Echo Particle Image Velocimetry

Het doel van dit experiment is het verkrijgen van tweedimensionale, momentane snelheidsvelden in Hagen-Poiseuille-stroming, ook wel laminaire buisstroming genoemd. Met behulp van echo particle image velocimetry (EPIV) worden validatiemetingen gedemonstreerd in een recirculerende buisstroming van een 50:50 mengsel van water en glycerine. Het hier gebruikte buisstromingssysteem maakt gebruik van een constante hydraulische druk, in stand gehouden door een aquariumpomp, om de stroming aan te drijven.

Een phased-array ultrasone probe wordt op de pijpwand van het stromingssysteem gemonteerd en B-modus ultrasone beelden worden gestreamd. De vloeistof wordt voorzien van holle glaspieren of tracerdeeltjes die de bewegingen van de stroming nauwkeurig volgen. De ultrasone beelden worden vervolgens vastgelegd, overgebracht naar een pc en geconverteerd naar een beeldformaat dat compatibel is met de commerciële software voor particle image velocimetry.

Kruiscorrelatie-algoritmen worden toegepast op opeenvolgende echografie B-modusbeelden om tweedimensionale snelheidsvelden te berekenen. Uiteindelijk worden de vectorvelden geanalyseerd om relevante stromingsvariabelen te bepalen, zoals de gemiddelde schuifspanning van het ensemble en de vorticiteit. Hoewel deze techniek inzicht kan bieden in basisvloeistofdynamica, kan zij worden ingezet en wordt zij vaak gebruikt in praktische stromingssystemen, waaronder biomedische toepassingen, zoals arteriële of interventriculaire stromingen.

Onze lopende experimenten met vloeibaar biomassa en vloeistoffen wekten onze interesse in deze techniek. Om het EP IV-systeem op te stellen, begint u met het inschakelen van de pompen. Hiermee wordt de recirculerende pijpleidingstroom op een constante snelheid gestart.

Breng vervolgens een op water gebaseerde topische gel aan op de echoprobe. De gel minimaliseert het transmissieverlies van de echostraal tussen het probe-oppervlak en de pijp. Bevestig daarna de echoprobe met behulp van een speciaal geconstrueerde probehouder met door-de-wand pijpkoppelingen aan de buitenwand van de pijp en schakel het echotoestel in.

Zodra alle systemen zijn geladen, verschijnt er een live stream van beelden op het echoscherm. De 2D-modus is de standaardinstelling voor de lineaire probe om EPIV-metingen uit te voeren. Weeg eerst het juiste droge gewicht aan nominale 10 micrometer holle glasparels af, zodat hun uiteindelijke concentratie na toevoeging aan het flowsysteem ongeveer 17 gewichtsdelen per miljoen bedraagt.

Extraheer vervolgens een volume vloeistof uit het bassin en voeg de deeltjes aan de vloeistof toe om een geconcentreerde deeltjesoplossing te vormen. De deeltjes dienen, zodra ze aan het stroomsysteem worden toegevoegd, als echocontrastmiddelen of tracerdeeltjes. Voeg de geconcentreerde deeltjesoplossing toe aan het recirculerende pijpstromingsysteem door deze in de waterbassins te roeren.

De glazen bolletjes kunnen vervolgens op de echomonitor worden bekeken. Na enkele minuten zullen de glazen bolletjes gelijkmatig over het systeem verdeeld zijn, waardoor het verkrijgen van heldere echobeelden met een hoge resolutie een van de moeilijkste delen van deze procedure is. Om de kwaliteit van deze beelden te maximaliseren, passen we de gain, de brandpunten en het dynamisch bereik aan op basis van a-priori schattingen van de stroomsnelheid.

We optimaliseren deze parameters vervolgens gaandeweg door analyse van de echobeelden. Gebruik de knop voor dieptecontrole op het bedieningspaneel van het echografieapparaat om de beelddiepte op drie centimeter in te stellen. Pas vervolgens met de 2D-gainknop de totale beeldwordinstelling aan om de helderheid van het beeld te verhogen, zodat de zaadpartikels duidelijk zichtbaar zijn op het instrumentenpaneel.

Stel de schuifregelaars voor tijdwinstcompensatie in om verstrooiing door de pijpwanden te dempen en om dieptegerelateerde attenuatie van het ultrasoonsignaal te compenseren. Dit verwijdert overtollige beeldinformatie aan de boven- en onderkant van de pijpwanden in de 2D-modus. De knoppen bovenop het bedieningspaneel corresponderen van links naar rechts met de breedte, focusfrequentie en framerate.

Gebruik deze knoppen om het beeld verder af te stellen om de hoogst mogelijke fysieke resolutie, frequentie en framerate voor analyse te bereiken. Stel vervolgens de werkingsfrequentie van de probe in op 10 megahertz en stel de framerate in op 49,5 frames per seconde. Let op dat deze vier parameters inherent aan elkaar gekoppeld zijn.

Bijgevolg is er voor een gegeven echografische scan sprake van een afweging tussen ruimtelijke en temporele resolutie. Vanwege de beperkte laterale resolutie zullen de glazen bolletjes in laterale richting worden uitgesmeerd en in het beeld als ellipsoïden verschijnen. Zodra de parameters zijn geoptimaliseerd, is het tijd om gegevens te verzamelen via het echografie-bedieningspaneel op het instrument.

Klik op de knop voor een nieuw onderzoek om een nieuw experiment te starten. Voer onder patiënt 'pipe flow' in als achternaam en de datum als voornaam.

Voer het testnummer in het veld voor de patiënt-ID in. De echografie start vervolgens automatisch zodra het vooraf ingestelde maximum van 1000 tot 1 500 beelden is bereikt. Terwijl het scannen doorgaat, start er een nieuwe scanlus.

Pas de beeldparameters aan totdat het zaadpartikel scherp in beeld is, met ongeveer 10 partikels per interrogatiegebied. Om de scan-opnamecyclus opnieuw te starten, drukt u op de freeze-knop op het bedieningspaneel van het echografieapparaat. Zodra er een voldoende aantal ideale beelden is verkregen, drukt u op de freeze-knop.

Druk vervolgens op de C-loop-knop op het bedieningspaneel van het echografieapparaat. Selecteer alle afbeeldingen om alle echobeelden in de analyseset op te nemen. Zodra de beelden voor analyse zijn geselecteerd, drukt u op de knop voor het opslaan van afbeeldingen om de geselecteerde set echobeelden op te slaan.

Zodra de beelden zijn opgeslagen, drukt u op de archiveerknop op het bedieningspaneel van het echografieapparaat. Selecteer, wanneer daarom wordt gevraagd, de gewenste syn loop in het kleine venster om deze op de lokale harde schijf op te slaan. Gebruik vervolgens de muiscursor om 'onderzoek beëindigen' te selecteren.

Druk op de archiefknop en gebruik de muiscursor om eerst 'more' en vervolgens 'disc management' te selecteren. Hiermee worden de opgeslagen cyl-loops naar de pc overgedragen waarop de particle image velocity symmetry of PIV-software is geïnstalleerd. Zodra de beelden zijn vastgelegd en opgeslagen, moet het echobeeld voor analyse worden geconverteerd van een digital imaging communications in medicine of DICOM-bestand naar een joint photographic experts group of JPEG-afbeeldingsbestand.

Gebruik een MATLAB-script dat DICOM to jpeg dot m uitvoert om de DICOM-bestanden naar JPEG's te converteren. Dit script is intern ontwikkeld en kan voor educatieve doeleinden worden verkregen via het hier getoonde webadres. Zodra het bestand is geconverteerd, opent u de Davi-software van Law Vision in de software.

Dubbelklik op het davi-icoon, selecteer 'nieuw project' en kies vervolgens PIV. Selecteer in de werkbalk 'afbeeldingen importeren' en kies voor 'importeren via genummerde bestanden'. Zoek vervolgens in het uitklapmenu de map op waarin de JPEG-echobeelden zijn opgeslagen en dubbelklik op de eerste afbeelding van de set.

Hiermee worden alle echobeelden in deze genummerde set geïmporteerd om een region of interest voor analyse te definiëren die alleen het vocht bevat. Pas een masker toe om het masker te maken door de coördinaten in te voeren, een rechthoekig gebied met behulp van twee x- en y-coördinaatpunten op basis van de informatie uit het DICOM-bestand en kennis van de pixelafmetingen. Klik vervolgens in het hoofdbedieningspaneel in dvu op het tabblad onder het huidige project dat de geïmporteerde beelden bevat.

Selecteer de tabel met het label batch processing. Hiermee wordt het venster voor vectorverwerking van Davi geactiveerd voor batchverwerking vanuit de bewerkingenlijst met behulp van de PIV plus PIV time series tree. Selecteer de parameters voor de vectorberekening en kies voor multipass met een afnemende interrogatiegrootte van 64 pixels bij 64 pixels naar 12 pixels bij 12 pixels met een overlap van 50%. Stel de relatieve vectorbereikbeperking in op all en vervolgens de absolute vectorbereikbeperking op vijf pixels. Pas daarna een mediaanfilter toe om ruis te onderdrukken en de vectorvelden glad te strijken.

Controleer vervolgens voor de vectorverwerking in het parametermenu voor de vectorberekening of het vakje 'data range equals use masked area' is aangevinkt. Houd er rekening mee dat de optimale selectie van de parameters voor de vectorberekening afhankelijk is van de stromingsgeometrie, de stromingseigenschappen, de beeldresolutie, de dichtheid van de tracerdeeltjes en de gewenste kwantitatieve stromingsanalyse. Zodra alle gewenste parameters aan de linkerkant van het scherm voor batchverwerking zijn ingesteld, selecteert u het totaal aantal te verwerken beelden.

Klik op 'start processing'. Hiermee wordt het verplaatsingsveld tussen opeenvolgende echobeelden berekend met behulp van cross-correlatie-algoritmen. Om de verwerkte gegevens te analyseren, exporteert u de UCV-vectorvelden uit DAVO als txt-bestanden.

Om dit te doen, selecteert u onder de JPEG-afbeeldingstak in het projectscherm de tak voor vectorverplaatsing. Selecteer in de werkbalk het tabblad exporteren. Selecteer het bestandstype.

Vraag om een txt-bestand. Kies voor het maken van een exportmap en selecteer export. Open vervolgens het bestand in MATLAB door het MATLAB-script uit te voeren.

De geëxporteerde vectorvelden zijn benoemd als B-X-X-X-X-X.TXT, waarbij X een oplopend getal van 1 tot 99.999 vertegenwoordigt. Elk bestand bevat vier datakolommen, die met Kladblok kunnen worden bekeken: één is de x-locatie van de vector in de afbeelding, twee is de y-locatie van de vector in de afbeelding, drie is de x-component van de verplaatsing of de stroomopwaartse verplaatsing, en vier is de y-component van de verplaatsing, welke de wandnormale verplaatsing beschrijft. Om het snelheidsvectorveld U als functie van X en Y te berekenen, waarbij X en Y overeenkomen met de ruimtelijke coördinaten in het echobeeld, wordt het verplaatsingsveld D van X en Y, gemeten in pixels, eerst omgezet naar een verplaatsingsveld gemeten in meters met behulp van de beeldschalingsparameter M, opgegeven in meters per pixel.

Vervolgens wordt het verplaatsingsveld gedeeld door de sweep-gecorrigeerde temporele scheiding tussen beelden delta T, waarbij delta T gelijk is aan één gedeeld door de framerate uitgedrukt in frames per seconde, plus het verplaatsingsveld gedeeld door de tijd die het echobeeld nodig heeft om over de breedte van het beeld te scannen. Samenvattend geldt: U van X en Y is gelijk aan M maal D van X en Y gedeeld door delta T. DICOM slaat inherent een bestandsstructuur op die de informatie verschaft die nodig is om de beeldscalingsparameter M en de sweep-gecorrigeerde temporele scheiding te berekenen. Delta T in de huidige studie: M equals 77 microns per pixel, FPS equals 49.5 en B equals 25, 047 pixels per seconde.

Bereken ten slotte de gemiddelde ensemble-snelheidsvectorvelden samen met de normale profielen van de gemiddelde snelheid en eventuele andere relevante stromingsgrootheden. Om het nut van EPIV aan te tonen en de meetonzekerheid te beoordelen, werden tweedimensionale, momentane velden van snelheid en laminaire pijpstroming verkregen zoals beschreven in deze video; deze momentane vectorplot toont snelheidsvectoren voor elke vierde kolom, en de contourkaart van de achtergrondkleur komt overeen met de snelheidsmagnitude. De tweedimensionale ruimtelijke locatie van de snelheidsvector wordt aangeduid door D over D en X over D, waarbij D de radiale positie is gemeten vanaf de bovenwand.

D is de pijpdiameter en X is de stroomopwaartse positie gemeten vanaf de pijningang. De schijnbare parabolische vorm van de snelheidsvectoren langs kolommen geeft aan dat de metingen consistent zijn met het verwachte snelheidsprofiel voor stroming in een pijp. De ensemble-gemiddelde vectorplot, berekend door het gemiddelde te nemen over 1000 momentane vectorplots, geeft een weergave van het gemiddelde snelheidsveld.

Het zal ook willekeurige ruisafwijkingen in de momentane vectorvelden uitmiddelen. De snelheidsvectoren zijn hoofdzakelijk in stroomrichting georiënteerd. De hoogste snelheden treden op bij de hartlijn van de pijp.

De snelheden namen af tot nul bij de wanden van de buis en de stroming is grofweg symmetrisch; het gemiddelde stroomsgewijze snelheidsprofiel langs de straal van de buis, verkregen door het ensemble-gemiddelde vectorplot langs de rijen in horizontale richting te middelen, wordt hier getoond. Tevens wordt het verwachte gemiddelde snelheidsprofiel voor laminaire buisstroming getoond, gegeven de experimentele omstandigheden.

De overeenstemming tussen de EPIV-metingen en het verwachte Higgin-Pozo-profiel is het grootst nabij de middellijn van de buis en het kleinst nabij de buiswanden. De grote verschillen nabij de wand zijn waarschijnlijk te wijten aan sterke reflectie en refractie van de ultrasone golven aan het gebogen oppervlak van de buiswand, wat resulteert in hoge beeldintensiteiten in deze regio's; deze hoge intensiteiten bij de wand maskeren de intensiteiten van de deeltjes, wat leidt tot meetfouten. Met de ontwikkeling van deze techniek kunnen onderzoekers die vloeistofdynamica bestuderen in technische of biologische stroomsystemen nu spatio-temporele variaties van het snelheidsveld vastleggen in optisch ondoorzichtige vloeistoffen of door optisch ondoorzichtige geometrieën.

Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe EPIV werkt, wat de beperkingen zijn en hoe u een EPIV-systeem kunt bouwen en bedienen met behulp van een commercieel echografieapparaat.