Echo Velocimetria por Imagem de Partículas

O objetivo deste experimento é obter campos bidimensionais e instantâneos de velocidade em escoamento de Hagen Zoi, também conhecido como escoamento laminar em tubo. Utilizando eco de partículas com simetria LOC ou validação por E-PIV, são demonstradas medições em um escoamento em tubo com recirculação de uma mistura 50/50 de água e glicerina. O sistema de escoamento em tubo utilizado aqui emprega uma carga de pressão constante mantida por uma bomba de aquário para impulsionar o escoamento.

Uma sonda de ultrassom com matriz segmentada é montada na parede do tubo do sistema de fluxo e imagens de ultrassom no modo B são transmitidas continuamente. O fluido é preenchido com esferas ocas de vidro ou partículas marcadoras que seguem fielmente o movimento do fluxo. Em seguida, são adquiridas imagens de ultrassom, transferidas para um computador e convertidas para um formato de imagem compatível com o software comercial de velocimetria por imagem de partículas.

Algoritmos de correlação cruzada são aplicados a imagens sucessivas de ultrassom no modo B para calcular campos bidimensionais de velocidade. Em última análise, os campos vetoriais são analisados para determinar grandezas de fluxo de interesse, como tensão de cisalhamento média e vorticidade. Embora esta técnica possa fornecer informações sobre a dinâmica básica dos fluidos, ela pode ser, e frequentemente é, utilizada em sistemas de fluxo práticos, incluindo aplicações biomédicas, por exemplo, fluxos arteriais ou interventriculares.

Nossos experimentos em andamento utilizando biomassa liquefeita e fluido são o que nos interessou nesta técnica. Para configurar o sistema EP IV, comece ligando as bombas. Isso iniciará o fluxo do tubo de recirculação a uma taxa constante.

Em seguida, aplique um gel tópico à base de água na sonda de ultrassom. O gel minimiza a perda de transmissão do feixe de ultrassom entre a superfície da sonda e o tubo. Depois, utilizando um suporte de sonda especialmente construído com conexões para tubos com passagem através da parede, fixe a sonda de ultrassom à parede externa do tubo e ligue a máquina de ultrassom.

Uma vez que todos os sistemas forem carregados, um fluxo contínuo de imagens aparecerá na tela do ultrassom. O modo 2D é a configuração padrão para a sonda linear a fim de obter medições de EPIV. Primeiro, meça o peso seco apropriado de esferas ocas de vidro de aproximadamente 10 micrômetros para que sua concentração final, quando adicionadas ao sistema de fluxo, seja de cerca de 17 partes por milhão em peso.

Em seguida, retire um volume de fluido da bacia e adicione as partículas ao fluido para formar uma solução concentrada de partículas. As partículas, quando adicionadas ao sistema de fluxo, atuarão como agentes de contraste ultrassonográfico ou partículas marcadoras. Adicione a solução concentrada de partículas ao sistema de fluxo em tubulação com recirculação, misturando-a nas bacias de água.

As esferas de vidro podem então ser visualizadas no monitor de ultrassom. Após alguns minutos, as esferas de vidro estarão uniformemente distribuídas por todo o sistema, de modo que uma das partes mais difíceis deste procedimento é obter imagens de ultrassom de alta resolução e nítidas. Para maximizar a qualidade dessas imagens, ajustamos os pontos focais de ganho e a faixa dinâmica com base em estimativas a priori da velocidade do fluxo.

Otimizamos ainda mais esses parâmetros em tempo real mediante análise das imagens de ultrassom. Use o botão de controle de profundidade no painel de controle do ultrassom para ajustar a profundidade da imagem a três centímetros. Em seguida, utilizando o botão de ganho 2D, ajuste o ganho total da imagem para aumentar o brilho de modo que as partículas marcadoras sejam claramente visíveis no painel do instrumento.

Ajuste os controles deslizantes de compensação de ganho em função do tempo para atenuar a dispersão proveniente das paredes do tubo e compensar a atenuação relacionada à profundidade do sinal de ultrassom. Isso removerá a imagem excessiva nas partes superior e inferior das paredes do tubo no modo 2D. Os botões na parte superior do painel de controle, da esquerda para a direita, correspondem à largura, frequência de foco e taxa de quadros.

Use esses controles para ajustar ainda mais a imagem e obter a mais alta resolução física, frequência e taxa de quadros possível para análise. Em seguida, ajuste a frequência de operação da sonda para 10 megahertz e defina a taxa de quadros como 49,5 quadros por segundo. Observe que esses quatro parâmetros são inerentemente acoplados.

Consequentemente, para uma varredura de imagem ultrassonográfica específica, existe um compromisso entre resolução espacial e temporal. Devido à resolução lateral limitada, as esferas de vidro serão borradas na direção lateral e aparecerão como elipsoides na imagem. Uma vez que os parâmetros forem otimizados, é hora de coletar os dados no painel de controle de ultrassom do instrumento.

Pressione o botão de novo exame para iniciar um novo experimento. Em paciente, insira fluxo de tubo como sobrenome e a data como nome.

Digite o número do teste no campo de ID do paciente. A varredura por ultrassom começará automaticamente quando o número máximo predefinido de 1000 a 1.500 imagens for atingido. Um novo ciclo de varredura começa à medida que a varredura continua.

Realize ajustes nos parâmetros de imagem até que a partícula semente esteja nitidamente focalizada, com cerca de 10 partículas por área de interrogação. Para reiniciar o ciclo de gravação de varredura, pressione o botão de congelamento no painel de controle do ultrassom. Após um número suficiente de imagens ideais ter sido adquirido, pressione o botão de congelamento.

Em seguida, pressione o botão de laço C no painel de controle do ultrassom. Selecione todas as imagens para incluir todas as imagens de ultrassom no conjunto de análise. Após selecionar as imagens para análise, pressione o botão de armazenamento de imagem para salvar o conjunto selecionado de imagens de ultrassom.

Após as imagens terem sido salvas, pressione o botão de arquivamento no painel de controle do ultrassom. Quando solicitado, selecione o loop síncrono de interesse na pequena janela para ser salvo no disco rígido local. Em seguida, use o cursor do mouse para selecionar fim do exame.

Pressione o botão de arquivo e use o cursor do mouse para primeiro selecionar mais e, em seguida, selecionar gerenciamento de disco. Isso transferirá o laço ou os laços de cilindro salvos para o computador que executa o software de velocimetria por imagem de partículas ou PIV. Após as imagens serem capturadas e salvas, a imagem ultrassonográfica deve ser convertida de um arquivo DICOM (Digital Imaging Communications in Medicine) para um arquivo de imagem JPEG (Joint Photographic Experts Group) para análise.

Utilize um script MATLAB executando o arquivo DICOM para jpeg ponto m para converter os arquivos DICOM em JPEGs. Esse script foi desenvolvido internamente e pode ser obtido para fins educacionais no endereço da web mostrado aqui. Após a conversão do arquivo, abra o software Davi da Law Vision no programa.

Duplique o clique no ícone davi, selecione novo projeto e, em seguida, selecione PIV. Na barra de ferramentas, selecione importar imagens e escolha importar por arquivos numerados. Depois, no menu suspenso, localize a pasta onde as imagens ultrassonográficas JPEG estão armazenadas e dê um duplo clique na primeira imagem do conjunto.

Isso importará todas as imagens de ultrassom deste conjunto numerado para definir uma região de interesse para análise que inclua apenas o fluido. Aplique uma máscara para criar a máscara, insira as coordenadas, uma área retangular usando dois pontos de coordenadas x e y com base nas informações do arquivo DICOM e no conhecimento das dimensões dos pixels. Em seguida, no painel de controle principal no dvu, clique na guia localizada abaixo do projeto atual contendo as imagens importadas.

Selecione a tabela denominada processamento em lote. Isso ativa a janela de processamento vetorial do Davi para processamento em lote a partir da lista de operações usando a árvore PIV mais série temporal PIV; selecione os parâmetros de cálculo vetorial e escolha multipassagem com um tamanho de interrogação decrescente de 64 pixels por 64 pixels até 12 pixels por 12 pixels com uma sobreposição de 50%. Defina a restrição de faixa vetorial relativa como todos e, em seguida, a restrição de faixa vetorial absoluta como cinco pixels. Em seguida, aplique um filtro mediano para suprimir o ruído e suavizar os campos vetoriais.

A seguir, para o processamento do vetor, marque a caixa em que o intervalo de dados equivale à área mascarada no menu de parâmetros de cálculo de vetor. Observe que a seleção ideal dos parâmetros de cálculo de vetor depende da geometria do fluxo, das propriedades do fluxo, da resolução da imagem, da densidade das partículas traçadoras e da análise quantitativa desejada do fluxo. Depois que todos os parâmetros desejados forem definidos à esquerda da tela de processamento em lote, selecione o número total de imagens a serem processadas.

Clique em iniciar o processamento. Isso calculará o campo de deslocamento entre imagens de ultrassom sucessivas usando algoritmos de correlação cruzada. Para analisar os dados processados, exporte os campos vetoriais UCV do DAVO como arquivos txt.

Para fazer isso, na ramificação de imagem JPEG na tela do projeto, selecione a ramificação de deslocamento vetorial. Na barra de ferramentas, selecione a guia exportar. Selecione o tipo de arquivo.

Solicite o e txt. Escolha criar uma pasta de exportação e selecione exportar. Em seguida, abra o arquivo no MATLAB executando o script MATLAB.

Os campos vetoriais exportados são nomeados B-X-X-X-X-X em TXT, onde X representa um número crescente de um a 99, 999. Cada arquivo contém quatro colunas de dados, que podem ser visualizadas usando o bloco de notas: um, localização x do vetor na imagem; dois, localização y do vetor na imagem; três, componente x do deslocamento ou deslocamento na direção do fluxo; e quatro, componente y do deslocamento, que descreve o deslocamento normal à parede. Utiliza-se para calcular o campo vetorial de velocidade U como uma função de X e Y, onde X e Y correspondem às coordenadas espaciais na imagem de ultrassom. Isso é feito primeiramente convertendo o campo de deslocamento D de X e Y, medido em pixels, para um campo de deslocamento medido em metros, utilizando o parâmetro de escala da imagem M, dado em unidades de metro por pixel.

Em seguida, o campo de deslocamento é dividido pela separação temporal corrigida pelo varredura entre as imagens, delta T, onde delta T é igual a um dividido pela taxa de quadros dada em quadros por segundo, mais o campo de deslocamento dividido pelo tempo que leva para a imagem de ultrassom varrer toda a largura da imagem. Em resumo, U de X e Y é igual a M vezes D de X e Y dividido por delta T. O formato DICOM armazena inerentemente uma estrutura de arquivo que fornece as informações necessárias para calcular o parâmetro de escala da imagem M e a separação temporal corrigida pelo varredura. No presente estudo, delta T, M é igual a 77 mícrons por pixel, FPS é igual a 49,5 e B é igual a 25.047 pixels por segundo.

Por fim, calcule os campos vetoriais médios de velocidade do conjunto, bem como os perfis normais de velocidade média e quaisquer outras grandezas de fluxo de interesse. Para demonstrar a utilidade da EPIV e avaliar a incerteza da medição, campos bidimensionais instantâneos de velocidade em escoamento laminar em tubo foram adquiridos conforme descrito neste vídeo; este gráfico vetorial instantâneo mostra vetores de velocidade a cada quarta coluna, e o mapa de contorno de cor de fundo corresponde à magnitude da velocidade. A localização espacial bidimensional do vetor de velocidade é indicada por D sobre D e X sobre D, onde D é a posição radial medida a partir da parede superior.

D é o diâmetro do tubo, e X é a posição na direção do escoamento medida a partir da entrada do tubo. A forma aparentemente parabólica dos vetores de velocidade ao longo das colunas indica que as medições são consistentes com o perfil de velocidade esperado para escoamento em tubo. O gráfico de vetores médios calculado pela média de 1000 gráficos de vetores instantâneos fornece uma representação do campo de velocidade médio.

Isso também atenuará os erros de ruído aleatório nos campos vetoriais instantâneos. Os vetores de velocidade são predominantemente na direção do escoamento. As maiores velocidades ocorrem na linha central do tubo.

As velocidades diminuíram até zero nas paredes do tubo e o fluxo é aproximadamente simétrico; o perfil médio de velocidade na direção do escoamento ao longo do raio do tubo, obtido pela média do gráfico vetorial conjunto ao longo das linhas na direção horizontal, é mostrado aqui. Também é apresentado o perfil de velocidade média esperado para escoamento laminar em tubo. Consideradas as condições experimentais.

O acordo entre as medições de EPIV e o perfil de higgin pozo esperado é melhor próximo à linha central do tubo e pior próximo às paredes do tubo. As grandes diferenças próximas à parede são provavelmente devidas à forte reflexão e refração das ondas ultrassônicas na superfície curva da parede do tubo, o que produz altas intensidades de imagem nessas regiões; as altas intensidades na parede obscurecem as intensidades das partículas, levando a erros de medição. Com o desenvolvimento dessa técnica, pesquisadores que estudam a dinâmica de fluidos em sistemas de fluxo projetados ou biológicos agora podem obter variações espaciais e temporais do campo de velocidade em fluidos opacos à luz ou através de geometrias opacas à luz.

Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como o EPIV funciona, suas limitações e como montar e operar um sistema de EPIV utilizando um aparelho de ultrassom comercial.