Echo Velocimetria por Imagem de Partículas

O objetivo deste experimento é adquirir campos bidimensionais e instantâneos de velocidade no fluxo de Hagen Zoi, também conhecido como fluxo de tubo laminar. Usando imagem de eco de partículas, simetria LOC ou validação E-P-I-V-E-P-I-V, as medições são demonstradas em um fluxo de tubo de recirculação de uma mistura 50 50 de água e glicerina. O sistema de fluxo de tubulação usado aqui emprega uma cabeça de pressão constante mantida por uma bomba de aquário para conduzir o fluxo.

Uma sonda de ultrassom Phased Array é montada na parede do tubo do sistema de fluxo e as imagens de ultrassom do modo B são transmitidas. O fluido é assentado com esferas de vidro ocas ou partículas traçadoras que seguem fielmente os movimentos do fluxo. As imagens de ultrassom são então adquiridas, transferidas para um PC e convertidas para um formato de imagem compatível com o software comercial de simetria de velocidade de 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 calcular quantidades de fluxo de interesse, como tensão absoluta média do conjunto e vorticidade. Embora essa técnica possa fornecer informações sobre a dinâmica básica dos fluidos, ela pode ser e é frequentemente usada em sistemas de fluxo práticos, incluindo aplicações biomédicas, por exemplo, fluxos arteriais ou interventriculares.

Nossos experimentos em andamento usando biomassa e fluido liquefeito é 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 face da sonda e o tubo. Em seguida, usando um suporte de sonda especialmente construído com conexões de tubo de parede passante, conecte a sonda de ultrassom à alimentação da parede externa do tubo na máquina de ultrassom.

Depois que todos os sistemas forem carregados, uma transmissão ao vivo de imagens aparecerá na tela do ultrassom. O modo 2D é a configuração padrão para a sonda linear adquirir medições EPIV. Primeiro, meça o peso seco apropriado das esferas de vidro ocas nominais de 10 micrômetros de modo que sua concentração final quando adicionadas ao sistema de fluxo seja de cerca de 17 partes de peso por milhão.

Em seguida, extraia um volume de fluido da bacia e adicione as partículas ao fluido para formar uma solução de partículas concentrada. As partículas, quando adicionadas ao sistema de fluxo, servirão como agentes de contraste de ultrassom ou partículas traçadoras. Adicione a solução de partículas concentradas ao sistema de fluxo do tubo de recirculação, agitando-a nas bacias de água.

As esferas de vidro podem então ser visualizadas no monitor de ultrassom. Após alguns minutos, as esferas de vidro serão distribuídas uniformemente por todo o sistema, portanto, uma das partes mais difíceis desse procedimento é obter imagens nítidas de ultrassom de alta resolução. 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 pela análise das imagens de ultrassom. Use o botão de controle de profundidade no painel de controle do ultrassom para definir a profundidade da imagem para três centímetros. Em seguida, usando o botão de ganho 2D, ajuste o ganho total da imagem para aumentar o brilho da imagem de forma que as partículas iniciais fiquem claramente visíveis no painel de instrumentos.

Ajuste os controles deslizantes de compensação de ganho de tempo para atenuar a dispersão das paredes do tubo e compensar a atenuação relacionada à profundidade do sinal de ultrassom. Isso removerá o excesso de imagem na parte 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 botões para ajustar ainda mais a imagem para obter a maior resolução física, frequência e taxa de quadros possíveis 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 determinada varredura de imagem de ultrassom, há uma troca entre resolução espacial e temporal. Devido à resolução lateral limitada, as esferas de vidro serão manchadas na direção lateral e aparecerão como elipsóides na imagem. Uma vez que os parâmetros são otimizados, é hora de coletar dados no painel de controle de ultrassom do instrumento.

Pressione o botão novo exame para iniciar um novo experimento. Sob paciente. Insira o fluxo do pipe como o sobrenome e a data como o nome.

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

Faça ajustes nos parâmetros de imagem até que a partícula semente esteja nitidamente em foco com cerca de 10 partículas por área de interrogação. Para reiniciar o loop de gravação de digitalização, pressione o botão de congelamento no painel de controle do ultrassom. Depois de adquirir um número suficiente de imagens ideais, pressione o botão de congelamento.

Em seguida, pressione o botão C loop no painel de controle do ultrassom. Selecione todas as imagens para incluir todas as imagens de ultrassom no conjunto de análise. Depois que as imagens para análise forem selecionadas, pressione o botão de armazenamento de imagens para salvar o conjunto selecionado de imagens de ultrassom.

Depois que as imagens forem salvas, pressione o botão de arquivamento no painel de controle do ultrassom. Quando solicitado, selecione o loop syn de interesse na pequena janela a ser salva no disco rígido local. Em seguida, use o cursor do mouse para selecionar o exame final.

Pressione o botão de arquivamento e use o cursor do mouse para selecionar primeiro mais e, em seguida, selecione gerenciamento de disco. Isso transferirá o loop cilíndrico ou loops cilíndricos salvos para o PC que executa a simetria de velocidade da imagem de partículas ou o software PIV. Depois que as imagens são capturadas e salvas, a imagem de ultrassom deve ser convertida de um arquivo de comunicação de imagem digital em medicina ou DICOM para um grupo conjunto de especialistas fotográficos ou arquivo de imagem JPEG para análise.

Use um script MATLAB executando DICOM para jpeg dot m para converter os arquivos DICOM em JPEGs. Este script foi feito internamente e pode ser obtido para fins educacionais no endereço da web mostrado aqui. Depois que o arquivo for convertido, abra o software Davi da Law Vision no software.

Clique duas vezes no ícone davi, selecione novo projeto e selecione PIV. Na barra de ferramentas, selecione importar imagens e escolha importar por meio de arquivos numerados. Em seguida, no menu suspenso, localize a pasta onde as imagens de ultrassom JPEG estão armazenadas e clique duas vezes na primeira imagem do conjunto.

Isso importará todas as imagens de ultrassom neste conjunto numerado para definir uma região de interesse para análise que inclui 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 em pixels. Em seguida, no painel de controle principal do dvu, clique na guia localizada no projeto atual que contém as imagens importadas.

Selecione a tabela rotulada como processamento em lote. Isso permite que a janela de processamento vetorial de Davi para processamento em lote da lista de operações usando a árvore de séries temporais PIV mais PIV, selecione os parâmetros de cálculo do vetor e escolha multipass com um tamanho de interrogação decrescente de 64 pixels por 64 pixels para 12 pixels por 12 pixels com uma sobreposição de 50%Defina a restrição de intervalo de vetor relativo para todos e, em seguida, a restrição de intervalo de vetor absoluto para cinco pixels. Em seguida, aplique um filtro mediano para suprimir o ruído e suavizar os campos vetoriais.

Em seguida, para processamento vetorial, marque a caixa intervalo de dados igual a usar área mascarada no menu de parâmetros de cálculo vetorial. Observe que a seleção ideal dos parâmetros de cálculo vetorial depende da geometria do fluxo, das propriedades do fluxo, da resolução da imagem, da densidade das partículas traçadoras e da análise quantitativa de fluxo desejada. Uma vez que todos os parâmetros desejados tenham sido definidos à esquerda da tela de processamento em lote, selecione o número total de imagens a serem processadas.

Clique em iniciar 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.

Pergunte 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 denominados B-X-X-X-X-X do 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: uma localização x do vetor na imagem, duas localizações Y do vetor na imagem, três componentes X de deslocamento ou deslocamento sábio de fluxo e quatro componentes y de deslocamento, que descreve a parede. Deslocamento normal usado para calcular o campo vetorial de velocidade U em função de X e Y, onde X e Y correspondem às coordenadas espaciais na imagem de ultrassom, isso é feito primeiro convertendo o campo de deslocamento D de X e Y medido em pixels em um campo de deslocamento medido em metros usando o parâmetro de escala de imagem M dado em unidades de metro sobre pixel.

Em seguida, o campo de deslocamento é dividido pela separação temporal corrigida pela varredura entre as imagens delta T, onde delta T é igual a um sobre a taxa de quadros dada em quadros por segundo, mais o campo de deslocamento dividido pelo tempo que leva para a imagem de ultrassom varrer 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 DICOM armazena inerentemente uma estrutura de arquivo que fornece as informações necessárias para calcular o parâmetro de dimensionamento de imagem M e varrer a separação temporal corrigida. Delta T no presente estudo M é igual a 77 mícrons por pixel FPS é igual a 49,5 e B é igual a 25.047 pixels por segundo.

Finalmente, calcule os campos vetoriais de velocidade média do conjunto enquanto perfis normais de velocidade média e quaisquer outras quantidades de fluxo de interesse. Para demonstrar a utilidade do EPIV e avaliar a incerteza de medição, campos bidimensionais e instantâneos de velocidade e fluxo de tubo laminar 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 velocidade é denotada 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 do fluxo medida a partir da entrada do tubo. A forma parabólica aparente dos vetores de velocidade ao longo das colunas indica que as medições são consistentes com o perfil de velocidade esperado para o fluxo da tubulação. O gráfico vetorial médio do conjunto calculado pela média de mais de 1000 gráficos vetoriais instantâneos fornece uma representação do campo de velocidade média.

Ele também calculará a média dos erros de ruído aleatório nos campos vetoriais instantâneos. Os vetores de velocidade estão principalmente na direção do fluxo. As maiores velocidades ocorrem na linha central da tubulação.

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

A concordância entre as medições EPIV e o perfil higgin pozo esperado é melhor perto da linha central do tubo e pior perto das paredes do tubo. As grandes diferenças perto da parede são provavelmente devidas à forte reflexão e refração das ondas de ultrassom na superfície curva da parede do tubo que produzem altas intensidades de imagem nessas regiões, as altas intensidades na parede obscurecem as intensidades das partículas, levando ao erro de medição. Com o desenvolvimento dessa técnica, os pesquisadores que estudam a dinâmica de fluidos em sistemas de fluxo biológicos ou projetados agora podem adquirir variações espaço-temporais do campo de velocidade em fluidos opticamente opacos ou por meio de geometrias opticamente opacas.

Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como o EPIV funciona, suas limitações e como construir e operar um sistema EPIV usando uma máquina de ultrassom comercial.