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 przepływu wybrano tak, aby U << ΔX/δt, gdzie U jest średnią prędkością w rurze, ΔX jest liniową długością objętości pomiarowej EPIV, a δt to krok czasowy między obrazami, t.j. przepływ musi być „wolny” w porównaniu do fps systemu ultrasonograficznego.³

2. Kalibracja ultradźwięków

1. Przymocuj głowicę ultradźwiękową do zewnętrznej ścianki rury. Na głowicę ultradźwiękową należy nałożyć żel do badań USG na bazie wody, aby zminimalizować straty transmisji wiązki ultradźwiękowej pomiędzy powierzchnią głowicy a ścianką rury.
2. Włącz urządzenie do ultrasonografii. Strumień obrazów ultradźwiękowych w czasie rzeczywistym rozpocznie się automatycznie po załadowaniu wszystkich systemów.
3. Ustaw głębokość obrazowania za pomocą pokrętła Depth Control na panelu sterowania urządzenia.
4. Ustaw całkowite wzmocnienie obrazu za pomocą pokrętła 2D Gain na panelu sterowania urządzenia.
5. Dostosuj suwaki Time Gain Compensation (TGC), aby osłabić rozproszenie sygnału od ścianek rury oraz skompensować tłumienie sygnału ultradźwiękowego związane z głębokością.
6. Szerokość obrazu, ogniskowanie, częstotliwość pracy głowicy oraz częstotliwość odświeżania klatek reguluje się za pomocą programowalnych pokręteł sterujących. Te cztery pokrętła, znajdujące się w lewym górnym rogu panelu sterowania, pełnią różne funkcje w zależności od trybu pracy systemu. W trybie 2D (obecnie stosowanym) pokrętła od lewej do prawej odpowiadają kolejno za szerokość, ogniskowanie, częstotliwość i częstotliwość odświeżania klatek. Należy pamiętać, że ze względu na fundamentalne zasady obrazowania ultradźwiękowego⁹, cztery te parametry są ze sobą ściśle powiązane. W konsekwencji, dla danego skanu obrazu ultradźwiękowego (tzn. eksperymentu EPIV) istnieje kompromis pomiędzy rozdzielczością przestrzenną a czasową.
7. Reprezentacyjny obraz ultradźwiękowy przepływu w rurze z dodatkiem pustych szklanych sfer o średnicy 10 μm przedstawiono na Rysunku 2. Należy zauważyć, że ze względu na ograniczoną rozdzielczość boczną, szklane sfery są rozmyte w kierunku poprzecznym i na obrazie przyjmują kształt elipsoid.

3. Gromadzenie danych

1. Naciśnij Nowy egzamin przycisk na panelu sterowania ultrasonografem służący do rozpoczęcia nowego eksperymentu.
2. Utwórz nowego „pacjenta”, wpisując Pipe Flow w Nazwisko i dzisiejsza data w Imię oraz numer testu w ID pacjenta.
3. Po utworzeniu „pacjenta” rozpoczyna się badanie ultrasonograficzne, które trwa do osiągnięcia zaprogramowanego maksimum od 1000 do 1500 obrazów, po czym rozpoczyna się nowa pętla skanowania. Naciśnięcie przycisku Zamrozić dwukrotne naciśnięcie przycisku na panelu sterowania ultrasonografem zrestartuje skanowanie w dowolnym momencie przed osiągnięciem maksymalnej, zaprogramowanej liczby obrazów.
4. Po uzyskaniu odpowiedniego zestawu obrazów ultrasonograficznych (t. j., wyraźne obrazy cząstek nasion i wystarczająca gęstość cząstek nasion), naciśnij przycisk Freeze na panelu sterowania ultrasonografem, aby zatrzymać akwizycję obrazu.
5. Naciśnij Cineloop przycisk na panelu sterowania USG. Wybierz zestaw obrazów USG do analizy, korzystając z Pierwszy cykl pokrętło na panelu sterowania ultrasonografem, aby wybrać pierwszy obraz w zestawie, oraz Ostatni cykl pokrętło do wyboru ostatniego obrazu w zestawie.
6. Naciśnij Repozytorium obrazów przycisk na panelu sterowania ultrasonografem służący do zapisywania wybranego zestawu obrazów USG.
7. Naciśnij Archiwum przycisk na panelu sterowania ultrasonografem i kursor myszy do wyboru Egzamin końcowySpowoduje to wyświetlenie prośby o wybranie obrazów lub pętli filmowych (cineloops) do zapisania na lokalnym dysku twardym. Wybierz interesujące pętle filmowe, a następnie wyjdź z badania.
8. Naciśnij Archiwum przycisk na panelu sterowania ultrasonografu, a następnie kursor myszy, aby najpierw wybrać Więcej następnie wybierz Zarządzanie dyskami. Zarządzanie dyskami zapisane pętle obrazu (cineloops) zostaną przeniesione na komputer z zainstalowanym oprogramowaniem PIV.

4. Konwersja typu pliku

1. Obraz z ultrasonografii jest zapisywany w formacie pliku DICOM (digital imaging communications in medicine) na urządzeniu USG. Aby pliki DICOM mogły zostać otwarte i odczytane przez oprogramowanie PIV, muszą zostać one przekonwertowane na pliki graficzne. Obecnie do konwersji plików DICOM na format JPEG (joint photographic experts group) wykorzystywany jest skrypt Matlab DICOM2JPG.m.
2. Obrazy USG w formacie JPEG są następnie analizowane przy użyciu oprogramowania DaVis firmy LaVision.

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

1. Kliknij dwukrotnie ikonę DaVis na komputerze PC. Wybierz New Project. Wybierz PIV.
2. W pasku narzędzi wybierz Import Images, a następnie wybierz Import via Numbered Files. Z menu rozwijanego znajdź folder, w którym przechowywane są obrazy ultrasonograficzne w formacie JPEG, i kliknij dwukrotnie pierwszy obraz z zestawu. Spowoduje to zaimportowanie wszystkich obrazów ultrasonograficznych z tego numerowanego zestawu.
3. Zazwyczaj definiowana jest maska obrazu w celu wyizolowania obszaru zainteresowania (ROI) w przetwarzanym obrazie ultrasonograficznym. W przypadku przepływu w rurze maska służy do zdefiniowania ROI pomiędzy ściankami rury (t.j. płynu).
4. Przejdź do głównego panelu sterowania w programie DaVis, wybierz zakładkę znajdującą się pod Current Project, która zawiera zaimportowane obrazy, a następnie wybierz zakładkę o nazwie Batch Processing. Umożliwia to otwarcie okna przetwarzania wektorowego programu DaVis w celu przetwarzania wsadowego zaimportowanych obrazów ultrasonograficznych.
5. Z listy operacji, korzystając z drzewa PIV-Time-Series, wybierz vector calculation parameters i określ parametry, które mają zostać użyte do przetwarzania wektorowego. Jeśli używana jest maska, zaznacz pole Data Range = use masked area w menu vector calculation parameter. Należy pamiętać, że optymalny dobór vector calculation parameters zależy od geometrii przepływu, właściwości przepływu, rozdzielczości obrazu, gęstości cząstek znacznika oraz pożądanej ilościowej analizy przepływu.¹⁰
   W przypadku pomiarów przepływu w rurze parametrami, które zazwyczaj dawały najlepsze wyniki, były wieloprzepustowe (multipass) z malejącym rozmiarem okna przesłuchującego od 32 x 32 pixel² do 8 x 8 pixel² przy nakładaniu (overlap) wynoszącym 50%. Relatywne ograniczenie zakresu wektorów ustawiono na ±all(window size/2), a absolutne ograniczenie zakresu wektorów na ±5 pixels. Na koniec użyto filtra medianowego 3 x 3pixel² w celu tłumienia szumów i wygładzenia pól wektorowych.
6. W lewej części ekranu batch processing wybierz całkowitą liczbę obrazów do przetworzenia i wybierz start processing. Spowoduje to obliczenie pola przemieszczeń, D(x,y), pomiędzy kolejnymi obrazami ultrasonograficznymi przy użyciu algorytmów korelacji wzajemnej.

6. Analiza pól wektorowych

1. Do postprocesowania i analizy danych pola wektorowe EPIV są eksportowane z programu DaVis jako pliki .txt. Osiąga się to poprzez wybranie gałęzi przemieszczenia wektorowego (vector displacement branch) pod gałęzią obrazów JPEG na ekranie projektu. Na pasku narzędzi należy wybrać kartę Export, wybrać typ pliku ASCII .txt, wybrać lub utworzyć folder eksportu, a następnie wybrać Export.
2. Wyeksportowane pola wektorowe są nazywane Bxxxxx.txt, gdzie 00001≤ xxxxx ≤ 99999, a B oznacza bufor. Każdy plik zawiera cztery kolumny danych: (1) położenie x wektora na obrazie, (2) położenie y wektora na obrazie, (3) składową x przemieszczenia (t.j. przemieszczenie wzdłuż strumienia), (4) składową y przemieszczenia (t.j. przemieszczenie prostopadłe do ścianki). Pliki Bxxxxx.txt są otwierane i przetwarzane w programie MATLAB w celu obliczenia pola prędkości, przy znanym kroku czasowym między parami obrazów, ΔT[s], oraz powiększeniu obrazu, M[meter/pixel], t.j. u(x,y) = MD(x,y)/ΔT. Krok czasowy między obrazami to ΔT = 1/fps + D(x,y)/B, gdzie B[pixels/s] to czas potrzebny na przesunięcie się głowicy ultradźwiękowej przez szerokość obrazu. W niniejszym badaniu M = 77[μm/pixel], fps = 49.5[1/s] oraz B = 25,047[pixels/s]. Następnie oblicza się średnie zespołowe pola wektorów prędkości, profile średniej prędkości prostopadłe do ścianki oraz inne interesujące parametry przepływu. (Patrz sekcja Representative Results).

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