Prędkość obrazu cząstki echa

Summary

Opisano system pomiaru prędkości obrazu cząstki echa (EPIV) zdolny do pozyskiwania dwuwymiarowych pól prędkości w optycznie nieprzezroczystych płynach lub poprzez optycznie nieprzezroczyste geometrie, a także raportowane są pomiary walidacji przepływu w rurociągach.

Abstract

Transport masy, pędu i energii w przepływach płynów jest ostatecznie determinowany przez czasoprzestrzenne rozkłady pola prędkości płynu. ¹ W związku z tym warunkiem wstępnym do zrozumienia, przewidywania i kontrolowania przepływów płynów jest zdolność do pomiaru pola prędkości z odpowiednią rozdzielczością przestrzenną i czasową. ² Do pomiarów prędkości w optycznie nieprzezroczystych cieczach lub za pomocą optycznie nieprzezroczystych geometrii, prędkość obrazu echa cząstek (EPIV) jest atrakcyjną techniką diagnostyczną do generowania "chwilowych" dwuwymiarowych pól prędkości. ^3,4,5,6 W niniejszym artykule opisano protokół operacyjny systemu EPIV zbudowanego przez integrację komercyjnego medycznego aparatu ultrasonograficznego⁷ z komputerem PC z komercyjnym oprogramowaniem do pomiaru prędkości obrazu cząstek (PIV)⁸ oraz przedstawiono pomiary walidacyjne w przepływie Hagena-Poiseuille'a (tj. rury laminarnej).

Do pomiarów EPIV używana jest sonda phased array podłączona do medycznego ultrasonografu do generowania dwuwymiarowego obrazu ultrasonograficznego poprzez pulsowanie elementów sondy piezoelektrycznej w różnych momentach. Każdy element sondy przesyła impuls ultradźwiękowy do płynu, a cząsteczki znacznikowe w płynie (występujące naturalnie lub zasiane) odbijają echa ultradźwiękowe z powrotem do sondy, gdzie są rejestrowane. Amplituda odbitych fal ultradźwiękowych i ich opóźnienie czasowe względem transmisji są wykorzystywane do tworzenia tak zwanych dwuwymiarowych obrazów ultrasonograficznych w trybie B (tryb jasności). W szczególności opóźnienie czasowe służy do określenia położenia rozpraszacza w płynie, a amplituda służy do przypisania intensywności rozpraszacza. Czas potrzebny do uzyskania pojedynczego obrazu w trybie B, t, jest określany przez czas potrzebny do impulsowania wszystkich elementów sondy Phased Array. W przypadku rejestrowania wielu obrazów w trybie B liczba klatek na sekundę systemu w klatkach na sekundę (fps) = 1/δt. (Patrz 9, aby zapoznać się z przeglądem obrazowania ultrasonograficznego).

Dla typowego eksperymentu EPIV, liczba klatek na sekundę wynosi od 20 do 60 fps, w zależności od warunków przepływu, i uzyskiwanych jest 100-1000 obrazów w trybie B przestrzennego rozkładu cząstek znacznika w przepływie. Po pozyskaniu obrazy ultrasonograficzne w trybie B są przesyłane za pośrednictwem połączenia Ethernet do komputera z uruchomionym komercyjnym oprogramowaniem PIV. Za pomocą oprogramowania PIV pola przemieszczenia cząstek znacznikowych, D(x,y)[piksele] (gdzie x i y oznaczają odpowiednio poziome i pionowe położenie przestrzenne na obrazie ultrasonograficznym) są pozyskiwane poprzez zastosowanie algorytmów korelacji krzyżowej do kolejnych obrazów ultrasonograficznych w trybie B. ¹⁰ Pola prędkości, u(x,y)[m/s], są wyznaczane na podstawie pól przemieszczeń, znając krok czasowy między parami obrazów, ΔT[s], i powiększenie obrazu, M[metr/piksel], tj. u(x,y) = MD(x,y)/ΔT. Przedział czasowy między obrazami ΔT = 1/fps + D(x,y)/B, gdzie B[piksele/s] to czas potrzebny sondzie ultradźwiękowej na przeciągnięcie przez szerokość obrazu. W niniejszym badaniu M = 77 [μm/piksel], fps = 49,5 [1/s] i B = 25 047 [pikseli/s]. Po uzyskaniu pola prędkości mogą być analizowane w celu obliczenia interesujących nas wielkości przepływu.

Protocol

1. Utwórz mierzalny przepływ

1. Pomiary walidacyjne EPIV zostaną zademonstrowane w przepływie rurowym wodnego roztworu gliceryny (50% gliceryna - 50% woda). Schemat układu eksperymentalnego pokazano na rysunku 1.
2. Puste szklane kulki o średnicy nominalnej 10 μm dodaje się do płynu w stężeniu około 17 części wagowych na milion. Wydrążone szklane kule służą jako ultradźwiękowe środki kontrastowe, a ich wielkość i gęstość są tak dobrane, aby pasywnie podążały za przepływem płynu. ¹⁰
3. Do pompy dostarczane jest stałe napięcie w celu wprowadzenia znanego natężenia przepływu. Natężenie przepływu dobiera się w taki sposób, że U << ΔX/δt, gdzie U jest średnią prędkością w rurze, ΔX jest długością liniową objętości pomiarowej EPIV, a δt jest krokiem czasowym między obrazami, tj. przepływ musi być "powolny" w porównaniu z fps systemu ultrasonograficznego. ³

2. Kalibracja ultradźwięków

1. Zamontuj sondę ultradźwiękową na zewnętrznej ścianie rury. Na sondę ultradźwiękową nakłada się żel do stosowania miejscowego na bazie wody, aby zminimalizować utratę transmisji wiązki ultradźwiękowej między powierzchnią sondy a ścianką rury.
2. Włącz aparat ultrasonograficzny. Strumień na żywo obrazów ultrasonograficznych rozpoczyna się automatycznie po załadowaniu wszystkich systemów.
3. Ustaw głębię obrazu za pomocą pokrętła Depth Control na panelu sterowania aparatu ultrasonograficznego.
4. Ustaw całkowite wzmocnienie obrazu za pomocą pokrętła 2D Gain na panelu sterowania aparatu ultradźwiękowego.
5. Dostosuj suwaki kompensacji wzmocnienia czasowego (TGC), aby stłumić rozproszenie od ścianek rury i skompensować tłumienie sygnału ultradźwiękowego zależne od głębokości.
6. Szerokość obrazu, ostrość, częstotliwość pracy sondy i liczba klatek na sekundę są regulowane za pomocą przypisywanych pokręteł sterujących. Te cztery pokrętła, znajdujące się w lewym górnym rogu panelu sterowania, różnią się w zależności od trybu, w którym działa system. W trybie 2D (obecnie używanym), od lewej do prawej pokrętła odpowiadają odpowiednio szerokości, ostrości, częstotliwości i liczbie klatek na sekundę. Należy zauważyć, że ze względu na podstawowe zasady obrazowania ultrasonograficznego⁹, te cztery parametry są z natury sprzężone. W związku z tym dla danego skanu obrazu ultrasonograficznego (tj. eksperymentu EPIV) istnieje kompromis między rozdzielczością przestrzenną i czasową.
7. Na rysunku 2 przedstawiono reprezentatywny obraz ultrasonograficzny przepływu w rurze wysadzanej pustymi szklanymi kulkami o wielkości 10 μm. Należy pamiętać, że ze względu na ograniczoną rozdzielczość poprzeczną szklane kule są rozmazywane w kierunku bocznym i pojawiają się na obrazie jako elipsoidy.

3. Zbieranie danych

1. Naciśnij przycisk Nowy egzamin na panelu sterowania ultrasonografem, aby rozpocząć nowy eksperyment.
2. Utwórz nowego "pacjenta", wprowadzając Przepływ w rurze w polu Nazwisko i dzisiejszą datę w polu Imię i numer testu w identyfikatorze pacjenta.
3. Po utworzeniu "pacjenta" rozpoczyna się badanie ultrasonograficzne aż do osiągnięcia ustawionego maksimum między 1000-1500 obrazów, po czym rozpoczyna się nowa pętla skanowania. Dwukrotne naciśnięcie przycisku Freeze na panelu sterowania ultrasonografem spowoduje ponowne uruchomienie skanowania w dowolnym momencie przed osiągnięciem maksymalnej ustawionej liczby obrazów.
4. Po uzyskaniu dobrego zestawu obrazów ultrasonograficznych (tj. ostrych obrazów cząstek zalążków i wystarczającej gęstości cząstek zarodka), naciśnij przycisk Freeze na panelu sterowania ultradźwiękami, aby zatrzymać akwizycję obrazu.
5. Naciśnij przycisk Cineloop na panelu sterowania ultrasonografem. Wybierz zestaw obrazów ultrasonograficznych do analizy za pomocą pokrętła Pierwszy cykl na panelu sterowania ultrasonografią, aby wybrać pierwszy obraz w zestawie, oraz pokrętła Ostatni cykl, aby wybrać ostatni obraz w zestawie.
6. Naciśnij przycisk Image Store na panelu sterowania ultrasonografią, aby zapisać wybrany zestaw obrazów ultrasonograficznych.
7. Naciśnij przycisk Archiwum na panelu sterowania ultrasonografią i użyj kursora myszy, aby wybrać opcję Zakończ badanie. Spowoduje to poproszenie użytkownika o wybranie obrazów lub pętli cineloops do zapisania na lokalnym dysku twardym. Wybierz interesujące Cię pętle cineloop, a następnie zakończ egzamin.
8. Naciśnij przycisk Archiwum na panelu sterowania ultrasonograficznego, a następnie użyj kursora myszy, aby najpierw wybrać Więcej, a następnie wybierz Zarządzanie dyskami. Zarządzanie dyskami przeniesie zapisane pętle cineloop na komputer z uruchomionym oprogramowaniem PIV.

4. Konwersja typu pliku

1. Obraz ultrasonograficzny jest przechowywany w urządzeniu ultrasonograficznym jako plik typu DICOM (Digital Imaging Communications in Medicine). Aby pliki DICOM mogły zostać otwarte i odczytane przez oprogramowanie PIV, muszą zostać przekonwertowane na pliki obrazów. Obecnie skrypt Matlab działający pod kontrolą DICOM2JPG.m jest używany do konwersji plików DICOM na typ pliku JPEG (Joint Photographic Experts Group).
2. Obrazy ultrasonograficzne JPEG są następnie analizowane za pomocą oprogramowania DaVis firmy LaVision.

5. Obliczanie pól przemieszczenia, D(x, y), przy użyciu DaVis

1. Kliknij dwukrotnie myszką ikonę DaVis na komputerze. Wybierz pozycję Nowy projekt. Wybrać PIV.
2. Wybierz opcję Importuj obrazy na pasku narzędzi, a następnie wybierz opcję Importuj za pomocą plików numerowanych. W menu rozwijanym znajdź folder, w którym przechowywane są obrazy ultrasonograficzne JPEG, a następnie kliknij dwukrotnie pierwszy obraz zestawu. Spowoduje to zaimportowanie wszystkich obrazów ultrasonograficznych z tego ponumerowanego zestawu.
3. Zazwyczaj maska obrazu jest definiowana w celu wyizolowania obszaru zainteresowania (ROI) w obrazie ultrasonograficznym, który ma być przetworzony. W przypadku przepływu w rurze maska służy do definiowania zwrotu z inwestycji między ściankami rury (tj. płynem).
4. Przejdź do głównego panelu sterowania w DaVis, wybierz zakładkę znajdującą się w sekcji Bieżący projekt zawierającą zaimportowane obrazy, a następnie wybierz zakładkę oznaczoną jako Przetwarzanie wsadowe. Umożliwia to okno przetwarzania wektorowego DaVis do przetwarzania wsadowego importowanych obrazów ultradźwiękowych.
5. Z listy operacji, korzystając z drzewa PIV-Time-Series, wybierz parametry obliczeń wektorowych, a następnie wybierz parametry, które mają być używane do przetwarzania wektorowego. Jeśli używana jest maska, zaznacz pole Zakres danych = użyj zamaskowanego obszaru w menu parametrów obliczeń wektorowych. Należy pamiętać, że optymalny dobór parametrów obliczeń wektorowych zależy od geometrii przepływu, właściwości przepływu, rozdzielczości obrazu, gęstości cząstek znacznika i pożądanej ilościowej analizy przepływu. ¹⁰
   W przypadku pomiarów przepływu w rurze parametry, które zazwyczaj dają najlepsze wyniki, to wieloprzebiegowy ze zmniejszającym się rozmiarem zapytania z 32 x 32 pikseli² do 8 x 8 pikseli², z nakładaniem się 50%. Względne ograniczenie zakresu wektorów zostało ustawione na ±all(rozmiar okna/2), a bezwzględne ograniczenie zakresu wektorowego zostało ustawione na ±5 pikseli. Na koniec zastosowano filtr mediany 3 x 3 piksele² w celu stłumienia szumów i wygładzenia pól wektorowych.
6. Po lewej stronie ekranu przetwarzania wsadowego wybierz łączną liczbę obrazów do przetworzenia i wybierz opcję Rozpocznij przetwarzanie. Pozwoli to na obliczenie pola przemieszczenia, D(x,y), między kolejnymi obrazami ultrasonograficznymi przy użyciu algorytmów korelacji krzyżowej.

6. Analizowanie pól wektorowych

1. W celu przetwarzania końcowego i analizy danych pola wektorowe EPIV są eksportowane z DaVis jako pliki .txt. Osiąga się to poprzez wybranie gałęzi przemieszczenia wektorowego pod gałęzią obrazu JPEG na ekranie projektu. Na pasku narzędzi wybierz kartę Eksportuj, wybierz typ pliku ASCII .txt, wybierz/utwórz folder eksportu i wybierz opcję Eksportuj.
2. Wyeksportowane pola wektorowe mają nazwę Bxxxxx.txt, gdzie 00001≤ xxxxx ≤ 99999, gdzie B oznacza bufor. Każdy plik zawiera cztery kolumny danych: (1) położenie x wektora na obrazie, (2) położenie y wektora na obrazie, (3) x składowa przemieszczenia (tj. przemieszczenie strumieniowe), (4) składowa y przemieszczenia (tj. przemieszczenie normalne ściany). Pliki Bxxxxx.txt są otwierane i przetwarzane w MATLAB, aby najpierw obliczyć pole prędkości, znając krok czasowy między parami obrazów, ΔT[s], i powiększenie obrazu, M[metr/piksel], tj. u(x,y) = MD(x,y)/ΔT,. Przedział czasowy między obrazami ΔT = 1/fps + D(x,y)/B, gdzie B[piksele/s] to czas potrzebny sondzie ultradźwiękowej na przeciągnięcie przez szerokość obrazu. W niniejszym badaniu M = 77 [μm/piksel], fps = 49,5 [1/s] i B = 25 047 [pikseli/s]. Następnie obliczane są zespołowe pola wektorowe średnich prędkości, profile normalnych ścian średniej prędkości oraz inne interesujące wielkości przepływu. (Patrz sekcja Reprezentatywne wyniki).

Results

Na rysunku 3 pokazane jest pole wektorowe prędkości obrazu cząstki echa (EPIV). Wykres wektorowy pokazuje wektory prędkości co czwartą kolumnę, a mapa konturowa w kolorze tła odpowiada wielkości prędkości. Na rysunku 4 przedstawiono wykres wektorowy średniej zespołowej uśredniony z ponad 1000 chwilowych wykresów wektorowych EPIV. Zgodnie z przepływem rury, wektory prędkości są głównie w kierunku strumienia, największe prędkości występują na osi rury, a prędkości spadają do zera na ścian...

Discussion

Opisano protokół operacyjny systemu prędkościomierza obrazu echa cząstek (EPIV) zdolnego do pozyskiwania dwuwymiarowych pól prędkości w optycznie nieprzezroczystych cieczach lub poprzez optycznie nieprzezroczyste geometrie. Praktyczne zastosowanie EPIV doskonale nadaje się do badania przemysłowych i biologicznych systemów przepływowych, w których przepływ nieprzezroczystych płynów występuje w bardzo wielu zastosowaniach. Prezentowany tutaj system został specjalnie zbudowany w celu badania właściwości płynięcia płynów z ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ultrasonograf	GE	Vivid 7 Pro
Liniowa matryca ultradźwiękowa	GE	10 L
DC Pompa wodna	KNF	NF 10 KPDC
Oprogramowanie do przetwarzania wektorowego	Lavision	DaVis 7.2
Oprogramowanie do przetwarzania końcowego	Mathworks	MATLAB 7.12
Rurki akrylowe	McMaster-Carr	8486K531
Żel ultradźwiękowy	Parker	Aquasonic 100