Эхо Velocimetry Particle Image

Nicholas DeMarchi; Christopher White

doi:10.3791/4265

Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Эхо Velocimetry Particle Image

14.4K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/4265

⸱

27 декабря 2012 г.

Nicholas DeMarchi¹ , Christopher White¹

¹Mechanical Engineering Department, University of New Hampshire

В этой статье

Краткое содержание

Image Echo частиц велосиметрии (EPIV) система, способная приобретения двумерного поля скорости в оптически непрозрачных жидкостей или через оптически непрозрачных геометрии описаны и проверки измерений в трубе не сообщается.

Аннотация

Транспорт массы, импульса и энергии в потоках жидкости в конечном итоге определяется пространственно-временным распределением поля скоростей жидкости.¹ Следовательно, необходимым условием для понимания, прогнозирования и управления потоками жидкости является возможность измерения поля скоростей с достаточным пространственным и временным разрешением.² Для измерения скорости в оптически непрозрачных жидкостях или через оптически непрозрачные геометрии эхо-партikel-image-велоциметрия (EPIV) представляет собой эффективный диагностический метод получения «мгновенных» двумерных полей скоростей.^3,4,5,6 В данной работе описывается рабочий протокол для системы EPIV, созданной путем интеграции коммерческого медицинского ультразвукового аппарата⁷ с ПК под управлением коммерческого программного обеспечения для PIV (particle image velocimetry)⁸, а также приводятся результаты валидационных измерений в потоке Хагена-Пуазейля (т. е. ламинарном потоке в трубе).

Для измерений EPIV используется фазированный датчик, подключенный к медицинскому ультразвуковому аппарату, который генерирует двумерное ультразвуковое изображение путем импульсного возбуждения элементов пьезоэлектрического датчика в разное время. Каждый элемент датчика излучает ультразвуковой импульс в жидкость, а частицы-трассеры в жидкости (естественно присутствующие или введенные искусственно) отражают ультразвуковое эхо обратно к датчику, где оно регистрируется. Амплитуда отраженных ультразвуковых волн и их временная задержка относительно момента излучения используются для создания так называемых двумерных ультразвуковых изображений в B-режиме (режим яркости). В частности, временная задержка используется для определения положения рассеивателя в жидкости, а амплитуда — для присвоения рассеивателю определенной интенсивности. Время, необходимое для получения одного B-режим изображения, t, определяется временем импульсного возбуждения всех элементов фазированного датчика. При получении нескольких B-режим изображений частота кадров системы в кадрах в секунду (fps) = 1/δt. (См. 9 для обзора методов ультразвуковой визуализации.)

Для типичного эксперимента EPIV частота кадров составляет от 20 до 60 fps в зависимости от условий потока, при этом регистрируется от 100 до 1000 B-режимных изображений пространственного распределения трассерных частиц в потоке. После получения B-режимные ультразвуковые изображения передаются через ethernet-соединение на ПК с установленным коммерческим программным обеспечением для PIV. С помощью программного обеспечения PIV поля смещения трассерных частиц, D(x,y)[pixels], (где x и y обозначают соответственно горизонтальное и вертикальное пространственное положение на ультразвуковом изображении) определяются путем применения алгоритмов кросс-корреляции к последовательным B-режимным ультразвуковым изображениям.¹⁰ Поля скоростей, u(x,y)[m/s], рассчитываются на основе полей смещений при известных значениях временного шага между парами изображений, ΔT[s], и увеличения изображения, M[meter/pixel], т. е., u(x,y) = MD(x,y)/ΔT. Временной шаг между изображениями ΔT = 1/fps + D(x,y)/B, где B[pixels/s] — время, за которое ультразвуковой датчик сканирует ширину изображения. В настоящем исследовании M = 77[μm/pixel], fps = 49.5[1/s] и B = 25,047[pixels/s]. После получения поля скоростей могут быть проанализированы для расчета интересующих характеристик потока.

Протокол

1. Создать измеримый поток

Измерения EPIV проверки будет показано в трубопроводе раствора глицерина, воды (50% глицерина - 50% воды). Схема экспериментальной установки показана на рисунке 1.
Полые стеклянные сферы с номинальным диаметром 10 мкм добавляют в жидкость при концентрации примерно 17 весовых частей на миллион. Полые стеклянные сферы служить в качестве ультразвуковых контрастных средств, а также их размеров и плотности выбраны так, что они пассивно следуют за потоком жидкости ^10.
Фиксированное напряжение подается на насос ввести известно расхода. Расход выбрана такой, что U << Ах / t, где U ì средняя скорость в трубе, Ах является линейной длины объем EPIV измерения и δt является шагом по времени между изображениями, т. е. поток необходимости "медленные" по сравнению с кадров ультразвукового сишток ^3.

2. Калибровка Ультразвуковое

Установите ультразвуковой зонд к внешней стенке трубы. На водной основе актуальных гель наносится на ультразвуковой датчик, чтобы свести к минимуму потери передачи ультразвукового луча между торцом датчика и стенкой трубы.
Включите аппарат УЗИ. В прямом эфире поток ультразвуковых изображений начинается автоматически, как только все системы нагрузки.
Установите глубину изображения использовании Глубина ручку управления на панели управления ультразвукового аппарата.
Установить общий коэффициент усиления изображения с помощью 2D ручки Gain на панели управления ультразвукового аппарата.
Отрегулируйте время получить компенсацию (ТГК) ползунки для ослабления разброс от стенок труб и для компенсации глубины связанных затухания ультразвукового сигнала.
Ширина изображения, фокусировка, частота зонда операционной, и частота кадров настраиваются с помощью назначаемых ручки управления. Этичетыре ручки, расположенной в левом верхнем углу панели управления, меняется в зависимости от режима, в котором работает система. В 2D-режиме (как в настоящее время используется), слева-направо ручки соответствуют ширине, фокус, частоту и частоту кадров, соответственно. Обратите внимание, что в связи с основополагающими принципами ультразвукового ^9, этих четырех параметров по своей природе связаны. Следовательно, для данного сканирования изображений ультразвука (т. е. эксперимент EPIV) существует компромисс между пространственным и временным разрешением.
На рисунке 2 представителя изображений УЗИ трубе высевают с 10 мкм полые стеклянные сферы. Обратите внимание, что в связи с ограниченным пространственным разрешением, стеклянные шары размываются в поперечном направлении и появляются в виде эллипсоида в изображении.

3. Сбор данных

Нажмите кнопку Создать экзамен на панели управления ультразвуковым, чтобы начать новый эксперимент.
Создатьновая "пациента", введя в трубе Фамилия и сегодняшней даты в имя и номер теста у пациента ID.
После создания «пациент», ультразвуковое сканирование начинается до заданного максимума между 1000-1500 изображение будет достигнута, после чего новый цикл начинается сканирование. Нажатие на кнопку Стоп на панели управления дважды ультразвуковых будет перезапустить сканирование в любое время до достижения максимального заданного количества изображений.
После хорошего набора ультразвуковых изображений были приобретены (например, резкое семян изображения частиц и достаточной плотности частиц семян), нажмите кнопку Стоп на панели управления ультразвук, чтобы остановить получения изображений.
Нажмите кнопку кинопетли на панели управления ультразвука. Выберите набор ультразвуковых изображений быть проанализированы с помощью первого регулятора цикла на панели управления ультразвук, чтобы выбрать первое изображение в набор, и последний цикл ручку, чтобы выбратьПоследнее изображение в набор.
Нажмите кнопку Image Store на панели управления ультразвук, чтобы сохранить выбранный набор ультразвуковых изображений.
Нажмите кнопку архива на панели управления УЗИ и с помощью мыши курсор, чтобы выбрать конец экзамена. Это будет предлагать пользователю для выбора изображения или cineloops для сохранения на локальном жестком диске. Выберите кинопетли (ы), представляющие интерес затем выйти на экзамене.
Нажмите кнопку архива на панели управления ультразвука и использовать курсор мыши сначала выбрать все больше и затем выберите Управление дисками. Управление дисками будет передавать сохраненные кинопетли (ы) с ПК под управлением программного обеспечения PIV.

4. Преобразование Filetype

Ультразвуковое изображение хранится в виде цифровых коммуникаций изображений в медицине (DICOM) типа файлов на аппарат УЗИ. Для того, чтобы открыть и прочитать с помощью программного обеспечения PIV, DICOM файлы должны быть преобразованы в графические файлы. В настоящее времяСценарий Matlab работает DICOM2JPG.m используется для преобразования файлов в формате DICOM Joint Photographic Experts Group (JPEG) тип файла.
Изображений JPEG ультразвуковой затем анализируются с помощью программного обеспечения с Дэвис LaVision.

5. Вычисление поля смещения, D (х, у), используя Дэвиса

Двухместный мыши на значке Дэвиса на ПК. Выберите New Project. Выберите PIV.
Выберите Импорт изображения в панели инструментов и выберите пункт Импорт с помощью пронумерованных файлов. В выпадающем меню, найдите папку, в которой изображений JPEG ультразвуковой хранятся, и дважды щелкните на первое изображение из набора. Это будет импортировать все ультразвуковых изображений в этой номером набора.
Обычно изображение маски будут определены выделить область интереса (ROI) в ультразвуковом изображении должны быть обработаны. Для трубе, маска используется, чтобы определить ROI между стенок труб (например, жидкости).
К главной панели управления в Дэвисе, выберите вкладку расположенную под Текущий проект содержащие импортированные изображения и выберите вкладку пакетной обработки. Это позволяет окну векторной обработки Дэвиса для пакетной обработки импортированных изображений ультразвука.
Из списка операций, с помощью PIV-временных рядов деревьев, выберите вектора параметров расчета, а также выбрать параметры, которые будут использоваться для векторной обработки. Если маска используется, проверьте Range окно Data = использовать масках области в меню параметров расчета вектора. Обратите внимание, что оптимальный выбор параметров расчета вектора зависит от потока геометрии, свойств потока, разрешение изображения, индикатор плотности частиц, и желаемый количественный анализ потока ^10.
Для измерения трубе, параметры, которые, как правило, дала лучшие результаты многопроходной с уменьшением допроса размер 32 х 32 пикселя ² до 8 х8 пиксельных ^2, с перекрытием 50%. Относительная ограниченность диапазона вектор был установлен на ± все (размер окна / 2) и абсолютное ограничение диапазона вектор был установлен в пределах ± 5 пикселей. Наконец, 3 х ² 3pixel медианного фильтра была использована для подавления шума и сглаживания векторных полей.
В левой части экрана, пакетная обработка, выделите общего количества изображений для обработки и выбрать начальную обработку. Это позволит вычислить смещение поля, D (х, у), между последовательными ультразвуковых изображений с использованием кросс-корреляцию алгоритмов.

6. Анализ векторных полей

Для анализа пост-обработки и передачи данных, поля EPIV вектор которые экспортируются из Дэвис. Файлы TXT. Это достигается путем выбора филиала вектор смещения под филиал JPEG изображений в проекте экране. В панели инструментов, выберите вкладку Экспорт, выберите тип файла ASCII. TXT, выберите / создайте папку экспорт,D Выберите экспорт.
Экспортировать векторные поля называются Bxxxxx.txt, где 00001 ≤ ≤ ххххх 99999, с B обозначает буфер. Каждый файл содержит четыре столбца данных: (1) X-положение вектора в образ, (2) у-положение вектора в изображение, (3) х-компонента смещения (т.е. продольного смещения), (4) Y-компоненту смещения (то есть, стены нормальные смещения). Bxxxxx.txt файлы открываются и обрабатываются в MATLAB, чтобы сначала вычислить поле скоростей, зная шаг по времени между изображением пары, ΔT [с], а увеличение изображения, M [м / пиксель], т. е. и (х, у ) = MD (х, у) / T,. Шаг по времени между изображениями T = 1/fps + D (х, у) / B, где B [пикселов / с] является время, необходимое для ультразвукового зонда прокатиться по всей ширине изображения. В настоящем исследовании, M = 77 [мкм / пиксель], FPS = 49,5 [1 / с], а B = 25047 [пикселов / с]. Далее, ансамблейBLE средняя скорость векторные поля, нормальной к стенке профилей средней скорости, среди других величин потока интерес вычисляются. (См. раздел Результаты представитель.)