Summary
Optik opak sıvılar veya optik opak geometrileri vasıtasıyla hızının iki boyutlu alanları edinme yeteneğine sahip bir yankı parçacık görüntülemeli hız (EPIV) sistemi tanımlanmakta olup, boru akışı validasyon ölçümleri bildirilmiştir.
Abstract
Kütle, momentum ve akışkan enerji nakil sonuçta akışkan hızı alanın zamanmekansal dağılımları ile belirlenir. 1. Sonuç olarak, anlayış için bir önkoşul, tahmin, ve sıvı akışını kontrol ile hız alanı ölçmek için yetenektir mekansal ve yeterli temporal çözünürlük. 2 optik opak sıvılar veya optik opak geometrileri vasıtasıyla hız ölçümleri için, partikül görüntü velosimetri (EPIV) hızı "anlık" iki boyutlu alanları oluşturmak için çekici bir tanı yöntemidir echo. Bunda 3,4,5,6 kağıt, Hagen-Poiseuille içinde işletim yazılımı 8 açıklanan ticari parçacık görüntülemeli hız (PIV) çalıştıran bir PC ile ticari bir tıbbi ultrason makinesi 7 bütünleştirerek inşa EPIV sistemi için protokol ve validasyon ölçümleri (yani, laminer boru) akımı bildirilmiştir .
EPIV ölçüm içinments, tıbbi ultrason makineye bağlı olan bir faz dizi sonda farklı zamanlarda piezoelektrik elemanlarının darbe sonda ile bir iki boyutlu bir ultrason görüntüsü oluşturmak için kullanılır. Her prob elemanı sıvı içine ultrason darbe iletir ve sıvı (doğal ya da numaralı seribaşı olarak) tracer parçacıkları geri onlar kaydedilir prob ultrason ekoları yansıtmaktadır. Iletim için göreli yansıyan ultrason dalgaları ve zaman gecikmesi genlik B-mod (parlaklık modu) iki-boyutlu görüntü ultrason olarak bilinen oluşturmak için kullanılır. Spesifik olarak, zaman gecikmesi sıvı içinde çalısılan konumunu belirlemek için kullanılır ve genlik çalısılan için yoğunluk vermek için kullanılır. Tek bir B-mod görüntü, t, elde etmek için gerekli süre, faz dizi sonda bütün elemanları pulse almak süre ile belirlenir. Birden B-mod görüntü, saniye başına kare sistemin kare hızı (fps) = 1 / & de edinmek içinLTA, t. (Ultrasonografi bir inceleme için 9'a bakınız.)
Tipik bir EPIV deneme için, kare hızı 20-60 akış koşullarına bağlı fps, akış izleyici parçacıkların mekansal dağılımının 100-1000 B-mod görüntüler arasında elde edilir. Bir kez satın, B-mod ultrason görüntüleri PIV ticari yazılım çalıştıran bilgisayara ethernet bağlantısı yoluyla iletilir. PIV yazılım, izleyici partikül yer değiştirme alanları, D (x, y) [piksel] kullanarak, (burada x ve y sırasıyla, ultrason görüntüsünde yatay ve dikey mekansal konumunu ifade) art arda ultrason çapraz korelasyon algoritmalar uygulanarak elde edilen B- modunu görüntüler. 10 hız alanları, u (x, y) [m / s], görüntü çiftleri arasındaki zaman adımı bilerek, deplasmanlar alanlardan belirlenir, DT [s] ve görüntü büyütme, M [metre / piksel ], yani, u (x, y) = MD (x, y) / DT. Zaman adım between görüntüleri AT = 1/fps + D (x, y) / B, B [piksel / s] ultrason probu görüntünün genişliği boyunca süpürmek için geçen süredir. Bu çalışmada, M = 77 [um / piksel], fps = 49.5 [1 / s] ve B = 25047 [piksel / s]. Bir kez alınan, hız alanları ilgi akış miktarları hesaplamak için analiz edilebilir.
Protocol
1. Bir Ölçülebilir Akış oluşturma
- EPIV validasyon ölçümleri, gliserin su solüsyonu (-% 50 su% 50 gliserin) boru akış gösterilecektir. Deneysel bir düzeneğin şematik Şekil 1 'de gösterilmiştir.
- 10 mikron bir nominal çapa sahip içi boş cam küreler milyon başına yaklaşık olarak 17 ağırlık parçalar arasında bir konsantrasyonda sıvı ilave edilir. Içi boş cam küreler ultrason kontrast maddeler olarak hizmet, ve bunların büyüklüğü ve yoğunluğu onlar pasif sıvı akışını izleyin şekilde seçilir. 10.
- Sabit voltaj, bilinen bir akış hızı tanıtmak için pompa ile beslenir. Akış hızı U boru ortalama hız U << ΔX / Dt, ΔX EPIV ölçüm hacminin doğrusal uzunluğu ve Dt görüntüleri arasında zaman adımı, yani olduğu gibi seçilir, akış gerekirse ultrason sy fps göre "yavaş"kök. 3
2. Ultrason kalibre
- Dış boru duvara ultrason probu monte edin. Topikal jel, su bazlı, sonda yüz ve boru duvarı arasında ultrason huzmesinin transmisyon kaybını en aza indirmek için, ultrason prob uygulanır.
- Ultrason makinesi açın. Ultrason görüntüleri canlı akışı tüm sistemleri yük bir kez otomatik olarak başlar.
- Ultrason makinenin kontrol panelindeki Derinlik Kontrol düğmesini kullanarak görüntü derinliği ayarlayın.
- Ultrason makinenin kontrol panelindeki 2B Kazanç düğmesini kullanarak toplam resim kazancı ayarlayın.
- Boru duvarları saçılma inceltmek ve ultrason sinyal derinliği ile ilgili zayıflama telafi etmek için Zaman Kazanç Tazminat (TGC) kaydırıcıları ayarlayın.
- Resim genişliği, odak, prob işletim frekans, ve kare hızı atanabilir kontrol düğmesi kullanılarak ayarlanır. BunlarKontrol panelinin sol üst köşesinde bulunan dört düğme, sistem çalıştığı moduna göre değişir. 2B modunda (halen kullanılan gibi), sol-sağ düğmeleri sırasıyla genişliği, odak, frekans karşılık, ve kare hızı. Ultrason görüntüleme 9 temel ilkeleri sayesinde, bu dört parametre doğal birleştiğinde unutmayın. Sonuç olarak, belirli bir ultrason resim taraması için (yani, bir EPIV deney) mekansal ve zamansal çözünürlük arasında bir trade-off vardır.
- 10 mikron içi boş cam küreler ile tohumlanan boru akış temsilcisi ultrason görüntüsü için Şekil 2'ye bakınız. Sınırlı yanal çözünürlüğü nedeniyle, cam küreleri yanal yönde sürülür dikkat ediniz ve görüntü olarak elipsoid gibi görünür.
3. Veri Toplama
- Yeni bir deneme başlatmak için ultrason kontrol panelinde Yeni Sınav düğmesine basın.
- Bir oluşturmaSoyad ve Ad ve Hasta ID testi sayısında bugünün tarihi Boru Akış girerek yeni bir "hasta".
- 1000-1500 görüntüler arasındaki önceden ayarlanmış maksimum Yeni bir tarama döngüsü başlar sonra, ulaşana kadar "hasta" oluşturulmasını takiben, bir ultrason taraması başlar. Ultrason kontrol paneli üzerindeki Freeze tuşuna iki kez basıldığında görüntülerin maksimum preset numarasını ulaşan zaman önce de tarama başlayacaktır.
- Ultrason görüntüleri iyi bir dizi (örneğin, keskin çekirdek tanecik görüntüler ve yeterli tohum parçacık yoğunluğu) elde edildikten sonra, görüntü yakalama durdurmak için ultrason kontrol panelindeki Freeze tuşuna basın.
- Ultrason kontrol panelindeki Cineloop düğmesine basın. Seçmek için sette ilk görüntüyü seçmek için ultrason kontrol panelindeki Lisans düğme kullanılarak analiz edilecek ultrason görüntüleri seti ve son Döngüsü düğmesini seçinsette son görüntü.
- Ultrason görüntüleri seçili kümesini kaydetmek için ultrason kontrol panelindeki Image Store düğmesine basın.
- Ultrason kontrol panelindeki Arşiv düğmesine basın ve Bitiş Sınav seçmek için fare imlecini kullanın. Bu kullanıcının yerel sabit diske kaydetmek için görüntü veya cineloops seçmenizi isteyecektir. Ilgi cineloop (lar) daha sonra sınav çıkın seçin.
- Ultrason kontrol panelindeki Arşiv düğmesine basın ve ilk Daha seçmek için fare imleci kullanın ve ardından Disk yönetimi seçin. Disk yönetimi PIV yazılımı çalıştıran bilgisayara kaydedilen cineloop (ler) yönlendireceğiz.
4. Filetype dönüştürme
- Bir ultrason görüntüsü tıp (DICOM) ultrason makine üzerinde dosya türü bir dijital görüntüleme iletişim olarak depolanır. Açılmış ve PIV yazılım tarafından okunabilir için, DICOM dosyaları resim dosyası için dönüştürülmesi gerekir. Halen,Matlab komut dosyası çalıştıran DICOM2JPG.m DICOM dosyaları Joint Photographic Experts Group (JPEG) dosya türüne dönüştürmek için kullanılır.
- JPEG ultrason görüntüleri ardından LaVision gelen Davis yazılımı kullanılarak analiz edilmiştir.
5. D (x, y) Davis kullanarak Deplasman Alanları, Bilgisayar
- Çift fare PC'de Davis simgesini tıklatın. Yeni Proje'yi seçin. PIV seçin.
- Araç çubuğunda Import Images seçin ve Numaralı Files üzerinden İthalat seçin. Açılan menüde, JPEG ultrason görüntülerin saklandığı klasörü bulun ve çift setinin ilk resmin üzerine tıklayın. Bu, numaralandırılmış kümesindeki tüm ultrason görüntüleri ithal edecek.
- Tipik bir görüntü maskesi işlenecek ultrason görüntüsünü ilgi bölgesi (ROI) izole etmek için tanımlanmış olacaktır. Boru akışı için, maske boru duvarları (yani, sıvı) arasındaki ROI tanımlamak için kullanılır.
- Davis ana kontrol paneline gidin, aktarılan görüntüler içeren Akım Projesi kapsamında bulunan sekmesini seçin ve sekme etiketli Toplu İşleme seçin. Bu ithal ultrason görüntüleri toplu işlem için Davis vektör işleme penceresi sağlar.
- Işlemleri listesinden, PIV-Süresi-serisi ağaç kullanılarak vektör hesaplama parametrelerin seçimi, ve vektör işlem için kullanılacak parametreleri seçin. Bir maskesi kullanıldığı takdirde, kutusu Veri Aralığı onay = vektörü hesaplama parametre menüsünde maskelenmiş alanı kullanabilirsiniz. Vektörü hesaplama parametreleri optimum seçimi akış geometrisi, akış özellikleri, görüntü çözünürlüğü, izleyici parçacık yoğunluğu ve istenilen flow analizi bağımlı olduğunu unutmayın. 10.
Boru akış ölçümleri için, genellikle iyi sonuçlar vermiştir parametreler 32 x 32 piksel, 2 ila 8 x azalan sorgulama boyutu ile çok pasolu vardır% 50 örtüşme ile 8 piksel 2,. Bağıl vektör aralığı kısıtlaması ± Tüm (pencere boyutu / 2) ve mutlak vektör aralığı kısıtlaması ± 5 piksel olarak ayarlandı için kurulmuştur. Son olarak, bir 3 x 3pixel 2 medyan bastırmak ve gürültüyü filtreler vektör alanları düzeltmek için kullanılmıştır. - Toplu işlem ekranının sol tarafında, görüntülerin işleneceği toplam miktarını seçin ve start işleme seçin. Bu çapraz korelasyon algoritmaları kullanarak ardışık ultrason görüntüleri arasında, D (x, y) değiştirme alanı hesaplamak olacaktır.
6. Vektör Alanları Analizi
- Post-processing ve veri analizi için, EPIV vektör alanları. Txt dosyası olarak Davis ihraç edilmektedir. Bu proje ekranında JPEG görüntüsü dalı altında yer değiştirme vektörü dal seçilerek elde edilir. Araç çubuğunda, İhracat sekmesini seçin, dosya türü ASCII seçeneğini seçin. Txt, seçim / bir ihracat klasör oluşturun, bird seçeneğini İhracat.
- Ihraç vektör alanları 00001 ≤ xxxxx ≤ 99999 Bxxxxx.txt, B belirten tamponu ile adlandırılır. Her dosya dört veri sütunları içerir: görüntü vektörünün (1) x-konumu, görüntü vektör (2) y-location, (3) deplasman x-bileşeni (yani streamwise deplasman), (4) Yerinden y-bileşeni (yani, duvar-normal deplasman). Bxxxxx.txt dosyaları ilk görüntü çiftleri arasındaki zaman adımı bilerek, DT [s] ve görüntü büyütme, M [metre / piksel], yani u (x, y, hız alanı hesaplamak için MATLAB açıldı ve işlenir ) = MD (x, y) / DT. Görüntüleri arasında zaman adımı AT = 1/fps + D (x, y) / B, B [piksel / s] ultrason probu görüntünün genişliği boyunca süpürmek için geçen süredir. Bu çalışmada, M = 77 [um / piksel], fps = 49.5 [1 / s] ve B = 25047 [piksel / s]. Sonra, ensemdiğer ilgi akış miktarları arasındaki ble ortalama hız vektör alanları, ortalama hızın duvar normal profillerden, hesaplanır. (Bölüm Temsilcisi Sonuçlar bakınız.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Ani bir yankı Parçacık Hızı (EPIV) vektör alanı Şekil 3 'de gösterilmiştir. Vektör arsa hız vektörleri her dördüncü sütunda gösterir ve arka plan rengini kontur haritası ivme büyüklüğünü karşılık gelir. Bir topluluk ortalaması vektör arsa 1000 anlık EPIV vektör grafikleri üzerinde ortalama Şekil 4'te gösterilmiştir. Boru akışı ile uyumlu olarak, hız vektörleri streamwise yönde öncelikle vardır, büyük hızlar boru merkez meydana, ve hızları boru duvarlarında sıfıra kadar düşebilir. Root-mean-square (rms) ivme büyüklüğünü dalgalanması Şekil 5'te gösterilmiştir. Hagen-Poiseuille akışı, rms hızları aynı sıfır olmalıdır yana, sıfır olmayan rms hızları EPIV ölçümlerde gürültü ölçüsü. Yüksek görüntü üretmek boru duvardan ultrason ışınının güçlü bir yansıma ve kırılma gelen üst duvar sonuçlar yakınındaki yüksek rms değerleri iBu bölgede ntensities (bkz. Şekil 2). Bu yüksek ölçüm hatalarına yol açan duvarlar karanlık partikül yoğunlukları yakınındaki yoğunlukları. Satırlar boyunca topluluk ortalamalı vektör arsa (yatay yönde) ortalamasını alarak hesaplanan ortalama streamwise hızı duvar normal profil Şekil 6 çizilir. Katı siyah çizgi Hagen-Poiseuille (laminer boru) verilen deney koşulları için akışı için beklenen ortalama streamwise hız profilidir. EPIV ölçümleri ve beklenen Hagen-Poiseuille profili arasındaki anlaşmanın büyük sapmalar üst duvar yakınında meydana gelen, borunun merkez yakınında iyi ve boru duvarları yakınında kötüsü. Biz şu anda boru duvara ultrason yansıma ve kırılma azaltmak ve duvar yakınındaki EPIV ölçümleri geliştirmek için yöntemler üzerinde çalışıyoruz.
FŞEKIL 1. deney düzeneğinin. Bir akvaryum pompa kapalı bir döngü boru sistemi içinde sıvı (10 mikron cam mikro kürecikler ile tohumlanan) tahrik eder. Lineer ultrason probu dış boru duvara yapıştırılmış ve borudan ultrason dalgaları iletir ve 10 mikron cam mikroküreler ve boru duvarları yansıyan yankıları kavuşur. Ultrason makinesi bir ultrason B-mod görüntü oluşturmak üzere yansıyan ultrason dalgaları işler. Ultrason B-mod görüntüler ticari PIV yazılımını çalıştıran bir PC ihraç edilmektedir.
Şekil 2. Boru akış Raw ultrason B-mod görüntü. Görüntünün üst ve alt satır yüksek yoğunluklu şerit boru duvarına karşılık gelen ve iç duvara elipsoitler 10 m içi boş cam mikro kürecikler karşılık gelir.
Şekil 3. Vektör okları her dördüncü sütun gösteren bir anlık vektör arsa. Arka plan rengi kontur haritası ivme büyüklüğünü karşılık gelir. D borunun çapıdır, x boru girişinden ölçülmüştür streamwise konum, ve d üst duvar ölçülen radyal konumudur.
Şekil 4. Ensemble ortalama vektör arsa 1000 anlık EPIV vektör grafikleri üzerinde ortalama. Vektör arsa hız vektörleri her dördüncü sütunda gösterir ve arka plan rengini kontur haritası ivme büyüklüğünü karşılık gelir. Boru akışı, streamwise directio yılında hız vektörleri noktası ile tutarlın, büyük hızlar boru merkez meydana, ve hızları boru duvarlarında sıfıra kadar düşebilir.
Şekil 5. Root-mean-square (rms) hız Kontur arsa 1000 anlık EPIV vektör grafikleri üzerinden hesaplanan dalgalanma. Hagen-Poiseuille akışı içinde, rms hız dalgalanmalar EPIV ölçümlerde gürültü ölçüsü.
Şekil 6. Deneysel Şekil 4'te gösterildiği gibi topluluk ortalamalı EPIV vektör alan hesaplanan streamwise hız profilinin ortalama ölçülmüştür. Katı siyah çizgi theo olduğunudeneysel olarak ölçülen aynı debili bir Hagen-Poiseuille akışı için retically bekleniyor profili. Boru merkez çizgisinden ölçülen radyal konum üst duvar r / D = -0.5 karşılık gelen R, ile gösterilir. Deneysel profil ve beklenen profil arasındaki farklar, duvar yakınındaki EPIV ölçümlerinin güçlük göstermektedir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Optik opak sıvılar veya optik opak geometrileri vasıtasıyla hızının iki boyutlu alanları edinme yeteneğine sahip bir yankı parçacık görüntü velosimetri (EPIV) sistemi için işletim protokolü tanımlanmıştır. EPIV Pratik uygulama opak sıvıların akışını pek çok uygulamada oluşur endüstriyel ve biyolojik akış sistemleri, çalışma için çok uygundur. Burada sunulan belirli sistem amaca uygun lignoselülozik etanol üretiminde kullanılan sıvılaştırılmış biyokütle akışkanların akış özelliklerini incelemek üzere yapılmıştır. EPIV yetenekleri boru akışı temsili ölçümleri kullanılarak saptandı. Özellikle, ortalama ve rms hız profilleri EPIV vektör alanlarından hesaplanmıştır, Hagen-Poiseuille (laminar) boru akış ölçülebilir ve ölçülebilir olduğu gösterilmiştir. EPIV sınırlamaları doğası itibarıyla düşük kare hızları (ticari ultrason sisteminin görüntüleme yetenekleri ile sınırlıdır) ve düşük uzaysal çözünürlük, hangi vardırh hızlara ve ölçülebilir geçici akım davranışı sınırlandırır. Biz makalenin kendine yeten yapmak için gayret rağmen Son olarak, ticari ultrason makinesi 7 ve PIV yazılımı 8 için kullanıcı kılavuzları bütünlüğü için danışılmalıdır. Okuyucu da sırasıyla 9 ve ultrason görüntüleme temelleri ve parçacık görüntülemeli hız kapsamlı bir inceleme için 10, denir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa etmek başka bir şey var.
Acknowledgments
Yazarlar minnetle Ulusal Bilim Vakfı, CBET0846359, hibe monitör Horst Henning Winter destek için minnettarım.
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).
