Echo Velocimetria por Imagem de Partículas

Summary

Um eco partícula imagem velocimetria sistema (EPIV) capaz de adquirir bidimensionais campos de velocidade em fluidos opacos opticamente ou através de geometrias opticamente opacas é descrita, e as medições de validação no fluxo do tubo são relatados.

Abstract

O transporte de massa, momentum e energia em fluxos de fluidos, em última análise determinada por distribuições espaço-temporais do campo de velocidade do fluido. ^Uma conseqüência, um pré-requisito para a compreensão, previsão e controle dos fluxos de fluidos é a capacidade de medir o campo de velocidade com adequada espacial e resolução temporal. ² Para medições de velocidade em fluidos opticamente opacos ou através de geometrias opticamente opacos, ecoam velocimetria de partículas de imagem (EPIV) é uma técnica de diagnóstico atrativo para gerar "instantâneas" bidimensionais campos de velocidade. ^3,4,5,6 Neste papel, o protocolo de funcionamento de um sistema de EPIV construída através da integração de uma máquina de ultra-som comercial médico ⁷ com um PC rodando velocimetria de imagem de partículas comercial (PIV) de software ⁸ é descrito, e medições de validação em Hagen-Poiseuille (ou seja, laminar tubo) fluxo são relatados .

Para a medida EPIVmentos, uma sonda de agrupamento por fase ligada à máquina de ultra-som médico é usado para gerar uma imagem de ultra-som bidimensional pulsando os elementos piezoeléctricos de sonda em momentos diferentes. Cada elemento de sonda transmite um impulso de ultra-som para dentro do fluido, e as partículas de marcadores nos fluidos (de ocorrência natural ou semeado) reflectem ecos de ultra-som de volta para a sonda onde são registados. A amplitude das ondas de ultra-som reflectido e seu tempo de atraso em relação à transmissão, são utilizadas para criar o que é conhecido como modo B (modo de luminosidade) imagens bidimensionais de ultra-som. Especificamente, o tempo de atraso é usado para determinar a posição do dispersor no fluido e a amplitude é utilizado para designar a intensidade do espalhador. O tempo necessário para obter uma imagem B de modo único, t, é determinado pelo tempo que leva para pulsar todos os elementos da sonda phased array. Para a aquisição de várias imagens no modo B, a taxa de quadros do sistema em quadros por segundo (fps) = 1 / e delta; t. (Veja 9 para uma revisão de ultra-sonografia.)

Para uma experiência típica EPIV, a taxa de fotogramas é entre 20-60 fps, dependendo das condições de fluxo e 100-1000 B-modo imagens da distribuição espacial das partículas no fluxo de traçadores foram adquiridos. Uma vez adquirido, as imagens de ultra-som modo B são transmitidos através de uma conexão ethernet para o PC rodando o software PIV comercial. Utilizando o software de PIV, os campos de deslocação das partículas de rastreamento, D (x, y) [pixels], (em que x e y indicam horizontal e vertical, a posição espacial da imagem de ultra-som, respectivamente) foram adquiridos através da aplicação de algoritmos de correlação cruzada para ultra-som sucessivo B- Imagens no modo. ¹⁰ Os campos de velocidade, u (x, y) [m / s], são determinados a partir dos campos de deslocamentos, sabendo que o passo de tempo entre pares de imagens, AT [s] e ampliação da imagem, M [metros / pixel ], ou seja, u (x, y) = MD (x, y) / AT. O passo b momentontre imagens AT = 1/fps + D (x, y) / B, em que B [pixels / s] é o tempo que leva para que a sonda de ultra-som para varrer toda a largura da imagem. No presente estudo, M = 77 [um / pixel], fps = 49,5 [1 / s], e B = [25047 pixels / s]. Uma vez adquirido, os campos de velocidade podem ser analisados ​​para calcular as quantidades de escoamento de interesse.

Protocol

1. Crie um fluxo mensurável

1. Medições de validação EPIV será demonstrado no fluxo do tubo de uma solução aquosa de glicerina (glicerina a 50% - 50% de água). Um esquema da montagem experimental é apresentado na Figura 1.
2. Esferas de vidro ocas com um diâmetro nominal de 10 um são adicionados ao líquido com uma concentração de cerca de 17 partes em peso por milhão. As esferas de vidro ocas servem como agentes de contraste de ultra-sons, e o seu tamanho e densidade são escolhidos de tal forma que eles seguem passivamente o fluxo de fluido ^10.
3. A tensão fixa é fornecida à bomba para introduzir um caudal conhecido. A taxa de fluxo é escolhido tal que U << AX / AT, onde U é a velocidade média no tubo, AX é o comprimento linear do volume de medição EPIV, e AT é o intervalo de tempo entre as imagens, isto é, o fluxo necessário "lento" em comparação com o fps do ultra-som syhaste ^3.

2. Calibrar o ultra-som

1. Monte a sonda de ultra-som para o tubo de parede exterior. A base de água gel tópica é aplicada à sonda de ultra-sons para reduzir a perda de transmissão do feixe de ultra-som, entre a face da sonda e da parede do tubo.
2. De alimentação da máquina de ultra-som. A transmissão ao vivo de imagens de ultra-som começa automaticamente uma vez que toda a carga de sistemas.
3. Defina a profundidade da imagem com o botão Controlo de profundidade no painel de controle da máquina de ultra-som.
4. Ajuste o ganho total da imagem com o botão Gain 2D no painel de controle da máquina de ultra-som.
5. Ajuste o tempo ganho de compensação (TGC) controles deslizantes para atenuar dispersão das paredes da tubulação e para compensar a atenuação relacionada profundidade do sinal de ultra-som.
6. A largura da imagem, foco, freqüência de operação da sonda, e taxa de quadros são ajustados usando os botões de controle configuráveis. Estesquatro botões, localizado no canto superior esquerdo do painel de controlo, variam de acordo com o modo em que o sistema está a funcionar. No modo 2D (como utilizado atualmente), a partir da esquerda para a direita os botões correspondem a largura, o foco, freqüência e taxa de quadros, respectivamente. Note-se que, devido aos princípios fundamentais de ultra-som ^9, estes quatro parâmetros são inerentemente acopladas. Consequentemente, para uma dada varredura do ultra-som de imagem (isto é, um experimento EPIV) existe uma compensação entre a resolução espacial e temporal.
7. Ver Figura 2 para uma imagem de ultra-som de fluxo representativo do tubo semeado com 10 um de esferas de vidro ocas. Note-se que, devido à limitada resolução lateral, as esferas de vidro são manchadas na direcção lateral e aparecem como elipsóides na imagem.

3. Coleta de Dados

1. Pressione o botão Exame Nova no painel de controle de ultra-som para começar uma nova experiência.
2. Crie uma"paciente" novo entrando Fluxo de tubulação em Sobrenome e data de hoje, em Nome e o número de teste de ID do paciente.
3. Após a criação do "paciente", uma ecografia começa até o máximo pré-estabelecido entre 1000-1500 imagens é atingido, após o que um laço de digitalização novo começa. Pressionando o botão Freeze no painel de controle de ultra-som duas vezes irá reiniciar a verificação a qualquer momento antes de atingir o número máximo pré-estabelecido de imagens.
4. Uma vez que um bom conjunto de imagens de ultra-som foi adquirido (ou seja, imagens nítidas de sementes de partículas e densidade de partículas suficiente de sementes), pressione o botão Freeze no painel de controle de ultra-som para parar de aquisição de imagem.
5. Pressione o botão Cineloop no painel de controle de ultra-som. Selecione o conjunto de imagens de ultra-som a ser analisado com o botão Primeiro Ciclo no painel de controle de ultra-som para selecionar a primeira imagem do conjunto, eo botão do último ciclo para selecionar oúltima imagem do conjunto.
6. Pressione o botão Image Store no painel de controle de ultra-som para salvar o conjunto selecionado de imagens de ultra-som.
7. Pressione o botão Arquivo no painel de controle de ultra-som e usar o cursor do mouse para selecionar Exame Final. Isso fará com que o usuário selecione as imagens ou cineloops para salvar o disco rígido local. Selecione o cineloop (s) de interesse, em seguida, sair do exame.
8. Pressione o botão Arquivo no painel de controle de ultra-som e usar o cursor do mouse para selecionar primeiro Mais e, em seguida, selecione Gerenciamento de disco. Gerenciamento de disco irá transferir o cineloop salvo (s) para o PC rodando o software PIV.

4. Convertendo Filetype

1. Uma imagem de ultra-som é armazenado como uma comunicação de imagem digital em medicina (DICOM) tipo de arquivo na máquina de ultra-som. De forma a ser aberta e lida pelo software PIV, os arquivos DICOM devem ser convertidos para ficheiros de imagens. Atualmente,DICOM2JPG.m um script de Matlab execução é usado para converter os arquivos DICOM a junta especialistas tipo de grupo de fotografia de arquivo (JPEG).
2. As imagens de ultra-som JPEG são então analisados ​​usando software de LaVision Davis.

5. Computando Campos de deslocamento, D (x, y), usando Davis

1. Do mouse clique duas vezes sobre o ícone Davis no PC. Selecione New Project. Selecione PIV.
2. Selecione Importar imagens na barra de ferramentas, e escolha Importar via arquivos numerados. No menu suspenso, localize a pasta onde as imagens de ultra-som JPEG são armazenados, e clique duas vezes na primeira imagem do set. Isto irá importar todas as imagens de ultra-som neste conjunto numerado.
3. Tipicamente, uma máscara de imagem será definido para isolar a região de interesse (ROI) na imagem de ultra-som a serem processados. Para o fluxo de tubo, a máscara é utilizada para definir o ROI entre as paredes de tubo (isto é, o fluido).
4. Vá para o painel de controle principal em Davis, selecione a aba localizada sob projeto atual que contém as imagens importadas, e selecione a guia processamento em lote rotulados. Isso permite que a janela de processamento vetorial de Davis para processamento em lote das imagens de ultra-som importados.
5. A partir da lista de operações, usando a árvore PIV-Time-Series, selecionar os parâmetros de cálculo do vetor, e escolher os parâmetros a serem utilizados para o processamento vetorial. Se uma máscara é usada, verifique a caixa Intervalo de dados = utilizar a área mascarada no menu vetor de parâmetros de cálculo. Observe que a seleção ideal de parâmetros de cálculo vetor é dependente da geometria de fluxo, propriedades de fluxo, resolução de imagem, densidade de partículas traçador, e análise de fluxo desejado quantitativa. ¹⁰
   Para as medições de fluxo de tubulação, os parâmetros que têm tipicamente produziram os melhores resultados são multipass com tamanho decrescente de interrogação de 32 x 32 pixels x ^2-88 pixel ^2, com uma sobreposição de 50%. Restrição de faixa relativa vetor foi definida para ± tudo (tamanho da janela / 2) e restrição de faixa absoluta vetor foi definida para ± 5 pixels. Por último, um 3 x ² 3pixel filtro mediana foi utilizada para suprimir o ruído e alisar os campos de vetores.
6. No lado esquerdo do ecrã de processamento em lote, seleccione a quantidade total de imagens a ser processadas e seleccionar o processamento inicial. Isto irá calcular o campo de deslocamento, D (x, y), entre as imagens de ultra-som sucessivos usando algoritmos de correlação cruzada.

6. Analisando campos vetoriais

1. Para a análise pós-processamento e dados, os campos de vetores EPIV são exportados como arquivos de Davis. Txt. Isto é conseguido através da selecção do ramo de deslocamento do vetor no ramo de imagem JPEG na tela do projeto. Na barra de ferramentas, selecione a guia de exportação, selecione tipo de arquivo ASCII. Txt, escolher / criar uma pasta de exportação, umad Exportação de seleção.
2. Os campos de vetores exportados são nomeados Bxxxxx.txt, onde 00.001 xxxxx ≤ ≤ 99999, com B tampão denotando. Cada arquivo contém quatro colunas de dados: (1) x-localização do vector na imagem, (2) y-localização do vector na imagem (3), x-componente de deslocamento (isto é, o deslocamento streamwise), (4) y-componente de deslocamento (isto é, a parede do normal de deslocamento). Os ficheiros são abertos Bxxxxx.txt e processadas em MATLAB para calcular primeiro o campo de velocidade, sabendo o intervalo de tempo entre pares de imagens, AT [s] e ampliação da imagem, M [m / pixel], ou seja, u (x, y ) = MD (x, y) / AT,. O passo de tempo entre as imagens AT = 1/fps + D (x, y) / B, em que B [pixels / s] é o tempo que leva para que a sonda de ultra-som para varrer toda a largura da imagem. No presente estudo, M = 77 [um / pixel], fps = 49,5 [1 / s], e B = [25047 pixels / s]. Em seguida, ensemveis médios campos de velocidade de vetor, parede normais perfis de velocidade média, entre quantidades de fluxo de interesse são computados. (Veja Resultados representativos de seção.)

Representative Results

Uma partícula imagem instantânea de eco velocimetria campo vectorial (EPIV) é mostrado na Figura 3. A trama mostra vetor vetores de velocidade a cada quarta coluna, a cor de fundo e mapa de contorno corresponde à magnitude de velocidade. Um conjunto trama vector médio em média mais de 1000 parcelas vetor instantâneos EPIV é mostrado na Figura 4. Consistente com o fluxo de tubo, os vectores de velocidade são primariamente na direcção streamwise, as maiores velocidades de ocorrer na linha central do tubo, e as velocidades de diminuir a zero nas paredes do tubo. A raiz quadrada média (RMS) flutuação magnitude de velocidade é mostrado na Figura 5. Uma vez que no fluxo de Hagen-Poiseuille, as velocidades rms deve ser identicamente zero, as velocidades diferentes de zero rms fornecer uma medida do ruído nas medições EPIV. Os altos valores eficazes perto os resultados de parede superiores de forte reflexão e refração do feixe de ultra-som a partir da parede do tubo, que produzem imagens de alta intensities nesta região (ver Figura 2). Estas intensidades altas perto das paredes intensidades de partículas obscuras que levam a erros de medição. O perfil de parede normal de velocidade streamwise média calculada fazendo a média do lote vector conjunto com média ao longo das linhas (direcção horizontal), está representada na Figura 6. A linha preta sólida é o perfil da velocidade média esperada para streamwise Hagen-Poiseuille (laminar tubo) de fluxo para as condições dadas experimentais. O acordo entre as medidas EPIV e do esperado perfil Hagen-Poiseuille é a melhor perto da linha central do tubo e pior perto das paredes da tubulação, com os maiores desvios que ocorrem perto da parede superior. Estamos atualmente trabalhando em métodos para reduzir a reflexão e refração de ultra-som para a parede do tubo e para melhorar as medições perto de parede EPIV.

Figura 1. esquemática da instalação experimental. Uma bomba de aquário conduz o fluido (semeada com 10 um microesferas de vidro) de um sistema de ciclo fechado de tubulação. A sonda de ultra-som linear é fixada à parede exterior do tubo e transmite as ondas de ultra-som através do tubo e recebe ecos reflectidos a partir de 10 | im a microesferas de vidro e as paredes do tubo. A máquina de ultra-som processa as ondas de ultra-som refletidas para formar um ultra-som de imagem modo-B. O ultra-som modo B-imagens são exportadas para um PC executando o software PIV comercial.

Figura 2. Raw ultra-som modo-B da imagem do fluxo do tubo. A banda de alta intensidade de linhas no topo e no fundo da imagem corresponde à parede do tubo e os elipsóides interior à parede correspondem aos 10 m microesferas ocas de vidro.

Figura 3. Uma parcela vetor instantânea mostrando setas do vetor cada quarta coluna. A cor de fundo mapa de contorno corresponde à magnitude de velocidade. D é o diâmetro do tubo, x é a posição streamwise medido a partir do tubo de entrada, e d é a posição radial medido a partir da parede superior.

Figura 4. Ensemble enredo vetor média média de mais de 1000 parcelas vetor instantâneos EPIV. A trama mostra vetor vetores de velocidade a cada quarta coluna, a cor de fundo e mapa de contorno corresponde à magnitude de velocidade. Consistente com o fluxo de tubulação, a velocidade ponto de vetores na directio streamwisen, as maiores velocidades de ocorrer na linha central do tubo, e as velocidades de diminuir a zero nas paredes do tubo.

Figura 5. Enredo contorno da raiz quadrada média da velocidade (rms) flutuação computados mais de 1000 parcelas vetor instantâneos EPIV. No fluxo de Hagen-Poiseuille, as flutuações de velocidade de rms fornecer uma medida do ruído nas medições EPIV.

Figura 6. The experimental medido, um perfil de velocidade streamwise calculado a partir do campo de vectores conjunto com média EPIV mostrado na Figura 4. A linha preta sólida é o theoTeoricamente perfil esperado para um fluxo de Hagen-Poiseuille, com a mesma taxa de fluxo volumétrico medido experimentalmente. A posição radial medida a partir da linha central do tubo é designado por r, em que a parede superior corresponde a r / D = -0,5. As diferenças entre o perfil experimental e o perfil esperado ilustram a dificuldade de medições quase EPIV parede.

Discussion

O protocolo de funcionamento para um sistema de eco de partícula imagem velocimetria (EPIV) capaz de adquirir bidimensionais campos de velocidade em fluidos opacos opticamente ou através de geometrias opticamente opacas foi descrito. A aplicação prática da EPIV é bem apropriado para o estudo dos sistemas industriais de fluxo e biológico, em que o fluxo de fluidos opacos ocorre em uma grande aplicação muitos. O sistema particular aqui apresentado foi propositadamente construídos para estudar as propriedades de fluxo dos fluidos de biomassa liquefeitos utilizados na produção de etanol lignocelulósico. As capacidades de EPIV foram demonstrados usando medições representativas no fluxo da tubulação. Em particular, média e perfis de velocidade RMS foram calculados a partir de campos EPIV vetor, Hagen-Poiseuille fluxo pipe (laminar) mostrou ser mensurável e quantificável. As limitações da EPIV são as taxas de fotogramas inerentemente baixa (limitada pelas capacidades de imagem de ultra-som do sistema comercial) e resolução espacial baixa, which limita a gama de velocidades de fluxo e de comportamento transiente que pode ser medido. Finalmente, embora temos nos esforçado para fazer o artigo auto-suficiente, os manuais do usuário para a máquina de ultra-som comercial ⁷ e ⁸ do software PIV deverá ser consultado para a completude. O leitor é também referida a ⁹ e ¹⁰ para uma revisão abrangente dos fundamentos de ultra-som de imagem e velocimetria de imagem de partículas, respectivamente.

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