Summary

Echo Particle Image Velocimetry

Published: December 27, 2012
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Summary

Ein Echo Teilchenbildanalysator Velocimetry (EPIV)-System in der Lage ist Erfassen zweidimensionale Felder der Geschwindigkeit in optisch opaken Fluide oder durch optisch opaken Geometrien beschrieben und Validierung Messungen in Rohrströmung berichtet.

Abstract

Der Transport von Masse, Impuls und Energie in Flüssigkeit fließt, wird letztlich durch raumzeitliche Verteilung der Fluidgeschwindigkeit Feld bestimmt. 1 Folglich ist eine Voraussetzung für das Verständnis, Vorhersage und Steuerung fließt, ist die Fähigkeit, die Geschwindigkeit Feld mit Messung angemessene räumliche und zeitlicher Auflösung. 2 Für Geschwindigkeitsmessungen in optisch undurchsichtige Flüssigkeiten oder durch lichtundurchlässige Geometrien echo Particle Image Velocimetry (EPIV) ist eine attraktive diagnostische Technik zur "sofortigen" zweidimensionale Felder der Geschwindigkeit zu erzeugen. 3,4,5,6 In diesem Papier, das Betriebssystem-Protokoll für eine EPIV System durch die Integration einer kommerziellen medizinischen Ultraschallgerät 7 mit einem PC mit kommerziellen Particle Image Velocimetry (PIV)-Software 8 beschrieben gebaut und Validierung Messungen in Hagen-Poiseuille (dh laminare Rohr) Flow gemeldet .

Für die EPIV Maßnahmegen wird eine Phasen-Array-Sonde, die mit dem medizinischen Ultraschall-Maschine verwendet, um ein zweidimensionales Ultraschallbild durch Pulsen der piezoelektrischen Sondenelemente zu unterschiedlichen Zeitpunkten erzeugen. Jedes Tastelements überträgt ein Ultraschallimpuls in das Fluid und Teilchen in der Tracer Fluid (entweder natürlich vorkommende oder seeded) reflektieren Ultraschallechos zurück an die Sonde, wenn sie aufgezeichnet werden. Die Amplitude der reflektierten Ultraschallwellen und deren Zeitverzögerung relativ zur Übertragung verwendet werden, um zu erstellen, was als B-Modus (Helligkeitsbetriebsart) zweidimensionalen Ultraschallbildern bekannt. Insbesondere wird die Zeitverzögerung verwendet, um die Position des Streuers in der Flüssigkeit zu bestimmen, und die Amplitude verwendet wird, um die Intensität der Streuer zuordnen. Die erforderliche Zeit, um eine einzelne B-Modus-Bild, t, zu erhalten, wird durch die Zeit, um all die Elemente der Phased-Array-Sonde Puls bestimmt. Für den Erwerb von mehreren B-Mode-Bilder, die Bildrate des Systems in Frames pro Sekunde (fps) = 1 / & delta; t. (Siehe 9 für eine Überprüfung der Ultraschall-Bildgebung.)

Für eine typische EPIV Experiment beträgt die Bildrate zwischen 20-60 fps, je nach Strömungsverhältnissen und 100-1000 B-Modus-Bilder der räumlichen Verteilung der Tracer Teilchen in der Strömung erfasst. Einmal erworben, sind die B-Modus-Ultraschall-Bilder über eine Ethernet-Verbindung an den PC mit der PIV kommerzielle Software übertragen. Verwendung des PIV-Software, Tracerpartikel Verschiebungsfelder, D (x, y) [Pixel], (wobei x und y horizontale und vertikale räumliche Position in dem Ultraschallbild, jeweils) durch Anlegen Kreuzkorrelation Algorithmen zur aufeinanderfolgenden Ultraschall B-erworbenen Mode-Bilder. 10 Die Geschwindigkeitsfelder, u (x, y) [m / s], werden aus den Verschiebungen Feldern bestimmt, die Kenntnis der Zeitschritt zwischen Bildpaaren, AT [s], und die Bildvergrößerung, M [m / Pixel ], dh, u (x, y) = MD (x, y) / AT. Der Zeitschritt bVergleicht man Bilder AT = 1/fps + D (x, y) / B, wobei B [Pixel / s] ist die Zeit, die für die Ultraschallsonde über die Bildbreite Sweep. In der vorliegenden Studie, M = 77 [&mgr; m / Pixel], fps = 49,5 [1 / s] und B = 25.047 [Pixel / s]. Einmal erworben, können die Geschwindigkeit Bereichen analysiert, um Durchflussmengen von Interesse zu berechnen.

Protocol

Ein. Erstellen Sie eine messbare Durchfluss EPIV Validierung Messungen in Rohrströmung eines Glycerin Wasser-Lösung (- 50% Wasser 50% Glycerin) nachgewiesen werden. Eine schematische Darstellung des Versuchsaufbau ist in Abbildung 1 dargestellt. Glashohlkugeln mit einem nominalen Durchmesser von 10 um auf das Fluid in einer Konzentration von etwa 17 Gewichtsteilen pro Million zugegeben. Die hohlen Glaskugeln dienen als Ultraschall-Kontrastmittel und ihrer Größe und Dichte sind s…

Representative Results

Eine momentane echo Particle Image Velocimetry (EPIV) Vektorfeld ist in Abbildung 3 dargestellt. Der Vektor Plot zeigt Geschwindigkeitsvektoren jede vierte Spalte und die Hintergrundfarbe Höhenlinien entspricht Geschwindigkeitsbetrages. Ein Ensemble durchschnittliche Zeicheneinheit gemittelt über 1000 momentanen EPIV vector Grundstücke ist in Abbildung 4 dargestellt. Übereinstimmend mit Rohrströmung, die Geschwindigkeitsvektoren in erster Linie in der Strömungsrichtung, treten die…

Discussion

Das Protokoll für Betreiben eines Echos Teilchenbildanalysator Velocimetry (EPIV)-System in der Lage ist Erfassen zweidimensionale Felder der Geschwindigkeit in optisch opaken Fluide oder durch optisch opaken Geometrien beschrieben wurde. Praktische Anwendung EPIV ist für die Untersuchung von biologischen und industriellen Flusssystem wo die Strömung von Fluiden opaken tritt in sehr vielen Anwendungen gut geeignet. Der besondere hier vorgestellte System wurde gebaut, um gezielt die Fließeigenschaften des verflüssig…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Autoren danken Unterstützung durch die National Science Foundation, CBET0846359, gewähren Monitor Horst Henning Winter.

Materials

Name of the reagent Company Catalogue number Comments (optional)
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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  2. Hak, M. G. a. d. -. e. l. . Flow Control: Passive, Active, and Reactive Flow Management. , (2000).
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  8. Szabo, T. . Diagnostic Ultrasound Imaging: Inside Out. , (2004).
  9. Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhans, J. . Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. , (2007).

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Cite This Article
DeMarchi, N., White, C. Echo Particle Image Velocimetry. J. Vis. Exp. (70), e4265, doi:10.3791/4265 (2012).

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