Echo Particle Image Velocimetry
December 27th, 2012
Een echo particle image velocimetry (EPIV) systeem dat in staat de overname van twee-dimensionale velden van snelheid in optisch ondoorzichtige vloeistoffen of via optisch ondoorzichtige geometrieën wordt beschreven, en validatie metingen in pijpstroming worden gerapporteerd.
Het doel van dit experiment is om tweedimensionale, instantane snelheidsvelden in Hagen Zoi-stroom, ook bekend als gelaagd buisstroming, te verwerven. Met behulp van echo-deeltjebeeld-LOC-symmetrie of E-P-I-V-E-P-I-V-validatiemetingen worden demonstraties getoond in een recirculerende buisstroom van een 50-50 mengsel van water en glycerine. Het buisstromingssysteem dat hier wordt gebruikt, gebruikt een constante drukkop die wordt onderhouden door een aquariumpomp om de stroming aan te drijven.
Een phased array-echografiesonde wordt gemonteerd op de buiswand van het stromingssysteem en B-modus echografiebeelden worden gestreamd. Het vloeistof is gevuld met holle glazen bollen of tracerdeeltjes die de bewegingen van de stroming getrouw volgen. Echografiebeelden worden vervolgens verkregen, overgebracht naar een pc en omgezet in een afbeeldingsformaat dat compatibel is met de commerciële deeltjesbeeldsnelheidssymmetriesoftware.
Kruiscorrelatiealgoritmen worden toegepast op opeenvolgende echografie B-modus-beelden om tweedimensionale snelheidsvelden te berekenen. Uiteindelijk worden de vectorvelden geanalyseerd om stromingshoeveelheden van belang te berekenen, zoals gemiddelde doorsnedebelasting en voortsnelheid. Hoewel deze techniek inzicht kan geven in basisvloeistofdynamica, kan en wordt deze vaak gebruikt in praktische stromingssystemen, inclusief biomedische toepassingen, bijvoorbeeld arteriële of interventriculaire stromingen.
Onze lopende experimenten met vloeibare biomassa en vloeistof hebben ons geïnteresseerd in deze techniek. Om het EP IV-systeem op te zetten, begint u met het inschakelen van de pompen. Dit start de recirculerende buisstroom met een constante snelheid.
Vervolgens brengt u een op water gebaseerd topisch gel aan op de echografiesonde. De gel minimaliseert verlies van transmissie van de echografiestraal tussen het gezicht van de sonde en de buis. Gebruik vervolgens een speciaal geconstrueerd sondehouder met door de wand lopende buisfittingen om de echografiesonde aan de buitenwand van de buis te bevestigen en schakel de echografiemachine in.
Zodra alle systemen zijn geladen, verschijnt er een live stream van beelden op het echografiescherm. 2D-modus is de standaardinstelling voor de lineaire sonde om EPIV-metingen te verwerven. Meet eerst het juiste droge gewicht van nominale 10 micrometer holle glazen bollen, zodat hun uiteindelijke concentratie wanneer toegevoegd aan het stromingssysteem ongeveer 17 gewichtsdelen per miljoen is.
Extraheer vervolgens een volume vloeistof uit de bak en voeg de deeltjes toe aan de vloeistof om een geconcentreerde deeltjesoplossing te vormen. De deeltjes wanneer toegevoegd aan het stromingssysteem zullen dienen als echografiecontrastmiddelen of tracerdeeltjes. Voeg de geconcentreerde deeltjesoplossing toe aan het recirculerende buisstromingssysteem door het in de waterbakken te roeren.
De glazen bollen kunnen vervolgens op de echografiemonitor worden bekeken. Na een paar minuten zullen de glazen bollen gelijkmatig over het systeem zijn verdeeld, dus een van de moeilijkste onderdelen van deze procedure is het verkrijgen van heldere, hoge resolutie echografiebeelden. Om de kwaliteit van deze beelden te maximaliseren, passen we de versterkingsbrandpunten en het dynamische bereik aan op basis van a priori schattingen van de stromingssnelheid.
We optimaliseren deze parameters verder ter plekke door analyse van de echografiebeelden. Gebruik de dieptecontroleknop op het bedieningspaneel van de echografie om de beelddiepte in te stellen op drie centimeter. Gebruik vervolgens de 2D-versterkingsknop om de totale beeldversterking aan te passen om de helderheid van het beeld te verhogen zodat de zaadpartikels duidelijk zichtbaar zijn op het instrumentenpaneel.
Pas de tijdsversterkingscompensatieschuifregelaars aan om verstrooiing van de buiswanden te verminderen en om te compenseren voor dieptegerelateerde verzwakking van het echografiesignaal. Dit verwijdert overtollig beeld aan de boven- en onderkant van de buiswanden in 2D-modus. De knoppen bovenop het bedieningspaneel van links naar rechts komen overeen met breedte, focusfrequentie en beeldsnelheid.
Gebruik deze knoppen om het beeld verder aan te passen om de hoogst mogelijke fysieke resolutie, frequentie en beeldsnelheid voor analyse te bereiken. Pas vervolgens de werkfrequentie van de sonde aan op 10 megahertz en stel de beeldsnelheid in op 49,5 frames per seconde. Merk op dat deze vier parameters inherent gekoppeld zijn.
Bijgevolg is er voor een bepaalde echografiescan een afweging tussen ruimtelijke en temporele resolutie. Vanwege de beperkte laterale resolutie zullen de glazen bollen in de laterale richting wazig zijn en als ellipsoïden in het beeld verschijnen. Zodra de parameters zijn geoptimaliseerd, is het tijd om gegevens te verzamelen op het echografiebedieningspaneel op het instrument.
Druk op de nieuwe examenknop om een nieuw experiment te starten. Onder patiënt. Voer buisstroming in als achternaam en de datum als voornaam.
Voer het testnummer in het patiënt-ID-veld in. De echografiescan begint dan automatisch wanneer de vooraf ingestelde maximum van 1000 tot 1.500 beelden is bereikt. Een nieuwe scanlus begint terwijl het scannen doorgaat.
Pas de beeldvormingsparameters aan totdat het zaadpartikel scherp in focus staat met ongeveer 10 deeltjes per ondervraagd gebied. Om de scanrecordlus opnieuw te starten, druk op de bevriezen-knop op het echografiebedieningspaneel. Zodra er voldoende ideale beelden zijn verzameld, drukt u op de bevriezen-knop.
Druk vervolgens op de C-lusknop op het echografiebedieningspaneel. Selecteer alle beelden om alle echografiebeelden in de analyseset op te nemen. Zodra de beelden voor analyse zijn geselecteerd, drukt u op de knop beelden opslaan om de geselecteerde set echografiebeelden op te slaan.
Zodra de beelden zijn opgeslagen, drukt u op de archiefknop op het echografiebedieningspaneel. Selecteer bij de prompt de syn lus van belang uit het kleine venster om op te slaan op de lokale harde schijf
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Dit artikel beschrijft een echo particle image velocimetry (EPIV) systeem dat is ontworpen om tweedimensionale snelheidsvelden in optisch ondoorzichtige vloeistoffen vast te leggen. Validatiemetingen in laminaire pijpstroom worden gepresenteerd, die de capaciteiten van het systeem demonstreren.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Vloeistofdynamica
- Ultrasoon beeldvorming
- Deeltjesbeeldvelocimetrie
Achtergrond
- EPIV systemen worden gebruikt om vloeistofsnelheid te meten in uitdagende omstandigheden.
- Laminaire pijpstroom is een veelvoorkomend scenario voor het valideren van vloeistofmeettechnieken.
- Traceerdeeltjes zijn essentieel voor nauwkeurige snelheidstracking in vloeistofdynamica.
- Ultrasoon beeldvorming biedt een niet-invasieve methode om stromingsdynamica te visualiseren.
Doel van studie
- Om een EPIV systeem te ontwikkelen voor gebruik in optisch ondoorzichtige vloeistoffen.
- Om de prestaties van het systeem te valideren in een gecontroleerde pijpstroomomgeving.
- Om de effectiviteit van het gebruik van ultrageluid voor vloeistofsnelheidsmeting te demonstreren.
Gebruikte methoden
- Gebruik van een fasenarray ultrageluidssonde gemonteerd op de pijpwand.
- Streamen van B-modus ultrageluidbeelden voor analyse.
- Gebruik van holle glazen bolletjes als tracerdeeltjes in de vloeistof.
- Conversie van ultrageluidbeelden naar een compatibel formaat voor deeltjesbeeldvelocimetrie software.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle acquisitie van tweedimensionale snelheidsvelden in laminaire stroming.
- Validatie van het EPIV systeem door middel van experimentele metingen.
- Demonstratie van de capaciteit van het systeem om te werken in optisch ondoorzichtige omstandigheden.
- Effectieve tracking van stromingsdynamica met behulp van tracerdeeltjes en ultrageluid beeldvorming.
Conclusies
- Het EPIV systeem is een waardevol hulpmiddel voor het bestuderen van vloeistofdynamica in uitdagende omgevingen.
- Ultrageluid beeldvorming verbetert de capaciteit om stromingssnelheid in ondoorzichtige vloeistoffen te meten.
- Toekomstige toepassingen kunnen zich uitbreiden naar verschillende gebieden die vloeistofsnelheidsanalyse vereisen.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Echo Particle Image Velocimetry (EPIV) enables non-invasive, high-resolution measurement of fluid velocity fields in optically opaque systems, supporting mechanistic understanding of transport phenomena in complex biological and engineered flows. This capability aids in de-risking fluid dynamics assumptions during early-stage target validation and preclinical model development by providing quantitative, spatially resolved data on mass, momentum, and energy transport. EPIV-derived velocity fields enhance predictive confidence in preclinical systems where direct optical access is limited, such as in viscous biomaterials or tissue-mimicking phantoms.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of fluid-mediated transport mechanisms in drug delivery systems, supporting hypothesis testing on how formulation properties influence particle dispersion and bioavailability.
- Operational Value: Provides reproducible, quantitative velocity field data to functionally validate fluidic components in preclinical devices or biomaterial scaffolds.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates standardized, two-dimensional velocity maps that serve as functional readouts for assessing fluid behavior in complex matrices, enabling assay readiness for particulate or viscous formulations.
- Operational Value: Supports high-fidelity, scalable imaging of tracer particle dynamics under controlled flow conditions, improving reproducibility across screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Bridges discovery and preclinical validation by quantifying flow-induced shear and vorticity in biomimetic systems, informing risk-adjusted decisions on device performance and biocompatibility.
- Operational Value: Facilitates continuity from bench-top fluid characterization to preclinical testing through standardized, ultrasound-based velocimetry compatible with opaque biological simulants.
Pipeline & Workflow Integration
EPIV integrates into the discovery workflow as a tool for hypothesis-driven fluid dynamics assessment, positioned between early formulation screening and preclinical functional validation, particularly when optical opacity limits conventional imaging approaches.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by enabling visualization and quantification of fluid transport in systems where particle-laden flows influence target engagement or drug release kinetics.
- Screening: Delivers assay-ready, cross-correlation-derived displacement and velocity fields with quantified uncertainty, enabling comparison across formulation or device iterations.
- Analytics: Provides scalable, magnification-corrected velocity fields (u(x,y)) from displacement data, allowing teams to compute derived quantities like shear stress and vorticity for comparative analysis.
- Translational Research: Connects in vitro fluid behavior to preclinical relevance by measuring flow profiles in geometrically and rheologically representative simulants, supporting continuity in device or biomaterial evaluation.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable, platform-capable method for fluid dynamics characterization across multiple projects, leveraging commercial ultrasound and PIV software infrastructure.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in fluid-mediated biological interactions by reducing uncertainty in velocity field estimation within opaque environments.
- Operational Value: Enhances standardization and reproducibility through synchronized image acquisition, cross-correlation analysis, and sweep-corrected temporal scaling.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making in fluid-dependent programs by providing objective, quantitative benchmarks for flow performance.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of formulations or devices based on empirically validated hydrodynamic behavior in realistic simulants.
Implementation Considerations
- Requires expertise in ultrasound imaging principles, particle image velocimetry, and fluid dynamics to optimize gain, focus, frame rate, and particle concentration.
- Depends on access to a phased array ultrasound probe, medical ultrasound system, and PC-based PIV software capable of processing B-mode image sequences.
- Necessitates cross-team standardization of imaging parameters (e.g., frame rate, magnification, interrogation window size) to ensure velocity field comparability across studies.
- Involves adaptation considerations for varying tracer particle properties, fluid viscosity, and flow geometry to maintain image fidelity and measurement accuracy.
- Involves practical limitations including reduced lateral resolution causing particle smearing and ultrasound reflection artifacts at curved boundaries, which may obscure near-wall velocity measurements.
