Summary
광학 불투명 유체 또는 광학적으로 불투명 한 형상을 통해 속도의 2 차원 필드를 습득 할 수있는 에코 입자 이미지 velocimetry (EPIV) 시스템이 설명되어 있으며, 파이프 흐름 검증 측정은보고됩니다.
Abstract
질량, 운동량 및 유체 흐름의 에너지의 수송은 궁극적으로 유체 속도 필드의 spatiotemporal 분포에 의해 결정됩니다. 1 따라서, 이해 전제 조건은 예측 및 유체 흐름을 제어하는과 속도 필드를 측정 할 수있는 기능입니다 공간적 적절하고 시간적 해상도를 제공합니다.이 광학적으로 불투명 유체 또는 광학적으로 불투명 한 구조를 통해 속도 측정은 입자 이미지 velocimetry (EPIV)는 속도의 "순간"2 차원 필드를 생성 할 수있는 매력적인 진단 기술입니다 커진다.이에 3,4,5,6를 종이, 하겐 - Poiseuille의 운영 소프트웨어 8이 설명되어 상업적 입자 이미지 velocimetry (PIV)를 실행하는 PC와 상업 의료 초음파 기계 7 통합하여 구축 EPIV 시스템에 대한 프로토콜 및 검증 측정 (즉, 판상 파이프) 흐름보고 .
EPIV 측정을위한ments, 의료 초음파 기계에 연결된 단계적 배열 프로브는 서로 다른 시간에 압전 프로브 요소를 pulsing하여 2 차원 초음파 이미지를 생성하는 데 사용됩니다. 각 프로브 요소는 유체에 초음파 펄스를 전송하고, 유체 (자연적으로 발생 또는 시드 중)의 추적 입자는 다시 그들이 기록 프로브에 초음파 울림을 반영합니다. 전송에 상대적인 반사 초음파 파도와 시간 지연의 진폭은 B-모드 (밝기 모드) 2 차원 초음파 이미지로 알려져 있습니다 무엇 만드는 데 사용됩니다. 특히, 시간 지연은 유체에 scatterer의 위치를 결정하는 데 사용되며 진폭이 scatterer에 강도를 지정하는 데 사용됩니다. 하나의 B-모드 이미지, t를 취득하는 데 필요한 시간은 그것이 단계적으로 배열 프로브의 모든 요소를 펄스 걸리는 시간에 의해 결정됩니다. 여러 B-모드 이미지, 초당 프레임 시스템의 프레임 속도 (FPS) = 1 / & 드를 인수에 대한lta, t. (초음파 영상의 검토를 위해 9 참조).
전형적인 EPIV 실험의 경우 프레임 속도는 20-60 흐름 조건에 따라 프레임, 그리고 흐름의 추적 입자의 공간 분포 100-1000 B-모드 이미지 사이을 찾았습니다. 일단 인수 B-모드 초음파 이미지는 PIV 상용 소프트웨어를 실행하는 PC에 이더넷 연결을 통해 전송됩니다. PIV 소프트웨어, 추적 입자 변위 필드, D를 (X, Y) [픽셀]를 사용 (여기서 x와 y는 각각 초음파 이미지에 수평 및 수직 공간 위치를 나타냅니다) 연속 초음파에 간 상관 관계 알고리즘을 적용하여 취득 아르 B- 모드 이미지 10. 속도 분야, U (X, Y) [m / s의] 이미지 쌍 사이의 시간 단계를 알고, 변위 분야에서 결정됩니다, ΔT [S] 및 이미지 확대, M [m / 픽셀 ], 즉, U (X, Y) = MD (X, Y) / ΔT. 시간 b 단계etween 이미지 ΔT = 1/fps + D (X, Y) / B, B는 [픽셀 / s는] 초음파 프로브는 이미지 너비에 걸쳐 청소하는 데 걸린 시간입니다. 본 연구에서, M = 77 [μm / 픽셀], 프레임 = 49.5 [1 / S], 그리고 B = 25047 [픽셀 / s의]. 일단 인수 속도 필드가 관심의 흐름 수량을 계산하는 분석 할 수 있습니다.
Protocol
1. 측정 흐름을 만듭니다
- EPIV 검증 측정은 글리세린 물 솔루션 (- 50 % 물 50 % 글리세린)의 파이프 흐름에 입증 될 것입니다. 실험 설정의 개략도는 그림 1에 표시됩니다.
- 10 μm의 공칭 직경 중공 유리 분야는 만 당 약 17 중량 부품의 농도에서 유체에 추가됩니다. 중공 유리 분야는 초음파 대비 에이전트 역할을, 그들의 크기와 밀도가 수동적으로 유체 흐름을 따라되도록 선택됩니다. 10
- 고정 전압은 알려진 유량을 소개 할 수있는 펌프에 공급하고 있습니다. 흐름 속도가 U는 파이프의 평균 속도입니다 U << ΔX / δt는, ΔX는 EPIV 측정 볼륨의 선형 길이이며, δt 이미지 사이의 시간 단계, 즉이되도록 선택되어 흐름이 될 필요 초음파 싸이의 FPS에 비해 "느린"줄기. 3
2. 초음파를 보정
- 외부 파이프 벽에 초음파 프로브를 탑재합니다. 국소 젤 기반으로 물 프로브 얼굴과 파이프 벽 사이의 초음파 빔의 전송 손실을 최소화하기 위해 초음파 프로브에 적용됩니다.
- 초음파 기계의 전원을 켜십시오. 초음파 이미지의 라이브 스트림 모든 시스템 부하 한 번 자동으로 시작됩니다.
- 초음파 기계의 제어 패널의 깊이 제어 노브를 사용하여 이미지 깊이를 설정합니다.
- 초음파 기계의 제어 패널의 2D 게인 노브를 사용하여 전체 이미지 게인을 설정합니다.
- 파이프 벽에서 분산을 자제하고 초음파 신호의 깊이 관련 감쇠를 보상하기 위해 시간 게인 보상 (TGC) 슬라이더를 조정합니다.
- 이미지 폭, 초점, 프로브 운영 주파수 및 프레임 율이 양도 컨트롤 노브를 사용하여 조정됩니다. 이들제어판의 왼쪽 상단에있는 네 손잡이는 시스템이 실행되는 모드에 따라 다릅니다. 2D 모드 (현재 사용되는)에서, 왼쪽에서 오른쪽의 손잡이는 각각, 폭, 집중, 주파수에 대응하고, 프레임 속도. 초음파 이미징 9 기본 원리로 인해서는,이 네 개의 매개 변수는 본질적으로 연결되어 있습니다. 따라서, 주어진 초음파 이미지 스캔에 대한 (즉, EPIV 실험) 공간과 시간적 해상도 사이의 트레이드 오프가있다.
- 10 μm 중공 유리 분야에 놓는 파이프 흐름을 대표하는 초음파 이미지를 그림 2를 참조하십시오. 제한된 측면 해상도로 인해 유리 분야가 측면 방향으로 뭉개 있습니다 및 이미지의 ellipsoids으로 나타납니다.
3. 데이터 수집
- 새로운 실험을 시작 초음파 제어판에서 새 시험 버튼을 누릅니다.
- 를 만듭니다마지막 이름과 이름 및 환자 ID에 테스트 번호를 오늘날의 날짜 파이프 흐름을 입력하여 새로운 "환자".
- 1000-1500 이미지 사이의 미리 설정 최대이 새로운 스캔 루프가 시작되는 이후에 도달 할 때까지 "환자"의 생성 후, 초음파 검사가 시작됩니다. 초음파 제어 패널에있는 고정 버튼을 누르면 두 번 이미지의 최대 사전 설정 번호를 도달에 언제든지 이전에 스캔을 다시 시작합니다.
- 초음파 이미지의 좋은 세트가 (즉, 날카로운 씨앗 입자 이미지와 충분한 종자 입자 밀도) 획득되면, 이미지 수집을 중지 초음파 제어 패널에있는 고정 버튼을 누르십시오.
- 초음파 제어 패널의 Cineloop 버튼을 누릅니다. 선택 세트에서 첫 번째 이미지를 선택 초음파 제어 패널의 첫 번째 사이클 노브를 사용하여 분석 할 초음파 이미지의 집합, 그리고 마지막으로 순환 노브를 선택세트의 마지막 이미지.
- 초음파 이미지의 선택 집합을 저장 초음파 제어 패널의 이미지 저장 버튼을 누릅니다.
- 초음파 제어 패널의 보관 버튼을 누르고 최종 시험을 선택 마우스 커서를 사용합니다. 이 사용자가 로컬 하드 드라이브에 저장하려면 이미지 나 cineloops를 선택하라는 메시지가 나타납니다. 관심 cineloop (들)은 다음 시험을 종료를 선택하십시오.
- 초음파 제어 패널의 아카이브 버튼을 눌러 첫번째 추가를 선택 마우스 커서를 사용하여 다음 디스크 관리를 선택합니다. 디스크 관리는 PIV 소프트웨어를 실행하는 PC에 저장된 cineloop (들)을 전송합니다.
4. 파일 형식을 변환하는
- 초음파 이미지는 의학 (DICOM) 초음파 시스템에서 파일 형식의 디지털 이미징 통신으로 저장됩니다. 오픈 및 PIV 소프트웨어에서 읽을 수하기 위해 DICOM 파일은 그림 파일로 변환해야합니다. 현재MATLAB 스크립트 실행 DICOM2JPG.m는 DICOM 파일을 Joint Photographic Experts Group의 (JPEG) 파일 형식으로 변환하는 데 사용됩니다.
- JPEG의 초음파 이미지는 다음 LaVision에서 데이비스 소프트웨어를 사용하여 분석하고 있습니다.
5. D는 (X, Y) 데이비스를 사용하여 변위 필드를 계산
- 더블 마우스는 PC에있는 데이비스 아이콘을 클릭하십시오. 새 프로젝트를 선택합니다. PIV를 선택합니다.
- 도구 모음에서 가져 오기 이미지를 선택하고 번호 파일을 통해 가져 오기를 선택합니다. 풀다운 메뉴에서 JPEG의 초음파 이미지가 저장되어있는 폴더를 찾아 더블 세트의 첫 번째 이미지를 클릭하십시오. 이렇게하면이 번호가 세트의 모든 초음파 이미지를 가져옵니다.
- 일반적으로 이미지 마스크 처리 할 수있는 초음파 이미지에 관심 지역 (ROI)을 분리하도록 정의됩니다. 파이프 흐름은 마스크 파이프 벽 (즉, 유체) 사이의 투자 수익 (ROI)을 정의하는 데 사용됩니다.
- 데이비스의 주요 제어판으로 이동 가져온 이미지가 포함 된 현재 프로젝트 아래에있는 탭을 선택하고 탭 레이블 배치 처리를 선택합니다. 이 가져온 초음파 이미지의 일괄 처리를위한 데이비스의 벡터 처리 창을 수 있습니다.
- 작업 목록에서 PIV 타임 시리즈 트리 사용하여 벡터 계산 매개 변수를 선택하고 벡터 처리에 사용되는 매개 변수를 선택합니다. 마스크를 사용하는 경우, 상자 데이터 범위를 확인 = 벡터 계산 매개 변수 메뉴에서 마스크 영역을 사용합니다. 벡터 계산 매개 변수의 최적의 선택이 흐름 형태, 유동 특성, 이미지 해상도, 추적 입자 밀도, 원하는 정량 흐름 분석에 따라 달라집니다 있습니다. 10
파이프 흐름 측정, 일반적으로 최상의 결과를 굴복 한 매개 변수는 32 X 32 픽셀 2-8 X에게의 감소 심문 크기 multipass 아르50 % 오버랩 8 픽셀 2. 상대 벡터 범위 제한은 ± 모든 (창 크기 / 2)와 절대 벡터 범위 제한은 ± 5 픽셀로 설정되었습니다로 설정되었습니다. 마지막으로, 3 개 3pixel이 평균 필터는 노이즈를 억제하고 벡터 필드를 부드럽게하는 데 사용되었다. - 일괄 처리 화면의 왼쪽에서 처리 할 수있는 이미지의 총 금액을 선택하고 시작 처리를 선택합니다. 이 교차 상관 알고리즘을 사용하여 연속 초음파 이미지 사이에, D를 (X, Y) 변위 필드를 계산합니다.
6. 벡터 필드 분석
- 후 처리 및 데이터 분석을 위해, EPIV 벡터 필드는. txt 파일로 데이비스에서 수출하고 있습니다. 이것은 프로젝트 화면에서 JPEG 이미지 지점에서 벡터 변위 지점을 선택하여 달성된다. 도구 모음에서 내보내기 탭을 선택, 파일 형식은 ASCII를 선택합니다. TXT 선택 / 수출 폴더를 만들고D를 선택 수출.
- 보낸 벡터 필드는 00,001 ≤ XXXXX는 ≤ 99,999 Bxxxxx.txt, B 나타내는 버퍼로 지정됩니다. 각 파일은 4 개의 데이터 열이 포함되어 이미지의 벡터 (1) X-위치, 이미지의 벡터 (2) Y-위치를, (3) 변위의 x-구성 요소 (예 : streamwise 변위), (4) 변위의 Y 구성 요소 (즉, 벽 정상 변위). Bxxxxx.txt 파일은 첫 번째 이미지 쌍 사이의 시간 단계를 알고, ΔT [S] 및 이미지 확대, M [m / 픽셀], 즉 U (X, Y에 의해 속도 필드를 계산하는 MATLAB에 문을 열었으며 처리됩니다 ) = MD (X, Y) / ΔT. 이미지 사이의 시간 단계 ΔT = 1/fps + D (X, Y) / B, B는 [픽셀 / s는] 초음파 프로브는 이미지 너비에 걸쳐 청소하는 데 걸린 시간입니다. 본 연구에서, M = 77 [μm / 픽셀], 프레임 = 49.5 [1 / S], 그리고 B = 25047 [픽셀 / s의]. 다음 ensem관심의 다른 흐름 수량 간의 경 평균 속도 벡터 필드, 평균 속도의 벽 - 일반 프로파일이 계산됩니다. (섹션 대표 결과를 참조하십시오.)
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Representative Results
순간 에코 입자 이미지 velocimetry (EPIV) 벡터 필드는 그림 3에 표시됩니다. 벡터 줄거리는 속도 벡터마다 번째 열을 표시하고, 배경 색상 등고선지도는 속도 크기에 해당합니다. 앙상블 평균 벡터 줄거리는 1000 즉각적인 EPIV 벡터 플롯 평균은 그림 4에 표시됩니다. 파이프 흐름과 일치, 속도 벡터는 streamwise 방향으로 주로 있으며, 최대 속도는 파이프 중앙에서 발생하고, 속도는 파이프 벽에 제로로 감소합니다. 루트 평균 제곱 (RMS) 속도 크기의 변동은 그림 5에 표시됩니다. 하겐 - Poiseuille 흐름에서, RMS의 속도가 동일하게 0이 될 수 있어야하기 때문에, 비 - 제로 RMS의 속도는 EPIV 측정에서 소음 측정을 제공합니다. 높은 이미지를 생산 파이프 벽에서 초음파 빔의 강력한 반사와 굴절의 상부 벽 결과 근처의 높은 RMS 값 전이 지역의 ntensities (그림 2 참조). 이러한 높은 측정 오류로 이어지는 벽 모호한 입자 농도 근처 농도. 행을 따라 앙상블 - 평균 벡터 플롯 (수평 방향)를 평균하여 계산 평균 streamwise 속도의 벽에 일반적인 프로필은 그림 6에 도시된다. 고체 검은 색 선은 하겐 - Poiseuille (판상 파이프) 주어진 실험 조건에 대한 흐름에 대한 예상 평균 streamwise 속도 프로필입니다. EPIV 측정 및 예상 헤이건-Poiseuille 프로파일 사이의 계약은 가장 큰 편차는 상단 벽 근처에 발생과 함께 파이프 중심선 근처 최고의 파이프 벽 근처에 최악입니다. 우리는 현재 파이프 벽에서 초음파 반사와 굴절을 감소하고 근처 벽 EPIV 측정을 개선하기 위해 방법에 노력하고 있습니다.
에프igure 1. 실험 설정의 도식. 수족관 펌프 폐 루프 배관 시스템에서 유체를 (10 μm 유리 마이크로을 놓는)시킵니다. 선형 초음파 프로브은 외부 파이프 벽에 부착하여 파이프를 통해 초음파 파도를 전송하고 10 μm 유리 마이크로 및 파이프 벽에서 반사 울림을 받고 있습니다. 초음파 기계 초음파 B-모드 이미지를 형성하기 위해 반사 초음파 파도를 처리합니다. 초음파 B-모드 이미지는 상용 PIV 소프트웨어를 실행하는 PC에 수출하고 있습니다.
그림 2. 파이프 흐름의 원료 초음파 B-모드 이미지입니다. 이미지의 상단과 하단에 라인의 높은 강도 밴드는 파이프 벽에 해당하여 벽에 인테리어 ellipsoids은 10m 투명 유리 마이크로 일치합니다.
그림 3. 벡터 화살표마다 번째 열을 보여주는 순간 벡터 플롯. 배경 색상 등고선지도는 속도 크기에 해당합니다. D는 파이프 직경이고, x는 파이프 입구에서 측정 streamwise 위치이며, D는 위의 벽에서 측정 된 방사상 위치입니다.
그림 4. 앙상블 평균 벡터 플롯은 1000 순간 EPIV 벡터 플롯 평균 한 값입니다. 벡터 줄거리는 속도 벡터마다 번째 열을 표시하고, 배경 색상 등고선지도는 속도 크기에 해당합니다. 파이프 흐름, streamwise directio의 속도 벡터 지점과 일치하는N, 최대 속도는 파이프 중앙에서 발생하고, 속도는 파이프 벽에 제로로 감소합니다.
그림 5. 루트 평균 제곱 (RMS) 속도의 컨투어 플롯은 1000 순간 EPIV 벡터 플롯으로 계산 변동. 하겐 - Poiseuille 흐름에서 RMS 속도 변동은 EPIV 측정에서 소음의 측정을 제공합니다.
그림 6. 실험 그림 4에 표시된 앙상블 - 평균 EPIV 벡터 필드에서 계산 streamwise 속도 프로필을 의미 측정. 고체 검은 색 선은 테오입니다실험적으로 측정과 같은 체적 유량과 하겐 - Poiseuille 흐름에 대한 retically 예상 프로필입니다. 파이프 중심선에서 측정 방사상 위치는 위쪽 벽이 R에 / D = -0.5 해당 연구에 의해 표시된다. 실험 프로필과 예상 프로파일의 차이점은 근처의 벽 EPIV 측정의 어려움을 보여줍니다.
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Discussion
광학 불투명 유체 또는 광학적으로 불투명 한 형상을 통해 속도의 2 차원 필드를 습득 할 수있는 에코 입자 이미지 velocimetry (EPIV) 시스템에 대한 운영 프로토콜은 설명했다. EPIV의 실용적인 응용 프로그램은 불투명 유체의 흐름이 많은 응용 프로그램에 발생하는 산업 및 생물 흐름 시스템의 연구에 적합합니다. 여기에 제시된 특정 시스템은 의도적으로 리그 노 셀룰로오스 성 에탄올의 생산에 사용 액화 바이오 매스 유체의 흐름 특성을 연구하기 위해 지어졌습니다. EPIV의 기능은 파이프 흐름에 대표 측정을 사용하여 증명되었다. 특히, 그리고 RMS 속도 프로필이 EPIV 벡터 분야에서 계산 된, 하겐 - Poiseuille (박판) 파이프 흐름 측정 및 수량화 할 게재되었습니다. EPIV의 한계는 본질적으로 낮은 프레임 속도 (상업 초음파 시스템의 이미징 기능에 의해 제한)과 낮은 공간 해상도, whic 아르H는 속도와 측정 할 수 과도 흐름 문제의 범위를 제한합니다. 우리가 기사 자체에 포함를 만들기 위해 노력했습니다하지만 마지막으로, 상업 초음파 기계 7 PIV 소프트웨어 8 사용자 설명서는 완성도에 대한 조언을해야합니다. 리더는 각각 9 초음파 이미징 기본 및 입자 이미지 velocimetry의 종합 검토 10라고합니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 수 없어요.
Acknowledgments
저자는 굉장히 국립 과학 재단 (National Science Foundation), CBET0846359, 교부금 모니터 호르스트 헤닝 겨울의 도움을 인정합니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ultrasound Machine | GE | Vivid 7 Pro | |
| Linear Ultrasound Array | GE | 10 L | |
| DC Water Pump | KNF | NF 10 KPDC | |
| Vector Processing Software | Lavision | DaVis 7.2 | |
| Post Processing Software | Mathworks | MATLAB 7.12 | |
| Acrylic Tubing | McMaster-Carr | 8486K531 | |
| Ultrasound Gel | Parker | Aquasonic 100 |
References
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