Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments
20 juli 2017
Het manuscript presenteert een protocol voor het geleiden van bedladen sediment transport experimenten waar de bewegende deeltjes worden gevolgd door beeldanalyse. De experimentele faciliteit, de procedures voor het uitvoeren van de realisatie en de verwerking van gegevens, en tenslotte worden hier een aantal proof of concept-resultaten gepresenteerd.
Het algemene doel van deze procedure is om de trajecten van individuele deeltjes te meten die door een stroming als bodemfractie over een groot waarnemingsgebied worden getransporteerd om experimentele bias te vermijden die verband houdt met de maximale lengte van meetbare sporen. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen over de mechanica van bodemfractietransport, omdat het gedetailleerde informatie biedt over de beweging en rustgebeurtenissen van het deeltje. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat de getransporteerde deeltjes over lange afstanden kunnen worden gevolgd, waardoor lange onderzoeken kunnen worden waargenomen.
We kregen het idee voor deze methode tijdens het analyseren van gegevens van eerdere experimenten, toen we ons realiseerden dat deeltjes over langere afstanden kunnen worden getransporteerd ten opzichte van de waarnemingsvensters. Bereid eerst een set stalen platen voor die bedekt zijn met een laag van de belangrijke sedimentdeeltjes. Bedek het sedimentoppervlak met een watervaste zwarte verf.
Plaats vervolgens PVC-steunen op de bodem van de stroomkanaal en leg de platen op de steunen. Pas de plaatsing van de platen aan zodat het sedimentbed continu is. Bedek vervolgens het kanaal met transparante acryldeksels.
Stel de helling van het stroomkanaal in op de gewenste waarde. Schakel vervolgens de stroomkanaalpomp in en vul het kanaal met water. Stel de stroomsnelheid in met behulp van de regelklep.
Stel de hoogte van de drukkop in op iets boven de kanaaldeksels met behulp van de afvoerwaterregelaar. Zorg ervoor dat de stroom bedekt is zonder aanzienlijke kracht op de deksels uit te oefenen. Controleer de stroomsnelheid en de hoogte van de drukkop elke 15 minuten totdat de verandering tussen metingen klein is, wat wijst op een stabiele stroom.
Monteer vervolgens een ultrasone snelheidsprofielmeter in een houder met een vooraf bepaalde helling. Breng ultrasone gel aan op het sondevoetstuk. Plaats de sonde boven het stroomkanaaldeksel met het sondevoetstuk naar de kanaalinlaat toe.
Juiste plaatsing van het sondevoetstuk is cruciaal om goede snelheidsprofielen te verkrijgen voor de karakterisering van de achtergrondhydrodynamische omstandigheden. Verbind de sonde met de verwervingsmodule en configureer het instrument voor onmiddellijke snelheidsprofielen. Verwerf het gewenste aantal snelheidsprofielen.
Keer vervolgens de positie van de sonde om en verwerf een andere reeks snelheidsprofielen. Verwerf op deze manier snelheidsprofielen voor elke meetlocatie op het stroomkanaal. Bereken vervolgens de gemiddelde snelheidswaarde voor elke locatie en bepaal de stroomopwaartse en verticale snelheidscomponenten.
Pas de waarden aan die de waarden die overeenkomen met het medium waardoor de akoestische bundel is gereisd. Identificeer een reeks hoogtes waarop de stroomopwaartse snelheidscomponentprofiel een lineaire trend vertoont in een semi-logaritmisch plot. Pas de curve aan een logaritmische vergelijking aan en schat de schuifsnelheid.
Om het experiment te beginnen, stel de beeldsnelheid en resolutie van twee actiecamera's in op de gewenste parameters. Monteer de camera's op de zijwanden van de deksels die het kanaalbodem aankijken, dicht genoeg bij elkaar zodat de focusgebieden overlappen. Zorg ervoor dat het stroomkanaal is gemarkeerd met visuele referentiepunten voor bekende afstanden.
Neem met elke camera een korte video op. Pas op basis van de opnames de cameraposities en -oriëntaties aan om ervoor te zorgen dat het kanaal in het beeld is en de focusgebieden overlappen. Controleer of de stroom door het kanaal stabiel is.
Begin vervolgens langzaam de belangrijke deeltjes met de hand in de kanaalinlaat te voeren met een snelheid van één deeltje om de twee tot drie seconden. We voeren een kleine hoeveelheid sedimenten toe omdat het belangrijk is om weinig deeltjes in het gezichtsveld te hebben voor eenvoudige sedimenttracking. Bij kleine debieten kunnen sommige deeltjes echter vast komen te zitten in het focusgebied.
Begin met opnemen met beide videocamera's. Schakel de kamerverlichting uit om een markering te creëren voor latere camerasynchronisatie. Houd gedurende het experiment een constante lichtomstandigheid aan.
Ga door met het invoeren van deeltjes in het stroomkanaal gedurende de gewenste experimentduur. Stop vervolgens de camera's en verwijder gevangen deeltjes uit het sedimentbed. Herhaal het experiment indien nodig onder andere hydrodynamische omstandigheden.
Om met het verwerken van de uit de video's geëxtraheerde beelden te beginnen, pas dan eerst een radiale transformatie toe op de pixelcoördinaten zodat de zijkanten van het stroomkanaal als rechte lijnen verschijnen. Bepaal de conversiefactor voor de conversie van pixels naar afstand op basis van de bodemhoogte en de referentiemarkeringen voor bekende afstanden. Maak vervolgens een nieuwe beeldsequentie in de software voor beeldanalyse van vloeistofstromingen.
Vul het tijdsinterval tussen de frames en de conversiefactor van pixels naar afstand voor de beeldsequentie in. Selecteer de bestanden van belang en voer het proces uit. Genereer intensiteitskaarten van een willekeurige selectie van deeltje-afbeeldingen uit de sequentie.
Bepaal een geschikte drempelwaarde voor de intensiteit van de belangrijke deeltjes. Maak vervolgens een filterpijplijn voor de sequentie. Stel de filter in op achtergrondverwijdering.
Maak een nieuw algoritme voor deeltjesidentificatie met een enkele drempel. Vul de intensiteit en diameterdrempels voor deeltjes in. Voeg de deeltjesidentificatieprocessen toe aan de filterpijplijn en voer vervolgens de processen uit.
Zodra het filteren is voltooid, opent u de beeldweergave van het nieuw gemaakte deeltjesrecord. Blader door de frames en noteer de deeltjesverplaatsingen tussen afbeeldingen. Maak vervolgens een nieuwe PTV-analysepijplijn.
Maak een nieuwe analyse aan en selecteer afstand in het kostentabblad. Vul de positie en afmetingen van het zoekvenster in. Voeg het nieuwe proces toe aan de pijplijn en voer het proces uit.
Gebruik spoorherverbinding om eventuele onderbreking
Overzicht
Dit manuscript presenteert een protocol voor het uitvoeren van experimenten naar het transport van bodemlast-sediment, waarbij beeldanalyse wordt gebruikt om bewegende deeltjes te volgen. Het beschrijft in detail de experimentele opstelling, de procedures en de initiële resultaten.
Belangrijkste Componenten van de Studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Biologie
- Milieuwetenschappen
Achtergrond
- Het begrijpen van de mechanica van bedload-transport is cruciaal voor diverse milieu-toepassingen.
- Het volgen van individuele deeltjes biedt inzicht in hun beweging en rustmomenten.
- Eerdere experimenten wezen uit dat deeltjes over langere afstanden kunnen worden getransporteerd dan voorheen is gemeten.
- Deze methode is erop gericht experimentele bias gerelateerd aan observatievensters te minimaliseren.
Doel van de studie
- Om de trajecten van individuele deeltjes te meten die als bodemvracht worden getransporteerd.
- Om gedetailleerde informatie te verschaffen over de beweging en rustgebeurtenissen van deeltjes.
- Om tracking van deeltjes over lange afstanden mogelijk te maken voor een uitgebreide analyse.
Gebruikte methoden
- Voorbereiding van een sedimentlaag op stalen platen en het opzetten van een flume.
- Gebruik van ultrasone velocititeitsprofielmeters om stroomcondities te meten.
- Registratie van partikelbewegingen met actiecamera's.
- Beeldbewerking om partikeltrajecten en snelheden te analyseren.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle tracking van deeltjes over lange afstanden.
- Schatting van de schuifsnelheid op basis van snelheidsprofielen.
- Identificatie van deeltjesverplaatsingen via beeldanalyse.
- Vestiging van een betrouwbare methode voor het bestuderen van bedload-transport.
Conclusies
- Het protocol maakt een gedetailleerde analyse van het transport van bodemsediment mogelijk.
- Tracking over lange afstanden verbetert het begrip van de partikeldynamiek.
- Deze methode kan worden toegepast op diverse hydrodynamische omstandigheden voor verder onderzoek.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Deze methode maakt tracking met een hoge resolutie van individuele deeltjes over uitgebreide observatievensters mogelijk, waardoor bias door beperkingen in het gezichtsveld wordt verminderd. Door kwantitatieve gegevens te leveren over de spronglengte en -duur van deeltjes, ondersteunt het het mechanistische begrip van transportprocessen die relevant zijn voor voorspellende modellering in de milieu- en materiaalkunde. De aanpak verbetert de betrouwbaarheid van gegevens voor hypothesetesten in systemen waarbij dynamiek op deeltjesniveau het macroscopische gedrag beïnvloedt.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt onderzoek naar dynamiek op partikelniveau mogelijk om functioneel gedrag in complexe systemen te verduidelijken.
- Operationele waarde: Ondersteunt het wegnemen van risico's bij mechanistische hypothesen door directe observatie van bewegings- en rustgebeurtenissen.
Screening & assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert gestandaardiseerde, kwantitatieve trajectgegevens die geschikt zijn voor assay-normalisatie en vergelijking.
- Operationele waarde: Faciliteert reproduceerbare tracking over grote observatiegebieden, waardoor de consistentie van de screening wordt verbeterd.
Translationeel en preklinisch onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Biedt ziekterelateerde systeeminzichten door kinetiek op partikelniveau te koppelen aan resultaten van bulktransport.
- Operationele waarde: Maakt continuïteit mogelijk van ontdekking tot preklinische validatie via schaalbare, herbruikbare beeldvormingsprotocollen.
Integratie van Pipeline en Workflow
De techniek past binnen vroege ontdekkingsworkflows waarbij nauwkeurige particuultracking informatie verschaft over target engagement en pathway-analyse, in het bijzonder bij studies die ruimtelijke en temporele resolutie van dynamische processen vereisen.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetesten door individuele partikeltrajecten en interactiefrequenties op te lossen.
- Screening: Levert reproduceerbare high-content imaging-outputs voor het evalueren van de effecten van verbindingen of condities op het gedrag van partikels.
- Analytics: Levert distributies van spronglengte en duur op, die kwantitatieve vergelijkingen tussen experimentele condities mogelijk maken.
- Translationeel onderzoek: Verbindt microscopische partikeldynamiek met macroscopische systeemresponsen, ter ondersteuning van functionele read-outs die zijn afgestemd op biomarkers.
- Enterprise Reuse: Vestigt een gestandaardiseerde imaging- en tracking-pipeline die toepasbaar is op meerdere modelsystemen en experimentele campagnes.
Operationele en zakelijke impact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen door ambiguïteit in mechanistische interpretaties op partikelniveau te verminderen.
- Operationele waarde: Verbetert de reproduceerbaarheid en schaalbaarheid via gestandaardiseerde protocollen voor beeldacquisitie en tracking.
- Strategische waarde: Verbetert de go/no-go besluitvorming door robuuste, kwantitatieve gegevens uit de vroege fase te leveren.
- Portfolio-impact: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van targets of mechanismen mogelijk op basis van empirisch gevalideerde dynamische profielen.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in vloeistofdynamica, beeldanalyse en algoritmen voor partikeltracking.
- Vereist gekalibreerde beeldsystemen, gesynchroniseerde multi-camera-opstellingen en infrastructuur voor stroomregeling.
- Vereist standaardisatie tussen teams voor beeldvoorverwerking, trackingparameters en protocollen voor datasamensmelting.
- Omvat overwegingen voor adaptatie aan variërende partikelgroottes, dichtheden en optische eigenschappen in verschillende modelsystemen.
- Omvat praktische beperkingen zoals consistentie van de verlichting, optimalisatie van de partikelconcentratie en synchronisatienauwkeurigheid tussen camerakanalen.
