Summary
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.
Protocol
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.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Мгновенным эхом скорости Изображения Частиц (EPIV) векторное поле показано на рисунке 3. Вектор график показывает векторы скорости каждого четвертого столбца, а цвет фона контурная карта соответствует скорости величина. Вектор среднее по ансамблю участок среднем более 1000 мгновенное вектор участков EPIV показано на рисунке 4. В соответствии с трубе, векторы скорости в основном в продольном направлении, крупнейший скоростей происходят в центральной трубе, и скорость уменьшится до нуля на стенках труб. Среднеквадратическое (RMS) величина скорости колебаний показано на рисунке 5. Так как в Хаген-Пуазейля, среднеквадратичные скорости должно быть тождественно равна нулю, ненулевой RMS скоростей обеспечить меры шума в измерениях EPIV. Высокие значения RMS вблизи верхней результаты стены от сильного отражения и преломления ультразвукового луча от стенки трубы, которые производят изображение высокого яntensities в этом регионе (см. Рисунок 2). Эти высокой интенсивности у стен неясным интенсивности частиц приводит к ошибкам измерения. Нормальной к стенке профиля средней скорости продольных вычисляется путем усреднения по ансамблю усредненный вектор участок вдоль строк (горизонтальное направление) приведен на рисунке 6. Сплошная черная линия ожидаемого среднего продольного профиля скорости для Хагена-Пуазейля (ламинарное трубы) потока для данных условий эксперимента. Соглашение между измерениями EPIV и ожидалось Хагена-Пуазейля профиль лучше рядом с центральной трубой и худшие вблизи стенок трубы, с наибольшим отклонений, происходящих в верхней стенке. В настоящее время мы работаем над методами для уменьшения отражения ультразвука и преломлении на стенке трубы и улучшению пристеночного EPIV измерений.
Фаigure 1. Схема экспериментальной установки. Аквариум насос гонит жидкость (высевают с 10 мкм стеклянные микросферы) в замкнутой системе трубопроводов цикла. Линейный датчик ультразвуковой прикреплен к внешней стенке трубы и передает ультразвуковые волны по трубе и получает эхо-сигналов, отраженных от 10 мкм стеклянных микросфер и стенок трубы. Ультразвуковой аппарат обрабатывает отраженные ультразвуковые волны для формирования ультразвукового B-режим изображения. Ультразвуковое B-режиме экспорта изображений в компьютер с операционной системой коммерческого программного обеспечения PIV.
Рисунок 2. Сырье ультразвукового B-режиме изображение трубе. Высокая интенсивность полосы линий в верхней и нижней части изображения соответствуют стенки трубы и эллипсоидов внутри стены соответствуют 10 м полые стеклянные микросферы.
Рисунок 3. Мгновенной участок вектор показывает вектор стрелки каждом четвертом столбце. Цвет фона контурная карта соответствует скорости величина. D является диаметр трубы, х продольных позиция отсчитывается от входе в трубу, и г-радиальная позиция измеряется от верхней стенки.
Рисунок 4. Ансамбль средний вектор участок среднем более 1000 мгновенное вектор участков EPIV. Вектор график показывает векторы скорости каждого четвертого столбца, а цвет фона контурная карта соответствует скорости величина. В соответствии с трубопроводе, точка вектора скорости в продольном directioп, крупнейший скоростей происходят в центральной трубе, и скорость уменьшится до нуля на стенках труб.
Рисунок 5. Контур участка корня среднеквадратичное (RMS) пульсационной скорости вычисляется более 1000 мгновенное вектор участков EPIV. В Хагена-Пуазейля, колебания среднеквадратичная скорость обеспечить измерение шума в измерениях EPIV.
Рисунок 6. Экспериментальные измеряется означает продольного профиля скорости вычисляется из среднего по ансамблю EPIV векторного поля показана на рисунке 4. Сплошная черная линия теоретическихчески ожидается профиль для Хагена-Пуазейля с той же объемной скорости потока как измерить экспериментально. Радиальное положение измеряется от центральной трубы обозначается г, где верхняя стенка соответствует R / D = -0,5. Различия между экспериментальным профилем и ожидалось профиля иллюстрируют сложность пристенных измерений EPIV.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Операционная протокол Image Echo частиц велосиметрии (EPIV) система, способная приобретения двумерного поля скорости в оптически непрозрачных жидкостей или через оптически непрозрачных геометрии было описано. Практическое применение EPIV хорошо подходит для изучения промышленных и биологических проточных системах, где поток непрозрачные жидкости происходит в очень многих приложений. Особая система представленные здесь был построен специально для изучения реологических свойств сжиженных жидкости биомассы, используемой в производстве лигноцеллюлозного этанола. Возможности EPIV были продемонстрированы с использованием репрезентативных измерений в трубе. В частности, среднее и среднеквадратичное профили скорости были рассчитаны на EPIV векторных полей, Хагена-Пуазейля (ламинарное) течение в трубе было показано, что измеримые и количественно. Ограничения EPIV являются по своей сути низкой частотой кадров (ограничивается возможностями визуализации коммерческой ультразвуковой системы) и низкого пространственного разрешения, whicч ограничивает диапазон скоростей и переходных процессов потока, который может быть измерен. Наконец, хотя мы стремились сделать статью автономным, руководства пользователей для коммерческих машин ультразвуковой 7 и программное обеспечение PIV 8 должны проводиться консультации для полноты картины. Читатель также сослался на 9 и 10 для всеобъемлющего обзора ультразвуковое основы и Измерение скорости частиц изображения, соответственно.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего раскрывать.
Acknowledgments
Авторы благодарят за поддержку со стороны Национального научного фонда, CBET0846359, грант монитор Хорст Хеннинг зима.
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
- White, F. M. Fluid Mechanics. , McGraw Hill. New York, New York. (1994).
- Hak, M. G. ad-el Flow Control: Passive, Active, and Reactive Flow Management. , University Press. Oxford. (2000).
- Kim, B. H., Hertzberg, J. R., Shandas, R. Development and validation of echo PIV. Exp. Fluids. 36, 455-462 (2004).
- Zheng, H., Liu, L., Williams, L., Hertzberg, J. R., Lanning, C., Shandas, R. Real time multicomponent echo particle image velocimetry technique for opaque flow imaging. Appl. Phys. Lett. 88, 261915 (2006).
- Beulen, B., Bijnens, N., Rutten, M., Brands, P., van de Vosse, F. Perpendicular ultrasound velocity measurement by 2D cross correlation of RF data. Part A: validation in a straight tube. Exp. Fluids. 49, 1177-1186 (2010).
- Poelma, C., Mari, J. M., Foin, N., Tang, M. -X., Krams, R., Caro, C. G., Weinberg, P. D., Westerweel, J. 3D Flow reconstruction using ultrasound PIV. Exp. Fluids. 50, 777-785 (2011).
- GE VINGMED ULTRASOUND A/A. Vivid 7/Vivid 7 PRO User’s Manual. , FC092326 edition, GE VINGMED. Horten, Norway. (1988).
- DaVis Software for Intelligent Imaging [Internet]. , LaVision. Michigan. Available from: http://www.lavision.de/en/download.php?id=3 (2013).
- Szabo, T. Diagnostic Ultrasound Imaging: Inside Out. , Elsevier Academic Press. Burlington, MA. (2004).
- Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhans, J. Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. , Springer-Verlag. Berlin Heidelberg New York. (2007).
