Summary
Velocimetry מערכת הד חלקיק תמונה (EPIV) מסוגלת לרכוש שדות דו ממדים של מהירות בנוזלים אופטיים אטומים או באמצעות גיאומטריות אופטיות אטומות מתוארת, ומדידות אימות בזרימת צינור מדווחות.
Abstract
ההובלה של מסה, תנע ואנרגיה בזורמת נוזל נקבעה סופו של דבר על ידי חלוקת חלל ובזמן של שדה מהירות הנוזל. 1 כתוצאה מכך, תנאים הכרחי להבנה, ניבוי, ובקרה על זרימת נוזל הוא היכולת למדוד את שדה המהירות עם מספיק מרחב ו החלטה זמנית. 2 למדידות מהירות בנוזלים אופטיים אטומים או באמצעות גיאומטריות אופטיות אטומות, הד velocimetry תמונת החלקיקים (EPIV) היא טכניקת אבחון אטרקטיבית ליצירת שדות "מיידיים" דו ממדים של מהירות. 3,4,5,6 בזה נייר, פרוטוקול הפעלה למערכת EPIV נבנתה על ידי שילוב של מכשיר אולטרסאונד רפואי עסקי 7 עם מחשב פועל velocimetry המסחרי חלקיק תמונה (PIV) תוכנה 8 מתוארת, ומדידות אימות באגן-Poiseuille (כלומר, עלעלי צינור) הזרימה מדווח .
למידת EPIVמפעלים, בדיקת מערך מדורג מחוברת למכשיר אולטרסאונד הרפואי משמשת ליצירת תמונת אולטרסאונד דו ממדית על ידי פועם אלמנטי הבדיקה פיזואלקטריים בזמנים שונים. כל רכיב חללית משדר דופק אולטרסאונד לנוזל, וחלקיקים נותבים בנוזל (או באופן טבעי או seeded) משקפים אולטרסאונד הדים חזרה לחללית שבו הם נרשמו. המשרעת של הגלים המוחזרים אולטרסאונד ולעכב את זמנם ביחס להעברה המשמשת ליצירה מה שמכונה B-mode (מצב בהירות) תמונות אולטרסאונד דו ממדים. באופן ספציפי, עיכוב הזמן משמש כדי לקבוע את המיקום של scatterer בנוזל ומשרעת משמש להקצאת עצמה לscatterer. הזמן הנדרש לקבלת תמונה אחת ב-מצב, לא, נקבע על ידי הזמן שלוקח לדופק כל האלמנטים של בדיקת המערך המדורג. לרכישת מספר רבים של תמונות ב-mode =, קצב פריימים של המערכת במסגרות לשנייה (fps) 1 / & דהLTA; לא. (ראה 9 לביקורת של הדמית אולטרה סאונד).
לניסוי EPIV טיפוסי, במסגרת השיעור שבין 20-60 FPS, תלוי בתנאי זרימה, ו100-1000 תמונות ב-mode של ההתפלגות המרחבית של החלקיקים נותבים בזרימה נרכשת. רכש פעם אחת, את תמונות אולטרסאונד B-mode משודרות באמצעות חיבור Ethernet למחשב פועל תוכנה המסחרית PIV. שימוש PIV התוכנה, שדות עקירת חלקיקים נותבים, D (x, y) [פיקסלים], (שבו x ו-y מציינים מיקום במרחב אופקי ואנכי בתמונת אולטרסאונד, בהתאמה) נרכשים על ידי יישום אלגוריתמי מתאם צולבות לאולטרסאונד ברציפות ב- תמונות מצב. 10 בשדות המהירים, u (x, y) [מ / ש], נקבעים משדות העקירות, בידיעת צעד הזמן בין זוגות תמונה, ΔT [s], והגדלת תמונה, ז [המטר / פיקסל ], כלומר, u (x, y) = MD (x, y) / ΔT. ב צעד הזמןetween התמונות ΔT = 1/fps + D (x, y) / B, שבו ב '[פיקסלים / s] הוא הזמן שלוקח לבדיקת אולטרסאונד כדי לטאטא לרוחב התמונה. במחקר הנוכחי, M = 77 [מיקרומטר / פיקסל], fps = 49.5 [1 / s], ו-B = 25047 פיקסלים [/ s]. רכש פעם, שדות המהירות ניתן לנתח לחשב כמויות זרימה של ריבית.
Protocol
1. יצירת תזרים מדידה
- מדידות אימות EPIV תהיינה הפגינה בזרימה של צינור מי פתרון גליצרין (גליצרין 50% - 50% מים). סכמטי של מערך הניסוי מוצג באיור 1.
- כדורי זכוכית חלולים עם קוטר נומינלי של 10 מיקרומטר מתווספים לנוזל בריכוז של כ 17 חלקים למיליון במשקל. כדורי הזכוכית החלולים לשמש כסוכנים בניגוד אולטרסאונד, והגודל והצפיפות שלהם הם בחרו כזה שהם פסיביים לעקוב זרימת הנוזל. 10
- מתח קבוע מסופק למשאבה להציג את קצב זרימה ידועה. קצב הזרימה נבחר כך שU << ΔX / δt, שם U הוא המהירות הממוצעת בצינור, ΔX הוא אורך ינארית של נפח מדידת EPIV, וδt הוא צעד הזמן בין תמונות, כלומר, הזרימה תהיה בכך צורך "איטי" בהשוואה לfps של אולטרסאונד הסאיםגזע. 3
2. כייל אולטראסאונד
- הר בדיקת אולטרסאונד לצינור החיצוני הקיר. על בסיס מי ג'ל אקטואלי מוחלים על בדיקת אולטרסאונד כדי למזער את האובדן של העברת קורה אולטרסאונד בין פן החללית ודפנות הצינור.
- צריכת חשמל במכשיר אולטרסאונד. זרם חי של תמונות אולטרסאונד מתחיל באופן אוטומטי ברגע שכל מערכות העומס.
- הגדר את עומק התמונה באמצעות כפתור בקרת העומק בלוח הבקרה של מכשיר אולטרסאונד.
- הגדר את התמונה הכוללת רווח באמצעות ידית רווח 2D בלוח הבקרה של מכשיר אולטרסאונד.
- להתאמת פיצוי המחוונים להרוויח זמן (TGC), כדי לרכך את הפיזור מקירות הצינור ולפצות על הנחתה קשורה עומק של אות אולטרסאונד.
- רוחב התמונה, הפוקוס, הפעלת תדירות בדיקה, ומסגרת השיעור מותאם תוך שימוש בכפתורי בקרת assignable. אלה4 ידיות, הממוקמות בפינה השמאלית העליונה של לוח הבקרה, משתנות בהתאם למצב שבו המערכת פועלת. במצב 2D (משמש כיום), משמאל לימין הכפתורים מתאימים לרוחב, מיקוד, תדירות, ואת מסגרת דולר, בהתאמה. שים לב שבשל עקרונות היסוד של אולטרסאונד 9 הדמיה, ארבעה הפרמטרים האלה הם מצמידים מיסודו. כתוצאה מכך, לסריקת תמונת אולטרסאונד נתון (כלומר, ניסוי EPIV) יש תחלופה בין רזולוצית מרחב ובזמן.
- ראה איור 2 לתמונת אולטרסאונד נציג זרימת צינור זרע עם 10 מיקרומטר בכדורי זכוכית חלולים. שים לב כי בשל רזולוצית רוחב מוגבלת, ספירות זכוכית מרוחה בכיוון לרוחב ומופיע כellipsoids בתמונה.
3. איסוף נתונים
- לחץ על לחצן החדש הבחינה בלוח בקרת אולטרסאונד כדי להתחיל ניסוי חדש.
- צור"מטופל" חדש על ידי הזנת תזרים צנרת בשם משפחה והתאריך של היום בשם המשפחה ומספר תעודת זהות בבדיקת חולה.
- בעקבות הקמתה של "המטופל", סריקת אולטרסאונד מתחילה עד למקסימום הקבוע מראש של בין 1000-1500 תמונות הוא הגיע, לאחר שלולאת סריקה חדשה מתחילה. לחיצה על כפתור ההקפאה בלוח בקרת אולטרסאונד פעמים תהיה להפעיל מחדש את הסריקה בכל זמן לפני שהגיע למספר המרבי הקבוע מראש של תמונות.
- ברגע שקבוצה טובה של תמונות אולטרסאונד כבר נרכשה (כלומר, תמונות חדות זרעי חלקיקים וצפיפות חלקיקי זרע מספיק), לחץ על הלחצן ההקפאה בלוח בקרת אולטרסאונד כדי לעצור תמונת רכישה.
- לחץ על כפתור Cineloop בלוח הבקרה של אולטרסאונד. בחר בקבוצת תמונות אולטרסאונד כדי להיות מנותח באמצעות ידית המחזור הראשונה בלוח בקרת אולטרסאונד כדי לבחור את התמונה הראשונה בקבוצה, ואת כפתור המחזור האחרון כדי לבחורהתמונה אחרונה בקבוצה.
- לחץ על כפתור חנות התמונה בלוח בקרת אולטרסאונד כדי להציל את הקבוצה הנבחרת של תמונות אולטרסאונד.
- לחץ על הלחצן הארכיון בלוח בקרת אולטרסאונד ומשתמש בסמן העכבר כדי לבחור בחינת סיום. זו תנחה את המשתמש לבחור תמונות או cineloops להציל את הכונן הקשיח המקומי. בחר cineloop (הים) של עניין אז יוצא הבחינה.
- לחץ על הלחצן הארכיון בלוח בקרת אולטרסאונד ומשתמש בסמן העכבר כדי לבחור תחילה יותר ולאחר מכן בחר ניהול דיסק. ניהול דיסק יעביר cineloop נשמר (הים) למחשב עם מערכת הפעלת תוכנת PIV.
4. המרת סוג הקובץ
- תמונת אולטרסאונד מאוחסנת כקובץ תקשורת הדמיה דיגיטלית בסוג קובץ במכשיר אולטרסאונד רפואה (DICOM). כדי לפתוח ולקרוא את תוכנת PIV, קבצי DICOM חייבים להיות מומרים לקבצי תמונה. נכון להיום,DICOM2JPG.m פועל תסריט Matlab משמש כדי להמיר את קבצי DICOM למומחי סוג משותף צילום קבוצתי (JPEG) קובץ.
- את תמונות אולטרסאונד JPEG נותחו לאחר מכן באמצעות תוכנת דייוויס מLaVision.
5. חישוב שדות תזוזה, D (x, y), שימוש בדייויס
- לחץ לחיצה כפול על עכבר דייוויס הסמל במחשב. בחר פרויקט חדש. בחר PIV.
- בחר תמונות יבוא בסרגל הכלים, ובחר לייבא באמצעות קבצים ממוספרים. בתפריט הנפתח, האתר את התיקייה שבה תמונות אולטרסאונד JPEG מאוחסנות, ולחץ לחיצה כפולה על התמונה הראשונה של הסט. זה יהיה לייבא את כל תמונות אולטרסאונד בסט ממוספר זה.
- בדרך כלל מסכת תמונה תוגדר לבודד את האזור של עניין (ROI) בתמונת אולטרסאונד כדי להיות מעובד. לספיקת צינור, המסכה משמשת להגדרת ROI בין קירות הצינור (כלומר, הנוזל).
- עבור ללוח הבקרה הראשית בדייויס, בחר בכרטיסייה הנמצאת תחת פרויקט נוכחי המכיל את התמונות המיובאות, ובחר את העיבוד יצוו כרטיסייה שהכותרת. הדבר מאפשר חלון עיבוד הווקטור של דייוויס לעיבוד יצווה של תמונות אולטרסאונד המיובאות.
- מרשימת הפעולות, שימוש בעץ PIV-Time-Series, בחר פרמטרי חישוב וקטור, ולבחור את הפרמטרים שיש המשמש לעיבוד וקטור. אם מסיכה משמשת, בדוק את טווח נתוני התיבה = להשתמש באזור רעול פנים בתפריט פרמטר חישוב הווקטור. שימו לב כי בבחירה נכונה של פרמטרים לחישוב וקטור תלויה בגיאומטרית זרימה, תכונות זרימה, תמונה ברזולוציה, צפיפות חלקיקים נותבו, וניתוח זרימת כמותית רצויה. 10
למדידות זרימת הצינור, את הפרמטרים שבדרך כלל הניבו את התוצאות הטובות ביותר הם multipass עם גודל חקירת הפחתה של 32 פיקסל 32 x 2-8 x8 פיקסל 2, עם חפיפה של 50%. הגבלת טווח וקטור יחסית נקבעה לכל ± (גודל חלון / 2) והגבלת טווח וקטור מוחלטת נקבעה ל± 5 פיקסלים. לבסוף, מסנן 3 X 2 3pixel חציון משמש לדיכוי רעש ולהחליק את השדות וקטורית. - בצד השמאל של מסך עיבוד יצווה, בחר את הכמות הכוללת של תמונות להיות מעובד ובחר עיבוד התחלה. זה יהיה לחשב את שדה העקירה, D (x, y), בין תמונות אולטרסאונד הרצופות באמצעות אלגוריתמים-מתאם צלב.
6. ניתוח שדות וקטור
- לניתוח שלאחר העיבוד ונתונים, שדות וקטור EPIV מיוצאים מדייוויס. קבצי txt. זו מושגת על ידי בחירת סניף עקירת הווקטור תחת ענף תמונת JPEG במסך פרויקט. בסרגל הכלים, בחר בכרטיסיית היצוא, בחר סוג קובץ ASCII. Txt, בחר / ליצור תיקיית יצוא,יצוא ד בחר.
- שדות הווקטור יוצאו נקראים Bxxxxx.txt, בי ≤ ≤ xxxxx 00001 99999, עם חיץ המציין B. כל קובץ מכיל ארבע עמודות נתונים: (1) x-מיקום של הווקטור בתמונה, (2) y-מיקום של הווקטור בתמונה, (3) x-המרכיב של עקירה (עקירת streamwise כלומר), (4) y-המרכיב של עקירה (כלומר, עקירה מהקיר רגילה). את קבצי Bxxxxx.txt נפתחים ומעובד בMATLAB כדי לחשב את שדה המהירות, על ידי לדעת את צעד הזמן בין זוגות תמונה, ΔT [s], והגדלת התמונה, ז [מטר / פיקסל], כלומר u (x, y ) = MD (x, y) / ΔT,. צעד הזמן בין תמונות ΔT = 1/fps + D (x, y) / B, שבו ב '[פיקסלים / s] הוא הזמן שלוקח לבדיקת אולטרסאונד כדי לטאטא לרוחב התמונה. במחקר הנוכחי, M = 77 [מיקרומטר / פיקסל], fps = 49.5 [1 / s], ו-B = 25047 פיקסלים [/ s]. בשלב הבא, ensemשדות ble ממוצע מהירות וקטור, פרופילים מקיר רגיל של מהירות ממוצעת, בין כמויות זרימה נוספות של ריבית מחושבים. (ראה סעיף נציג תוצאות.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
תחום מיידי הד חלקיק תמונת velocimetry (EPIV) וקטור מוצג באיור 3. העלילה מציגה וקטור וקטורי מהירות כל עמודה רביעית, והמפה הטופוגרפית צבע הרקע מתאימה לגודל מהירות. עלילת וקטור ממוצעת אנסמבל ממוצע מעל 1000 חלקות וקטור EPIV מיידיות מוצג באיור 4. עולים בקנה אחד עם זרימת צינור, וקטורי המהירות הם בעיקר בכיוון streamwise, המהירויות הגדולות להתרחש באמצע הצינור, ואת המהירויות להקטין לאפס את קירות הצינור. תנודות הגודל-ממוצע מרובעת שורש (RMS) המהירות מוצגות באיור 5. מאחר בזרימת האגן-Poiseuille, מהירויות RMS צריכות להיות זהה לאפס, מהירויות RMS אינו אפס לספק מידה של הרעש במדידות EPIV. ערכי RMS הגבוהים ליד התוצאות מהקיר העליונות ואת ההשתקפות חזקה של קרן אולטרסאונד מקיר הצינור שמייצרים תמונה הגבוההntensities באזור זה (ראה איור 2). עוצמות אלו גבוהות ליד עוצמות החלקיקים העלומות הקירות המובילות לטעויות מדידה. פרופיל קיר הרגיל של מהירות ממוצעת streamwise מחושבת לפי ממוצע עלילת וקטור אנסמבל-הממוצעים לאורך השורות (בכיוון אופקי) הוא זמם באיור 6. הקו השחור המוצק הפרופיל הממוצע הצפוי streamwise המהירות לייגן-Poiseuille (מינרית צינור) תזרים לתנאי הניסוי שניתן. ההסכם בין מדידות EPIV והפרופיל הצפוי Hagen-Poiseuille הוא טוב ביותר בסמוך לאמצע הצינור וגרוע ליד קירות הצינור, עם הסטיות הגדולות המתרחשות בסמוך לקיר העליון. אנחנו כרגע עובדים על שיטות להפחתת השתקפות אולטרסאונד והשביר בקיר הצינור ולשפר את המידות ליד קיר EPIV.
F igure 1. סכמטי של מערך הניסוי. משאבת האקווריום מניעה את הנוזל (זרע עם 10 מיקרומטר microspheres זכוכית) במערכת צנרת לולאה סגורה. בדיקת אולטרסאונד ליניארי מודבק החיצוני צינור הקיר ומעבירה גלי אולטרסאונד דרך הצינור ומקבל הדים משתקפים מ10 מיקרומטר microspheres הזכוכית וקירות הצינור. מכשיר אולטרסאונד מעבד את גלי אולטרסאונד משתקפים ליצור תמונת אולטרסאונד B-mode. את תמונות אולטרסאונד B-mode מיוצאות למחשב פועל תוכנת PIV מסחרית.
איור 2. תמונת אולטרסאונד גלם B-מצב של זרימת צינור. הלהקה בעצמה הגבוהה של קווים בחלק העליון והתחתון של התמונה מתאימה לדפנות הצינור וellipsoids הפנים לקיר מתאים ל10 מ 'microspheres הזכוכית החלולה.
"תמיד"> 
איור 3. עלילת וקטור מיידית מראה חצי וקטור כל עמודה רביעית. המפה הטופוגרפית צבע הרקע מתאים לגודל מהירות. D הוא קוטר הצינור, x הוא עמדת streamwise נמדדת מכניסת הצינור, וד הוא עמדת רדיאלי נמדדה מהקיר העליון.
איור 4. עלילת וקטור ממוצע אנסמבל ממוצע מעל 1000 חלקות וקטור EPIV מיידיות. העלילה מציגה וקטור וקטורי מהירות כל עמודה רביעית, והמפה הטופוגרפית צבע הרקע מתאימה לגודל מהירות. עולה בקנה אחד עם זרימת צינור, נקודת וקטורי המהירות בstreamwise direction, המהירויות הגדולות להתרחש באמצע הצינור, ואת המהירויות להקטין לאפס את קירות הצינור.
איור 5. עלילת קונטור של המהירות הממוצעת-מרובעת שורש (RMS) תנודות מחושב מעל 1000 חלקות וקטור EPIV מיידיות. בזרימת האגן-Poiseuille, התנודות המהירות RMS לספק מידת רעש במדידות EPIV.
איור 6. ניסוי נמדד אומר פרופיל המהירות streamwise מחושב משדה וקטורי אנסמבל-ממוצעי EPIV מוצג באיור 4. הקו השחור המוצק הוא תיאופרופיל צפוי retically לזרימת האגן-Poiseuille עם אותו קצב זרימת הנפחית כפי שנמדדו בניסוי. עמדת רדיאלי נמדדה מאמצע הצינור הוא כונה על ידי R, שם הקיר העליון המתאים לR / D = -0.5. הבדלים בין הפרופיל הניסיוני ואת הפרופיל הצפוי להדגים את הקושי במדידות ליד קיר EPIV.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
הפרוטוקול פועל velocimetry מערכת הד חלקיק תמונה (EPIV) מסוגלת לרכוש שדות דו ממדים של מהירות בנוזלים אופטיים אטומים או באמצעות גיאומטריות אופטיות אטומות תואר. יישום מעשי של EPIV מותאם היטב לחקר מערכות זרימה תעשייתיות וביולוגיות, שבו זרימת נוזלים אטומים מתרחשת ביישום רב מאוד. המערכת המסוימת שהוצגה כאן נבנתה בכוונה כדי ללמוד את תכונות הזרימה של נוזלים ביומסה נוזליים המשמשים בייצור של אתנול lignocellulosic. את היכולות של EPIV הודגמו באמצעות מדידות מייצגות בזרימת צינור. בפרט, מתכוון ופרופילי מהירות RMS חושבו משדות EPIV וקטור, זרימת האגן-Poiseuille (עלעלים) צינור הוצגה להיות מדידים וכמותיים. המגבלות של EPIV הן שיעורים הנמוכים מיסוד המסגרת (מוגבל על ידי יכולות ההדמיה של מערכת אולטרסאונד המסחרית) ורזולוציה מרחבית נמוכה, whicשעות מגבילות את טווח מהירויות והתנהגות זרימה ארעית שניתן למדוד. לבסוף, למרות שיש לנו שאפינו להפוך את המאמר עצמאי, מדריכים למשתמש למכונה המסחרית אולטרסאונד 7 ותוכנת PIV 8 יש להתייעץ לשלמות. הקורא נקרא גם 9 ו 10 לסקירה מקיפה של יסודות הדמית אולטרסאונד וvelocimetry תמונת חלקיק, בהתאמה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
סופרים אין לי מה לחשוף.
Acknowledgments
החוקרים מכירים תודה תמיכה על ידי הקרן הלאומי למדע, CBET0846359, מענק צג הורסט הנינג החורף.
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).
