Echo Particle Image Velocimetry

Podsumowanie

Opisano system echoskopowej welocymetrii obrazowej cząstek (EPIV), który umożliwia pozyskiwanie dwuwymiarowych pól prędkości w płynach nieprzezroczystych optycznie lub przez geometrie nieprzezroczyste optycznie, oraz przedstawiono pomiary walidacyjne w przepływie w rurze.

Streszczenie

Transport masy, pędu i energii w przepływach płynów jest ostatecznie określany przez czasoprzestrzenne rozkłady pola prędkości płynu.¹ W związku z tym warunkiem koniecznym do zrozumienia, przewidywania i kontrolowania przepływów płynów jest możliwość pomiaru pola prędkości z odpowiednią rozdzielczością przestrzenną i czasową.² W przypadku pomiarów prędkości w płynach nieprzezroczystych optycznie lub przez geometrie nieprzezroczyste optycznie, echoskopowa welocymetria obrazowa cząstek (EPIV) jest atrakcyjną techniką diagnostyczną do generowania „natychmiastowych” dwuwymiarowych pól prędkości.^3,4,5,6 W niniejszej pracy opisano protokół obsługi systemu EPIV zbudowanego poprzez integrację komercyjnego aparatu do ultradźwięków medycznych⁷ z komputerem PC uruchamiającym komercyjne oprogramowanie do welocymetrii obrazowej cząstek (PIV)⁸, oraz przedstawiono pomiary walidacyjne w przepływie Hagena-Poiseuille’a (t.j. laminarnym przepływie w rurze).

Do pomiarów EPIV wykorzystuje się głowicę z przesuwnym układem elementów (phased array probe) podłączoną do medycznego aparatu USG, która generuje dwuwymiarowy obraz ultradźwiękowy poprzez impulsowe pobudzanie elementów piezoelektrycznych głowicy w różnych odstępach czasu. Każdy element głowicy emituje impuls ultradźwiękowy do cieczy, a cząstki znacznika w cieczy (naturalnie występujące lub dodane) odbijają echo ultradźwiękowe z powrotem do głowicy, gdzie zostaje ono zarejestrowane. Amplituda odbitych fal ultradźwiękowych oraz ich opóźnienie czasowe względem emisji służą do tworzenia dwuwymiarowych obrazów ultradźwiękowych w trybie B (tryb jasności). Konkretnie, opóźnienie czasowe jest wykorzystywane do określenia pozycji rozpraszacza w cieczy, a amplituda do przypisania mu odpowiedniej intensywności. Czas potrzebny na uzyskanie pojedynczego obrazu w trybie B, t, jest określony przez czas potrzebny na pobudzenie wszystkich elementów głowicy z przesuwnym układem elementów. W przypadku pozyskiwania wielu obrazów w trybie B, częstość odświeżania systemu w klatkach na sekundę (fps) = 1/δt. (Przegląd obrazowania ultradźwiękowego znajduje się w pozycji 9).

W typowym eksperymencie EPIV częstotliwość klatek wynosi od 20 do 60 kl./s, w zależności od warunków przepływu, a liczba pozyskiwanych obrazów B-mode przedstawiających przestrzenny rozkład cząstek znacznika w przepływie wynosi od 100 do 1000. Po pozyskaniu obrazy ultradźwiękowe B-mode są przesyłane za pomocą połączenia ethernet do komputera z zainstalowanym komercyjnym oprogramowaniem PIV. Za pomocą oprogramowania PIV wyznacza się pola przemieszczeń cząstek znacznika, D(x,y)[piksele] (gdzie x i y oznaczają odpowiednio poziomą i pionową pozycję przestrzenną w obrazie ultrasonograficznym) są pozyskiwane poprzez zastosowanie algorytmów korelacji wzajemnej do następujących po sobie obrazów ultrasonograficznych w trybie B.¹⁰ Pola prędkości, u(x,y)[m/s], wyznacza się z pól przemieszczeń, znając krok czasowy między parami obrazów, ΔT[s] oraz powiększenie obrazu, M[metr/piksel], t. j., u(x,y) = MD(x,y)/ΔTInterwał czasowy między obrazami ΔT = 1/fps + D(x,y)/Bgdzie B[pikseli/s] to czas potrzebny na przesunięcie się głowicy ultradźwiękowej wzdłuż szerokości obrazu. W niniejszym badaniu M = 77 [μm/piksel], liczba klatek na sekundę = 49,5[1/s], i B = 25 047 [pikseli/s]. Po ich pozyskaniu pola prędkości mogą zostać poddane analizie w celu obliczenia interesujących badacza parametrów przepływu.

Protokół

1. Utworzenie mierzalnego przepływu

1. Pomiary walidacyjne EPIV zostaną zademonstrowane w przepływie rurkowym roztworu gliceryny z wodą (50% gliceryny - 50% wody). Schemat układu eksperymentalnego przedstawiono na Rysunku 1.
2. Do cieczy dodaje się puste szklane sfery o nominalnej średnicy 10 μm w stężeniu około 17 części wagowych na milion. Puste szklane sfery pełnią rolę środków kontrastowych w badaniu ultrasonograficznym, a ich rozmiar i gęstość dobrano tak, aby pasywnie podążały za przepływem cieczy.¹⁰
3. Do pompy dostarczane jest stałe napięcie w celu wprowadzenia znanego natężenia przepływu. Natężenie....

Wyniki

Na Rysunku 3 przedstawiono chwilowe pole wektorowe uzyskane za pomocą natychmiastowej obrazowej welocymetrii cząsteczkowej z wykorzystaniem echa (EPIV). Wykres wektorowy pokazuje wektory prędkości co czwartą kolumnę, a tło w postaci mapy konturowej kolorów odpowiada wartości prędkości. Na Rysunku 4 przedstawiono uśredniony wektorowo wykres zespołu, będący średnią z 1000 chwilowych wykresów wektorowych EPIV. Zgodnie z charakterystyką przepływu w rurze, wektory prędkości są skierowane głów.......

Dyskusja

Opisano protokół operacyjny systemu echowej obrazowej welocymetrii cząsteczkowej (EPIV), zdolnego do pozyskiwania dwuwymiarowych pól prędkości w płynach nieprzezroczystych optycznie lub przez geometrie nieprzezroczyste optycznie. Praktyczne zastosowanie EPIV doskonale nadaje się do badania przemysłowych i biologicznych systemów przepływów, w których przepływ płynów nieprzezroczystych występuje w wielu zastosowaniach. System przedstawiony w niniejszej pracy został celowo zbudowany w celu zbadania właściwości przepływu upł.......

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Aparat USG	GE	Vivid 7 Pro
Liniowy głowica USG	GE	10 L
Pompa wodna DC	KNF	NF 10 KPDC
Oprogramowanie do przetwarzania wektorowego	Lavision	DaVis 7.2
Oprogramowanie do postprocessingu	Mathworks	MATLAB 7.12
Rurki akrylowe	McMaster-Carr	8486K531
Żel do USG	Parker	Aquasonic 100