Summary
一个回声粒子图像测速系统（EPIV）能够取得两维领域的速度在不透光的液体或不透光的几何形状的描述和验证测量管流。
Abstract
在流体流动的质量，动量和能量的运输最终确定的流体速度场的时空分布。因此，理解的先决条件，预测，控制流体流动的能力来衡量的速度场足够的空间和时间分辨率2速度测量不透光的液体或不透光的几何形状，回声颗粒图像测速（EPIV）的是一个有吸引力的诊断技术来产生“瞬间”二维领域的速度。3,4,5,6在此报告纸的经营协议的EPIV系统整合商业医疗超声机7台 PC上运行的商业粒子图像测速（PIV）软件8，验证测量在哈根泊肃叶流（ 即层流管） 。
对于EPIV措施MENTS，相控阵探头连接到医用超声机是用来产生一个二维超声波图像，通过在不同的时间脉冲的压电探针元件。每个探头元件的超声波脉冲发送到流体中，并在流体中的示踪粒子（无论是天然存在的或种子）回到探头它们被记录的位置反映超声回波。反射超声波和自己的时间延迟相对于传输的幅度被用来创建什么是被称为B-模式（亮度模式）二维超声图像。具体而言，延迟时间被用来确定在流体中的散射体的位置，并且振幅被用于分配的散射体的强度。所需的时间，以获得一个单一的B模式图像， 吨 ，确定所需要的时间，脉冲的相控阵探头的所有元素。用于获取多个B模式图像，帧速率中的系统帧每秒（fps）的= 1 /和deLTA吨。 （见9超声成像的评论。）
对于一个典型的EPIV实验，帧速率是20-60帧，根据流动性条件下，和（100-1000）的B模式图像的流中的示踪粒子的空间分布之间的获取。收购后，B型超声图像的传输通过以太网连接到PC上运行的PIV商业软件。使用PIV软件，示踪粒子位移字段，D（的x，y）[像素]，（其中x和y表示的超声波图像中的水平和垂直的空间位置，分别）获得互相关算法通过施加连续的超声B-模式的图像10的速度场，ü（的x，y）[米/秒]，确定从位移字段，知道图像对之间的时间步长，ΔT[秒]，以及图像的放大倍率，M [米/像素， 即u（x，y）= MD（X，Y）/ΔT。时间步骤between图像ΔT= 1/fps + D（的x，y）/ B，其中 B [像素/ s]是所花费的时间为超声波探头扫过的图像宽度。在本研究中，M = 77 [μm/像素]，帧率= 49.5 [1 /秒]， 和 B = 25047 [像素/秒]。收购后，速度场进行分析，以计算流量的利益。
Protocol
1。创建一个可测流量
- EPIV验证测量将被证明在管内流动的甘油水溶液（甘油50％ - 50％的水）。是图1中所示的实验装置的示意图。
- 已加入空心玻璃球，其标称直径为10μm处的流体的浓度为约17重量份每百万。空心玻璃球作为超声造影剂，和它们的大小和密度的选择，使得它们被动跟随流体流动10
- 一个固定的电压被供给到泵引入公知的流量。 U <<ΔX/δt的 ， 其中 U是在管道中的平均流速，ΔX是的EPIV测量体积的线性长度，δt是图像之间的时间步长， 即 ，流速是这样选择的需要的话，则流程“慢”相比fps的超声系统，干。
2。校准超声
- 安装超声探头的外管壁。一种水性外用凝胶剂被施加到的超声波探头，探头面和管壁之间的超声波束的传输，以减少损失。
- 对超声机的电源。超声图像的实时流后自动开始所有的系统负载。
- 设置的图像的深度，使用深度的超声波机的控制面板上的控制旋钮。
- 设置总的影像增益的超声波机的控制面板上的使用的二维增益旋钮。
- 调整的时间增益补偿（TGC）滑块，以削弱分散管壁和深度相关的超声信号的衰减补偿。
- 图像的宽度，重点，探头工作频率和帧速率 ，使用分配的控制旋钮进行调整。这些四个旋钮，位于左上方的控制面板上，根据不同的模式，在该模式下，在系统运行。在2D模式下（如目前所用的），由左到右旋钮对应的宽度，焦点，频率 ，和帧速率 ，分别。需要注意的是，由于9超声成像的基本原则，这四个参数本质上是耦合。因此，对于一个给定的超声图像扫描（ 即 ，EPIV实验）有一个空间和时间分辨率之间进行权衡。
- 请参阅图2为代表的超声图像与10微米空心玻璃球管流接种。请注意，由于有限的横向分辨率，在横向方向上有污点的玻璃球和作为椭球图像中出现。
3。数据采集
- 按新的考试按钮在超声控制面板上的开始新的实验。
- 创建一个新的“病人”输入姓氏和名字和今天的日期，测试病人ID管流。
- 超声波扫描开始创作的“病人”，直到1000-1500之间的图像达到预设的最大值，之后，一个新的扫描循环开始。按两次在超声控制面板上的“ 冻结 ”按钮将重新启动在日前任何时间，以达到最大预设数量的影像扫描。
- 一旦已取得良好的超声图像（ 即尖锐的的种子颗粒图像和足够的种子颗粒密度），按在超声控制面板上的“冻结”按钮，停止图像采集。
- 按电影回放按钮在超声控制面板上的。选择一组的超声图像进行分析， 第一周期旋钮在超声控制面板上的选择集合中的第一个图像，而最后一个周期旋钮选择集合中的最后一个图像。
- 按的超声控制面板上的图像存储按钮保存选定的一组超声图像。
- 按“ 存档 ”按钮的超声控制面板，并使用鼠标光标选择结束考试 。这将提示用户选择图像或cineloops，将其保存到本地硬盘驱动器。选择感兴趣的电影回放（S），然后退出考试。
- 按“ 存档 ”按钮的超声控制面板上，并使用鼠标光标移动到第一个选择“ 更多”，然后选择“ 磁盘管理”。 “磁盘管理”将转移保存的电影回放（S）的PC运行的PIV软件。
4。转换文件格式
- 超声波图像被存储为一个数字成像在医药（DICOM）的超声波机器上的文件类型的通信。为了被打开和读出的PIV软件，DICOM文件必须被转换为图片文件。目前，一个Matlab运行的脚本DICOM2JPG.m使用联合图像专家组（JPEG）文件类型转换为DICOM文件。
- JPEG超声图像进行分析，然后使用DaVis软件LaVision。
5。计算位移场，D（X，Y），使用戴维斯
- 在电脑上双击鼠标点击的戴维斯图标上。选择“ 新建项目”。选择PIV。
- 在工具栏上选择“ 导入图像 ，并通过编号的文件中选择” 导入“。在下拉菜单中，找到存储JPEG超声图像的文件夹，然后双击第一个图像的设置。这将导入所有的超声图像，在此编号的集合。
- 通常情况下的图像的掩模将被定义为在以被处理的超声波图像中的感兴趣区域（ROI）的隔离。管流中，掩模被用来定义之间的配管的壁（ 即 ，流体）的ROI。
- 戴维斯在主控制面板，选择当前项目中导入的图像“选项卡下，选择标签的批量处理 。这使得向量处理窗口戴维斯的进口超声图像进行批量处理。
- 从操作列表中，使用PIV时间序列的树，选择矢量计算参数 ，并选择要使用的参数向量处理。如果使用口罩，检查数据范围框，在的矢量计算参数 “菜单中使用屏蔽的区域 。需要注意的是矢量计算参数的最佳选择是依赖于流动几何，流动性能，图像分辨率，示踪粒子密度，所需的定量流动分析。
对于管道的流量测量，通常已取得了最好的结果的参数是随着审讯大小为32 x 32像素的2至8×的多路径8像素2中 ，与50％的重叠。相对矢量范围的限制被设置为± 所有（窗口大小/ 2）和绝对矢量范围的限制被设置为±5个像素。最后，一个3×3pixel的2位数过滤器是用来抑制噪声，平滑的矢量场。 - 在左侧的“ 批处理”屏幕上，选择要处理的图像的总量，并选择启动处理 。这将计算的位移字段， 二维（x，y）的 ，连续的超声图像之间，使用互相关算法。
6。分析向量场
- 后处理和数据分析，EPIV向量场戴维斯导出为txt文件。这是通过选择项目屏幕中的JPEG图像分支下的矢量位移分支。在工具栏中，选择“ 导出 ”选项卡，选择“文件类型”ASCII 文件 ，选择/创建一个导出文件夹，d选择“ 导出”。
- 导出矢量场被命名为Bxxxxx.txt，其中00001≤XXXXX≤99999， 用 B表示缓冲。每个文件都包含四个数据列：（1）的X位置的图像中的载体，（2）γ-位置的图像中的矢量，（3）的x分量的位移（ 即位移）的流向，（4）位移的y分量（ 即 ，正常的壁位移）。 Bxxxxx.txt文件打开和处理在MATLAB中首先计算速度场，通过知道图像对之间的时间步长ΔT[秒]，以及图像的放大倍率，M [米/像素]， 即u（的x，Ŷ ）=（MD的x，y）/ΔT。图像之间的时间步长ΔT= 1/fps + D（的x，y）/ B，其中 B [像素/ s]是所花费的时间为超声波探头扫过的图像宽度。在本研究中，M = 77 [μm/像素]，帧率= 49.5 [1 /秒]， 和 B = 25047 [像素/秒]。接下来，ensem表平均速度矢量场，壁正常的平均流速剖面，在其他流量计算。 （参见第代表性的结果。）
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Representative Results
在图3中示出一种瞬时回波颗粒图像测速（EPIV）矢量场。向量图显示速度矢量，第四列和等高线图的背景色对应于速度的大小。系综平均的矢量绘图平均超过1000的瞬间EPIV向量图如图4所示。与管流一致，主要流向的方向的速度矢量，发生最大的速度在管道中心线，和在管道壁的速度减少到零。的根均方（rms）的速度大小波动是在图5中所示。由于在的Hagen-Poiseuille流，均方根速度应该是相同的零，非零有效值速度提供衡量噪声在EPIV测量。高均方根值接近的上壁强大的超声波束从管道壁的反射和折射的结果，产生较高的图像我ntensities在这个区域（参见图2）。这些高强度的墙壁附近不起眼的颗粒强度，从而导致测量误差。绘于图6平均流向速度，计算出平均的合奏平均沿着行（水平方向）的向量积的壁正常的档案。黑色实线是哈根 - 泊肃叶流（层流管）为给定的实验条件下的预期平均流向速度分布。协议之间的EPIV的测量和预期的哈根 - 泊肃叶轮廓的管道中心线附近是最好的和最差的管壁附近，与附近发生的最大偏差的顶壁。目前，我们正在工作的方法来降低在管壁的超声波的反射和折射，并改善的近壁EPIV的测量。
FIGURE 1。实验装置示意图。一个水族馆泵驱动流体（接种用10微米的玻璃微球），在一个闭合回路的管道系统。线性超声波探头固定到外部管壁，并通过配管和接收超声波的发送，从10微米的玻璃微球体和管子壁反射的回波。的超声波机处理的反射的超声波以形成超声B模式图像。 B型超声图像导出到PC上运行的商业PIV软件。
图2。管流的信息的超声B模式图像。在图像的顶部和底部的行的高强度的带对应于管壁和椭球内部的壁对应的10米中空玻璃微球。
图3。瞬时向量图，矢量箭头，第四列。等高线地图的背景颜色对应于速度的大小。 D是管的直径，x是从管入口流向的位置测量，和d是从上壁测量的径向位置。
图4。乐团平均的矢量绘图平均超过1000的瞬间EPIV向量图。向量图显示速度矢量，第四列和等高线图的背景色对应于速度的大小。与管内流动，流向的directio速度矢量点一致n时，最大的速度发生在管道中心线，和在管道壁的速度减少到零。
超过1000的瞬间EPIV向量图如图5所示。计算等高线图根均方根（RMS）速度波动。均方根速度波动的Hagen-Poiseuille流，提供了衡量噪音在EPIV测量。
图6的实验测得的平均流向速度的档案从合奏平均的EPIV 图4中所示的矢量场计算。黑色实线是理论retically预期形状的相同体积流量测量实验的Hagen-Poiseuille流。从管道中心线测量的径向位置由r表示，其中的上壁对应于r / D = -0.5。实验的配置文件之间的差异和预期的轮廓示出近壁EPIV测量的难度。
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Discussion
操作协议回声粒子图像测速系统（EPIV）能够获得二维领域的速度，在不透光的液体或不透光的几何形状进行了描述。实际应用EPIV是非常适合于工业和生物流系统，其中不透明的流体的流动在很多应用程序发生的研究。这里介绍的特定的系统专门被建研究纤维素乙醇的生产中使用的液化生物量流体的流动性质。代表性的测量管流表现出的能力EPIV。特别是，平均值和均方根速度计算剖面从EPIV矢量场，哈根 - 泊肃叶（层）管流是可衡量的，可量化的。局限性EPIV中的固有的低的帧速率（由商业超声系统的成像能力的限制），和低空间分辨率，whicĤ限制的范围内的速度和瞬态流动行为可以被测量。最后，虽然我们一直努力使自包含的文章，商业超声机7和PIV软件的用户手册应该被咨询的完整性。读者也被称为超声成像的基本原理和粒子图像测速技术进行全面检讨，9日和10分别。
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Disclosures
作者没有透露。
Acknowledgments
作者非常感谢支持由美国国家科学基金会，CBET0846359，授予显示器霍斯特·亨宁冬季。
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).
