Количественно измерения В месте Потоков с использованием Автономные подводные аппараты Velocimetry (SCUVA)
31 октября 2011 г.
Этот протокол содержит инструкции о том, как использовать автономный подводный аппарат Velocimetry (SCUVA), который предназначен для количественного определения на месте животного генерируемых потоков. Кроме того, этот протокол адресов проблемы, возникающие в полевых условиях, и включает в себя оператор движения, прогнозируя положение животных, и ориентация SCUVA.
Общая цель следующего эксперимента заключается в измерении движения жидкости, вызванного движущимися или неподвижными телами в естественной полевой среде. Это достигается с помощью оборудования для подводного плавания, которое развертывается дайвером в пределах безопасных норм погружения. Сначала дайвер находит цель и плывет к ней.
После выравнивания аппаратуры относительно цели и позиционирования лазерного слоя, дайвер включает освещение и запускает видеозапись для фиксации последовательных полей частиц с течением времени по завершении погружения. Для получения полей скоростей вокруг цели видеозаписи скачиваются и обрабатываются. В результате анализа получены данные, демонстрирующие потоки в естественной полевой среде после переноса жидкости плавающими животными.
Основное преимущество использования акваланга по сравнению с лабораторными методами измерения, такими как цифровая визуализация частиц, симметрия FLOS или DPIV, заключается в возможности измерять движение жидкости в естественной полевой среде. Это позволяет ответить на ключевые вопросы в области океанографии и биологии, касающиеся плавательных способностей животных, взаимодействия хищника и жертвы, а также экологии. Данный метод может быть использован для измерения потока вокруг плавающих животных, полипов кораллов или при изучении бентосных взаимодействий.
Этот метод также может быть использован для измерения потоков вокруг искусственных сооружений. Наглядная демонстрация данного метода крайне важна, так как освоить проведение полевых измерений сложно: это требует знаний техники измерений и уверенности в навыках ночного погружения с аквалангом. Для начала данной процедуры подготовьте запись в формате высокого разрешения (HD).
Убедитесь, что все компоненты системы S scuba имеют достаточный заряд аккумулятора и функционируют исправно. Подготовьте корпуса лазера и камеры к использованию: очистите пазы и уплотнительные кольца O-ring чистым полотенцем или салфеткой, равномерно нанесите provided производителем консистентную смазку для колец O-ring и установите их обратно в пазы корпуса. Кроме того, очистите апертуры корпуса лазера и камеры, чтобы предотвратить деформацию лазерного слоя и появление пятен на линзе корпуса камеры.
Затем подготовьтесь к испытанию под давлением, поместив одноразовые бумажные индикаторные полоски для определения влажности в корпуса. Проверьте герметичность уплотнительных колец, поместив пустые корпуса в емкость с водой. Чтобы полностью погрузить корпуса, сверху на них следует положить грузы.
Поскольку через 5–10 минут пустые корпуса всплывают, извлеките их из кюветы и промокните полотенцем. Вытрите поверхность снаружи. Проверьте наличие влаги внутри корпусов, осмотрев индикаторные полоски.
После того как корпуса пройдут проверку под давлением, поместите в них компоненты для дайвинга. Прикрепите блоки ламп с газоразрядным освещением к корпусу камеры. Убедитесь, что лампы ориентированы таким образом, чтобы они освещали область непосредственно перед камерой и оператором, но не мешали удерживать рукоятки и управлять элементами управления камеры.
В условиях низкой освещенности для определения ориентации лазерного листа можно использовать термочувствительный лист бумаги. При правильном выравнивании лазерного луча относительно оптической линзы, установленной в корпусе лазера, комбинация лазера и линзы будет создавать вертикальный световой лист, ориентированный перпендикулярно корпусу камеры. С помощью креплений для дайвинга и жесткого или выдвижного кронштейна соедините корпус лазера и корпус камеры друг с другом. Убедитесь, что корпуса надежно закреплены и не могут вращаться относительно друг друга.
Крайне важно, чтобы лазерный лист оставался ориентированным перпендикулярно полю зрения камеры. Из-за текущих возможностей подводных измерений погружения могут проводиться только в местах с низкой освещенностью или в ночное время, чтобы предотвратить влияние естественного света на лазерное излучение. Поэтому рекомендуется входить в воду в сумерках или позже.
Включите защитный корпус камеры перед погружением в воду. В корпус камеры встроен электронный датчик влажности, который подает визуальный сигнал при попадании влаги внутрь корпуса. Датчик работает только при включенном корпусе камеры.
Следующий шаг — погружение в воду и начало установки оборудования и проведения эксперимента согласно описанному в письменном протоколе. После установки оборудования откалибрируйте систему scuba, записав объект с известными размерами в лазерном сканирующем луче. После завершения погружения можно будет вычислить калибровочную константу для перевода размера поля зрения из пикселей в сантиметры при обнаружении цели.
Необходимо определить характеристики общего потока окружающей среды. При наличии течения его направление будет определять выбор аппаратуры и позиционирование водолаза относительно цели. Во время измерений направление общего потока вокруг цели можно определить, наблюдая за пузырьками воздуха, выдыхаемыми водолазом, и фиксируя их боковое смещение.
Для определения текущего направления течения также можно выпустить небольшое количество флуоресцентного красителя. Поскольку поток, создаваемый дайвером, может стать источником ошибки измерения DPIV, дайвер не должен находиться выше по течению от целевой позиции. Лазерный лист должен быть параллелен направлению течения, чтобы максимально увеличить время пребывания частиц в лазерном листе, тем самым минимизируя ошибки DPIV.
Затем установите систему scuba так, чтобы осветить и зафиксировать движение жидкости вокруг мишени. Начните запись, когда мишень окажется в поле зрения камеры; во время видеозаписи избегайте вращательных движений и смещений вне плоскости. После выключения всех компонентов scuba и возвращения лазерного манипулятора в исходное задвинутое положение извлеките scuba из воды, отсоедините корпуса камеры и лазера от манипулятора.
Промойте или замочите оборудование в пресной воде перед сушкой, чтобы предотвратить коррозию. После высыхания корпусов извлеките из них компоненты, при необходимости перезарядите или замените батареи. Для подготовки к следующему погружению подключите видеокамеру к компьютеру и выгрузите видео с HD-кассеты с помощью программного обеспечения для работы с HD-видео.
После извлечения видео определите диапазон видеофрагмента, который будет преобразован в серию изображений для анализа DPIV. Убедитесь, что соотношение сторон пикселей и размеры извлеченных изображений соответствуют настройкам HD-видео. Импортируйте эти изображения в программу обработки A-D-P-I-V, используя данные калибровки акваланга перед погружением.
Введите калибровочную константу и выберите параметры захвата изображений, которые запрашиваются программным пакетом DPIV. Затем сформируйте поля скоростей на основе последовательных изображений частиц. При условии правильного выполнения визуализации также могут быть применены дополнительные этапы постобработки, в зависимости от качества и типов измерений.
Изображения частиц вокруг мишени должны быть четкими и легко различимыми, как показано на данном снимке поля частиц вокруг aurelia; при использовании программного пакета A-D-P-I-V здесь выявляются поля скоростей потока вокруг мишени. Желтые векторы в поле скоростей указывают величину и направление локальной скорости потока. Если собрано достаточное количество видео для получения серии изображений во времени, также может быть определена временная серия полей скоростей.
Неправильная визуализация может привести к размытости полей частиц в cju. Здесь показано поле частиц, окружающее missi. Красная стрелка указывает на область с высокой отражательной способностью, что приводит к насыщению изображения, из-за чего становится трудно отличить частицы от мишени.
Другой пример неправильной визуализации виден в этом поле частиц; красная стрелка указывает на область размытия, которая возникает, когда скорость потока регистрируется с недостаточно высокой частотой. После освоения данной процедуры измерения могут быть завершены в течение одного-двух часов, в зависимости от продолжительности погружения при использовании этого метода измерения; однако крайне важно поддерживать надлежащую нейтральную плавучесть, а также обладать достаточными знаниями о местных условиях погружения перед входом в воду. Не забывайте, что работа с лазерами чрезвычайно опасна, поэтому при выполнении данной процедуры всегда следует соблюдать надлежащие меры предосторожности, такие как юстировка лазера.
После выполнения данной процедуры можно использовать постобработку в MATLAB для получения ответов на дополнительные вопросы, такие как энергетические характеристики и скорость потока.
Обзор
В данном протоколе представлены инструкции по использованию автономного аппарата для подводной велориметрии (SCUVA) для количественной оценки потоков жидкости, создаваемых животными in situ. В нем рассматриваются проблемы, возникающие в полевых условиях, включая движение оператора, прогнозирование положения животных и ориентацию SCUVA.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Океанография
- Биология
- Гидродинамика
Теоретические основы
- В данном эксперименте измеряется движение жидкости, вызванное движущимися или неподвижными телами в естественной среде.
- Дайверы используют систему SCUVA для записи гидродинамики вокруг водных животных.
- Этот метод позволяет в режиме реального времени анализировать взаимодействия между хищником и жертвой, а также экологическую динамику.
- Полевые измерения затруднены и требуют применения специальных методов, а также навыков ночного погружения.
Цель исследования
- Для измерения потока жидкости вокруг плавающих животных и коралловых полипов.
- Для оценки экологических взаимодействий в естественных условиях.
- Для более глубокого понимания особенностей плавания животных.
Используемые методы
- Подготовка компонентов SCUVA и проверка на герметичность под давлением.
- Калибровка аппарата в условиях низкой освещенности.
- Запись движения жидкости с помощью видео высокого разрешения.
- Пост-дайвинг анализ записанных видео для извлечения поля скоростей.
Основные результаты
- Успешная регистрация гидродинамики в естественной полевой среде.
- Анализ выявил взаимодействия между плывущими животными и их окружением.
- Продемонстрированы преимущества SCUVA по сравнению с традиционными лабораторными методами.
Выводы
- SCUVA обеспечивает надежный метод изучения гидродинамики in situ.
- Полевые измерения углубляют понимание экологических и биологических процессов.
- Будущие области применения могут включать исследования вокруг искусственных сооружений.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Количественное измерение потока in situ устраняет критический пробел в валидации доклинических моделей, обеспечивая возможность прямого наблюдения биомеханических взаимодействий в естественной среде. Эта возможность способствует механистическому снижению рисков при проверке терапевтических гипотез, связанных с гидродинамикой, например, при доставке лекарственных средств в сосудистые или слизистые системы. Данный метод повышает прогностическую достоверность, связывая редукционистские анализы с физиологически значимым контекстом.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет проверять терапевтические гипотезы, касающиеся взаимодействия с мишенью посредством жидкостного переноса в физиологически релевантных условиях.
- Практическая ценность: предоставляет эмпирические данные для уточнения механизмов сигнальных путей в условиях естественного потока, снижая зависимость от суррогатных конечных точек.
Скрининг и разработка методов анализа
- Научная ценность: позволяет получать количественные, пространственно разрешенные поля скоростей для эталонной оценки анализов на основе потока in vitro.
- Практическая ценность: способствует стандартизации анализа путем определения физиологически значимых диапазонов напряжения сдвига для скрининга соединений.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Связывает результаты исследований in vitro с гидродинамикой, приближенной к условиям in vivo, что улучшает трансляционную преемственность для мишеней в просветах органов или сосудистых компартментах.
- Практическая ценность: Помогает в выборе доклинических моделей путем выявления систем, которые воспроизводят ключевые биомеханические особенности физиологии человека.
Интеграция в конвейер и рабочий процесс
Данный метод вписывается в континуум открытий, обеспечивая биомеханический контекст на ранних этапах валидации мишени, определяя дизайн анализов для скрининга и помогая в выборе доклинических моделей посредством характеризации физиологически релевантного потока.
- Биологические исследования: Разъясняет, как силы жидкости влияют на доступность мишени и кинетику связывания в нативных условиях.
- Скрининг: Определяет биомеханические параметры для разработки анализов на основе потока, имитирующих условия сдвига in vivo.
- Аналитика: Предоставляет количественные векторные поля, позволяющие проводить статистическое сравнение возмущений потока при различных экспериментальных условиях.
- Трансляционные исследования: Обеспечивает преемственность за счет приведения доклинических моделей в соответствие с гидродинамикой, характерной для тканей человека.
- Корпоративное повторное использование: Представляет собой переносимую возможность, управляемую оператором, которая применима в различных водных и жидкостных модельных системах для многократного использования в исследовательских кампаниях.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: Снижает механистическую неопределенность в жидкостно-зависимых биологических процессах за счет прямой количественной визуализации потока.
- Операционная ценность: Обеспечивает воспроизводимые измерения в полевых условиях с помощью стандартизированных рабочих процессов калибровки и постобработки.
- Стратегическая ценность: Улучшает принятие решений о целесообразности дальнейшей разработки (go/no-go) путем проверки гипотез о взаимодействии с мишенью в физиологически релевантных механических условиях.
- Влияние на портфель: Поддерживает приоритезацию терапевтических средств с учетом рисков при воздействии на механочувствительные пути или системы доставки, зависящие от жидкости.
Рекомендации по внедрению
- Требуются экспертные знания в области подводной видеосъемки, юстировки лазерного листа и принципов цифровой трассировки частиц (PIV).
- Для развертывания в полевых условиях необходимо использование систем записи высокой четкости, лазерной оптики и синхронизированного оборудования для получения изображений.
- Необходимы стандартизированные протоколы позиционирования дайвера, оценки потока окружающей среды и ориентации аппаратуры для минимизации артефактов измерения.
- Адаптация к мутной среде или среде с низким содержанием твердых частиц может потребовать дополнительного внесения частиц-трассеров для обеспечения надежной велоциметрии.
- Метод ограничен оптически доступными, нейтрально плавучими объектами в водных или жидких средах с достаточным количеством взвешенных частиц для отслеживания.
