Prędkość obrazu cząstki echa
December 27th, 2012
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.
Celem tego eksperymentu jest uzyskanie dwuwymiarowych, chwilowych pól prędkości w przepływie Hagen Zoi, znanym również jako laminarny przepływ rurowy. Za pomocą obrazu echa cząstki symetria LOC lub pomiary walidacyjne E-P-I-V-E-P-I-V są demonstrowane w przepływie w rurze recyrkulacyjnej mieszaniny wody i gliceryny w proporcji 50-50. Zastosowany tutaj system przepływu rur wykorzystuje stałą wysokość podnoszenia utrzymywaną przez pompę akwariową w celu napędzania przepływu.
Sonda ultradźwiękowa z szykiem fazowanym jest zamontowana na ściance rury systemu przepływowego, a obrazy ultrasonograficzne w trybie B są przesyłane strumieniowo. Płyn jest osadzony w pustych szklanych kulkach lub cząstkach znacznikowych, które wiernie podążają za ruchami przepływu. Obrazy ultrasonograficzne są następnie pozyskiwane, przesyłane do komputera i konwertowane do formatu obrazu zgodnego z komercyjnym oprogramowaniem do pomiaru symetrii prędkości obrazów cząstek.
Algorytmy korelacji krzyżowej są stosowane do kolejnych obrazów ultrasonograficznych w trybie B w celu obliczenia dwuwymiarowych pól prędkości. Ostatecznie pola wektorowe są analizowane w celu obliczenia interesujących nas wielkości przepływu, takich jak średnie naprężenie czyste zespołu i wirowość. Chociaż technika ta może zapewnić wgląd w podstawową dynamikę płynów, może być i jest często stosowana w praktycznych systemach przepływu, w tym w zastosowaniach biomedycznych, na przykład w przepływach tętniczych lub międzykomorowych.
Nasze ciągłe eksperymenty z wykorzystaniem skroplonej biomasy i płynu są tym, co zainteresowało nas w tej technice. Aby skonfigurować system EP IV, zacznij od włączenia pomp. Spowoduje to rozpoczęcie przepływu w rurze recyrkulacyjnej ze stałą szybkością.
Następnie nałóż żel do stosowania miejscowego na bazie wody na sondę ultrasonograficzną. Żel minimalizuje straty w transmisji wiązki ultradźwiękowej między czołem sondy a rurą. Następnie, za pomocą specjalnie skonstruowanego mocowania sondy z łącznikami rurowymi przewlekanymi, przymocuj sondę ultradźwiękową do zewnętrznej ściany rury zasilającej w aparacie ultrasonograficznym.
Po załadowaniu wszystkich systemów na ekranie ultrasonograficznym pojawi się strumień obrazów na żywo. Tryb 2D jest domyślnym ustawieniem sondy liniowej do uzyskiwania pomiarów EPIV. Najpierw należy odmierzyć odpowiednią suchą masę nominalnych 10 mikrometrów pustych szklanych kulek, tak aby ich końcowe stężenie po dodaniu do systemu przepływu wynosiło około 17 części wagowych na milion.
Następnie wyekstrahuj objętość płynu z miski i dodaj cząstki do płynu, aby utworzyć stężony roztwór cząstek. Cząstki po dodaniu do systemu przepływu będą służyć jako ultradźwiękowe środki kontrastowe lub cząsteczki znacznikowe. Dodaj stężony roztwór cząstek do systemu przepływu w rurze recyrkulacyjnej, mieszając go ze zbiornikami na wodę.
Szklane kule można następnie oglądać na monitorze ultrasonograficznym. Po kilku minutach szklane kulki zostaną równomiernie rozmieszczone w całym systemie, dlatego jedną z najtrudniejszych części tej procedury jest uzyskanie wyraźnych obrazów ultrasonograficznych o wysokiej rozdzielczości. Aby zmaksymalizować jakość tych obrazów, dostosowujemy punkty ogniskowe wzmocnienia i zakres dynamiki w oparciu o aprioryczne szacunki prędkości przepływu.
Optymalizujemy te parametry na bieżąco, analizując obrazy ultrasonograficzne. Użyj pokrętła regulacji głębokości na panelu sterowania ultradźwięków, aby ustawić głębokość obrazu na trzy centymetry. Następnie, za pomocą pokrętła wzmocnienia 2D, wyreguluj całkowite wzmocnienie obrazu, aby zwiększyć jasność obrazu tak, aby cząstki początkowe były wyraźnie widoczne na tablicy rozdzielczej.
Dostosuj suwaki kompensacji wzmocnienia czasowego, aby tłumić rozproszenie od ścianek rury i skompensować tłumienie sygnału ultradźwiękowego zależne od głębokości. Spowoduje to usunięcie nadmiaru obrazu na górze i na dole ścianek rury w trybie 2D. Pokrętła na górze panelu sterowania od lewej do prawej odpowiadają szerokości, częstotliwości ostrości i liczbie klatek na sekundę.
Użyj tych pokręteł, aby jeszcze bardziej dostosować obraz, aby osiągnąć najwyższą możliwą rozdzielczość fizyczną, częstotliwość i liczbę klatek na sekundę do analizy. Następnie ustaw częstotliwość pracy sondy na 10 megaherców i ustaw liczbę klatek na sekundę na 49,5 klatki na sekundę. Należy pamiętać, że te cztery parametry są z natury sprzężone.
W związku z tym w przypadku danego obrazu ultrasonograficznego istnieje kompromis między rozdzielczością przestrzenną a czasową. Ze względu na ograniczoną rozdzielczość poprzeczną, szklane kule zostaną rozmazane w kierunku bocznym i pojawią się na obrazie jako elipsoidy. Po zoptymalizowaniu parametrów nadszedł czas na zebranie danych na panelu sterowania ultrasonograficznym na instrumencie.
Naciśnij przycisk nowego egzaminu, aby rozpocząć nowy eksperyment. Pod pacjentem. Wprowadź przepływ rury jako nazwisko i datę jako imię.
Wprowadź numer testu w polu identyfikatora pacjenta. Badanie ultrasonograficzne rozpocznie się automatycznie po osiągnięciu ustawionego maksimum od 1000 do 1 500 obrazów. Nowa pętla skanowania rozpoczyna się w miarę kontynuowania skanowania.
Dokonuj regulacji parametrów obrazowania, aż cząstka zalążkowa będzie ostro ostra z około 10 cząstkami na obszar badania. Aby ponownie uruchomić pętlę nagrywania skanowania, naciśnij przycisk zamrażania na panelu sterowania ultradźwiękami. Po uzyskaniu wystarczającej liczby idealnych obrazów naciśnij przycisk zamrażania.
Następnie naciśnij przycisk pętli C na panelu sterowania ultrasonografem. Wybierz wszystkie obrazy, aby uwzględnić wszystkie obrazy ultrasonograficzne w zestawie analiz. Po wybraniu obrazów do analizy naciśnij przycisk przechowywania obrazów, aby zapisać wybrany zestaw obrazów ultrasonograficznych.
Po zapisaniu obrazów naciśnij przycisk archiwum na panelu sterowania ultrasonografem. Po wyświetleniu monitu wybierz interesującą Cię pętlę syn z małego okna, która ma zostać zapisana na lokalnym dysku twardym. Następnie użyj kursora myszy, aby wybrać opcję Zakończ egzamin.
Naciśnij przycisk archiwum i użyj kursora myszy, aby najpierw wybrać więcej, a następnie wybierz zarządzanie dyskami. Spowoduje to przeniesienie zapisanej pętli cylindra lub pętli cylindrów do komputera z oprogramowaniem do symetrii prędkości obrazu cząstek lub PIV. Po przechwyceniu i zapisaniu obrazów obraz ultrasonograficzny musi zostać przekonwertowany z pliku Digital Imaging Communications in Medicine lub DICOM na plik joint photographic experts group lub plik obrazu JPEG do analizy.
Użyj skryptu MATLAB z uruchomionym DICOM na jpeg kropka m, aby przekonwertować pliki DICOM na JPEG. Ten skrypt został wykonany we własnym zakresie i można go pobrać w celach edukacyjnych pod podanym tutaj adresem internetowym. Po przekonwertowaniu pliku otwórz oprogramowanie Davi firmy Law Vision w oprogramowaniu.
Kliknij dwukrotnie ikonę davi, wybierz nowy projekt, a następnie wybierz PIV. Na pasku narzędzi wybierz opcję importuj obrazy i wybierz opcję importuj za pomocą ponumerowanych plików. Następnie w menu rozwijanym zlokalizuj folder, w którym przechowywane są obrazy ultrasonograficzne JPEG i kliknij dwukrotnie pierwszy obraz zestawu.
Spowoduje to zaimportowanie wszystkich obrazów ultrasonograficznych z tego numerowanego zestawu w celu zdefiniowania obszaru zainteresowania do analizy, który obejmuje tylko płyn. Zastosuj maskę, aby utworzyć maskę, wprowadź współrzędne, prostokątny obszar za pomocą dwóch punktów współrzędnych x i y na podstawie informacji z pliku DICOM i znajomości wymiarów pikseli. Następnie w głównym panelu sterowania w dvu kliknij zakładkę znajdującą się pod bieżącym projektem zawierającym zaimportowane obrazy.
Wybierz tabelę z etykietą Przetwarzanie wsadowe. Umożliwia to oknu przetwarzania wektorowego Davi do przetwarzania wsadowego z listy operacji przy użyciu drzewa szeregów czasowych PIV i PIV wybieranie parametrów obliczeń wektorowych i wybieranie wieloprzebiegowego z malejącym rozmiarem zapytania 64 piksele przez 64 piksele do 12 pikseli przez 12 pikseli z nakładaniem się 50%Ustaw względne ograniczenie zakresu wektorów na wszystkie, a następnie bezwzględne ograniczenie zakresu wektorów do pięciu pikseli. Następnie zastosuj filtr mediany, aby stłumić szum i wygładzić pola wektorowe.
Następnie, aby przetworzyć wektor, zaznacz pole Zakres danych równa się 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. Po ustawieniu wszystkich żądanych parametrów po lewej stronie ekranu przetwarzania wsadowego wybierz całkowitą liczbę obrazów do przetworzenia.
Kliknij Rozpocznij przetwarzanie. W ten sposób zostanie obliczone pole przemieszczenia między kolejnymi obrazami ultrasonograficznymi przy użyciu algorytmów korelacji krzyżowej. Aby przeanalizować przetworzone dane, wyeksportuj pola wektorowe UCV z DAVO jako pliki txt.
Aby to zrobić w gałęzi obrazu JPEG na ekranie projektu, wybierz gałąź przemieszczenia wektorowego. Na pasku narzędzi wybierz kartę eksportuj. Wybierz typ pliku.
Zapytaj e txt. Wybierz pozycję Utwórz folder eksportu i wybierz pozycję Eksportuj. Następnie otwórz plik w programie MATLAB, uruchamiając skrypt MATLAB.
Wyeksportowane pola wektorowe mają nazwy B-X-X-X-X-X do TXT, gdzie X oznacza liczbę rosnącą od jednego do 99 999. Każdy plik zawiera cztery kolumny danych, które można wyświetlić za pomocą notatnika jedna lokalizacja wektora x na obrazie, dwie lokalizacje Y wektora na obrazie, trzy X składowe przemieszczenia lub przemieszczenia strumieniowego oraz cztery składowe y przemieszczenia, które opisuje ścianę. Przemieszczenie normalne służy do obliczania pola wektora prędkości U w funkcji X i Y, gdzie X i Y odpowiadają współrzędnym przestrzennym na obrazie ultrasonograficznym, odbywa się to poprzez uprzednią konwersję pola przemieszczenia D X i Y mierzonego w pikselach na pole przemieszczenia mierzone w metrach za pomocą parametru skalowania obrazu M podanego w jednostkach metra na piksel.
Następnie pole przemieszczenia jest dzielone przez separację czasową z korekcją przemiatania między obrazami delta T, gdzie delta T jest równa jeden powyżej liczby klatek na sekundę podanej w klatkach na sekundę plus pole przemieszczenia podzielone przez czas potrzebny na przemiatanie obrazu ultrasonograficznego przez szerokość obrazu. Podsumowując, U z X i Y równa się M razy D z X i Y podzielone przez delta T.DICOM z natury przechowuje strukturę plików, która dostarcza informacji potrzebnych do obliczenia parametru skalowania obrazu M i separacji czasowej z korekcją przemiatania. Delta T w niniejszym badaniu M równa się 77 mikronom na piksel, FPS równa się 49,5, a B równa się 25 047 pikseli na sekundę.
Na koniec oblicz zespołowe pola wektorowe średniej prędkości podczas normalnych profili średniej prędkości i wszelkich innych interesujących wielkości przepływu. Aby zademonstrować przydatność EPIV i ocenić niepewność pomiaru, uzyskano dwuwymiarowe, chwilowe pola prędkości i laminarnego przepływu w rurach, jak opisano w tym filmie, ten chwilowy wykres wektorowy pokazuje wektory prędkości co czwartą kolumnę, a mapa konturowa w kolorze tła odpowiada wielkości prędkości. Dwuwymiarowe położenie przestrzenne wektora prędkości jest oznaczone przez D nad D i X nad D, gdzie D jest położeniem promieniowym mierzonym od górnej ściany.
D to średnica rury, a X to położenie strumienia mierzone od wejścia do rury. Pozorny paraboliczny kształt wektorów prędkości wzdłuż kolumn wskazuje, że pomiary są zgodne z oczekiwanym profilem prędkości dla przepływu rurowego. Uśredniony wykres wektorowy złożony obliczony przez uśrednienie ponad 1000 chwilowych wykresów wektorowych zapewnia reprezentację pola prędkości średniej.
Uśredni również losowe błędy szumu w chwilowych polach wektorowych. Wektory prędkości są przede wszystkim w kierunku strumienia. Największe prędkości występują na osi rury.
Prędkości zmniejszyły się do zera na ściankach rury, a przepływ jest w przybliżeniu symetryczny, pokazano tutaj średni profil prędkości strumienia wzdłuż promienia rury uzyskany przez uśrednienie uśrednionego wykresu wektorowego zespołu wzdłuż rzędów w kierunku poziomym. Pokazano również oczekiwany średni profil prędkości dla laminarnego przepływu w rurze. Biorąc pod uwagę warunki doświadczalne.
Zgodność między pomiarami EPIV a oczekiwanym profilem pozo higgin jest najlepsza w pobliżu linii środkowej rury, a najgorsza w pobliżu ścianek rury. Duże różnice w pobliżu ściany są prawdopodobnie spowodowane silnym odbiciem i załamaniem fal ultradźwiękowych na zakrzywionej powierzchni ścianki rury, które wytwarzają wysokie intensywności obrazu w tych obszarach, przy czym wysokie natężenia na ścianie przesłaniają intensywność cząstek, co prowadzi do błędu pomiaru. Dzięki opracowaniu tej techniki naukowcy badający dynamikę płynów w inżynieryjnych lub biologicznych systemach przepływu mogą teraz rejestrować przestrzenne czasowe zmiany pola prędkości w optycznie nieprzezroczystych płynach lub za pomocą optycznie nieprzezroczystych geometrii.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak działa EPIV, jego ograniczenia oraz jak zbudować i obsługiwać system EPIV za pomocą komercyjnego aparatu ultrasonograficznego.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten artykuł opisuje system echo particle image velocimetry (EPIV) zaprojektowany do rejestrowania dwuwymiarowych pól prędkości w płynach optycznie nieprzezroczystych. Przedstawiono pomiary walidacji w laminarnym przepływie rurowym, demonstrujące możliwości systemu.
Kluczowe komponenty badania
Obszar nauki
- Dynamika płynów
- Wizualizacja ultradźwiękowa
- Vilocimetria obrazów cząstek
Tło
- Systemy EPIV są używane do pomiaru prędkości płynów w trudnych warunkach.
- Laminarny przepływ rurowy jest częstym scenariuszem do walidacji technik pomiaru płynów.
- Cząstki śladowe są niezbędne do dokładnego śledzenia prędkości w dynamice płynów.
- Wizualizacja ultradźwiękowa zapewnia nieinwazyjną metodę wizualizacji dynamiki przepływu.
Cel badania
- Opracowanie systemu EPIV do użytku w optycznie nieprzezroczystych płynach.
- Walidacja wydajności systemu w kontrolowanym środowisku przepływu rurowego.
- Demonstracja skuteczności stosowania ultradźwięków do pomiaru prędkości płynów.
Stosowane metody
- Zastosowanie sondy ultradźwiękowej z fazowanym wiązaniem zamontowanej na ściance rury.
- Przesyłanie strumieniowe obrazów ultradźwiękowych trybu B do analizy.
- Użycie pustych szklanych kulek jako cząstek śladowych w płynie.
- Konwersja obrazów ultradźwiękowych do formatu kompatybilnego z oprogramowaniem do vilocimetry obrazów cząstek.
Główne wyniki
- Udana akwizycja dwuwymiarowych pól prędkości w laminarnym przepływie.
- Walidacja systemu EPIV poprzez eksperymentalne pomiary.
- Demonstracja zdolności systemu do działania w optycznie nieprzezroczystych warunkach.
- Skuteczna analiza dynamiki przepływu za pomocą cząstek śladowych i wizualizacji ultradźwiękowej.
Wnioski
- System EPIV jest cennym narzędziem do badania dynamiki płynów w trudnych środowiskach.
- Wizualizacja ultradźwiękowa zwiększa zdolność do pomiaru prędkości przepływu w nieprzezroczystych płynach.
- Przyszłe zastosowania mogą rozszerzyć się na różne dziedziny wymagające analizy prędkości płynów.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Echo Particle Image Velocimetry (EPIV) enables non-invasive, high-resolution measurement of fluid velocity fields in optically opaque systems, supporting mechanistic understanding of transport phenomena in complex biological and engineered flows. This capability aids in de-risking fluid dynamics assumptions during early-stage target validation and preclinical model development by providing quantitative, spatially resolved data on mass, momentum, and energy transport. EPIV-derived velocity fields enhance predictive confidence in preclinical systems where direct optical access is limited, such as in viscous biomaterials or tissue-mimicking phantoms.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of fluid-mediated transport mechanisms in drug delivery systems, supporting hypothesis testing on how formulation properties influence particle dispersion and bioavailability.
- Operational Value: Provides reproducible, quantitative velocity field data to functionally validate fluidic components in preclinical devices or biomaterial scaffolds.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates standardized, two-dimensional velocity maps that serve as functional readouts for assessing fluid behavior in complex matrices, enabling assay readiness for particulate or viscous formulations.
- Operational Value: Supports high-fidelity, scalable imaging of tracer particle dynamics under controlled flow conditions, improving reproducibility across screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Bridges discovery and preclinical validation by quantifying flow-induced shear and vorticity in biomimetic systems, informing risk-adjusted decisions on device performance and biocompatibility.
- Operational Value: Facilitates continuity from bench-top fluid characterization to preclinical testing through standardized, ultrasound-based velocimetry compatible with opaque biological simulants.
Pipeline & Workflow Integration
EPIV integrates into the discovery workflow as a tool for hypothesis-driven fluid dynamics assessment, positioned between early formulation screening and preclinical functional validation, particularly when optical opacity limits conventional imaging approaches.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by enabling visualization and quantification of fluid transport in systems where particle-laden flows influence target engagement or drug release kinetics.
- Screening: Delivers assay-ready, cross-correlation-derived displacement and velocity fields with quantified uncertainty, enabling comparison across formulation or device iterations.
- Analytics: Provides scalable, magnification-corrected velocity fields (u(x,y)) from displacement data, allowing teams to compute derived quantities like shear stress and vorticity for comparative analysis.
- Translational Research: Connects in vitro fluid behavior to preclinical relevance by measuring flow profiles in geometrically and rheologically representative simulants, supporting continuity in device or biomaterial evaluation.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable, platform-capable method for fluid dynamics characterization across multiple projects, leveraging commercial ultrasound and PIV software infrastructure.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in fluid-mediated biological interactions by reducing uncertainty in velocity field estimation within opaque environments.
- Operational Value: Enhances standardization and reproducibility through synchronized image acquisition, cross-correlation analysis, and sweep-corrected temporal scaling.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making in fluid-dependent programs by providing objective, quantitative benchmarks for flow performance.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of formulations or devices based on empirically validated hydrodynamic behavior in realistic simulants.
Implementation Considerations
- Requires expertise in ultrasound imaging principles, particle image velocimetry, and fluid dynamics to optimize gain, focus, frame rate, and particle concentration.
- Depends on access to a phased array ultrasound probe, medical ultrasound system, and PC-based PIV software capable of processing B-mode image sequences.
- Necessitates cross-team standardization of imaging parameters (e.g., frame rate, magnification, interrogation window size) to ensure velocity field comparability across studies.
- Involves adaptation considerations for varying tracer particle properties, fluid viscosity, and flow geometry to maintain image fidelity and measurement accuracy.
- Involves practical limitations including reduced lateral resolution causing particle smearing and ultrasound reflection artifacts at curved boundaries, which may obscure near-wall velocity measurements.
