Name: Prędkość obrazu cząstki echa (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-12-27T12:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 31 s
Description: Poznaj echo particle image velocimetry (EPIV) do pomiaru dwuwymiarowych pól prędkości w nieprzezroczystych cieczach. Metoda wykorzystuje ultradźwięki i cząstki śledzące do analizy dynamiki płynów.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy wyrażają wdzięczność za wsparcie udzielone przez National Science Foundation, CBET0846359, nadzorowane przez grant monitora Horsta Henninga Wintera.

1. Utworzenie mierzalnego przepływu
<ol>
 <li>Pomiary walidacyjne EPIV zostaną zademonstrowane w przepływie rurkowym roztworu gliceryny z wodą (50% gliceryny - 50% wody). Schemat układu eksperymentalnego przedstawiono na Rysunku 1. </li>
 <li>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 </li>
 <li>Do pompy dostarczane jest stałe napięcie w celu wprowadzenia znanego natężenia przepływu. Natężenie przepływu wybrano tak, aby U &lt;&lt; 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 </li>
</ol>
2. Kalibracja ultradźwięków
<ol>
 <li>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.</li>
 <li>Włącz urządzenie do ultrasonografii. Strumień obrazów ultradźwiękowych w czasie rzeczywistym rozpocznie się automatycznie po załadowaniu wszystkich systemów. </li>
 <li>Ustaw głębokość obrazowania za pomocą pokrętła Depth Control na panelu sterowania urządzenia. </li>
 <li>Ustaw całkowite wzmocnienie obrazu za pomocą pokrętła 2D Gain na panelu sterowania urządzenia. </li>
 <li>Dostosuj suwaki Time Gain Compensation (TGC), aby osłabić rozproszenie sygnału od ścianek rury oraz skompensować tłumienie sygnału ultradźwiękowego związane z głębokością. </li>
 <li>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. </li>
 <li>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. </li>
</ol>
3. Gromadzenie danych
<ol>
 <li>Naciśnij Nowy egzamin przycisk na panelu sterowania ultrasonografem służący do rozpoczęcia nowego eksperymentu. </li>
 <li>Utwórz nowego „pacjenta”, wpisując Pipe Flow w Nazwisko i dzisiejsza data w
 Imię oraz numer testu w ID pacjenta. </li>
 <li>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. </li>
 <li>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. </li>
 <li>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.</li>
 <li>Naciśnij Repozytorium obrazów przycisk na panelu sterowania ultrasonografem służący do zapisywania wybranego zestawu obrazów USG.</li>
 <li>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. </li>
 <li>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. </li>
</ol>
4. Konwersja typu pliku
<ol>
 <li>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. </li>
 <li>Obrazy USG w formacie JPEG są następnie analizowane przy użyciu oprogramowania DaVis firmy LaVision. </li>
</ol>
5. Obliczanie pól przemieszczeń, D(x, y), przy użyciu oprogramowania DaVis
<ol>
 <li>Kliknij dwukrotnie ikonę DaVis na komputerze PC. Wybierz New Project. Wybierz PIV.</li>
 <li>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.</li>
 <li>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).</li>
 <li>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.</li>
 <li>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.</li>
 <li>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.</li>
</ol>
6. Analiza pól wektorowych
<ol>
 <li>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.</li>
 <li>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). </li>
</ol>

<ol><li>White, F. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWhite%2C+FM+%22Fluid+Mechanics%22">Fluid Mechanics</a>. , McGraw Hill. New York, New York. (1994).</li>
<li>Hak, M. G. ad-el <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHak%2C+MGad-el+%22Flow+Control%3A+Passive%2C+Active%2C+and+Reactive+Flow+Management%22">Flow Control: Passive, Active, and Reactive Flow Management</a>. , University Press. Oxford. (2000).</li>
<li>Kim, B. H., Hertzberg, J. R., Shandas, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+and+validation+of+echo+PIV%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Development and validation of echo PIV.</a> Exp. Fluids. 36, 455-462 (2004).</li>
<li>Zheng, H., Liu, L., Williams, L., Hertzberg, J. R., Lanning, C., Shandas, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real+time+multicomponent+echo+particle+image+velocimetry+technique+for+opaque+flow+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Real time multicomponent echo particle image velocimetry technique for opaque flow imaging.</a> Appl. Phys. Lett. 88, 261915(2006).</li>
<li>Beulen, B., Bijnens, N., Rutten, M., Brands, P., van de Vosse, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Perpendicular+ultrasound+velocity+measurement+by+2D+cross+correlation+of+RF+data.+Part+A%3A+validation+in+a+straight+tube%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Perpendicular ultrasound velocity measurement by 2D cross correlation of RF data. Part A: validation in a straight tube.</a> Exp. Fluids. 49, 1177-1186 (2010).</li>
<li>Poelma, C., Mari, J. M., Foin, N., Tang, M. -X., Krams, R., Caro, C. G., Weinberg, P. D., Westerweel, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+Flow+reconstruction+using+ultrasound+PIV%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Fluids%22%5BJournal%5D)">3D Flow reconstruction using ultrasound PIV.</a> Exp. Fluids. 50, 777-785 (2011).</li>
<li>GE VINGMED ULTRASOUND A/A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Vivid+7%2FVivid+7+PRO+User%C3%A2%E2%82%AC%E2%84%A2s+Manual%22">Vivid 7/Vivid 7 PRO Userâ€™s Manual</a>. , FC092326 edition, GE VINGMED. Horten, Norway. (1988).</li>
<li>DaVis Software for Intelligent Imaging [Internet]. , LaVision. Michigan. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.lavision.de/en/download.php?id=3">http://www.lavision.de/en/download.php?id=3</a> (2013).</li>
<li>Szabo, T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSzabo%2C+T+%22Diagnostic+Ultrasound+Imaging%3A+Inside+Out%22">Diagnostic Ultrasound Imaging: Inside Out</a>. , Elsevier Academic Press. Burlington, MA. (2004).</li>
<li>Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhans, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRaffel%2C+M+%22Particle+Image+Velocimetry%3A+A+Practical+Guide%22">Particle Image Velocimetry: A Practical Guide</a>. , Springer-Verlag. Berlin Heidelberg New York. (2007).</li>
</ol>

Autorzy nie zgłaszają żadnych konfliktów interesów.

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...

<table><tbody><tr><td>Aparat USG</td><td>GE</td><td>Vivid 7 Pro</td><td></td></tr><tr><td>Liniowy głowica USG</td><td>GE</td><td>10 L</td><td></td></tr><tr><td>Pompa wodna DC</td><td>KNF</td><td>NF 10 KPDC</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie do przetwarzania wektorowego</td><td>Lavision</td><td>DaVis 7.2</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie do postprocessingu</td><td>Mathworks</td><td>MATLAB 7.12</td><td></td></tr><tr><td>Rurki akrylowe</td><td>McMaster-Carr</td><td>8486K531</td><td></td></tr><tr><td>Żel do USG</td><td>Parker</td><td>Aquasonic 100</td><td></td></tr></tbody></table>

echo particle image velocimetry

Echo Particle Image Velocimetry

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.

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...

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.

Transport masy, pędu i energii w przepływach płynów jest w ostateczności determinowany przez czasoprzestrzenne rozkłady pola prędkości płynu.1 ...

Celem niniejszego eksperymentu jest uzyskanie dwuwymiarowych, chwilowych pól prędkości w przepływie Hagena-Poiseuille'a, znanym również jako laminarny przepływ w rurze. Wykorzystując metodę obrazowania cząstek za pomocą echa (E-PIV), zaprezentowano pomiary walidacyjne w recyrkulującym przepływie rurkowym mieszaniny wody i gliceryny w proporcji 50:50. Zastosowany tutaj system przepływu w rurze wykorzystuje stały poziom ciśnienia utrzymywany przez pompę akwariową w celu wymuszenia przepływu.Sonda ultradźwiękowa z przestrajaną wiązką (phased array) zostaje zamocowana do ścianki rury układu przepływowego, a następnie przesyłane są obrazy ultradźwiękowe w trybie B. Do cieczy dodaje się puste w środku szklane kuleczki lub cząstki znacznika, które wiernie odwzorowują ruchy przepływu. Obrazy ultradźwiękowe są następnie pozyskiwane, przesyłane do komputera PC i konwertowane do formatu obrazu kompatybilnego z komercyjnym oprogramowaniem do symetrii obrazowania prędkości cząstek.Algorytmy korelacji wzajemnej są stosowane do kolejnych obrazów ultrasonograficznych w trybie B w celu obliczenia dwuwymiarowych pól prędkości. Ostatecznie analizowane są pola wektorowe, aby obliczyć interesujące parametry przepływu, takie jak średnia zespołowa naprężenie ścinające oraz wirowość. Chociaż technika ta może dostarczać wiedzy na temat podstawowej dynamiki płynów, może być i jest często wykorzystywana w praktycznych systemach przepływowych, w tym w zastosowaniach biomedycznych, na przykład w przepływach tętniczych lub międzykomorowych.Nasze trwające eksperymenty z wykorzystaniem upłynnionej biomasy i cieczy skłoniły nas do zainteresowania się tą techniką. Aby przygotować system EP IV, należy rozpocząć od włączenia pomp. Uruchomi to przepływ w rurze recyrkulacyjnej ze stałą prędkością.Następnie nanieś żel do USG na bazie wody na głowicę ultradźwiękową. Żel minimalizuje straty transmisji wiązki ultradźwiękowej pomiędzy powierzchnią głowicy a rurą. Następnie, korzystając ze specjalnie skonstruowanego uchwytu głowicy z przepustami ściennymi, przymocuj głowicę ultradźwiękową do zewnętrznej ścianki rury i włącz urządzenie do USG.Po załadowaniu wszystkich systemów na ekranie ultrasonografu pojawi się strumień obrazów w czasie rzeczywistym. Tryb 2D jest ustawieniem domyślnym dla głowicy liniowej w celu przeprowadzenia pomiarów EPIV. Najpierw odważ odpowiednią suchą masę nominalnych pustych szklanych kulek o średnicy 10 mikrometer, tak aby ich końcowe stężenie po dodaniu do układu przepływowego wynosiło około 17 części masy na milion.Następnie należy pobrać określoną objętość cieczy z basenu i dodać do niej cząsteczki w celu przygotowania stężonego roztworu cząsteczek. Cząsteczki wprowadzone do układu przepływowego będą pełnić rolę środków kontrastowych w badaniu ultrasonograficznym lub cząsteczek znacznikowych. Wprowadź stężony roztwór cząsteczek do systemu ruro przewodów z przepływem recyrkulacyjnym, mieszając go z cieczą w basenach wodnych.Szklane sfery można następnie obserwować na monitorze ultrasonograficznym. Po kilku minutach szklane sfery zostaną równomiernie rozłożone w całym układzie, dlatego jedną z najtrudniejszych części tej procedury jest uzyskanie wyraźnych obrazów ultrasonograficznych o wysokiej rozdzielczości. Aby zmaksymalizować jakość tych obrazów, dostosowujemy wzmocnienie, punkty ogniskowania oraz zakres dynamiczny w oparciu o a priori szacunki prędkości przepływu.Następnie optymalizujemy te parametry na bieżąco poprzez analizę obrazów ultradźwiękowych. Za pomocą pokrętła kontroli głębokości na panelu sterowania ultrasonografu ustaw głębokość obrazowania na 3 cm. Następnie, korzystając z pokrętła wzmocnienia 2D, dostosuj całkowite wzmocnienie obrazu, aby zwiększyć jego jasność w taki sposób, by cząstki zarodkowe były wyraźnie widoczne na panelu instrumentu.Dostosuj suwaki kompensacji wzmocnienia w czasie (TGC), aby stłumić rozproszenie sygnału od ścianek rury oraz skompensować tłumienie sygnału ultradźwiękowego związane z głębokością. Pozwoli to usunąć nadmiar obrazu u góry i u dołu ścianek rury w trybie 2D. Pokrętła na górze panelu sterowania, licząc od lewej do prawej, odpowiadają szerokości, częstotliwości ogniskowania oraz częstotliwości odświeżania klatek.Użyj tych pokręteł, aby dalej dostroić obraz w celu uzyskania najwyższej możliwej rozdzielczości fizycznej, częstotliwości i liczby klatek na sekundę do analizy. Następnie ustaw częstotliwość pracy głowicy na 10 megahertz oraz liczbę klatek na sekundę na 49.5 frames per second. Należy pamiętać, że te cztery parametry są ze sobą ściśle powiązane.W konsekwencji, dla danego skanu obrazu ultradźwiękowego, istnieje kompromis między rozdzielczością przestrzenną a czasową. Ze względu na ograniczoną rozdzielczość boczną, szklane kule zostaną rozmyte w kierunku bocznym i będą widoczne na obrazie jako elipsoidy. Po zoptymalizowaniu parametrów należy przystąpić do zbierania danych za pomocą panelu sterowania ultradźwiękami w urządzeniu.Naciśnij przycisk nowego badania, aby rozpocząć nowy eksperyment. W sekcji pacjenta wpisz „pipe flow” jako nazwisko oraz datę jako imię.Wpisz numer badania w polu identyfikatora pacjenta. Skanowanie ultradźwiękowe rozpocznie się automatycznie po osiągnięciu zaprogramowanego maksimum od 1000 do 1 500 obrazów. W miarę kontynuowania skanowania rozpocznie się nowa pętla obrazowania.Koryguj parametry obrazowania do momentu, aż cząstka znacznika będzie ostro widoczna, a w każdym obszarze przesłuchującym znajdzie się około 10 cząstek. Aby zrestartować pętlę rejestracji skanowania, naciśnij przycisk zamrażania (freeze) na panelu sterowania ultrasonografem. Po zarejestrowaniu wystarczającej liczby optymalnych obrazów naciśnij przycisk zamrażania.Następnie naciśnij przycisk pętli C na panelu sterowania ultrasonografem. Wybierz wszystkie obrazy, aby uwzględnić wszystkie zdjęcia USG w zestawie analizy. Po wybraniu obrazów do analizy naciśnij przycisk zapisu obrazów, aby zapisać wybrany zestaw obrazów ultrasonograficznych.Po zapisaniu obrazów naciśnij przycisk archiwizacji na panelu sterowania USG. Gdy pojawi się monit, wybierz z małego okna interesującą pętlę synchroniczną (syn loop), aby zapisać ją na lokalnym dysku twardym. Następnie za pomocą kursora myszy wybierz opcję zakończenia badania.Naciśnij przycisk archiwizacji, a następnie za pomocą kursora myszy wybierz opcję „more”, a następnie „disc management”. Spowoduje to przesłanie zapisanej pętli cyl lub pętli cyl do komputera uruchamiającego oprogramowanie do pomiaru prędkości obrazu cząstek (particle image velocity symmetry) lub PIV. Po przechwyceniu i zapisaniu obrazów, obraz ultradźwiękowy musi zostać przekonwertowany z pliku standardu DICOM (digital imaging communications in medicine) na plik obrazu JPEG (joint photographic experts group) w celu przeprowadzenia analizy.Użyj skryptu MATLAB uruchamiającego plik DICOM to jpeg.m, aby przekonwertować pliki DICOM do formatu JPEG. Skrypt ten został opracowany wewnętrznie i może zostać pobrany do celów edukacyjnych z adresu internetowego podanego tutaj. Po konwersji pliku uruchom oprogramowanie Davi firmy Law Vision.Kliknij dwukrotnie ikonę davi, wybierz nowy projekt, a następnie wybierz PIV. Na pasku narzędzi wybierz importuj obrazy i zaznacz importuj poprzez ponumerowane pliki. Następnie w menu rozwijanym zlokalizuj folder, w którym przechowywane są obrazy ultrasonograficzne w formacie JPEG, i kliknij dwukrotnie pierwszy obraz z zestawu.Operacja ta zaimportuje wszystkie obrazy ultrasonograficzne z tego numerowanego zestawu, aby zdefiniować obszar zainteresowania do analizy obejmujący wyłącznie płyn. Aby utworzyć maskę, należy zastosować funkcję nakładania maski i wprowadzić współrzędne prostokątnego obszaru, używając dwóch punktów współrzędnych x i y na podstawie informacji z pliku DICOM oraz znajomości wymiarów pikseli. Następnie w głównym panelu sterowania dvu należy kliknąć zakładkę znajdującą się pod aktualnym projektem, która zawiera zaimportowane obrazy.Wybierz tabelę oznaczoną jako batch processing. Umożliwia to otwarcie okna przetwarzania wektorów w programie Davi w celu przetwarzania wsadowego z listy operacji, korzystając z drzewa PIV plus PIV time series. Wybierz parametry obliczania wektorów i zaznacz opcję multipass z malejącym rozmiarem okna przesłuchującego od 64 pixels by 64 pixels do 12 pixels by 12 pixels z nakładaniem 50%. Ustaw względny zakres ograniczenia wektorów (relative vector range restriction) na all, a następnie bezwzględny zakres ograniczenia wektorów (absolute vector range restriction) na pięć pixels. Następnie zastosuj filtr medianowy w celu stłumienia szumów i wygładzenia pól wektorowych.Następnie, w celu przetworzenia wektorów, w menu parametrów obliczeń wektorowych zaznacz pole wyboru określające, że zakres danych odpowiada obszarowi maskowania. Należy pamiętać, że optymalny dobór parametrów obliczeń wektorowych zależy od geometrii przepływu, właściwości przepływu, rozdzielczości obrazu, gęstości cząstek znacznika oraz zamierzonego ilościowego sposobu analizy przepływu. Po ustawieniu wszystkich pożądanych parametrów w lewej części ekranu przetwarzania wsadowego, wybierz całkowitą liczbę obrazów do przetworzenia.Kliknij przycisk rozpoczęcia przetwarzania. Spowoduje to obliczenie pola przemieszczeń pomiędzy kolejnymi obrazami ultradźwiękowymi przy użyciu algorytmów korelacji wzajemnej. Aby przeanalizować przetworzone dane, wyeksportuj pola wektorowe UCV z programu DAVO do plików tekstowych txt.Aby to zrobić, na ekranie projektu w gałęzi obrazu JPEG należy wybrać gałąź przesunięcia wektorowego (vector displacement). Na pasku narzędzi wybierz zakładkę eksportu. Następnie wybierz typ pliku.Poproś o plik tekstowy. Wybierz opcję utworzenia folderu eksportu, a następnie wybierz eksportuj. Następnie otwórz plik w programie MATLAB, uruchamiając skrypt MATLAB.Wyeksportowane pola wektorowe są nazwane B-X-X-X-X-X do TXT, gdzie X reprezentuje liczbę rosnącą od 1 do 99 999. Każdy plik zawiera cztery kolumny danych, które można przeglądać w notatniku: pierwsza to współrzędna X wektora na obrazie, druga to współrzędna Y wektora na obrazie, trzecia to składowa X przemieszczenia lub przemieszczenie wzdłuż strumienia, a czwarta to składowa y przemieszczenia, opisująca przemieszczenie prostopadłe do ścianki. Aby obliczyć pole wektorów prędkości U jako funkcję X i Y, gdzie X i Y odpowiadają współrzędnym przestrzennym na obrazie ultrasonograficznym, należy najpierw przekonwertować pole przemieszczeń D w funkcji X i Y mierzone w pikselach na pole przemieszczeń mierzone w metrach, korzystając z parametru skalowania obrazu M podanego w jednostkach metra na piksel.Następnie pole przemieszczenia dzieli się przez skorygowany o częstotliwość odświeżania odstęp czasowy między obrazami delta T, gdzie delta T jest równe odwrotności częstotliwości klatek podanej w klatkach na sekundę, plus pole przemieszczenia podzielone przez czas potrzebny na przesunięcie obrazu ultradźwiękowego przez szerokość obrazu. Podsumowując, U z X i Y równa się M razy D z X i Y podzielone przez delta T. Format DICOM z natury przechowuje strukturę pliku, która dostarcza informacji niezbędnych do obliczenia parametru skalowania obrazu M oraz skorygowanego o częstotliwość odświeżania odstępu czasowego delta T. W niniejszym badaniu M równa się 77 µm na piksel, FPS równa się 49.5, a B równa się 25 047 pikseli na sekundę.Na koniec oblicz wektorowe pola prędkości uśrednione zespołowo oraz profile normalne średniej prędkości i wszelkich innych interesujących nas wielkości przepływu. Aby zademonstrować użyteczność EPIV i ocenić niepewność pomiaru, pozyskano dwuwymiarowe, chwilowe pola prędkości w laminarnym przepływie w rurze zgodnie z opisem w tym filmie; ten chwilowy wykres wektorowy przedstawia wektory prędkości co czwartą kolumnę, a tło w postaci mapy konturowej odpowiada wartości prędkości. Dwuwymiarowa lokalizacja przestrzenna wektora prędkości jest oznaczona jako D/D oraz X/D, gdzie D to pozycja radialna mierzona od górnej ścianki.D to średnica rury, a X to pozycja wzdłuż strumienia mierzona od wlotu do rury. Pozorna paraboliczna forma wektorów prędkości wzdłuż kolumn wskazuje, że pomiary są zgodne z oczekiwanym profilem prędkości dla przepływu w rurze. Wykres wektorów uśrednionych zespołowo, obliczony poprzez uśrednienie 1000 chwilowych wykresów wektorowych, stanowi reprezentację średniego pola prędkości.Pozwoli to również na uśrednienie błędów wynikających z szumu losowego w chwilowych polach wektorowych. Wektory prędkości są skierowane przede wszystkim wzdłuż strumienia. Najwyższe prędkości występują w linii środkowej rury.Prędkości spadały do zera przy ściankach rury, a przepływ jest w przybliżeniu symetryczny; przedstawiono tutaj średni profil prędkości wzdłuż rury w funkcji promienia, uzyskany poprzez uśrednienie zbiorowego wykresu wektorowego wzdłuż rzędów w kierunku poziomym. Przedstawiono również oczekiwany średni profil prędkości dla laminarnego przepływu w rurze, biorąc pod uwagę warunki eksperymentalne.Zgodność pomiędzy pomiarami EPIV a oczekiwanym profilem Higgina-Pozo jest największa w pobliżu osi rury i najmniejsza w pobliżu jej ścianek. Duże różnice w pobliżu ścianki wynikają prawdopodobnie z silnego odbicia i załamania fal ultradźwiękowych na zakrzywionej powierzchni ścianki rury, co powoduje wysoką intensywność obrazu w tych obszarach; wysokie natężenia przy ściance przesłaniają intensywność cząstek, prowadząc do błędów pomiarowych. Dzięki opracowaniu tej techniki badacze zajmujący się dynamiką płynów w technicznych lub biologicznych układach przepływowych mogą teraz pozyskiwać czasowo-przestrzenne zmiany pola prędkości w płynach nieprzezroczystych optycznie lub przez geometrie nieprzezroczyste optycznie.Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo mieć dobrą wiedzę na temat działania metody EPIV, jej ograniczeń oraz sposobu budowy i obsługi systemu EPIV z wykorzystaniem komercyjnego urządzenia do ultrasonografii.

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Prędkość obrazowania mikrocząstek (μPIV) służy do wizualizacji sparowanych obrazów mikrocząstek zasianych w przepływie krwi, które są skorelowane krzyżowo, aby uzyskać dokładny profil prędkości.  Na podstawie tych pomiarów można uzyskać szybkość ścinania, prędkość maksymalną, kształt profilu prędkości i natężenie przepływu, z których każdy ma zastosowania kliniczne.

Obrazowa prędkość mikrocząstek do pomiarów profilu prędkości mikroprzepływów krwi

Procedura badania przepływów przejściowych w pobliżu granic za pomocą wysokiej rozdzielczości, szybkiej prędkości obrazowania cząstek (PIV) jest opisana tutaj. PIV to nieinwazyjna technika pomiarowa mająca zastosowanie do każdego optycznie dostępnego przepływu poprzez optymalizację kilku ograniczeń parametrów, takich jak właściwości obrazu i zapisu, właściwości arkusza laserowego i algorytmy analizy.

Szybkie obrazowanie cząstek w pobliżu powierzchni

Trójwymiarowy system prędkości śledzenia cząstek (3D-PTV) oparty na szybkiej kamerze z czterostopniowym rozdzielaczem jest opisany tutaj. Technika ta jest stosowana do strumienia strumienia z okrągłej rury w pobliżu dziesięciu średnic w dół rzeki pod numerem Reynoldsa Re ≈ 7000.

Trójwymiarowa prędkość śledzenia cząstek do zastosowań turbulencyjnych: przypadek przepływu strumieniowego

Eksperymentalnie dostępna analogowa metoda badania molekularnych procesów hydrodynamicznych w gęstych płynach jest prezentowana. Technika ta wykorzystuje obrazowanie prędkości cząstek wibrujących pryzm zboża o wysokiej restytucji i umożliwia bezpośrednią, makroskopową obserwację procesów dynamicznych, o których wiadomo i przewiduje się, że zachodzą w silnie oddziałujących gazach i cieczach o dużej gęstości.

Analogowa technika makroskopowa do badania molekularnych procesów hydrodynamicznych w gęstych gazach i cieczach

Technika opisana tutaj oferuje tanią i stosunkowo prostą metodę jednoczesnego pomiaru kinematyki cząstek i turbulencji w przepływach o niskich stężeniach cząstek. Turbulencje są mierzone za pomocą prędkości obrazu cząstek (PIV), a kinematyka cząstek jest obliczana na podstawie obrazów uzyskanych za pomocą szybkiej kamery w nakładającym się polu widzenia.

Jednoczesny pomiar turbulencji i kinematyki cząstek z wykorzystaniem technik obrazowania przepływowego

Tutaj prezentujemy uproszczone metody wytwarzania przezroczystych fantomów nerwowo-naczyniowych i charakteryzowania przepływu w nich. Zwracamy uwagę na kilka ważnych parametrów i pokazujemy ich związek z dokładnością pola.

Badania szybkościomierzy obrazu cząstek w mezoskali, przepływów nerwowo-naczyniowych in vitro

Obecny protokół opisuje pomiary prędkości obrazu cząstek (PIV) wykonywane w celu zbadania przepływu zatokowego przez układ in vitro przezcewnikowej zastawki aortalnej (TAV). Określane są również parametry hemodynamiczne na podstawie prędkości.

Badanie hemodynamiki za pomocą wizji obrazu cząstek za pomocą fantomu aorty

Pamięć echa gradientowego to protokół do przechowywania optycznych stanów kwantowych światła w zespołach atomowych. Pamięć kwantowa jest kluczowym elementem wzmacniacza kwantowego, który może rozszerzyć zakres kwantowej dystrybucji klucza. Przedstawiamy działanie schematu w przypadku implementacji w 3-poziomowym zespole atomowym.

Pamięć kwantowa echa gradientowego w ciepłej parze atomowej

Poczyniono postępy w wykorzystaniu rozpraszania częstości występowania echa spinowego (SERGIS) jako techniki rozpraszania neutronów do badania skal długości w próbkach o nieregularnym charakterze. Krystality estru metylowego kwasu [6,6]-fenylo-C61-masłowego przebadano techniką SERGIS, a wyniki potwierdzono mikroskopią sił optycznych i atomowych.

Wykorzystanie neutronowego echa spinowego do rozwiązania problemu rozpraszania padania w celu zbadania organicznych materiałów ogniw słonecznych

Współczynnik restytucji to parametr opisujący utratę energii kinetycznej podczas zderzenia. W tym przypadku opracowano układ swobodnego spadania w warunkach próżni, aby móc określić parametr współczynnika restytucji dla cząstek w zakresie mikrometrów o dużych prędkościach uderzenia.

Opracowanie układu doświadczalnego do pomiaru współczynnika restytucji w warunkach próżni

Poznaj echo particle image velocimetry (EPIV) do pomiaru dwuwymiarowych pól prędkości w nieprzezroczystych cieczach. Metoda wykorzystuje ultradźwięki i cząstki śledzące do analizy dynamiki płynów.

Echo Particle Image Velocimetry

Przeglądaj więcej filmów