エコー粒子画像流速測定法

Summary

光学的に不透明な流体中または光学的に不透明なジオメトリを通じ、速度の2次元フィールドを取得することが可能なエコー粒子画像流速（EPIV）システムが記載されており、パイプフローの検証測定が報告されています。

Abstract

流体の流れの質量、運動量、エネルギーの輸送、最終的に流体速度場の時空間分布によって決定されます^。1したがって、理解のための前提条件、予測、および流体の流れを制御することにより、十分な空間と速度場を測定するための機能であり、時間分解能²速度測定のために光学的に不透明な流体中または光学的に不透明なジオメトリを通じ、エコー粒子画像流速（EPIV）は速度の"瞬間"二次元のフィールドを生成するための魅力的な診断手法です。これで^3,4,5,6紙、ハーゲン·ポアズイユのオペレーティングソフトウェア^8が記載されている商業用粒子画像流速測定法（PIV）を実行しているPCと、商業、医療用超音波マシン^7を統合^することによって構築EPIVシステムのプロトコル、および検証の測定（ すなわち 、層流管）流れが報告されている。

EPIVメジャーのメンツ、医療用超音波マシンに接続されているフェーズドアレイプローブは、異なる時間に圧電プローブ要素にパルスを与えることにより、二次元超音波画像を生成するために使用されます。各プローブ要素には、流体中に超音波パルスを送信し、流体（天然またはシードのいずれか）のトレーサー粒子はバック彼らが記録されているプローブに超音波エコーを反映しています。伝送に対する反射超音波とその時間遅延の振幅は、Bモード（輝度モード）は、2次元超音波画像と呼ばれるものを作成するために使用されます。具体的には、時間遅延は、流体中の散乱体の位置を決定するために使用されており、振幅は散乱体に強度を割り当てるために使用されます。シングルBモード画像tを得るために必要な時間は、それはフェイズドアレイ探触子のすべての要素をパルス化するのに要する時間によって決定される。複数のBモード画像を取得するため、秒あたりのフレーム数でシステムのフレームレート（fps）= 1 /＆ドLTA;トン。 （超音波イメージングのレビューのために9を参照）。

典型的なEPIV実験では、フレームレートがフローの状態に応じて、20〜60 fpsの間にあり、フロー内のトレーサー粒子の空間分布の100から1000 Bモード画像が取得される。一旦獲得されると、Bモード超音波画像は、PIV商用ソフトウェアを実行しているPCへのイーサネット接続を介して転送されます。 PIVソフトウェア、トレーサ粒子の変位場は、D（x、y）を [ピクセル]を使用することで、（ここで、xとyはそれぞれ、超音波画像の水平方向と垂直方向の空間的な位置を示す）連続超音波に相互相関アルゴリズムを適用することによって取得され、B-モード画像¹⁰速度場は、u（x、y）は [m / s]と、画像のペアの間の時間ステップを知っているので、変位フィールドから決定され、ΔT[s]とし、画像の倍率は、M [メートル/ピクセル]、 すなわち、U（x、y）は = MDの（x、y）/ΔT。タイムステップbetween画像ΔT= 1/fps + D（x、y）はA / B、Bは [ピクセル/ s]は、超音波探触子がイメージの幅を横切って掃引するのにかかる時間である。本研究では、M = 77〔μm/ pixel]で、FPS = 49.5 [1 / s]とし、B = 25047 [画素/秒]。一旦獲得されると、速度場は、関心のある流れの数量を計算するために分析することができます。

Protocol

1。測定可能なフローの作成

1. EPIV検証測定はグリセリン水溶液（ - 50％水50％グリセリン）のパイプフローで実証されます。実験装置の概略を図1に示します。
2. 10μmの呼び径を有する中空のガラス球は百万分の約17重量部の濃度で流体に追加されます。中空ガラス球は、超音波造影剤として機能し、その大きさと密度が、彼 ​​らは受動的に流体の流れをたどるように選択される^。10
3. 固定電圧は、既知の流量を導入するポンプに供給されています。流量はUはパイプ内の平均速度であるU <<ΔX/ΔTは、Δxは EPIV測定体積の直線長さであり、ΔTは、画像間の時間ステップ、 すなわちであるように選択され、流れがある必要が超音波syのFPSに比べて"遅い"ステム^。3

2。超音波のキャリブレーションを

1. 外側パイプ壁に超音波探触子をマウントします。水ベースの局所ゲルは、プローブ面と管壁の間に超音波ビームの伝送損失を最小限にするために、超音波プローブに適用されます。
2. 超音波マシンをパワーオンします。超音波画像のライブストリームは、すべてのシステムの負荷と自動的に開始されます。
3. 超音波マシンのコントロールパネル上の奥行きコントロールノブを使って、イメージの深さを設定します。
4. 超音波マシンのコントロールパネルの2Dゲイン·ノブを使用して、画像全体のゲインを設定します。
5. 管壁からの散乱を減衰させるために、超音波信号の深関連の減衰を補償するために、 時間ゲイン補正（TGC）スライダを調整します。
6. 画像の幅、フォーカス、プローブ動作周波数 、 フレームレートが割り当て可能なコントロールノブを使って調整されます。これらのコントロールパネルの左上に位置する4つのノブは、システムが実行されているモードに応じて異なります。 2Dモード（現在使用されているように）で、左から右のノブは、それぞれ幅、フォーカス、周波数、フレームレートに対応しています。超音波イメージング⁹の基本的な原理に起因しが、これら4つのパラメータは、本質的に結合されていることに注意してください。したがって、与えられた超音波画像スキャン（ すなわち 、EPIV実験）のための空間と時間分解能はトレードオフの関係にある。
7. 10μmの中空ガラス球を播種したパイプ流の代表的な超音波像については図2を参照してください。限られた横方向の解像度が原因で、ガラス球が左右方向にまみれて、画像中の楕円のように表示されていることに注意してください。

3。データ収集

1. 新しい実験を開始するために超音波のコントロールパネルの[ 新規試験ボタンを押します。
2. 作る姓と名と患者IDのテスト番号で今日の日付でパイプ流を入力して、新しい"患者"。
3. "患者"の作成に続いて1000-1500の画像間の予め設定された最大に達するまで、超音波スキャンが開始され、新しいスキャンループが開始された後。超音波制御パネル上のフリーズボタンを 2回押すと、画像の最大プリセット数に到達する前にいつでもスキャンを再開します。
4. 超音波画像の良いセット（ すなわち 、シャープシード粒子画像と十分なシード粒子密度）を取得した後、画像の集録を停止するには、超音波のコントロールパネルのFREEZEボタンを押してください。
5. 超音波のコントロールパネルのシネループボタンを押します。セット内の最初の画像を選択するために超音波のコントロールパネル上の最初のサイクル·ノブを使用して分析される超音波画像のセット、および選択するための最終サイクルのノブを選択セット内の最後の画像。
6. 超音波画像の選択されたセットを保存するために超音波のコントロールパネルのイメージStoreボタンを押します。
7. 超音波のコントロールパネルの[アーカイブ]ボタンを押して、 終了試験を選択するには、マウスカーソルを使用します。これにより、ユーザーはローカルのハードドライブに保存する画像やcineloopsを選択するようにプロンプ​​トが表示されます。興味のあるシネ（複数可）を選択し、次に試験を終了します。
8. 超音波のコントロールパネルの[アーカイブ]ボタンを押して、最初の[詳細]を選択し 、[ ディスクの管理を選択するには、マウスカーソルを使用します。ディスク管理では、PIVソフトウェアを実行しているPCに保存されてシネ（s）を転送します。

4。ファイルタイプを変換する

1. 超音波画像は、超音波マシン上薬（DICOM）のファイル·タイプのデジタル·イメージング·コミュニケーションとして格納されます。開かおよびPIVソフトウェアによって読み取られるようにするために、DICOMファイルを画像ファイルに変換する必要があります。現在、Matlabのスクリプト実行DICOM2JPG.mは DICOMファイルジェイペグ（JPEG）ファイルタイプに変換するために使用されています。
2. JPEGの超音波画像は、その後LaVisionからDAVISソフトウェアを用いて分析する。

5。 D（x、y）はデービスを使用して、変位場を計算する

1. ダブルマウスは、PC上でデービスのアイコンをクリックしてください。 [新しいプロジェクト]を選択します。 PIVを選択します。
2. ツールバーのイメージのインポートを選択し、 番号付きファイルを経由してインポート]を選択します。プルダウンメニューで、JPEGの超音波画像が保存されているフォルダを探して、ダブルセットの最初の画像をクリックします。これは、このセット内のすべての番号が付けられた超音波画像をインポートします。
3. 典型的には、画像マスクを処理する超音波画像における関心領域（ROI）を単離するために定義されます。パイプ流の場合、マスクはパイプ壁（ すなわち 、流体）の間のROIを定義するために使用されます。
4. デイビスのメインコントロールパネルに移動し、インポートされた画像を含む現在のプロジェクトの下に配置]タブを選択し、タブのラベルの付いたバッチ処理を選択します 。これはインポートされた超音波画像のバッチ処理のためデイビスのベクトル処理ウィンドウを有効にします。
5. 操作リストから、PIV-時系列ツリーを使用して、 ベクトル計算のパラメータを選択して 、ベクトル処理に使用するパラメータを選択します。マスクを使用する場合は、ボックスのデータ範囲を確認する=ベクトル計算パラメータメニューでマスクされた領域を使用します 。 ベクトル演算パラメータの最適な選択が流動形状、流動特性、画像解像度、トレーサー粒子の密度、および所望の定量的なフロー分析に依存していることに注意してください^。10
   パイプ流測定では、通常、最良の結果が得られているパラメータは32×32ピクセルの²から8にxの減少尋問サイズでマルチアール50％のオーバーラップで8画素^2、。相対ベクトルの範囲の制限はすべて±（ウィンドウサイズ/ 2）と絶対値ベクトル範囲の制限が±5ピクセルに設定されていたに設定されていました。最後に、3×3pixel ²メディアンフィルタは、ノイズを抑制し、ベクトル場を滑らかにするために使用されていました。
6. バッチ処理の画面の左側に、処理すべき画像の合計金額を選択して、 起動処理を選択します 。これは、相互相関アルゴリズムを使用して連続した超音波画像との間で、A、D（x、y）を変位場を計算します。

6。ベクトル場の分析

1. 後処理とデータ解析のために、EPIVベクトルフィールドがtxtファイルとしてデイビスからエクスポートされます。これは、プロジェクト画面でJPEG画像の分岐の下ベクトル変位の分岐を選択することによって達成される。ツールバーで、[エクスポート]タブを選択し、ファイルタイプがASCIIを選択します。txtを選択して、/ exportフォルダを作成し、dは、[エクスポート]を選択します 。
2. エクスポートされたベクトル場はBxxxxx.txt、Bはバッファを表すと00001≤≤99999 xxxxxは、名前が付けられています。各ファイルには、4つのデータ列が含まれます。画像内のベクトルの（1）のx位置、画像内のベクトルの（2）のy位置を、（3）変位のx成分（ すなわち流れの変位）、（4）変位のy成分（ すなわち 、壁垂直変位）。 Bxxxxx.txtファイルは、最初の画像のペアの間の時間ステップを知ることは、ΔT[s]とし、画像の倍率は、M [メートル/ピクセル]、 すなわちU（X、yで、速度場を計算するために、MATLABで開かれ、処理され）= MDの（x、y）/ΔTは 、。画像間の時間ステップΔT= 1/fps + D（x、y）はA / B、Bは [ピクセル/ s]は、超音波探触子がイメージの幅を横切って掃引するのにかかる時間である。本研究では、M = 77〔μm/ pixel]で、FPS = 49.5 [1 / s]とし、B = 25047 [画素/秒]。次に、ensem関心のある他のフロー量のうちBLE平均速度ベクトル場は、平均速度の壁垂直プロファイルは、計算されます。 （セクション描写結果を参照してください。）

Representative Results

瞬時エコー粒子画像流速（EPIV）ベクトル場を図3に示します。ベクトルプロットは、すべての4番目の列の速度ベクトルを示しており、背景色コンターマップは速度の大きさに対応しています。 1000年瞬時EPIVベクトルプロットにわたって平均アンサンブル平均ベクトルプロットを図4に示します。パイプ流と一致して、速度ベクトルは、流れ方向に主に、最大速度はパイプの中心線で発生し、速度は管壁でゼロに減少する。二乗平均平方根（rms）の速度の大きさの変動を図5に示します。ハーゲン·ポアズイユ流れの中で、実効速度は、ゼロでなければなりませんので、非ゼロの実効速度はEPIV測定におけるノイズを測定する方法を提供します高い画像を生成管壁からの超音波ビームの強い反射と屈折から上壁結果に近い高実効値iこの地域でntensitiesます（ 図2を参照）。測定誤差につながる壁の不明瞭な粒子強度の近くにこれらの高強度。行に沿っアンサンブル平均ベクトルプロット（水平方向）を平均化することによって計算された意地悪な流れ方向速度の壁垂直プロファイルを図6にプロットされています。黒の実線は、与えられた実験条件のハーゲン·ポアズイユ（層管）の流れの予想平均の流れ方向速度のプロファイルです。 EPIV測定と予想されるハーゲン·ポアズイユのプロファイルとの間の合意は、上壁近くで発生する最大偏差で、パイプの壁の近くにパイプの中心線と最悪の近くがベストです。我々は現在、管壁での超音波反射と屈折を低減し、壁近傍EPIV測定を改善する方法に取り組んでいます。

Figure 1実験装置の概略図。水槽のポンプは、閉ループ配管系の流体（10μmのガラス微小球を播種した）を駆動する。リニア超音波探触子は、外装管壁に取り付けられ、パイプを通って超音波を送信し、10μmのガラス微小球とパイプの壁からの反射エコーを受信して​​います。超音波装置は、超音波Bモード画像を形成するために、反射された超音波を処理します。超音波Bモード画像は、商業のPIVソフトウェアを実行するPCにエクスポートされます。

図2パイプ流の生の超音波Bモード画像。画像の上部と下部のラインの高強度のバンドが管壁に対応しており、壁の内側に楕円体は、10メートルの中空ガラス微小球に対応しています。

ベクトルの矢印ごとに4番目の列を示す3。瞬時ベクトルのプロット図 。背景色コンターマップは速度の大きさに対応しています。 Dは管径、xは管入口から測定流れ位置であり、dは上壁から測定半径位置です。

図4アンサンブル平均ベクトルプロットは1000瞬時EPIVベクトルプロットにわたって平均。ベクトルプロットは、すべての4番目の列の速度ベクトルを示しており、背景色コンターマップは速度の大きさに対応しています。パイプ流、流れのdirectioにおける速度ベクトルポイントと一致していnは、最大速度はパイプの中心線で発生し、速度は管壁でゼロに減少する。

図5：二乗平均平方根（RMS）速度の等高線プロットは1000瞬時EPIVベクトルプロットの上で計算変動。ハーゲン·ポアズイユ流れでは、実効速度の変動がEPIV測定におけるノイズを測定する方法を提供します

図6、図4に示すようにアンサンブル平均EPIVベクトル場から計算実験測定した平均流れ方向速度のプロファイル。黒の実線は理論であるretically実験的に測定されたものと同じ体積流量とハーゲン·ポアズイユ流れのプロファイルを期待した。パイプの中心線から測った径方向の位置は、上壁はR / D = -0.5に対応するR、で表されます。実験的なプロファイルと予想プロファイルの違いが壁近傍EPIV測定の難しさを示しています。

Discussion

光学的に不透明な流体中または光学的に不透明なジオメトリを通じ、速度の2次元フィールドを取得することが可能なエコー粒子画像流速（EPIV）システムの動作プロトコルが記述されていた。 EPIVの実用化は不透明な流体の流れは非常に多くのアプリケーションで発生した産業やバイオフローシステムの研究に適しています。ここに提示され、特定のシステムを意図的にリグノセルロース系エタノールの生産に使用される液化バイオマス流体の流動特性を研究するために建てられました。 EPIVの機能は、パイプ流の代表的な測定値を用いて実証された。具体的には、平均と実効速度プロファイルはEPIVベクトル場から計算した、ハーゲン·ポアズイユ（層）パイプ流は、測定、定量化することが示された。 EPIVの限界は、本質的に低いフレームレート（市販の超音波システムのイメージング機能によって制限される）と低空間分解能、whicアールhは速度、測定することができる一時的な流動挙動の範囲を制限します。我々は記事自己完結型を作るために努力してきたが最後に、商業超音波マシン⁷およびPIVソフトウェア⁸のユーザーマニュアルは、完全を期すために相談されるべきです。読者はまた、それぞれの超音波イメージングの基礎と粒子画像流速の包括的な見直しのために⁹と¹⁰と呼ばれています。

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