasculaire compartimenten wordt verbeterd.
- Operationele waarde: Informeert de selectie van preklinische modellen door systemen te identificeren die belangrijke biomechanische kenmerken van de menselijke fysiologie reproduceren.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode past binnen het continuüm van ontdekking door in een vroeg stadium van de doelwitvalidatie biomechanische context te bieden, het ontwerp van assays voor screening te informeren en de selectie van preklinische modellen te ondersteunen via fysiologisch relevante flow-karakterisering.
- Discovery Biology: Verduidelijkt hoe vloeistofkrachten de toegankelijkheid van het doelwit en de bindingskinetiek onder natuurlijke omstandigheden beïnvloeden.
- Screening: Definieert biomechanische parameters voor het ontwerpen van flow-gebaseerde assays die in vivo shear-omgevingen nabootsen.
- Analytics: Levert kwantitatieve vectorvelden die statistische vergelijking van flow-perturbaties over verschillende experimentele condities mogelijk maken.
- Translationeel onderzoek: Ondersteunt continuïteit door preklinische modellen af te stemmen op mens-relevante vloeistofdynamica in doelweefsels.
- Enterprise Reuse: Vertegenwoordigt een draagbare, door duikers bediende capaciteit die toepasbaar is op aquatische en fluidische modelsystemen voor herhaald gebruik in discovery-campagnes.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanistische ambiguïteit in vloeistofafhankelijke biologische processen door directe, kwantitatieve stroomvisualisatie.
- Operationele waarde: Maakt reproduceerbare, in het veld inzetbare metingen mogelijk met gestandaardiseerde kalibratie- en post-processing workflows.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen door het valideren van hypothesen over target engagement onder fysiologisch relevante mechanische omstandigheden.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering van therapieën die gericht zijn op mechanosensitieve paden of vloeistofafhankelijke afgiftesystemen.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in onderwatervideografie, lasersheet-uitlijning en de principes van particle image velocimetry.
- Afhankelijk van high-definition opnamesystemen, laseroptica en gesynchroniseerde beeldvormingshardware voor inzet in het veld.
- Vereist gestandaardiseerde protocollen voor de positionering van de duiker, beoordeling van de omgevingsstroming en oriëntatie van de apparatuur om meetartefacten te minimaliseren.
- Aanpassing aan troebele omgevingen of omgevingen met weinig partikels kan aanvullende seeding vereisen voor betrouwbare velocimetrie.
- Beperkt tot optisch toegankelijke, neutraal drijvende doelwitten in aquatische of fluïdische omgevingen met voldoende zwevende partikels voor tracking.
